孙杨备战伦敦奥运会转身技术改进与优化的生物力学研究

张 跃，李建设，杨红春，应春意

1 前言

竞技游泳由出发、途中游、转身及冲刺到边4个环节组成。国际国内研究资料表明，游泳竞赛成绩主要由途中游速度决定，但转身环节的重要性及相关研究历来受到关注［18，22，23］。Thayer和 Hay于1984年 用12只 计 时 器 和 秒表记录分析短池游泳比赛中转身时间占总成绩的比例，结果表明，50m自由泳转身占比为20.5%，而1000m自由泳则高达36.5%［22］。

转身在长池游泳比赛中同样重要。Raul等对1992年巴塞罗那奥运会多名游泳运动员的技术分析表明，100m和200m自由泳项目转身成绩与总成绩之间高度相关［20］。Chatard等对2000年悉尼奥运会200m游泳项目半决赛、决赛运动员的多项技术指标分析研究结果也同样表明，决赛成绩与3次转身的速度相关［11］。Chow等不仅发现转身时间正相关于项目用时，且运动员转身熟练程度随项目长度的增加而越发重要［12］。

对游泳转身时间（round-trip time，RTT）的测量一直缺乏统一标准，使不同研究之间的比较变得困难。触壁前和离 开 池 壁后 2.5m［7，8，13］、5m［9，10，13，14］、7.5m［15，19，23］以 及 触壁前3m离壁后6.5m［22］的总用时，被不同研究者采用作为转身时间（RTT）指标，其中，前后5mRTT（即转身10m时间）多被用作标准，因为它既代表了分段长的20%，也缘于仰泳转身标志线的存在而易于测量。近年来，我国游泳科研界对转身总体效果评价指标采用触壁前5m及离壁后10m时间，即“转身15m时间”，该定义综合兼顾测量分析的可操作性和蹬壁滑行的效果，故在重大游泳比赛技术解析时统一采用“转身15m 时间”评价指标［2，5，6］。

国内、外研究自由泳转身技术的方法主要以摄影摄像分析为主［1，5，8，15］，也有研究者采用水下测力台与摄像同步测量分析方法。Blanksby等1996年为研究澳大利亚国家队自由泳运动员预测50m短池项目用时最权重因素，使用安装在转身池壁的测力台与水下摄像同步测量3次50 m全力游时动力学、运动学及形态学变量，结果发现，转身5m时间对预测女子运动员50m项目成绩最具权重［10］；Lyttle等在2000年应用水下摄像和水下测力台研究转身过程的生物力学特征，认为低峰阻力、高峰推力使得蹬离速度加快［16］；Roesler在2002年应用水下测力台专门研究转身环节的动力学特征［21］；Blanksby等在2004年亦采用水下测力台做过同类研究，结果显示，垂直蹬力分量对加快转身有正向效应［7］。国内研究则主要以摄像分析研究运动学指标为主，至今未见结合水下动力学测量分析的研究报道。

孙杨是近几年中国男子游泳项目备受关注的优秀运动员，其训练水平和大赛成绩自2009年始逐渐展露实力。2011年7月上海世界游泳锦标赛孙杨以14:34.14的成绩获1500m自由泳金牌并破世界纪录；400m自由泳3:43.24获银牌，与金牌成绩3:42.04仅差1.20s。此次世界游泳锦标赛的出色表现，基本奠定了孙杨在中长距离自由泳项目上国际赛场的相对优势。

生物力学长期跟踪研究的资料显示，孙杨的相对不足表现在转身环节，如上海世界游泳锦标赛400m自由泳决赛中孙杨以3:43.24成绩获银牌，其转身15m时间却名列第七，较转身最快者法国运动员阿格内尔（AGNEL Yannic）慢1.58s，两者分别为55.14s和53.56s，平均每次转身孙杨慢0.226s。因此，应用生物力学理论和方法，针对性研究孙杨转身技术的改进与优化，成为意义重大的课题之一。

2 研究对象和方法

2.1 研究对象

孙杨，男，1991年生，身高1.98m，体重89kg，训练年限10年。伦敦奥运会拟参加项目200m、400m、1500m自由泳、4×200m自由泳接力，主管教练员朱志根。

2.2 研究方法

2.2.1 运动学指标摄像分析方法

2.2.1.1 转身技术动作水上水下拍摄及图像采集方法

采用多台不同型号25fps、30fps常速摄像机，根据教练员针对孙杨转身技术改进与优化对运动学指标的跟踪分析要求，水上拍摄分为主光轴与运动方向垂直定点定焦或平移拍摄；主光轴追随运动员跟踪拍摄。水下拍摄采用与计算机相连接的便携式防水摄像头，正侧面跟踪拍摄转身过程的技术动作，由计算机专用软件采集水下技术动作视频。

2.2.1.2 数据解析方法及指标选择

数据解析与分析软件为SIMI MOTION 7.5版、DARTFISH 3.0版。解析频率25fps拆为50场／s；30fps拆为60场／s。与本研究相关的运动学指标选择如下:

转身15m时间:触壁前5m至离壁后10m时间间距，单位:s；

触壁时间（Wall Contact Time，WCT）:触壁至蹬离时间间距，单位:s；

转身动作时间:开始团身翻滚时刻至足蹬离池壁时间间距，单位:s；

髋关节角度:躯干与大腿夹角，单位:度；由肩、髋、膝三关节点解析确定（图1示）；解析髋关节角度时数据平滑采用10Hz低通滤波；

髋关节角速度:由髋关节角度对时间微分计算获得，单位:度／s；解析髋关节角速度时采用3Hz低通滤波。

2.2.2 转身蹬壁专项力量水下测量与水下摄像解析同步分析方法

将防水材料密封的RScan-7压力测试板安装在游泳池壁适合孙杨转身蹬壁处（图1），并进行校准标定。

图1所示的方法可在不影响孙杨正常训练节奏和技术状态的前提下，测量转身蹬壁过程足与测力板之间的作用力—时间曲线。采样频率250Hz，分辨率8bit。主要观测指标为压力分布、最大压力、冲量（力—时间曲线积分值）、蹬壁时间等。

图1 本研究转身蹬壁专项力量测量仪器RScan-7（左）及水下安装（右）示意图Figure 1.Underwater Force Plate Measurement Apparatus RScan-7（left）and Installation（right）

水下拍摄视频图像可判断脚掌接触压力板及蹬离时刻，压力板则记录运动员蹬壁作用力—时间曲线。通过特征视频对应压力曲线判断与转身专项技术和力量相关的重点特征时刻，运动学和动力学数据可同步分析。

在孙杨2011年5月—2012年伦敦奥运会前的备战训练期间，根据教练员的需求和本项目的研究计划，通过水上多机位摄像解析运动学指标，水下摄像解析与测力同步测量与分析，针对孙杨转身技术的改进与优化进行跟踪研究与攻关。

3 孙杨转身环节主要技术问题测试分析结果

2011年5月～11月备战训练期间，应用转身蹬壁专项力量水下测量与水下摄像解析同步分析方法（见2.2.2所述），在孙杨专项训练的不同阶段多次进行蹬壁专项力量和转身技术特征分析，结果表明，孙杨转身环节具有明显重复性的技术问题，表现为如下两方面:

3.1 孙杨转身过程团身速度较慢、幅度过小

国家游泳队备战伦敦奥运会朱志根组重点运动员中的另一名自由泳运动员李昀琦，训练和比赛的转身环节技术表现明显优于孙杨。本研究以完全相同的测试分析方法对孙杨和李昀琦的转身技术特征进行对比分析，结果显示，孙杨转身动作时间为1.08±0.05s（n＝5，下同），李昀琦仅用0.95±0.02s，P＜0.05；孙杨转身时髋关节折叠至最终位置的角度为48.1°±1.0°，远高于李昀琦的29.0°±1.3°（图2），P＜0.01；孙杨转身屈髋过程中的最大角速度为258±1.8°／s，李昀琦为355±4.4°／s，P＜0.01；孙杨伸髋过程中最大角速度为260±3.5°／s，李昀琦为286±5.2°／s（图3），P＜0.01。该结果表明，孙杨虽然总成绩明显好于李昀琦，但转身环节团身速度较慢、幅度过小，其转身技术表现与李昀琦相比差距显著。

3.2 孙杨转身技术动作不够连贯，影响蹬壁发力效果

2011年夏训期间，孙杨几乎每次转身水下蹬壁专项力量测试都出现明显的“压力空缺”。图4列举了其中4次测试结果，其触壁时间平均为350±8.2ms，“压力空缺”平均为67.5±17.1ms，该结果可判断孙杨转身蹬壁发力过程中有瞬间停顿和调整。孙杨转身过程髋关节角度变化中也有明显“停顿”现象（图5），转身动作不够连贯。压力板测试与运动学解析同步分析结果表明，髋关节角度变化的“停顿”现象与压力板测试的“压力缺口”相吻合。

图2 本研究孙杨与李昀琦转身过程髋关节角度对比图Figure 2.Hip Joint Angle of Sun and Li during Flip Turn

图3 本研究孙杨与李昀琦转身过程髋关节角速度对比图Figure 3.Hip Joint Angular Velocity of Sun and Li during Flip Turn

图4 2011年5月孙杨转身蹬壁足与压力板作用力—时间曲线，出现明显“压力空缺”图Figure 4.Sun’s Pressure-Time Curve of Wall Hit in May 2011.Remarkable“Pressure Gaps”

图5 2011年5月孙杨转身蹬壁时髋关节角度变化有明显“停顿”图Figure 5.Sun’s Hip Joint Angle of Flip Turn in May 2011.Remarkable“Halts”

4 改进和优化孙杨转身技术的针对性训练方法

基于上述对孙杨转身环节主要技术问题的测试分析结果，教练员对阶段性训练计划的设计与安排进行了针对性调整，将转身技术改进与优化作为孙杨进一步提高成绩的重要“空间”之一。

针对转身环节团身速度较慢、幅度过小的问题，在专项训练中要求孙杨有意识加大团身幅度，加快团身速度。教练员在转身处以“口令”如“快速团身”、“再团紧一些”等，强化孙杨的正确技术意识。专项训练外每周安排2～3次专门性转身训练，不断强化孙杨“快速紧凑”的转身技术。

针对转身技术动作不够连贯，蹬壁发力出现短暂调整的“压力空缺”问题，训练中着重强化团身至蹬壁发力整个技术动作的连贯协调，并通过技术动作跟踪拍摄及水下测力同步测量分析，在训练现场及时反馈孙杨技术改进监测情况，为教练员不断调整针对性训练措施提供依据。

陆上训练则安排针对性的下肢爆发式蹬伸力量训练，以提高蹬壁发力的专项能力。安排适当的核心力量训练，重点突出身体核心部位专项力量的协调发展，为“连贯协调、快速紧凑”的转身技术储备能力。

5 孙杨自由泳转身技术明显改进，效果显著

在2011年5月至伦敦奥运会前的整个备战训练期间，通过上述跟踪测试、分析、建议及教练员针对性强化训练等措施，孙杨自由泳转身技术不断改进。至2012年5月备战伦敦奥运会的关键时期，再次对孙杨转身技术进行专项力量水下测量与水下摄像解析同步测试分析，与2011年5月的测试结果比较，转身动作的连贯协调明显改善，技术表现为髋关节角度变化的“停顿现象”完全消失（图6）；蹬壁发力过程的“压力空缺”完全消失，压力峰值明显提高（图7），蹬壁发力过程的冲量由32.23±12.72N·s／m2提高为168.23±36.63N·s／m2（n＝4），P＜0.01；转身动作时间由1.08±0.05s缩短至1.00±0.02s（n＝5，下同），P＜0.05；触壁时间由350±8.2ms提高为365±12.9ms，无明显变化，P＞0.05；团身幅度明显加大，蹬壁时髋关节角度由48.1°±1.0°减小至35.4°±1.3°，P＜0.01；团身速度也显著提高（图8），屈髋最大角速度由258±1.8°／s提高为294±5.9°／s，P＜0.01；伸髋最大角速度由 260±3.5°／s提高为 282.3±7.5°／s，P＜0.01。

图6 2012年5月孙杨转身蹬壁时髋关节角度变化，“停顿现象”完全消失图Figure 6.Sun’s Hip Joint Angle of Flip Turn in May 2011，No“Halts”

图7 2012年5月孙杨转身蹬壁足与压力板作用力—时间曲线，“压力空缺”完全消失图Figure 7.Sun’s Pressure-Time Curve of Wall Hit in May 2011，No“Pressure Gaps”

图8 孙杨转身过程髋关节屈伸角速度最大值，2012年5月与2011年5月测试结果对比图Figure 8.Comparison of Peak Angular Velocity of Hip Flexion and Extension during Sun’s Flip Turn between May 2012and May 2011

图9、图10汇总了本项目研究组跟踪孙杨3年来参加重大赛事400m、1500m自由泳项目转身15m总时间的变化，其中，2011年上海世界游泳锦标赛孙杨1500m29次转身总时间为232.16s，而伦敦奥运会为230.56s，缩短1.60s；2011年上海世界游泳锦标赛400m自由泳7次转身总用时55.14s，而2012年伦敦奥运会转身总用时为53.86s，缩短1.28s。孙杨转身技术的改进与优化取得非常明显的效果，对伦敦奥运会决赛总成绩的进一步提高贡献显著。

图9 孙杨3年来重点赛事400m自由泳项目转身15m总时间变化图Figure 9.Sun’s RTT15of 400mFreestyle Event in Important Games of Recent 3Years

图10 孙杨3年来重点赛事1500m自由泳项目转身15m总时间变化图Figure 10.Sun’s RTT15of 1500mFreestyle Event in Important Games of Recent 3Years

6 讨论

由于转身技术和效果在竞技游泳中的重要性，因而国内外针对转身过程的生物力学研究随测量仪器和方法的进步而不断创新和细化。以水上水下摄影摄像分析为主要手段的运动学研究，其测量参数扩展至运动员接近池壁速度、折叠指数、触壁时体位、触壁时间、蹬离时体位、脚掌位置、踢腿或划手时机及转身总时间等［20］。Mason和Cossor对悉尼奥运会游泳项目的研究结果表明，水下阶段蹬壁动作在优秀运动员转身表现中最为重要［19］。但对转身蹬壁的动力学测量与分析因水下测试环境带来的困难而甚为少见，国际上也仅有Blanksby等人使用安装在转身池壁的测力台结合摄像分析方法对运动员转身时的动力学、运动学指标进行同步测量分析研究［10，16，21］，而在国内，主要研究手段为文献研究及摄影摄像运动学解析［2，6］。本项目在研究自由泳转身技术时将运动学与动力学测试结合进行同步测量分析，在国内尚属首次。

对自由泳和仰泳转身过程深入细化的研究分析结果显示，较高的折叠指数（Tuck Index）与较快的转身速度正相关，但过高的折叠指数会使腿部力量的发挥受到影响［21］。虽然对折叠指数的研究在转身过程生物力学分析中日趋重要，但在运动训练实践中受客观条件限制使量化测量变得困难。本研究通过水下动作视频解析获得转身过程髋关节角度变化，以反映屈体程度的折叠指数有一定的实战意义。就孙杨而言，蹬壁时髋关节角度由约48.1±1.0°减小至约35.4±1.3°，折叠程度明显改进，进而团身速度以髋关节角速度来观察，也有明显进步。

自由泳项目WCT愈短则转身愈快，因而从方法可行性及实际效果出发，重点考察WCT更具实效性。Wilson认为，合适的蹬壁有利于应用弹性势能［21，24］；Lyttle等在1999年的研究中指出，WCT中“准备”（preparatory）阶段过长会导致转身变慢，而“主动”（active）阶段长则蹬离时速度较高［14］。本研究结果显示，孙杨在转身技术改进与优化过程中WCT变化并不明显，但技术改进后蹬壁发力的“压力空缺”消失，从团身至蹬壁发力整个过程连贯协调，使弹性势能得以充分利用。在WCT稳定且“压力空缺”消失、蹬力峰值提高的条件下，蹬壁发力总冲量明显增大，从动量定理可知，蹬离速度将显著加快。

沈潜在早期分析自由泳转身技术时指出，脚触壁后有较长停顿及蹬边太迟和蹬边无力现象，属自由泳运动员转身技术的“常规缺陷”［4］。本研究应用水下动力学测量发现，孙杨在奥运备战前期蹬壁发力过程出现“压力空缺”，与运动学同步测量髋关节角度变化的“停顿现象”相吻合，使量化分析孙杨转身技术动作的连贯协调对蹬壁发力效果的影响成为可能。基于动力学，运动学同步测量分析结果而发现的问题，具有较为充分的科学依据，对孙杨改进和优化转身技术而提出的建议也具较强针对性。

在2012年伦敦奥运会上孙杨分别以3:40.14和14:31.02的成绩勇夺400m、1500m自由泳金牌并再次打破1500m世界纪录，实现中国男子游泳项目奥运会金牌零的突破，创造了中国竞技体育又一历史辉煌。转身总体效果指标RTT客观反映了孙杨转身技术改进与优化所取得的明显效果，数据分析表明，孙杨伦敦奥运会1500m成绩较2011年世界游泳锦标赛（上海）提高了3.12s，其转身环节贡献过半，缩短1.60s。400m自由泳成绩较2011年世界游泳锦标赛提高3.10s，转身环节贡献1.28 s，对400m项目意义更加重大。

本项目在国内首次应用安装在转身池壁的测力板结合水下摄像解析，对孙杨转身过程的动力学、运动学指标进行同步测量分析研究，不仅对孙杨转身技术改进与优化取得的明显效果有重要意义，而且从方法学上促进了我国游泳项目科学研究和应用水平的进步。可以预见，进一步通过安装采样频率更高、灵敏度更好的测力台在转身蹬壁处，结合高速摄像解析进行动力学，运动学同步测量分析，将成为游泳项目优秀运动员转身技术改进与优化的研究发展方向。

7 结论

1.通过安装在转身池壁的测力板结合水下摄像解析，对游泳转身过程的动力学、运动学指标进行同步测量分析研究，方法可行且有研究和应用价值。

2.备战伦敦奥运会前期，转身过程团身速度较慢、幅度过小及动作不够连贯协调，影响蹬壁发力效果，是孙杨转身技术存在的主要问题。

3.通过本项目跟踪测试、分析、建议及教练员针对性强化训练等措施，孙杨自由泳转身技术不断改进和优化。表现为:动作连贯性明显改善，髋关节角度变化的“停顿现象”完全消失，蹬壁发力过程的“压力空缺”完全消失；蹬壁冲量由32.23±12.72N·s／m2提高为168.23±36.63N·s／m2；团身幅度明显加大，蹬壁时髋关节角度由48.1±1.0°减小至35.4±1.3°；团身速度显著提高，屈髋最大角速度由258±1.8°／s提高为294±5.9°／s，伸髋最大角速度由260±3.5°／s提高为282.3±7.5°／s。

4.转身总体效果指标RTT客观反映了孙杨转身技术改进与优化所取得的明显效果。孙杨伦敦奥运会1500m成绩较2011年世界游泳锦标赛（上海）提高了3.12s，其转身环节贡献过半，缩短1.60s。400m自由泳成绩较2011年世界游泳锦标赛（上海）提高3.10s，转身环节贡献1.28s，对400m项目意义更加重大。

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