高校高水平男子跳远运动员起跳技术的运动生物力学特征研究

戴 铭,孙得朋,牛健壮

高校高水平男子跳远运动员起跳技术的运动生物力学特征研究

戴 铭1,孙得朋2,牛健壮3

(1.南通纺织职业技术学院体育与军事教学部,江苏南通226007;2.西安财经学院体育部,陕西西安710100;3.西安电子科技大学体育部,陕西西安710071)

采用高速摄像机、三维测力台及遥测肌电仪三机同步测试的研究方法,对我国高校优秀跳远运动员起跳技术进行研究,从运动学、遥测肌电以及动力学方面,寻找跳远起跳技术中着地阶段、缓冲阶段和蹬伸阶段三个环节的协调联系及运行规律和不同级别运动员起跳技术各环节之间的差异。主要表现在关节速度及角度的不同,尤其是髋关节角度在缓冲阶段呈现先变大后减小的变化趋势;不同阶段不同肌肉群肌电积分值不同,呈现肌肉兴奋性不同;不同级别运动员同一阶段,测力台受力曲线不同且最大值、最小值也有差异等,为高校高水平运动员的跳远起跳技术的训练及教学提供有价值的参数及测试方法。

起跳技术;三机同步;生物力学特征

1 前言

作者查阅了大量有关文献资料之后发现,到目前为止,国内外学者在该方面的研究大部分都是借助高速摄像或三维测力台或肌电测试仪三种仪器中的两种测试仪器进行分析研究,而采用这三种测试仪器进行“三机同步”测试的研究方法,目前尚未见到。通过三机同步测试研究方法得到的相关数据,经过分析对比,提出相应的对策措施,为进一步完善起跳技术的有关理论,指导训练和教学提供量化指标及理论参数。

2 研究对象与方法

选择陕西师范大学4名优秀男子跳远运动员为研究对象,其平均成绩为7.15m,最高成绩为7.60m,最低成绩为6.70m,因此,本研究所选择的研究对象可以代表目前我国高校高水平男子跳远运动员的正常水平(表1)。

2.2 研究方法

2.2.1 文献资料法 通过查阅、分析国内外相关文献资料,了解目前关于跳远起跳技术的研究现状及理论基础,并对其进行分类整理,对于与本文的研究目的和任务相关的信息作了较为详细的归纳与总结。

2.2.2 测试法 采用芬兰MEGA Electronic Ltd.制造的MEGWIN6000 16通道遥测肌电测试仪对起跳腿、躯干及右侧手臂所测试12块肌肉,按照MegaWin软件所指定的肌肉部位测试、瑞士KISTLER9287C测力台和美国PULNIX高速摄像机。开机后,当高速摄像机、遥测肌电测试仪和三维测力台工作正常时,开启三维测力台中的同步信号发生器,同时触发高速摄像机要捕捉的画面内的同步信号灯及触发遥测肌电测试仪在原始肌电输出曲线上的MARK标记,同时打上MARK标记。测试范围从起跳脚着测力台开始至起跳脚离开测力台瞬间结束。

表1 研究对象基本情况一览表

2.2.3 数理统计法 运动学数据处理:采用日本松井秀治的人体模型,解析时选取人体19个关节点和25个三维参考点(共计34个点),采用美国Ariel公司的APAS运动录像解析系统对动作进行数字化处理。肌电数据处理:用芬兰MEGAWIN公司自带的MegaWin2.4软件进行计算、处理和分析。将数据结果转换并存为“.xls”格式的文件,将数据输入EXCEL软件中,计算各参数值。常规统计学处理:将肌电和摄像系统各自计算、处理和分析后的数据用Microsoft Excel 2003和SPSS 10.0进行平均数、标准差和T检验处理。

3 研究结果与分析

3.1 着地阶段生物力学分析

由表2可知,研究对象中起跳踏板时的速度:一级运动员李*速度为9.58m/s、水平速度为8.90m/s、垂直速度为-0.64m/s;其余二级运动员的平均速度为9.16m/s、平均水平速度为8.43m/s、平均垂直速度为-0.69m/s,其中吴**垂直速度最小为-0.60m/s。由表3可知,研究对象垂直方向的受力最大均值为7035.16N,吴**垂直方向受力最大值为6669.27N,其余三人垂直方向受力最大均值为7157.13N,结合表2研究对象中吴**垂直方向受力情况和垂直方向速度值一致。尽管吴**垂直方向受力最大值和速度值都是研究对象中最小的,造成这方面的原因可能是研究对象吴**下肢力量过于弱小;起跳着地时,一级运动员李*垂直方向受力最大值或速度值都要明显小于二级运动员的均值。由牛顿第三定律可知:两个物体之间的作用力和反作用力,在同一直线上,大小相等,方向相反。由于力是相互的,这样会导致踏板给运动员尤其是二级运动员一个更大的力,而这个力对起跳来说是不利的,说明膝关节、髋关节及踝关节对踏跳瞬间力的缓冲不足,造成这种原因可能是下肢力量不足或起跳技术不规范,有待于进一步提高。

表2 着板时身体重心的水平速度、垂直速度、合速度值(单位:m/s)

表3 起跳腿着板时测力台受力最大时X、Y轴、Z受力值(单位:N(kg·m/s2)

3.2 缓冲阶段生物力学分析

近年来,一些学者开始将卷积神经网络应用于包括计算机视觉、图像识别、自然语言处理等领域,已经产生了与人类专家相媲美并且在某些情况下更优越的结果[8-12]。一个典型的卷积神经网络由多个不同的层,以一定顺序前后级联构成,包括一个输入层,多个卷积层及池化层,一定数量的全连接层和最后一层输出层(损失层)[13-14]。卷积神经网络引入了一种特殊的组织隐层单元的方式——卷积,这使得网络可以很好地对输入数据的局部特征进行抽取。隐层之间局部连接的权重被称为卷积核(卷积滤波器),处于同一层的所有隐层单元共享同一卷积核,因此该层输出的结果即是该卷积核所抽取出的局部特征,也称为特征图[15]。

在缓冲阶段,由于身体重心位于支撑点后上方,这时运动员要及时屈膝、屈踝进行缓冲,同时迅速前移身体,使重心移到支撑点的上方,并为蹬伸开始创造良好的身体姿势。在这一阶段膝关节的缓冲尤为重要,膝关节缓冲效果的好坏一般用膝的缓冲角表示。膝的缓冲角指膝关节由直变曲的度数。由表4可知,研究对象膝的缓冲角均值为21.08°,其中一级运动员李*膝的缓冲角为30.24°,二级运动员膝的缓冲角均值为18.03°。一级运动员膝的缓冲角和二级运动员相比,其值明显大于二级运动员膝的缓冲角。

表4 最大缓冲时起跳腿膝关节、髋关节及踝关节角度值(单位:°)

图1 起跳腿髋关节角度在起跳过程中随时间变化曲线图

由图1可知,起跳腿髋关节角度在缓冲阶段并不是想象中的逐步减小,直至缓冲最大,而是呈现先变大后减小的变化趋势。起跳的瞬间,由于助跑速度的惯性和身体重力的作用,对起跳腿产生巨大的压力,迫使起跳腿膝关节、踝关节快速地弯屈缓冲,以减小由于惯性对地面的冲击力。而髋关节在这一阶段是先增大然后再减小,这种变化有利于身体不至于由于惯性原因而造成躯干前倾,不利于起跳动作的完成。这种缓冲能加速身体重心快速前移,减小起跳腿着地时的冲击力,拉长起跳腿的肌肉,为快速蹬伸创造有利条件。

由图2可知,在缓冲阶段垂直轴即Fz轴受力情况:先急剧上升直至最大,然后再急剧下降,最后在缓慢下降直至最小。急剧上升的原因是因为起跳的瞬间,由于助跑速度的惯性和身体重力的作用,对起跳腿产生了巨大的冲击力,迫使起跳腿对测力台在短时间内急剧上升。急剧下降的原因是由于人体在着地时受到巨大的冲击力即巨大刺激,人体会做出本能反应,为适应能够刺激不至于对身体不利,迫使起跳腿屈膝、屈髋、屈踝以减小冲击力,使人体适应这种刺激;缓慢下降是由于起跳腿积极主动收缩、缓冲造成的,以拉长起跳腿的肌肉,为快速蹬伸创造有利条件。

表5 缓冲阶段所测各肌肉的肌电积分值(单位:uvs)

图2 起跳腿缓冲阶段对地面的作用力随时间变化曲线图

表5可知,这一阶段起跳腿下肢肌肉尤其是小腿肌肉群活动最为活跃,因为这一阶段起跳腿膝关节、髋关节及踝关节角度变化尤为明显,尤其是膝关节的缓冲角最为明显,研究对象的平均值为21.08°,这也和表4中反应的缓冲阶段膝关节角度变化最大一致。

图3 王*(左)和李*(右)起跳缓冲过程中12块肌肉的表面肌电曲线图

图3 可以直观地发现,在整个起跳缓冲过程中除左侧股直肌表现的波形较平缓外,其他11块被测肌肉都表现出持续而强烈的兴奋性,尤其右侧腓肠肌中段表现的格外突出,这一点与这一阶段的动作特征是一致的(表5):由于右腿是起跳腿,在屈膝缓冲阶段,右侧下肢伸肌群一直处于被动拉长状态以抵抗身体下蹲;一级运动员肌肉的兴奋性要明显强于二级运动员,尤其是右腿腓肠肌中段的肌肉兴奋性更明显。另外,一级运动员和二级运动员右侧腹直肌和右侧竖脊肌的兴奋性也不尽一样,一级运动员腹直肌的兴奋性一直增强,而竖脊肌的兴奋性却在一直减弱,二级运动员腹直肌的兴奋性先保持一定的兴奋性,然后却在减少,竖脊肌的兴奋性先增强,然后兴奋性又降低,其余肌肉的兴奋性基本保持相似的变化趋势,这也和这阶段肌肉活动规律一致。

3.3 蹬伸阶段生物力学分析

表6可以发现,研究对象中李*在起跳离地瞬间,其速度为9.19m/s、水平速度为8.34m/s、垂直速度为3.12m/s,其他研究对象的速度均值为8.64m/s,水平速度均值为7.63m/s,垂直速度的均值为2.97m/s。说明李*在保证垂直速度的前提下利用水平速度起跳的能力比其他受试对象要强。

表6 起跳腿离地时重心的水平速度、垂直速度以及合速度值(单位:m/s)

表7 蹬伸阶段各肌肉的肌电积分值(单位:uvs)

由表7可知,在起跳蹬伸阶段躯干肌是最活跃的,尤其是腹直肌,其研究对象平均肌电积分值为131.00uvs,其次是右侧肱三头肌和右侧股直肌,其肌电积分值分别为54.50uvs和59.00uvs,右侧胫骨前肌兴奋性最弱,其肌电积分值为18.00uvs,其余8块肌肉兴奋性较强,肌电积分值基本相当。所测肌群的肌电积分值表现出的不同规律,在起跳蹬伸过程中,腹直肌和右侧股直肌的放电最强,肌肉最兴奋,肌肉的动员程度较高,是主要作用肌肉,而摆动退肌肉全程放电较弱,兴奋性较低,肌肉的动员情况相对较低。其他所测肌肉则表现为积极参与收缩,通过上下肢的配合共同完成技术动作。这一规律说明在起跳蹬伸过程中,躯干肌贡献最大,而起跳腿胫骨前肌和股二头肌及摆动腿股二头肌三块肌肉的放电程度最小,虽然对于整个动作技术的完成是必不可少的,但贡献程度偏低,其他几块被测肌肉则通过适度、积极的收缩配合共同完成蹬伸阶段。

由图4可知,一级运动员和二级运动员肌电图基本一致,如他们的腹直肌和三角肌都表现极为兴奋。这是因为在蹬伸阶段,运动员要维持身体平衡,防止其前倾或后仰,还有为保良好的腾起角和离地角,躯干肌群必须保持强烈的兴奋性;在蹬伸过程中,上肢摆动到最后有强烈的制动,在制动过程中三角肌肌群和上肢肌肉表现出强烈的兴奋。但也有几块肌肉肌电图不一致,如一级运动员右侧腹直肌开始蹬伸时,其肌肉兴奋性极强,但随后兴奋性急剧下降,而二级运动员右侧腹直肌刚开始时其兴奋性一直很强,直到蹬伸快要结束时,才急剧下降;一级运动员右侧臀大肌和股直肌一直保持较强的兴奋性,但二级运动员兴奋性一直很低,这说明二级运动员起跳腿肌肉动员明显要弱于一级运动员,二级运动员下肢力量不足,这也和表8中数据一致。

由图5可知,研究对象(包括一级和二级)垂直方向用力情况是先增大后减小;水平方向受力情况是一直在减小,直到起跳腿离地,这一规律也符合跳远的基本规律。在曲线上升阶段一级运动员要明显快于二级运动员,一级运动员垂直方向受力最大值也要明显大于二级运动员,而水平方向的受力情况却是一级运动员要显著小于二级运动员(表6)。

图4 王*(左)和李*(右)起跳蹬伸过程中12块肌肉的表面肌电曲线图

表8 蹬伸阶段垂直轴受力最大时测力台受力情况及缓冲时最大值出现时间

由表8可知,在这一阶段,研究对象垂直方向受力最大时,一级运动员垂直方向受力要明显大于二级运动员,而水平方向受力正好相反。这可能是影响二级运动员水平速度向垂直速度转化的一个重要因素,造成这种情况的原因可能是:1)水平低的运动员下肢力量过弱。2)二级运动员起跳技术还不够完善,着地阶段对地面过大,而蹬伸阶段对地面的作用力反而又减少。3)起跳腿缓冲时,缓冲不充分,影响了蹬伸效果等。

4 结论与建议

4.1 结论

1)着板阶段,研究对象水平速度均值为8.55m/s,其中一级运动员李*的水平速度为8.90m/s,明显高于研究对象的均值,更高于二级运动员的水平速度,而一级运动员的垂直速度却明显小于二级运动员的垂直速度,这一规律也和测力台测试数据一致,即研究对象垂直方向受力均值为7035.16N,一级运动员李*垂直方向受力为6428.30N,明显小于研究对象的均值,更小于二级运动员垂直方向的受力。

2)缓冲阶段最大缓冲时,一级运动员李*膝关节、髋关节值低于研究对象的均值,更低于二级运动员的相应关节角度;研究对象踝关节角度基本一致。开始缓冲时,研究对象髋关节并没有跟别的关节一起参与缓冲,而是等一段时间后才参与缓冲,其中膝关节缓冲时关节缓冲角最大,这一规律也和遥测肌电测试仪测得数据一致,即研究对象右侧股直肌和右侧腓肠肌兴奋性强,右侧股直肌肌电积分值均值为102.00uvs,右侧腓肠肌肌电积分值均值为91.25uvs。

3)蹬伸阶段,研究对象起跳离地瞬间的速度均值为8.65m/s,一级运动员李*起跳离地瞬间的速度为9.19m/s,明显快于速度均值,更快于二级运动员的速度值。测力台数据:研究对象垂直方向受力均值为3226.32N,李*垂直方向受力为3652.65N,其值明显大于研究对象均值;这时,研究对象水平方向受力均值为562.72N,李*水平方向受力为439.62N,明显小于研究对象均值。遥测肌电测试仪数据:右侧腹直肌兴奋性最强,其值为131.00uvs,右侧股直肌次之,其值为59.00uvs,右侧胫骨前肌最小,其值为18.00uvs,其余肌肉表现较为兴奋。

4.2 建议

1)重视运动员起跳腿下肢肌群尤其是股直肌和躯干肌群中的腹直肌力量训练的同时,也要兼顾摆动腿和上肢肌群的力量训练,使其均衡发展。

2)增加膝关节快速用力退让式收缩和克制性收缩力量训练,以改善起跳缓冲和蹬伸的效果,提高运动成绩。

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Characteristics of Sports Biomechanics on Take-off Technique on Topnotch Men’s Long Jump Athlete in Colleges

DAI Ming1,SUN Depeng2,NIU Jianzhuang3
(1.Faculty of Sports and Military,Nantong Textile Vocational Technology College,Nantong 226007,Jiangsu,China;2.PE Department,Xi’an University of Finance and Economics,Xi’an 710100,Shaanxi,China;3.PE Department,Xidian University,Xi’an 710071,Shaanxi,China)

The authors use synchronous test research methods of high speed cameras,the three dimension test force platform and remote sensing muscle compressors to analyze the take-off technique on topnotch men’s long jump athlete in colleges.From the aspects of kinematics,the remote metering electromyography and dynamics,we looked for coordination and operation rule in long jump take-off technique on landing,buffer and stretching stage and the different take-off technique on several levels of athletes.The results show the tendency of changing on buffer stage for the hip joint angle.In different stages,the muscle electromyography integral value presents different muscle excitability.At the same stage,the different levels of athletes have different load force curves and the maximum and minimum data also present different scales.The aim is to provide valuable index and research methods for the take-off technique on long jump training and teaching.

take-off technique;three synchronous machines;biomechanical characteristics

G804.6

A

1004-0560(2013)03-0072-05

2013-01-15;

2013-03-16

戴 铭(1956-),男,副教授,主要研究方向为体育教育训练学。

责任编辑:乔艳春