游泳出发技术生物力学测试系统的研制与应用

2013-12-03张俊峰马保雷

中国体育科技 2013年1期

张俊峰，仲宇，马保雷

1 前言

近年来，国际游泳规则对游泳出发台规格进行了调整，使得蹲踞式出发技术被世界广大游泳运动员采用。但在我国国内游泳比赛中，优秀运动员采用蹲踞式出发技术的依然不多。由于出发技术在完成过程中动作速度快、动作变化大，因此，运动员难以细致体会不同技术动作的差异，使得运动员和教练员都缺乏对蹲踞式出发与原有技术效果之间差异的科学评价。以往开展的对游泳运动员出发技术的诊断多采用运动学方法进行研究，此类研究只是对运动员出发技术的现象进行描述，而并不能完全准确揭示运动员出发技术存在的实质性问题。

游泳出发的特点是，运动员听到枪声快速启动，速度达到最大值，入水后受水阻力影响速度又快速递减。所以，除了研究运动员快速启动能力之外，更重要的是要对出发起跳三维力的大小、起跳角度、空中身体运行轨迹、入水角度以及入水后相关技术环节进行研究。

目前，我国在其他体育项目中开展过运动生物力学与运动训练相结合的研究，取得了一定的成果。如：部分田径项目备战2008年北京奥运会科技攻关与科技服务中，采用美国PULNIX高速摄像系统、芬兰的ME6000无线遥测表面肌电测试系统、瑞士KISTLER9287C测力台以及把这三种仪器联合起来的同步信号测试系统，使运动员在运动过程中肌肉放电与其动作图像、力量大小一一对应起来，从而获得完成动作的技术图像、参与完成动作的主要肌肉的EMG以及对应动作的力量值。

如何借鉴相关研究成果与方法在游泳项目中开展应用研究，是本研究的主要思路。经过不断努力，终于研制出游泳出发技术生物力学测试系统。使用该系统，可以得到精确的力学和影像数据，真实地反映运动员出发技术的特点；可以对出发技术进行生物力学研究从而达到对运动员全面的技术诊断，为游泳出发技术提供了全新的、全面的综合性研究手段。

2 游泳出发生物力学测试系统

2.1 动力学测试

动力学数据的采集使用KISTLER9287C三维测力台，测力台为长方形（60cm×110cm×10cm），数据采集频率为600Hz，由踏板和底座两部分构成，两者间由安装在4个角的圆柱形传感器支撑着，每个圆柱形传感器又由3片环状的石英压电晶体叠加在一起。这3片压电晶体由于其切割方向各不相同，分别对X、Y、Z这3个不同方向的力产生压电效应。由于电荷量和力的大小成正比，通过对电荷量的测定，就可以得到相应方向力的数值。

游泳出发测力台是根据三维测力台的特殊结构，合理安装了特制的游泳出发台。实验前，对测力台进行校准，当运动员站在测力出发台上做好预备姿势，首先进行体重数值清零，然后，把运动员从出发信号开始至离台瞬间的力学参数采集下来，获取运动员出发离台阶段动力学参数。对动力学数据的分析分为两部分，可以测定运动员出发前后的反应时间、水平和垂直方向的用力情况。测力台对出发技术具体动力学测试参数如下：水平方向和垂直方向力的反应时间（T1）、水平方向和垂直方向力达峰值时间（Ty 2、Tz 2）、水平方向和垂直方向作用力时间（△t）、水平方向和垂直方向力的最大值（Fymax、Fzmax）、离台瞬间水平和垂直方向冲量（Py、Pz），以及离台瞬间重心角度、离台重心水平速度和垂直速度。

我们对获取的力学数据进行进一步解析，在Excel软件中将统计数据制图，将游泳出发技术在离台阶段的受力情况做成f－t曲线图。对曲线图进行描述分析，以便更直观地了解游泳出发离台阶段的受力情况。

2.2 运动学测试

通过影像解析软件对高速摄像拍摄的运动员出发技术不同阶段的关节角度、位移、速度、时间等指标的变化情况进行解析，获得出发技术各技术时相运动学测试参数如下：

预备阶段：膝关节角度（抓台式出发）、前膝角与后膝角（蹲踞式出发）、手臂与水平面夹角、重心投影点到台前沿距离、重心高度、两脚间距离（蹲踞式出发）；

离台阶段：离台时间、起跳角度、离台瞬间重心投影点到台前沿距离、离台瞬间重心高度、离台瞬间重心水平速度、离台瞬间重心垂直速度、台上重心水平位移；

腾空阶段：腾空时间、运行轨迹、入水距离；

入水阶段：入水角度、入水重心水平速度、入水重心垂直速度。

2.3 同步测试系统

同步测试系统就是把游泳出发技术的运动学和动力学测试的仪器同步起来用于进行测试应用，使运动员出发技术的动作图像与三维力量大小一一对应起来，使科研人员和教练员能客观地对运动员的出发技术做出评价。

当按动测力台数据采集按钮的同时，也发出了声和光的同步信号，声音信号为运动员启动使用；光信号为摄像拍摄使用，作为记录运动员出发时起动的参考点。

3 游泳出发技术生物力学测试系统的实验方法

3.1 文献资料调研

根据研究需要，广泛查阅国内、外有关游泳出发技术测试系统研发和游泳出发技术评价的相关文献资料，对所查阅研究成果的研究方法和研究内容进行分析，对游泳出发技术生物力学测试系统的工作原理与设备研制进行论证，同时，掌握出发技术测试的相关知识和操作步骤，为研究提供理论基础。

3.2 实验法

3.2.1 游泳出发的动力学测试

对运动员完成出发技术过程中台上用力情况进行力学参数采集，测力台采样频率为600Hz，每次测试的数据采集时间是3min。根据游泳出发技术特征，研究仅选取第1min的600个力值数据进行相关描述分析。

图1 游泳出发技术测试系统工作示意图Figure 1. Diagram of Testing System of Swimming Start

3.2.2 游泳出发的运动学测试

使用一台Fastec500高速摄像机（图1中的1号机位），拍摄频率为120fps，对受试者进行定点拍摄。镜头中心距地面1.15m，主光轴对准出发台前沿1m处，拍摄距离为17.5m。使用一台常速摄像机（2号机位），拍摄记录整个出发过程。拍摄前，设置调整并记录摄像机主光轴与出发台距离、镜头高度、取景范围、拍摄角度等。设置参考体比例尺，比例尺长1m，用黑白漆出界线，将它置于出发台上方水平和竖直两个位置分别取景。高速摄像机从侧面定点拍摄受试者台上预备姿势、起跳角度、身体腾空和运动轨迹、入水角度等动作。要求主光轴与出发台中线垂直，并对准出发台前1m距离。常速摄像机用于从泳池侧上方跟踪拍摄受试者出发至入水后10m的全过程，以便对运动员入水后头部到达5m、7m、10m的时间进行比较。

3.2.3 技术图像解析

采用Ariel三维影像解析系统APAS（Ariel Performance Analysis System），对收集到的资料进行量化处理，完成运动学数据解析，在解析过程中，采用解析系统提供的人体惯性参数模型，选取研究所需的19个关节点对运动员整个出发技术完成过程进行解析。对解析数据通过低通数字滤波法进行平滑处理，平滑系数为8。

3.3 数据统计法

将实验采集到的游泳出发技术运动学和动力学数据进行统计学处理，并通过Microsoft Excel 2003软件将运动员出发技术的水平、垂直和左右方向的动力学参数绘制成f－t曲线图。

4 游泳出发技术生物力学测试系统应用案例

2011年3月，国家游泳队二线运动员在陕西省游泳训练中心集训时，对部分优秀运动员进行出发技术测试。拍摄运动员完成抓台式和蹲踞式出发技术的完整过程。测试过程中，每名运动员以个人擅长的出发技术完成两次拍摄，并留取受试者主观感觉较好的一次进行登记，以便决定用于图像解析。

根据游泳出发各技术阶段的时序特征，按照预备阶段、离台阶段、腾空阶段、入水阶段和水下滑行阶段的顺序对出发技术的运动学和动力学测试结果进行呈现。

表1 本研究对象基本情况一览表Table 1 Basic Information of Swimmers

4.1 抓台式出发测试案例

4.1.1 抓台式出发运动学测试结果

游泳出发技术生物力学测试系统对抓台式出发技术的运动学参数共涉及5个技术阶段的19个运动学参数，案例的运动学参数测试结果详见表2。

表2 本研究抓台式出发运动学测试结果一览表Table 2 Kinematic Testing Result of Swimming Grab Start

预备阶段是指发出“各就各位”口令至出发信号发出时的时段。抓台式出发技术预备阶段运动员两脚的脚趾勾住出发台前沿，同时，双手抓住出发台前沿，屈膝，身体成折叠形状。膝关节角度成钝角（116.7°）；手臂与水平面夹角则为锐角（79.64°）；重心高度为0.51m；重心投影点距出发台前沿距离为0.1m。

离台阶段是指发出出发信号至脚离台（壁）瞬间的这一时段。由于离台后运动员的运动轨迹就一定形成，因此，离台阶段是影响出发技术效果的重要技术阶段。本案例运动员抓台式该阶段离台角度为29.95°，重心投影距前沿距离由预备阶段台上的0.1m移至0.97m；重心距水面高度为0.56m；重心水平位移为1.07m；离台瞬间重心水平速度达到4.45m／s，显著高于离台瞬间重心垂直速度（0.63m／s）。

腾空阶段是脚离台瞬间至手指触水瞬间的这一时段。抓台式出发案例腾空阶段的腾空时间为0.35s，入水距离为3.22m，而离台角度和离台速度和入水角度等因素是影响腾空时间和入水距离的主要因素。

入水阶段是手指触水瞬间的动作时相。抓台式出发案例的入水角为37.468°；入水瞬间重心水平速度和垂直速度分别为3.6m／s和3.37m／s。通常入水角的大小同入水方式直接相关，如“平板式入水”的入水角度通常小于“洞式入水”。较大的重心水平入水速度有利于水下快速滑行，利于水中滑行阶段保持良好的速度；而过大的重心垂直入水速度则会影响入水深度，增加滑行阶段的减速可能。

水下滑行阶段是评价出发效果的重要指标。5m是运动员入水后速度递减较小的一个距离评定指标。7m是运动员从入水阶段到水下滑行阶段速度明显变化的距离评定指标。10m则是运动员从入水速度基本过度到水中游进速度的距离评定指标。本研究运动员入水后到达5 m、7m 和10m 处时间分别为：1.87s；2.8s和4.73s。

4.1.2 抓台式出发动力学测试结果

以往对游泳出发技术的评价研究，多以运动学数据对运动员出发技术进行评价。由于受游泳出发技术特征和泳池环境的限制，多年来，对游泳出发同时开展动力学和运动学的研究设想一直未能实现。本研究通过对游泳出发技术测试系统的研制与应用，实现了对运动员出发技术同时进行运动学和动力学测试的突破，为全面科学地对出发技术进行诊断和分析提供了可能（表3）。

表3 抓台式出发动力学数据测试结果一览表Table 3 Dynamic Data Testing Result of SwimmingGrab Start

对反应时的测试是从同步信号发出，测力台开始数据采集到力值发生明显变化所用的时间。统计过程发现，在测力台测得水平方向和垂直方向的力值变化几乎是同时的，并且由于统计误差的存在，故将出发反应时统一用T1表示。抓台式出发案例的反应时为0.50s，测试运动员该参数水平较高。如果反应时过长，易造成滞台时间延长，应在训练中予以改进。

运动员离台阶段，从发力开始即测力台开始数据采集到力值发生明显变化至力量达到最大值的这段时间为力达峰值时间。案例水平方向力达峰值的时间为0.68s；垂直方向力达峰值的时间为0.62s。出发技术从发力到达峰值的时间越短，说明该技术便于快速发力，能够在动作完成过程中使力量快速增加从而利于快速启动和获取较大的离台冲量和速度。

离台阶段测力台开始数据采集到力值发生明显变化至力值消失的时段为出发台上力的作用时间。而力的作用时间内，系统还将提供水平和垂直方向的最大力值。案例中，台上力的作用时间为0.75s；离台阶段水平方向的最大力值达到768.74N，垂直方向最大力值为157.93N。物体的运动方向与该物体所受合力的方向一致，游泳出发动作是一个斜上抛运动过程，主要对水平速度、水平方向冲量和力值要求较高，垂直方向的力主要用来创造良好的离台角度，摆脱重力影响，故此力的作用时间内，运动员水平方向的力值水平通常明显高于垂直方向。

力学研究中将作用于物体的外力与外力的作用时间的乘积定义为力的冲量，即：I＝F×△t。本研究通过对离台阶段F－t图中曲线和横坐标围成面积的计算获得离台瞬间的冲量值。出发案例离台瞬间水平方向冲量为259.26N·s；垂直方向的冲量为－92.34N·s。由于游泳出发是由静止到运动的一个过程，离台瞬间冲量大小直接影响离台速度，相同条件下，离台瞬间水平方向冲量值最大离台速度越大。

为了更加直观地对离台阶段的用力情况进行直观了解，我们利用已测得的动力学数据绘制了抓台式出发案例的F－t曲线图（图2）。F－t曲线图中呈现了运动员离台阶段水平方向、垂直方向和左右方向的力值变化情况。由于游泳出发主要依赖于水平方向和垂直方向冲量，因此可以发现，案例F－t曲线图中，左、右方向的冲量基本可以忽略不计，不予分析。

图2 抓台式出发案例F－t曲线图Figure 2. F－t Curve of Swimming Grab Start

通过对图2F－t曲线的观察可以发现，抓台式出发技术的水平方向力值的变化过程是一个坡度较缓的平滑曲线，类似台阶形，说明抓台式出发技术离台动作的力值递增相对较缓慢。水平力值在达到峰值之后迅速下降，导致波峰顶部形态尖锐，反映出该技术的水平力值最大水平出现离台瞬间，力值峰值出现后运动员离台，力值消失。水平力值变化同垂直力值变化存在一定协同一致性。由于抓台式出发技术是双脚平行至于出发台前沿，双脚发力具有协同效应，因此，合理的力值曲线应仅出现一个波峰，但该运动员的力值曲线出现台阶形状的现象，说明离台动作存在二次发力现象，发力不集中。所以，通过测力台可以诊断运动员出发技术的蹬台发力情况。

4.2 蹲踞式出发测试案例

4.2.1 蹲踞式出发运动学测试结果

由于蹲踞式出发技术同抓台式出发技术的技术差异，因此，在预备阶段技术参数的设计也存在不同。同抓台式出发技术预备阶段双脚置于出发台前沿的准备姿势不同，蹲踞式出发的预备阶段运动员双脚前、后分开，仅一只脚置于出发台前沿，动作同田径比赛中的短跑起跑相似。因此，预备阶段对该动作的研究不仅增加了对前膝角、后膝角计算，而且还增加了对前、后两脚间距的测量。游泳出发技术测试系统对蹲踞式出发技术的运动学参数共涉及5个技术阶段的各运动学参数（表4）。

表4 蹲踞式出发运动学测试结果一览表Table 4 Kinematic Testing Result of Swimming Crouching start

4.2.2 抓台式出发动力学测试结果

图3显示，F－t曲线图中，呈现了运动员离台阶段水平方向、垂直方向和左右方向的力值变化情况。虽然游泳出发主要依赖于水平方向和垂直方向冲量，但通过观察蹲踞式案例F－t曲线图中，左、右方向的冲量也随时间变化存在细微的波动特征，这应与蹲踞式出发技术双脚前、后支撑的技术特征有关。

图3 蹲踞式出发案例F－t曲线图Figure 3. F－t Curve of Swimming Crouching Start

表5 蹲踞式出发动力学数据测试结果一览表Table 5 Dynamic Testing Result of Swimming CrouchingStart

蹲踞式出发案例的水平方向力值的变化过程是一个坡度较缓的平滑曲线，证明案例运动员离台动作的力值递增相对较缓慢。水平力值曲线和垂直力值曲线呈现双峰特征，同时，力的峰值出现在第一波峰，这符合蹲踞式出发技术特点。双峰现象主要是由于蹲踞式出发双脚前后站立，启动时双腿非同时发力所致。水平力值变化同垂直力值变化在存在一定协同性。垂直方向力的峰值出现在运动员离台前，水平方向力值在达到峰值之后经历下降和再上升并最终消失，力值消失。通过对图2F－t曲线的对比，显示案例运动员的反应时较理想，但台上用力时间相对较长，水平方向力值峰值水平还有待提高。