世界优秀男子铅球运动员投掷技术的生物力学分析

杨文学，李铁录，张英波

(北京体育大学，北京 100084)

世界优秀男子铅球运动员投掷技术的生物力学分析

杨文学，李铁录，张英波

(北京体育大学，北京 100084)

通过对运动员技术解析所提供的世界优秀男子铅球运动员的生物力学参数，对运动员的技术进行比较，分析了滑步和旋转推铅球技术之间以及不同旋转技术类型之间所存在的差异。重点研究了铅球本身和运动员身体的加速问题，从而得出了运动员和铅球这一系统的加速到出手阶段铅球最后加速动作序列过程变化特征，为高水平铅球运动员技术训练提供理论依据。

铅球运动员，投掷技术;生物力学

目前，推铅球项目有两种主流技术共同存在，即滑步式和旋转式推铅球技术。在大阪世界田径锦标赛上的前十名运动员中，有六名运动员采用旋转式推铅球技术，其他四名运动员采用滑步式推铅球技术，而且在前三名采用这两种技术的运动员都有。从运动成绩看，虽然这两种技术运动成绩水平相当，但在训练中情况则完全不同。

本研究通过世界田径锦标赛男子铅球决赛选手成绩的生物力学报告数据，对运动员技术进行生物力学分析，并对前三名铅球运动员进行技术比较，分析滑步和旋转技术之间的差异以及铅球本身和人体运动的加速问题。通过分析运动员——铅球系统的加速，直至出手阶段铅球最后加速动作序列过程，找出推铅球运动过程的速度规律，为高水平运动员技术训练提供理论依据。

1 研究对象与方法

1.1研究对象

以国际田联大阪世界田径锦标赛男子铅球决赛前十名选手为研究对象。

1.2 研究方法

数据是在国际田联世界田径锦标赛男子铅球决赛上采集的。对前十名运动员每人的最好一次试掷进行了分析。本届比赛的所有运动员都采用右手试掷。

表1 国际田联大阪世界田径锦标赛男子铅球选手技术生物力学参数(依据IAAF研究报告2008)

1.2.1 拍摄方法

采用两台数字摄像机(索尼HVR－A1J型)记录铅球运动员动作，频率60格/s，曝光时间设置为1/1 000 s。一台摄像机固定于投掷圈后部，另一台摄像机固定于投掷圈右侧。

为了准确分析动作，设置球形参照框架。X轴与投掷方向成一线(指向前方)、Z轴是垂直方向(指向上方)、Y轴与X轴和Z轴垂直(指向左侧)。根据固定在骨盆的身体局部坐标系，计算出躯干扭转和倾斜角度。这些参数分别表明了骨盆转动相对优先于肩轴围绕躯干纵轴的转动，以及躯干在矢状面的倾斜角度。

1.2.2 解析法

建立包括双手、前臂、上臂、脚、小腿、大腿、头和躯干的14环节模型。采用直接线性转换技术(DLT)获得24个点的三维坐标值。采用四阶巴特沃斯低通数字滤波方法进行数据平滑，通过残差分析确定的截断频率为2.4～7.8 Hz。建立控制点坐标中的标准误差是0.006(X轴)，0.004(Y轴)，0.007(Z轴)。采用艾伊等人研发的身体环节惯量参数，计算人体质心位置和身体每个环节的转动惯量。为了对数据进行分析和说明，将推铅球动作分为准备、腾空、过渡和出手几个阶段。

2 结果与分析

2.1 世界锦标赛前十名运动员技术完整技术特征分析

世界锦标赛前十名运动员正式比赛最好的一次试掷出手即刻的铅球状态(表2)可见:正式成绩与出手速度显著相关(r=0.87，p＜0.01)。在前十名运动员中有6人采用旋转推技术，4人采用滑步投技术，表明旋转推铅球技术是目前世界高水平运动员普遍采用的技术姿势。

表2 世界田径锦标赛男子铅球比赛正式成绩和出手速度(依据IAAF研究报告2008)

图1:X－Y平面(俯视图)和Y－Z平面(侧视图)的铅球轨迹。在X－Y平面(右侧4人)，四名滑步推铅球运动员表现出几乎是直线的轨迹。旋转推铅球运动员在前半圈旋转中表现出铅球的环形轨迹。然而，在腾空和过渡阶段，只有史密斯表现出铅球轨迹的“环形”部分。

从图2可以看出前三名运动员的铅球速度都表现出上述典型的时间过程的方式。不管准备方式如何，绝大部分加速度都发生在出手阶段。旋转推铅球运动员在腾空阶段前表现出两个或更多的速度高峰。在两种技术中，在腾空和过渡阶段铅球速度都下降，旋转推铅球与滑步推铅球相比，铅球下降的速度更大。

图1 前十名铅球运动员在X－Y平面和Y－Z平面的铅球轨迹

图2 前三名运动员铅球速度的时间过程(只表明合速度)

图3 从腾空到铅球出手各个动作阶段的时间过程

图3是从腾空到出手的各个阶段的时间过程。滑步推铅球运动员的腾空阶段比旋转推铅球运动员长。在旋转推铅球运动员中，比亚罗没有表现出腾空阶段。旋转推铅球运动员的过渡阶段极其长，滑步推铅球的运动员出手阶段较长。在旋转推铅球运动员中，只有霍法的出手阶段时间与滑步推铅球运动员一样长。

2.2 世界田径锦标赛前三名运动员推铅球技术分析

2.2.1 前三名运动员投掷过程中铅球速度变化分析

前三名运动员的铅球速度的时间过程，质心(CM)的直线动量和角动量见图4。

通过对前三名运动员投掷技术分析发现，霍法和米克尼维奇的合线动量逐渐增加，在准备阶段结束时达到高峰。只有尼尔森在过渡阶段达到高峰。在达到高峰后，直到出手时动量有所下降。霍法合线动量的的峰值(368.9千克米/s)，超过了尼尔森(297.5千克米/s)，甚至也超过了采用滑步技术的米克尼维奇(346.9千克米/s)。相对于在过渡阶段上体的反向动作，尼尔森表现出骤然的动量下降。另一方面，米克尼维奇在准备最后用力的全部过程中，保持了线动量。霍法表现出的形式居于二人之间。两位旋转推铅球运动员在左脚落地前后表现出第二个线动量的高峰。

图4 前三名运动员铅球速度、线动量和角动量时间过程

在准备阶段期间身体重心移动和加速开始时，可以看到线动量各个部分贡献方面的个体差异。两位旋转推铅球运动员在准备阶段的大部分时间内表现出向右的分动量，霍法表现出向前(推球反向)的用力，而尼尔森表现出稍微向后的分动量，而在这个阶段的后半段表现出向下的分动量。米克尼维奇滑步的特征是，开始时表现出向下的分动量，在指导右脚离地之前表现出了向前、向上的分动量。

所有三位运动员的垂直分动量都在腾空阶段之前表现出中等程度的高峰，在出手之前表现出相当大程度的高峰。

2.2.2 前三名运动员投掷过程中身体旋转速度变化分析

三名运动员躯干在矢状面的前后倾斜和扭转角度参数表明躯干相对于水平轴在矢状面内的倾斜角度，以及围绕躯干纵向轴髋轴旋转领先于肩轴旋转的情况，见图5。

在右脚离地之前，两位旋转推铅球运动员主要提高了他们上体围绕身体质心的角动量。在右脚离地之后，他们在整个动作过程中保持了更高水平的角动量，米克尼维奇的与他的线动量相比，角动量较低。只有米克尼维奇在过渡阶段表现出角动量的快速均匀的提高。在准备阶段，霍法保持了由右腿和左腿平衡产生的下肢角动量水平。相比之下，尼尔森右腿的角动量几乎与霍法相同，而他的左腿角动量水平却明显高出许多，相对于下肢角动量的显著高峰，以及全身角动量的提高，而突然增加。

从图5中看米克尼维奇的倾斜角和扭转角左右脚离地前大约100ms逐渐增加。然后躯干倾斜角从水平方向转为垂直方向，在铅球出手前达到高峰。在腾空阶段扭转角达到峰值。霍法和尼尔森以躯干更加竖直的姿势开始他们的旋转。他们的躯干在腾空阶段的大部分时间内前倾，在铅球出手前继续增加并达到峰值，尼尔森与霍法或米克尼维奇相比，在准备阶段前倾程度更大。三位运动员在铅球出手前躯干后倾，直到出手时倾斜角度又产生迅速的反向变化。霍法在右脚离地前躯干扭转角度达到最小值;尼尔森在腾空阶段的晚些时段，躯干扭转角度达到最小值。霍法和米克尼维奇的扭紧动作(躯干扭转角度增加)分别是 121.3°/s和 141.7°/s;尼尔森的躯干扭转角度增加更快，是285.2°/s。躯干扭转程度的反弹动作(打开)，米克尼维奇在腾空阶段开始，而霍法和尼尔森在过渡阶段的前半段就开始了。旋转程度的增加时机与之重合，旋转推铅球技术比滑步推铅球技术更加猛烈。与霍法(190.8°/s)和米克尼维奇(140.8°/s)相比，尼尔森表现出更加剧烈的躯干扭转程度的反弹动作(221.2°/s)。

图5 躯干前后倾斜和躯干扭转角度

2.3 世界田径锦标赛运动员投铅球技术变化的理论分析

2.3.1 前十名运动员铅球运动速度变化的理论分析

在本研究中，旋转推铅球技术在腾空和过渡阶段铅球速度的下降，比滑步推铅球技术更加显著，这与同类研究报告中提出的结果相一致。铅球速度的减慢与右脚落地动作相一致，尤其是在旋转推铅球技术中这个制动动作与上部躯干的向后回转动作相重合，这似乎造成了铅球速度的消散。然而我们也可以观察到角动量和身体环节准备姿势的同时产生。

关于保证铅球的最大加速区间，显然对个子矮的运动员非常不利。有报告指出，冠军霍法的身高是182厘米，也许他是迄今为止在男子推铅球项目世界冠军中个子最矮的。尼尔森和米克尼维奇的身高分别是183厘米和201厘米。旋转推铅球技术更加适合小个子铅球运动员的观点，通过霍法和尼尔森所取得的成绩得到证实。然而，他们出色的投掷技术也是他们取得成功的关键因素之一。

由于铅球加速的绝大部分是在出手阶段获得的，所以之前各个阶段的目标应该是保证获得最大最后加速的最佳条件。最后用力动作中的身体姿势和肌肉用力状态很重要，运动员——铅球系统的能量储备也是关键。在过去的研究中，即使在腾空和过渡阶段，研究者的注意力也是主要放在铅球自身的加速上，卢萨农等人(LUHTHANEN et al.)指出，需要在腾空阶段取得铅球速度的增加。从减少铅球速度损失的观点出发，科和斯图艾克(COH＆STUHEC)建议使腾空阶段更短。但很难取得关于如何保证加速能量的论据。虽然少数研究者提到运动员——铅球系统动量的重要性，我们仍然没有找到说明这个问题的实验研究结果。

2.3.2 前三名运动员运动系统速度变化的理论分析

通过分析前三名奖牌获得者的系统加速，我们看到采用滑步推铅球技术的米克尼维奇依靠线动量为整个系统积蓄能量。而霍法也表现出与米克尼维奇相同水平的最大合线动量。这提示我们线动量和角动量都是重要的，即使在旋转推铅球技术中情况也是如此。两位采用旋转推铅球技术的运动员都表现出比米克尼维奇更高的角动量。

霍法从有效地把体重移到投掷方向，到推动身体离开地面的过程中，产生了更高的线动量。然后，从准备阶段直到铅球出手他技巧性地抑制了所获得的动量的损失。两位采用旋转式推铅球技术的运动员在左脚落地前后表现出第二个线动量的高峰。这似乎与过渡阶段左腿的摆动有关。事实上，具有显著第二个线动量高峰的尼尔森，也具有左腿剧烈大半径摆动的动作特征。

从各个分动量的时间过程来观察，我们看到采用旋转推铅球技术的运动员，在准备阶段后半段之后表现出来的更高角动量，似乎与下肢动作有关。尤其是尼尔森在整个准备阶段保持了更高的角动量。在过渡阶段，他表现出线动量的明显消散，与之相反，角动量却增加了。这似乎与过渡阶段左腿的剧烈摆动密切相关。从右脚落地之前，直到过渡阶段，躯干较深的前倾角度，似乎保证了左腿大半径、大幅度的鞭打动作。这说明，腿部动作保证了动量从腿部向躯干的转移;下肢角动量的急剧增加，保证了形成躯干扭紧的结果。事实上，尼尔森躯干扭紧的速度，超过霍法和米克尼维奇两倍以上。这个扭紧动作，就保证了在最后推球动作之前，拉长腹部和背部肌群，并且在最后的出手阶段过程中保证了躯干上部的猛烈转动动作。与霍法和米克尼维奇相比，尼尔森似乎更多依赖于躯干的扭紧动作。可以推断，尼尔森在很大程度上积极地利用了躯干肌群的拉伸—缩短周期。他左腿的显著大半径转动，似乎是他的猛烈躯干扭紧动作的动能来源。

旋转推铅球技术在角动量和侧向加速度的参与方面具有优势，但在协调身体平衡方面，却是它的劣势。霍法投掷圈后部直到出手点，通过身体质心的持续直线加速，减小了二者之间的抵消作用。与滑步推铅球技术相比，身体的角动量也没有损失很多。事实上，他的线动量所达到的水平，不仅超过了尼尔森，令人吃惊的是，也超过了采用滑步推铅球技术的米克尼维奇。

出手阶段的躯干后倾是骨盆的前送动作造成的，但在接近铅球出手时，这个动作迅速得到逆转。这说明，躯干在前后方向上的转动，与线速度的传递和躯干扭紧姿势的放开动作一起，共同加强了最后的推球动作。

3 结论

1)铅球成绩与铅球出手速度显著相关。一些成绩的起伏可能与其他因素，如铅球出手的角度和位置相关。铅球出手速度是决定成绩的主要因素，一切成绩的起伏可能与出手角度和出手时的身体姿势等因素有关。

2)在系统加速方面，即使旋转推铅球技术本身也存在各种技术类型:霍法在很大程度上利用了身体的线动量和角动量，相比之下，尼尔森似乎把重点放在利用角动量。采用滑步推铅球技术的米克尼维奇，从开始滑步推动身体直至最后推球动作之前，都保持了较高水平的全身线动量。

3)旋转推铅球技术在角动量和侧向加速度的参与方面具有优势，但在协调身体平衡方面，却是它的劣势。

4)铅球速度本身不足以说明加速过程。在旋转推铅球技术的腾空和过渡阶段，即使铅球速度存在显著下降，仍然能够获得或保持全身的动量。这说明运动员——铅球系统的加速，是保证铅球出手动作能量来源的关键因素。我们可以提出，为铅球出手动作进行准备的目的是加速整个身体，保证最佳的身体用力结构，而不是只加速铅球本身。

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［3］王法祥，赵伟科，李 云．肱三头肌肌纤维组成及其力量产生和推铅球成绩的相关性研究［J］．沈阳体育学院学报，2009，28 (4):61－64．

［4］白光斌，龚 锐．张榴红背向滑步推铅球技术动作的速度节奏研究［J］．西安体育学院学报，2003，20(1):73－76．

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［6］范秦海．对我国新老两代女子铅球运动员最后用力技术的对比分析［J］．北京体育大学学报，2006，29(11):1572－1573．

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Biological Mechanics Analysis of Shot Put Technology of the World Outstanding Male Shot-putter

YANG Wenxue，LI Tielu，ZHANG Yingbo
(Beijing Sport University，Beijing 100084，China)

The research’s goal is providing biological mechanics technical parameter for the world outstanding male shot athlete by studying the athlete’s technology．Through the comparison of athlete’s technology，it analyzes the technical difference between slides step and the revolving shot，as well as the difference between different revolving technology types．Through studying the shot itself and the athlete body’s acceleration question，it analyzes from the system’s acceleration about athlete and the shot system to action process which is final accelerate of the getting rid stage，thus puts forward theoretical basis for the technical training of．

shot-putter;shot technology;biomechanics

G804.6

A

1004－0560(2012)04－0071－05

2012-04-11;

2012-06-26

国际田联2008年新研究课题。

杨文学(1955－)，男，副教授，学士，主要研究方向为体育教育训练学。

责任编辑:刘红霞

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