旋转推铅球动作的肌电、足底受力及运动学特征分析

曹 杰

Shandong University of Finance ＆ Economics，Jinan 250001，China

旋转推铅球技术是继背向滑步推铅球技术之后出现的另一种铅球投掷技术。在近20年来，旋转推铅球技术在西方国家，特别在美国和俄罗斯联邦运动员之间得到了普遍应用。俄罗斯运动员巴雷什尼科夫曾经使用旋转推铅球技术投出了23.12米的世界记录［1］;在全美田径锦标赛铅球比赛中，前10名运动员共有7名使用的是旋转推铅球技术［2］;在2008年大阪国际田径锦标赛中，前10名运动员共有6名使用旋转推铅球技术，其中金银牌运动员均采用了此技术［3］。相对于其在欧美和国际赛场上的普遍应用，旋转推铅球技术并没有在我国国内被普遍应用。在2011年全国田径锦标赛上，仅有2名运动员采用此技术，且最好成绩仅为18.34米。在代表我国最高运动水平的十一届全国运动会上，我国仅有3名运动员采用了旋转推铅球技术，并且仅仅获得了第 7、9、12 名的成绩［4］。

在以往的研究中，研究者多采用了运动学技术解析或表面肌电解析的方法对旋转推铅球的动作进行了分析［5－7］。张宝峰［8］等人对旋转推铅球运动员进行了动作技术分析，认为这种技术更适合中国运动员，其可以为国内运动员进一步提高成绩提供可能性，从而突破国内铅球成绩停滞不前的瓶颈。张怀金［9］等人通过录像解析的方法总结了旋转推铅球的技术优势，他们认为旋转推铅球技术可以使铅球加速路线比背向滑步推铅球更长，更有利于铅球的加速;旋转推铅球技术中，人体通过旋转积聚了能量，创造了更佳的最后用力阶段身体姿势，使得动作技术更加连贯自然，且能提供更有利的肌肉用力条件及身体转动角速度。在表面肌电研究方面，孙友平［10］等人认为单支撑阶段主要发力肌肉是起支撑作用的左腿股外侧肌和腓肠肌，以及起维持身体姿势的右侧背阔肌和股二头肌;李延军［11］等人认为旋转推铅球动作过渡阶段主要发力肌肉是左腿股二头肌和腓肠肌，以及即将为最后用力阶段提供能量的身体右侧背阔肌和右腿腓肠肌外侧。在动力学研究方面，前人的有限研究皆集中于背向滑步推铅球技术。李建臣［12］等用2部高速摄影机及2台瑞士产KISTLER测力台对我国10名优秀铅球运动员最后用力动作进行了测试。他们认为:1)左脚着地后的突停制动与蹬伸动作对提高投掷效果有良好效应;2)左腿强有力的支撑与快速蹬伸与投掷效果高度相关;3)左臂、左肩及躯干的转动式鞭打动作与力效应特点，以及力梯度、垂直冲量、平面力量分析进一步表明了左侧支撑用力技术与提高投掷效果的关系。

综上所述，前人在生物力学方面对旋转推铅球的研究多集中在运动学与表面肌电方面，且测试手段较为单一。本研究拟综合运用运动学、动力学与表面肌电3种方法对旋转推铅球的技术动作、地面反作用力与肌肉用力进行同步分析，试图探讨旋转推铅球的动作机理和用力特征，为运动员和教练员安排训练计划，制定训练手段提供基础理论依据。

1 研究方法

1.1 研究对象

本研究选取了4名一级及健将等级的旋转推铅球运动员进行研究，具体情况见表1。

表1 研究对象基本情况

1.2 实验法

1.2.1 运动学测试

架设2台高清摄像机(Sony 1000E)沿动作地点呈圆周形放置，相机位置距离动作地点20米。相机拍摄频率为50 Hz，曝光时间1/250 s。三维运动学测试中所用比例尺为三维放射形比例尺，比例尺共有8根定标杆，在每个定标杆上安装2～3个定标控制点，定标点数量共21个。拍摄结束后使用Ariel运动生物力学分析软件进行数据分析，运用低通滤波对原始数据进行滤波处理。

1.2.2 肌电测试

使用MEGA肌电系统(Mega Electronics Ltd Finland)采集肌电数据，采集频率1000 Hz。使用一次性心电电极(Ag/AgCI，Blue sensor)。测试肌肉共8块。分别为右腹外斜肌、左腹外斜肌、右股直肌、左股直肌、右腓肠肌、左腓肠肌、右胫骨前肌、左胫骨前肌。

1.2.3 动力学测试

使用Rsscan(RSSCAN Ltd Belgium)鞋垫压力测试系统对运动员进行动力学测试。鞋垫采集频率为500 Hz，每只鞋垫含有99个传感器，可以将足底压力分区数据传至专用软件进行分析。在分析过程中，足底被区分为6个足底压力分区，分别为大脚趾(T1)分区和第一至第五跖骨分区(M1－M5)。

1.2.4 同步

采用了外同步的方法使肌电仪、测力鞋垫和摄像机进行同步:在肌电仪与测试鞋垫机盒中分别串联LED显示灯，在肌电仪与测力鞋垫开始工作时显示灯亮，使用摄像机记录显示灯亮的时间以达到3种测试手段同步的目的。

2 研究结果

2.1 动作阶段的划分

本研究将旋转推铅球整个技术动作分为双腿支撑阶段、单腿支撑阶段、腾空阶段、过渡阶段和最后用力阶段［10－11］共5个阶段(如图1)。在运动员的动作技术和肌电分析中，将按照以上5个阶段进行分析。由于压力鞋垫只能测量运动员支撑阶段的足底压力受力，因而在动力学只能出现运动员支撑阶段的3步数据，其中第一步对应单支撑阶段的左脚着地，第二步对应过渡阶段的右脚着地，第三步对应最后用力阶段的左脚着地。

图1 旋转推铅球动作阶段划分

2.2 各动作阶段的肩髋夹角变化

肩髋夹角是反映身体扭转程度的一个重要参数。它是肩关节和髋关节在水平面上的夹角。从理论上讲，肩髋夹角越大，运动员上体向右侧转体动作幅度越大且扭转程度越高，预摆用力加速的距离越长。

图2 肩髋夹角变化曲线(纵轴为肩髋夹角角度，横轴为百分化后的动作周期，黑色竖线为动作阶段划分线)

旋转推铅球运动员通过增大肩髋夹角来完成身体的扭曲动作，运动员在预摆阶段、单支撑阶段和最后用力阶段肩髋夹角分别出现峰值，其中在最后用力阶段肩髋夹角达到最大值(78°)。

2.3 足底压力分区峰值

在分析中，足底被区分为6个足底压力分区，分别为大脚趾(T1)分区和第一至第五跖骨分区(M1－M5)。测试中足底压力分区峰值如下:

图3 足底压力峰值图(T1:大脚趾M1－5:1－5跖骨)

通过图3可以看出，大脚趾分区数据差异不大，第三步数值略大于前两步。而从跖骨区域可以看出较为明显的趋势:第一步最大压强峰值出现在第一跖骨位置，第一至四跖骨依次降低;第二步最大压强峰值出现在第三跖骨，跖骨区域的压强峰值变化不大，数值较为平稳;第三步最大压强峰值出现在第五跖骨，第一至四跖骨依次升高。

2.4 表面积分肌电数值

积分肌电是指在一定的时间内肌肉中参与活动的运动单位放电总量，即在时间不变的前提下，其值的大小在一定程度上反映了参加工作的运动单位的数量多少和每个运动单位的放电大小。

图4 表面肌电积分示意图

从表面肌电测试结果来看(如图4)，5个动作阶段中肌肉用力最小的阶段是腾空阶段，其余阶段依次为过渡阶段、双支撑阶段、单支撑阶段及最后用力阶段。除了短暂的腾空阶段及过渡阶段之外，表面肌电随着动作的进行呈现逐渐增大的趋势。腹外斜肌在各动作阶段一直用力较大，股直肌、腓肠肌、胫骨前肌等肌肉随着支撑腿的变换呈逐渐变大的趋势。

3 讨论

3.1 肩髋夹角的变化规律

在双腿支撑阶段运动员身体往右侧扭转，拉紧肌肉，为预摆加速积蓄力量。此阶段肩髋夹角处于较小状态，然后随着预摆逐渐增大，到右脚离地时减小。从图2可看出，静止时运动员肩髋角度为19°，之后肩髋夹角逐渐减小，上体旋转快于下肢旋转。运动员在起始阶段肩髋夹角曲线较平稳，后期肩髋夹角突然增大至39°，出现曲线的一个有分叉的峰值，在双腿支撑阶段结束时，也就是在右脚离地前，肩髋夹角表现出逐渐加大的趋势，这是由于肩髋逐渐打开，能够为更好地进入单支撑阶段做准备。单腿支撑阶段，从双支撑阶段的最大肩髋夹角状态到右脚离地的过程中运动员的身体重心落在左脚上，这个加速动作是腰腹、髋、腿部肌肉群主动协调发力完成的，在加速过程中运动员将为铅球运行和自身旋转增加初速度。运动员肩髋夹角由双腿支撑阶段最大扭紧时的38.6°降到右腿离地时的8.10°，为后续的旋转做好了准备。在腾空阶段，随着铅球成绩的提高，肩髋夹角呈上升趋势。在此阶段，左脚离地后，产生了一个低平的腾空，之后，右腿完成扣髋动作并迅速着地，加速身体向前旋转，而左腿也随之快速向右腿靠拢，运动员左肩落后于左腿，使身体有一个较大扭转姿势。过渡阶段右脚前掌落于投掷圈中心附近，身体进一步扭紧，使下肢转动的作用力开始作用于器械上，在此阶段运动员肩髋夹角达到了78°，运动员进行了第二次扭转。最后用力阶段，旋转技术的支撑用力动作更为复杂，上体继续保持扭转，在左脚着地形成双支撑姿势后，运动员整个身体形成了一个侧向投掷方向的反弓型动作。右腿的积极蹬伸，对提高身体重心速度、铅球向前的水平速度有积极的影响，并促进左脚积极着地形成最后用力的最有效状态。在最后用力阶段，运动员肩髋夹角呈下降趋势，运动员的肩横轴与投掷方向几乎垂直。

3.2 足底压力峰值的变化规律

第一步的足底压强峰值数据类似于其他投掷类项目的规律，最大足底压力峰值出现在第一跖骨和第二跖骨位置，足部外侧受力不大。从第二步开始呈现足外侧受力加大的趋势，第二步足外侧受力开始逐渐大于足内侧，但差异并不明显。第三步足外侧受力开始明显大于足内侧，第四和第五跖骨成为受力最大的区域。旋转推铅球三步的足底受力直观图见图5。从图5我们可以清晰观察到，第一步时足底压力最大受力点(图示红色区域)在足内侧，第二步时内侧和外侧都有最大受力点，第三步时最大受力点集中在足外侧。

旋转推铅球不同于背向滑步推铅球最大的特点便是运动员在用力过程中产生旋转，获得最大的出手速度。随着运动员身体的旋转，必然产生较大的离心力。运动员必须依靠足底外侧用力来产生足够的向心力来维持身体的平衡，这就是随着旋转速度的越来越快，足底外侧受力越来越大的原因。随着成绩的提高和旋转动作的加速，运动员必须要增强足底外侧用力来维持平衡，因而我们建议运动员进行足底外侧动作练习，特别是增强第四、第五跖骨外周肌群的力量来进行稳定性训练。

图5 足底压力受力图(a:第一步 b:第二步 c:第三步)

3.3 表面肌电的变化规律

双支撑阶段肌肉发力从大到小依次为:右股二头肌、右股直肌、左股二头肌、左股直肌、右腓肠肌、左腓肠肌、左胫骨前肌、右胫骨前肌。双支撑阶段右股二头肌、右股直肌、左股二头肌、左股直肌、右腓肠肌、左腓肠肌、左胫骨前肌、右胫骨前肌都表现出很强的放电情况，上述肌肉是双支撑阶段的主要发力肌肉。右腿股直肌和股二头肌发力较大可能与该阶段的动作有关，该阶段右腿需要发力来增大地面的支撑反作用力给上体一个向旋转方向的力，使身体进入旋转状态。左腿为旋转轴起到支撑作用，需要左腿肌肉收缩，表现为左腿股直肌和股二头肌放电加强。单支撑阶段肌肉发力从大到小依次为:右腹外斜肌、左股直肌、左腓肠肌、左股二头肌、左胫骨前肌。单支撑阶段右腹外斜肌、左股直肌、左腓肠肌、左股二头肌、左胫骨前肌表现出很强的放电情况，是单支撑阶段的主要发力肌肉。运动员在该阶段通过股直肌使膝关节伸展，符合该动作的技术特点。左股直肌、左腓肠肌、左股二头肌、左胫骨前肌是维持左腿支撑的主要肌肉，腹外斜肌使身体能够产生向左旋转的力量。腾空阶段肌肉发力从大到小依次为:右股直肌、右股二头肌、右腹外斜肌、左腓肠肌、左胫骨前肌、右胫骨前肌、右腓肠肌。腾空阶段右腹外斜肌、右股直肌和右股二头肌3块肌肉表现出很强的放电情况，是腾空阶段的主要发力肌肉。腾空阶段右腿带动右髋要快速扣转下压，右腿股直肌收缩肌肉发力增大，在表面肌电测试中表现为放电增大，符合本次测试的结果，同时股二头肌作为协同肌相应的肌力增大，放电增强。右腹外斜肌为了使身体增加向左旋转的速度，该两块肌肉相比于左股直肌和左股二头肌发力增大，放电增强。过渡阶段肌肉发力从大到小依次为:左股二头肌、左腓肠肌、右腹外斜肌、左胫骨前肌、右股二头肌、右胫骨前肌。过渡阶段左股二头肌、左腓肠肌、右腹外斜肌这几块肌肉表现出很强的放电情况，是过渡阶段的主要发力肌肉。该阶段技术动作左脚着地后，身体加速左转，这一动作要求右腹外斜肌收缩肌力增大表现为肌电放电增大，与图中结果显示的相符;同时左腿起到加速下压作用，这一动作要求左腿股二头肌和左腓肠肌肌力增大，表现为肌电放电增大。最后用力阶段肌肉发力从大到小依次为:右腹外斜肌、左股直肌、右腓肠肌、右股直肌、左腓肠肌、左胫骨前肌、右胫骨前肌。最后用力阶段右腹外斜肌、左股直肌、右腓肠肌、右股直肌、左腓肠肌、左胫骨前肌、右胫骨前肌这7块肌肉表现出很强的放电情况，是最后用力阶段的主要发力肌肉。运动员在左脚落地后，躯干继续向左转动同时躯干左屈，要求右腹外斜肌增大肌肉力量;发力阶段膝关节和踝关节以最大的加速度伸展，此时使膝关节伸展的股直肌和使踝关节趾屈的腓肠肌肌力增大，用力阶段的7块肌肉的发力符合该阶段的技术特点。

3.4 控制身体旋转状态的肌肉用力特征

相对于背向滑步投铅球动作，旋转式投铅球的优点在于通过旋转产生旋转速度，延长投掷之前的发力时间，达到将铅球投掷出去的目的。旋转式投铅球时运动员的旋转，主要产生于足部的用力及身体的扭转。肩髋夹角这一指标，主要表现的就是运动员身体的旋转，它是区别于其他铅球投掷方式的关键性动作。

如图2所示，运动员肩髋夹角出现增大的时机，主要在投掷步刚开始的时刻，到肩髋夹角恢复至约为10°时，运动员投掷出手。整个投掷过程，身体始终处于旋转状态。由肌电结果可知，肩髋夹角最大时运动员腹外斜肌的放电较大，腹外斜肌位于腹前外侧壁浅层，起于下8肋骨外侧面，止于髂脊、耻骨结节及白线。上固定时，两侧收缩使骨盆后倾;下固定时，一侧收缩使脊柱向同侧屈，并向对侧回旋。右腹外斜肌除了在双支撑阶段积分肌电相对较小之外，其他4个阶段都较大，所占百分比都在10%以上，特别是在单支撑和用力阶段，身体加速向左旋转，右腹外斜肌增大收缩肌力。而背投式推铅球更多的是躯干的屈伸运动，主要是腰腹部屈伸肌肉的发力，非旋转功能肌肉的发力。

3.5 控制身体稳定性的肌肉之用力特征

旋转式推铅球除了对身体的旋转要求较高之外，对身体的稳定性也提出了较高的要求。通过足底压力的分析可以得知(如图3)，随着身体旋转动作的加强，运动员足部外侧的受力随之增强。由图4可以看出3个阶段的小腿左腓肠肌、右腓肠肌、左胫骨前肌和右胫骨前肌合积分肌电较大。控制足部外侧的肌肉并不仅仅限制于足外侧肌肉群，而要通过小腿的肌肉进行协调控制。运动员为了控制身体的稳定性，必须加强小腿部肌肉力量训练。因此，在旋转式推铅球技术中，可能主要由小腿的胫骨前肌及腓肠肌控制身体稳定性，小腿肌肉的稳定作用在整个动作中起着至关重要的控制作用。

3.6 最后用力时刻的肌肉的控制及用力特征

旋转式投铅球技术动作与其他旋转类投掷项目相似，前阶段的动作与用力都是为了在最后出手时获取合适的身体姿势，较大的身体旋转角度及合理的身体旋转角速度。运动员各大关节角度在最后用力阶段都呈现大坡度上升的趋势，髋关节、膝关节及踝关节均快速打开，产生向上的作用力，使得地面反作用力迅速传导至器械，使铅球向上方抛离。在肌肉用力顺序上，下肢肌电首先产生峰值，乃至腰部核心部位肌电最大值产生，最终传导至上肢肌肉。最后用力阶段主要的发力肌肉为右腹外斜肌、左股直肌、右腓肠肌、右股直肌、左腓肠肌、左胫骨前肌、右胫骨前肌。此阶段踝关节产生外翻，足外翻角度达到近20°，此时足底压力主要产生在足底外侧，包括4－5跖骨、足弓外侧及足跟外侧等位置，此时运动员主要依靠胫骨前肌、腓肠肌等小腿肌肉控制身体平衡，相关小腿肌肉肌电信号达到最大值，小腿肌肉能力的大小对此刻运动员身体的稳定性具有关键影响作用。

4 结论

旋转推铅球时运动员身体始终处于旋转状态，肩髋夹角最大时运动员腹外斜肌的放电较大，可能是控制身体扭转的关键肌肉;随着身体旋转动作的加强，运动员足部外侧的受力随之增强，胫骨前肌、腓肠肌可能是控制足外侧的关键肌肉;最后用力阶段所测得的所有肌肉都呈现强放电的特征，这一阶段右腹外斜肌、左股直肌、右腓肠肌、右股直肌、左腓肠肌、左胫骨前肌、右胫骨前肌对动作的完成产生了重要作用。相对于其他推铅球方式，旋转推铅球的运动员平时更应该注重小腿肌群及腰部肌群的训练。

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