我国优秀女子链球运动员关键动作技术的生物力学分析

贾 谊，张青粉



我国优秀女子链球运动员关键动作技术的生物力学分析

贾 谊，张青粉

研究目的：通过拍摄我国部分优秀女子链球运动员的动作，对影响和制约运动员成绩发挥的因素进行了分析和研究。研究方法：1)用立体定机拍摄法，获得运动员比赛视频录像；2)利用APAS运动图像分析系统对比赛视频进行解析，获得原始运动学参数；3)数字滤波法，对原始运动学参数进行低通滤波平滑，截断频率为8 Hz。研究结果：1)我国运动员双支撑时间不足；2)我国运动员普遍存在预摆动作不充分的现象，导致旋转第1圈链球速度增量过大，个别运动员在旋转过程中还出现了链球速度的负增长。3)我国运动员普遍采用“晚抬早落”的旋转技术以增加对链球的加速距离。研究结论：1)我国运动员应增加预摆末期的链球速度；2)运动员应在双支撑期尽量保持重心平稳过渡，以减少“转轮效应”对链球速度产生的影响；3)建议增加双支撑期时间。

女子链球；动作技术；生物力学；预摆；旋转

1 前言

女子链球近年来一直是我国的田径优势项目。在2014年成都举行的全国田径投掷项目公开赛中，陕西队运动员王峥投出了77.68 m的好成绩，刷新了张文秀保持的76.99 m的亚洲纪录。这一成绩也使王峥的世界排名跃居到第5位。另外，老将张文秀近几年的发挥也较为稳定。链球项目需要运动员在有限的空间范围内完成一连串快速和高难度的动作，因此，对运动员的动作技术进行生物力学分析，可以发现其中的不足，为指导运动员科学训练提供帮助。本研究选取2014年全国田径冠军赛暨大奖赛总决赛女子链球项目前8名运动员的技术动作作为研究对象，将她们的动作技术参数与国外优秀运动员进行对比研究，分析制约我国运动员成绩提高的因素。

2 研究对象与研究方法

2.1 研究对象

本次研究对象为2014年全国田径冠军赛暨大奖赛总决赛女子链球项目前8名的运动员(表1)。8名运动员均以右手为优势手，均采用旋转4圈的技术动作。

表 1 本研究参赛运动员情况统计一览表

2.2 研究方法

2.2.1 比赛现场拍摄

于2014年7月11日，使用两台CASIO FH25摄像机，对8名参赛运动员的技术动作进行三维定机定焦拍摄。一台摄像机位于投掷圈右方正侧面，另一台摄像机位于投掷圈正后方，两摄像机主光轴夹角约90°。设定拍摄频率为120 Hz，拍摄距离为10 m，机高1.2 m，快门速度1/2 000 s。使用PEAK辐射式三维标定框架为后续数据解析过程进行标定，并分别于赛前和赛后将标定框架放置于投掷圈中央进行拍摄。拍摄现场布置如图1所示。

2.2.2 录像解析与数据处理

分别取8名运动员成绩最好的一投进行解析。使用Ariel公司(美国)的APAS录像解析系统对动作视频进行人工数字化处理。人体标志点数量为19个，将人体划分为16个环节，另外，设置一个静止参考点以及一个额外点作为计算链球球体运动学参数之用。采用丹普斯特人体惯性参数模型计算得到运动员相关的惯性参数及人体重心运动学参数。人体标志点三维坐标采用直接线性变换算法(DLT)计算得到。解析得到的原始数据通过数字滤波法进行平滑处理，截断频率设为8 Hz。

图 1 本研究拍摄现场示意图

2.2.3 关键运动时相划分

为了便于研究，选取了运动员整个动作过程中的10个关键时相，分别为t1～t10，动作划分方法为：t1：预摆末期链球最低点时刻；t2：预摆结束后右脚第1次离地时刻；t3：右脚第1次着地时刻；t4：右脚2次离地时刻；t5：右脚2次着地时刻；t6：右脚3次离地时刻；t7：右脚3次着地时刻；t8：右脚4次离地时刻；t9：右脚4次着地时刻；t10：链球出手时刻。

另外，定义第1圈至第4圈(T1～T4)旋转的开始和结束时刻，分别为球体Z轴坐标最小值和最大值时刻；将每圈旋转动作分为单支撑(SS)和双支撑(DS)两个阶段。其中，单支撑阶段为摆动脚离地时刻至下一次着地时刻；双支撑阶段为摆动脚着地时刻到离地时刻。

所有解析得到的原始数据通过EXCEL 2003软件进行计算处理。

3 结果与分析

3.1 支撑时间特征分析

链球运动员在每一圈旋转周期内都会各出现一次双脚支撑阶段(以下简称双支撑期)和单脚支撑阶段(以下简称单支撑期)。以往的研究表明[3，4]，运动员通常是通过双支撑期发力，来使链球加速运动；将单支撑期作为过渡阶段。Panoutsakopoulos[12]认为，双支撑期占总支撑时间的比例应该达到55%左右。车晓波[1]对男子链球运动员的动作进行分析后认为，旋转过程中单、双支撑时间不合理,是造成球速增量较少和无法持续加速的原因。于是有研究者提出，运动员在投掷过程中，应尽量增加双支撑期时间，并减少单支撑期时间，以提高投掷成绩。

但也有学者提出了不同意见，Susanka等人[13]提出，运动员在后两圈旋转过程中应适当延长单支撑期时间，使单支撑期与双支撑期时间基本相同，更有利于运动员的最后发力。另外，F.Javier等人[5]通过对5项国际比赛中30名高水平运动员的动作技术进行研究后发现，在倒数第2圈旋转中链球平均线速度较高的运动员，双支撑期时间相对较低。

图 2 运动员双支撑与单支撑总时间及比例示意图

图2为本研究参赛运动员单、双支撑期的总时间及比例关系。从结果来看，8名运动员中，有5名的双支撑期时间少于单支撑期。从总体来看，我国运动员双支撑期时间不足，其中，冠军张文秀(73.14 m)的双支撑时间/单支撑时间为1∶1.1。通过对技术录像的观察可以看出，由于在身高方面的优势，张文秀的预摆动作显得比较平顺，预摆距离也长于其他运动员。但是，其右脚离地时刻较早，而着地时刻较晚，缩短了双支撑期时间。其身体姿态与其他运动员的明显区别是在整个旋转过程中，其头部呈明显的后仰姿势，导致其重心与支点的距离减小，缩短了链球的旋转半径。Malcolm Fenton[9]也曾指出，这是她技术上的不足，但从本研究的比赛来看，这一技术上的不足仍没有得到改善。与之相比较，王峥的双支撑时间比例(1∶0.8)明显高于张文秀，右脚支撑力的作用时间较长，可以使链球在双支撑期内获得更多的加速度。

3.2 速度增量

链球运动员每圈的速度增量可以反映其在旋转过程中对链球速度的掌控情况以及动作的协调程度。从表2可以看出，我国运动员与世界优秀运动员比较，在第1圈和第4圈的速度增量相差较大。进一步分析，我国运动员第1圈的速度增量虽然与国外优秀运动员相比没有统计学差异(P=0.317>0.05)，但从绝对值来看普遍偏高，这说明我国运动员在预摆过程中，链球没有达到足够的初速度。虽然通过第1圈的旋转发力偿还了一部分速度的亏欠，但这无疑会影响到后续器械的运动轨迹和运动员的动作节奏。在最后1圈，我国运动员速度增量显著小于世界优秀运动员(P=0.00<0.05)。造成这一现象，一方面是由于受到了预摆不充分的影响，继而打乱了后续的动作节奏；另一方面，是最后用力阶段运动员肌肉力量与旋转速度不匹配造成的。因此，建议运动员今后在训练中要加强预摆动作幅度以提高预摆阶段的末速度。

图3是本研究比赛运动员与2009年世界田径锦标赛决赛运动员的速度增量对比。世界优秀运动员在投掷过程中，不论采用3圈或4圈旋转技术，链球的速度都是在逐圈递增，且在最后1圈达到增量最大，表现出良好的动作节奏和肌肉爆发力。与之相比较，我国运动员不论从动作稳定性，还是肌肉力量方面都有差距。通过观察还发现，王峥、罗娜和王璐3名运动员在旋转过程中出现了速度的负增长，这说明她们在技术方面存在比较严重的问题。

3.3 对链球速度特征的分析

由于在投掷过程中，链球的运动轨迹近似圆环，因此某一时刻的链球速度有线速度和角速度两种表示方法。本文主要研究其线速度特征。图4描述了各动作阶段，链球速度随时间的变化趋势。可以看出，大部分运动员在双支撑期链球速度增加，在单支撑期速度下降。这与先前学者的研究结果相符。另外，链球的速度在每圈旋转过程中都有两个上升期。第1个上升期出现在链球过高低点(hp)之后，第2个上升期出现在双支撑期结束之后。这与Marwa Sakr对目前的世界纪录保持者Heidler的研究结果[10]是一致的。第1个速度峰值的获得是从链球过最高点(hp)后开始的，这是重力加速度作用的结果；在双支撑期中段，由于右脚落地所造成的轻微制动，又有小幅下降。之后，随着双脚发力蹬转，使速度曲线出现第2个峰值。

表 2 本研究参赛运动员与世界优秀运动员各圈速度增量一览表

注：表中世界优秀运动员数据取自2009年世界田径锦标赛。

图 3 本研究运动员与2009年世界田径锦标赛运动员每圈速度增量对比图

注：指右脚离地瞬间链球速度与预摆阶段链球速度的差值，第2圈球速增量指右脚离地瞬间链球速度与右脚着地瞬间链球速度的差值，下同。

图 4 本研究运动员各阶段球速随时间变化曲线图

仔细分析后可以发现，8名运动员的速度曲线特征大致可分为两类：1)张文秀、罗娜、王璐和李雨茂4名运动员在双支撑期中段和单支撑期前段会出现两个峰值相差不大的波峰，使得整个速度曲线呈“波浪形”递增趋势；2)每圈的两个速度峰值差值较大，起伏明显，且在单支撑期速度明显下降。关于链球速度的波动，Jesus Dapena[7]认为，除了运动员自身用力加速产生的波动之外，还有另外两个因素：1)重力加速度对链球速度的影响；2)受到“转轮效应”的影响。重力的影响在先前的讨论中已经涉及，在此不再重述。所谓“转轮效应”是指链球在转动的同时，由于运动员身体重心沿投掷方向的平移，造成在某些特殊方位角度时刻所带来的转动速度与平动速度相互增进和相互抵消的现象。另外，他通过研究还发现，若排除上述两个因素对链球速度的影响，高水平运动员的链球速度曲线应该是几乎没有波动的、随时间渐增的曲线；而成绩一般的运动员，即便排除了上述因素的作用，仍然存在速度的波动。由此可以推断，本次比赛中，第1类“波浪形”递增的速度曲线很有可能是受到重力和“转轮效应”的影响所产生的；而第2类速度起伏明显的曲线则可能是由于运动员短时间发力所致。Koji Murofushi等人[8]指出，当链球下降至最低点时，速度接近最大值，此时运动员重心应该保持稳定以对抗链球运动。但从本研究比赛的情况看，在链球下降到最低点时，运动员重心曲线并没有出现这一稳定的平台期(图4)，因此造成在双支撑后期出现速度的下降。

3.4 发力特征分析

在掷链球过程中，运动员依靠旋转身体的方式使链球加速运动，但这并不是使链球获得速度的唯一方式。在运动员高速旋转身体的同时，其身体重心在每转一圈的过程中，都会有一个停顿和加速运动的过程。其原理与单摆的摆动原理非常相似[8]。如果单摆的支点固定，则重物会有规律的来回摆动，但如果支点朝向与单摆摆动方向一致的方向运动，则重物的摆动幅度会大为减少。掷链球时，假设将人体重心作为“单摆的支点”，如果人体重心与链球运动方向一致，则会大幅减小其运动的幅度，从而降低运动速度。身体重心和链球重心坐标值反映了在某个方向上，链球摆动与身体重心移动的相互位置关系。如果两点的位置坐标曲线走势相同，则表明运动员动作节奏与链球运动节奏脱节，降低了链球的运动效果。本研究对8名运动员身体重心和球体重心的X、Y、Z 3轴的坐标值进行了对比分析。

图5a-h是运动员身体重心与链球重心的Z坐标值随时间变化情况。从图中可以发现，除了运动员李雨茂之外，其他运动员在4圈的旋转过程中都表现出身体重心下降超前于链球重心下降的特征，这样的技术可以保证以身体下降带动链球加速运动，其中，以罗娜、燕妮和王璐3名运动员最为明显。而运动员李雨茂在动作节奏的掌握上显然并不理想，从图5h可以看出，其每圈中重心与链球位移峰值基本在同一时刻出现，也就是出现了上面所讲到的“单摆支点”朝向与链球摆动方向一致的方向运动的情况，从而减小了摆动效果。从这点来看，李雨茂在右脚着地后的蹬转发力应当略微提前，以有效的保持其在链球最低点时的重心位置。

图 5 本研究运动员身体重心与链球重心Z坐标值曲线图

除了运动员身体重心与链球重心之间相互位置关系之外，运动员对发力时机的掌握也很重要。Otto[11]在对男子链球世界纪录保持者尤里·谢迪赫的技术动作进行研究后发现，其髋关节在链球达到最高点后立刻下降，而在链球最低点后立刻抬升，这使得人体与器械之间产生了积极的相互作用，从而增加了用力效果。本研究所有运动员在右脚着地时身体重心降到最低点，右脚离地时达到最高，说明在双支撑阶段，运动员主动降低重心位置，给后续的蹬伸发力动作预留了空间。运动员王峥在这方面比其他运动员做的更为出色，其重心位置的起伏与右脚着、离地面的时刻配合几乎完美，表现出她良好的爆发力和动作节奏感。

3.5 投掷方位角

链球投掷的方位角是指从运动员头顶方向俯视，以过投掷圈圆心作直线，平分投掷区，将投掷圈分左右两半圆。背对投掷区方向为零度，以逆时针旋转为正。在双支撑期，运动员方位角的经历范围约为260°～60°之间；其余则为单支撑期。萨姆茨维研究认为[2]，右脚离地时刻，链球的方位角应在30°～100°之间，右脚“早抬起” 和“晚抬起”的分界线是65°；右脚着地时刻，链球的方位角应在217°～281°之间,右脚“ 早落地” 和“ 晚落地” 的分界线是250°。他同时指出，这种“晚抬早落”的技术有利于延长双支撑期链球的加速时间。

表3是本研究参赛运动员与世界优秀运动员右脚离地与着地时刻方位角的对比。从数值来看，我国运动员在前两圈表现出“早离地，晚落地”的技术特征，在后两圈则相反，而世界优秀运动员除第1圈右脚着地时刻偏早之外，其余过程均呈现出“早离地，晚落地”的技术特征。说明当今的掷链球技术已经发生了改变，运动员已不再刻意追求延长双脚支撑时间的这种传统技术，而我国运动员的技术风格还没有发生改变。

表 3 本研究我国运动员与世界优秀运动员右脚离地与着地时刻方位角对照一览表

从图6可以明显看出，国内、外运动员在双支撑期内，链球的角位移量呈相反的变化趋势，反映出国内外运动员的技术风格存在很大的差异。这种差异表现在，国外运动员在第1圈就已经在最大限度的利用双支撑期的力量使链球加速，而后则是将链球维持在一个高速旋转的状态上；而我国运动员则正好相反。

图 6 本研究国内、外优秀运动员各旋转周期的双支撑期内链球角位移的变化趋势

4 结论与建议

1.我国运动员预摆动作不充分，导致预摆末期链球速度不足。主要表现在旋转第1圈链球速度增量过大，角位移过小，旋转过程中链球速度出现负增长现象。建议增加对预摆阶段技术动作的改进，并增加预摆末期的链球速度。

2.链球在旋转过程中的速度呈“波浪式”的递增趋势，链球的线速度不仅受到运动员作用力的影响，还与重力和“转轮效应”相关。建议运动员在双支撑末期和单支撑初期尽量保持重心的平稳过渡。

3.我国运动员张文秀的双支撑期时间较短，旋转动作具有明显的“晚抬早落”特征，头部有明显的后仰动作，不利于链球速度的增加。建议其推迟右脚离地的时间，并提前落地，以增加双支撑期时间。

4.我国运动员王峥在比赛中表现出良好的爆发力和动作节奏感，其重心位置的起伏与右脚着、离地面的时机配合较好。而运动员李雨茂则出现了身体重心与链球重心同时起伏的情况，影响了其双支撑期的发力效果，建议在其右脚着地后的蹬转发力略微提前。

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Biomechanical Analysis on the Key Motion Technique of Chinese Elite Female Hammer Throwers

JIA Yi,ZHANG Qing-fen

The purpose of this study was to investigate the factors which influenced and restricted the performance of some Chinese elite hammer throwers by using the three-dimensional photographic measuring method.Methods:1) captured the video of athletes with fixed three-dimensional photography;2) get the raw kinematics data from the video used APAS motion analysis system;3) get the smooth data form raw analysis data used digital filtering method and the cut frequency was 8Hz.The result shows that 1) The double support phase of Chinese athletes was insufficient.2) The motion of Chinese throwers in the wind were insufficient and lead to excessive velocity increment in the first turn.A few throwers also experienced negative increment of hammer speed in other turns.3) Our athletes generally used the technique characterized by “lift late and land early” to increase the acceleration distance of the hammer.Conclusion:1) Chinese athletes should increase the hammer velocity of the last phase of swing.2) Throwers should keep the center of gravity as far as possible in the period of double support in order to reduce the influence of "runner" effect on the hammer speed.3) Throwers should prolong the double support phase.

femalehammer;motiontechnique;biomechanics;wind;turn

1002-9826(2015)02-0036-07

2014-08-23；

2015-01-19

贾谊(1980-)，男，山西盂县人，副教授，博士，主要研究方向为动作技术分析与诊断，Tel：(0351)3922161，E-mail：jiayi7534@sina.com。

中北大学 体育学院，山西 太原 030051 North University of China,Taiyuan 030051,China.

G804.6

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