竞技体操中力学原理的探讨①

2015-12-05王梦囡广州体育学院研究生部广东广州510000

当代体育科技 2015年4期

王梦囡（广州体育学院研究生部　广东广州　510000）

竞技体操中力学原理的探讨①

王梦囡
（广州体育学院研究生部广东广州510000）

摘要：近几年体操技术迅猛发展，掌握新难动作以及对一般动作的精细推敲，是取得优异成绩的重要途径。而无论是创新还是精细推敲都必须从力学原理中寻找依据。随着体操力学的发展，将会更加有效地促进体操运动的进步。根据竞技体操的特点和动作技术原理，该文旨在介绍力学原理在体操运动中运用的实际情况，力求寻找较为合理的学习体操动作和创新体操动作的道路。运用力学原理对体操动作的受力进行分析，试图为体操技术创新和教学提供一点参考价值。

关键词：竞技体操动作分析力学原理创新

在人们将科学定理以阿基米德、牛顿、开普勒来命名时，同样体操界也延续了这一传统。于是乎，外界对冢原空翻、特卡切夫腾越、李宁吊环、程菲跳、托马斯全旋皆耳闻则诵。任何一项体育运动都没有这么长的清单，就连简单的跳马的标准动作就有100多个。竞技体操高度地彰显出了人类的智慧、灵活和力量，展示了人征服和支配自然的创造力。这一切都必须以科学为依据。

1　研究对象和方法

1.1研究对象

人体完成体操动作时的运动及体操动作。

1.2研究方法

主要采用文献资料法、录像观察法、理论分析法等方法进行研究。

2　结果分析

体操正式成为比赛项目是在1896年的首届奥运会上。体操出现早期水平低，界定模糊，缺乏客观依据的评判，存在暧昧而含混的“印象分”标准，到1954年才首次将体操动作分成A、B、C三个难度等级，并赋予确定分值。D组难度在1985年增设，之后增设了E组、超E组，不过仍然无法赶上动作难度日趋变化的速度。如今F组和G组甚至是H组、I组已经纳入了很多高难动作。国际体操联盟1997年决定将比赛中的规定动作取消，提供更多的机会让运动员展示高超的水平。取消规定动作和单项锦标赛大大促进了运动员进行自选动作。与此同时增大了加分，对动作难度的要求也就更高了，这就是运动员不得不加大动作难度的原因。虽然存在花样百出的套路，不过从力学的角度进行剖析，则能将繁琐的令人眼花缭乱的动作变简单，还能找出其中的规律所在。

2.1体操动作分析

2.1.1屈伸动作分析

屈伸类动作是竞技体操项目上的简单动作，没有难度价值，只是作为成套动作之间的连接动作。目前经常使用的有屈伸起换握、跳换、跳转和反握屈伸上。

这类动作主要的技术原理是通过躯干的屈伸及屈伸后的制动，使人体获得动量和运动速度，并通过合理地调配，完成动作。屈伸悬垂时身体要紧，重心尽量远离握点，在悬垂后摆中，沿前上方伸髋、制动、压臂并扣腕上成支撑。掌握好屈伸时间、方向及有力的制动是完成动作的关键。

2.1.2鞭打动作分析

在单杠的下法及摆越动作中，为了获得较高的腾空高度，广泛采用了“鞭打”的技术。“鞭打”的作用主要有两个：一个是加快远端环节的摆动；二是加大单杠的弹性变形，在恢复变形时，使身体得到更大的上升力。对于加快摆动是容易理解的，在杠下垂直部位后，提高踢腿的速度，因而可以加大角速度，加快摆动。腿的摆动角速度等于躯干角速度加上屈髋的角速度。正是由于鞭打中两腿对身体产生较大的相对角速度，使两腿产生很大的向下的惯性离心力，通过身体传至单杠，引起单杠急剧下沉变形，在恢复变形时身体便得到较大的上升力。

2.1.3起跳和推手动作分析

起跳和推手后要求身体重心具有足够的水平速度和垂直速度，并且身体进入腾空后要有足够的翻转能量。这三个指标就是起跳和推手技术好坏的标准。在获得垂直速度过程中，水平速度起着重要的作用，一方面要求水平速度要大些，另一方面制动性的推手和起跳又耗损一部分水平速度。同样，翻转速度又与水平速度有着密切的联系。水平速度越高，翻转速度也越高。显然，获得最高的垂直速度并同时获得最高的翻转速度，二者之间是有矛盾的。一方面有所得，在另一方面就要有所失。应根据个人的不同时期的不同特点，选择技术上的主要矛盾，并且选择各因素的最佳值，以此来进行教学和训练

2.1.4再握动作分析

单杠和高低杠难度发展的重要方向就是腾空“再握”接动作。这类动作的特点就是，在支撑过程中，要获得一个适宜的水平速度，适宜的水平速度（有的动作要有较高的垂直速度）和适宜的转动速度。这三个速度过大和不足都是造成动作失败的原因。例如单杠的腾越再握，必须使身体重心的抛物线通过最佳再握点，才比较有把握成功。在分析具体动作时，应首先确定某运动员的最佳再握点范围，然后再分析运动员腾空抛物线是否恰当，从而才可能去研究脱手动作技术的合理性。动作是否能完成，关键技术是脱手时机及重心抛物线的轨迹是否妥当。因此，确定最佳再握点的范围并不是目的，而目的是解决关键技术。使动作完成的高、飘、美、稳。

2.1.5旋转类动作分析

虽然人和别的非生命体有区别，不过不影响其简化为多刚体系统的力学模型。沿着有支撑点的实体轴转动是体操中常见的一种旋转，其中实体轴也包括单杠、双杠、高低杠等，而支撑点就是运动员悬垂摆动及回环动作中的握杠点。

有支撑点无实体轴的转动包括平衡木的720度吸腿转体、1080度立转和自由体操等，踮起脚尖是为了减小支撑面产生的摩擦力矩。在体操动作中也运用这种方法，例如在技巧中空翻转体，可在起跳的一刹那，外力矩的冲量以两脚为支点获得，让头和肩及躯干等远端环节产生很大的转体动量矩。如跳马手翻接空翻转体的动作，可在推手时，用两手来支撑，形成外力矩，转体动量矩从两脚开始获得，通常在支撑阶段，远侧端身体部分大约可以扭转90°。这样的扭转就要求肌肉完成很多工作，有时还会给充分有力的“蹬”和“推”带来不利的影响。所以，在支撑阶段获取转体动力的同时，可能

会使空翻速度和重心腾起的高度降低。与空翻速度和腾空高度相矛盾，则不可以通过支撑来获得转体动力，而是在空中获得转体动力。

人体在空中沿着自身左右方向的“踺子”，沿着竖直方向的旋转和沿着前后方向的“筋斗”，则围绕着三维坐标中三条非实体轴线，以身体的质心为原点。所有复杂的机械运动都能够分解成独立的转动和平动，且不相互影响和干扰，它们之间只有叠加和合成的关系。稍微注意就可以发觉，一个720°的“筋斗”要在空中实现，运动员的身体须“抱成一团”，因为高速的转动很难在笔直的姿势下完成，这也形象地演示了角动量守恒定律。转动惯量和角速度的乘积就是任何一个旋转物体的角动量，转动物体的惯性就是转动惯量，其与质量是正比例关系，和离开转动轴垂直距离的平方成正比。体操运动员“直体”的质量分布离转动轴最远，因此转动惯量是最大的；“屈体”是通过上下肢折叠，使身体质量分布与旋转轴更接近，从而减小转动惯量；“团身”是将肢体紧紧叠成三折，使身体质量最大限度地靠拢转轴，达到转动惯量最小。利用转动惯量的可变性，运动员通过身体姿势及旋转轴的改变来对动作进行控制。这也是落地前要立刻“打开”身体，利用转动惯量的增加来“刹住”旋转的原因。

2.2人体运动形态分析

2.2.1人体的平动

人体的平动是指人体在运动时身体内所有的直线始终保持与自身平行。体操动作中，整个人体做平动的情况是很少见的，但是某些环节在某些场合下却要做平动。例如，双杠后空翻成手倒立支撑前摆中，在踢腿后的制动腿时，两腿就在一定时间内做平动。体操运动中一直经常提到的“制动”就是指处于平动状态，而不是不动。在双杠挂臂前摆上的动作中，在挂臂撑转向支撑的过度阶段，上体也是处于平动状态。在许多动作中即使表现不出明显的平动形式，但是仔细分析后，便会发现它也包含有平动的因素

2.2.2人体的相向运动

在空中，由于群肌的收缩使身体两部分同时接近的运动，就叫相向运动。在体操动作中主要是指髋关节屈或伸时，躯干与下肢同时向相接近的方向运动的情况。这时相向运动有时是有害的，有时是有利的。因此，应研究它的产生条件，以便根据需要克服它或加强它。

体操动作中，绝大多数情况下应克服相向运动，所以了解产生相向运动的条件是十分重要的。我们知道上体的重力矩和转动惯量都大于下肢。当通过低头、含胸收腹、把两臂放于腹侧时可以把上体的重力矩减少并把转动惯量减少，这可以提高上体的角加速度和运动幅度，这时，便容易出现上体和下肢同时相接近的运动。如果把两臂上举，梗头固定躯干时，便能最大限度地增大上体的重力和转动惯量，这时上体角加速度就降低，就可以克服相向运动。重力矩和肌肉拉力矩同方向时，重力矩就不是阻力矩了，而改变了动力矩。因此，应减少还是增加重力矩还是要根据具体的姿势具体分析，不能一概而论。

2.3体操中落地原理分析

落地的稳定性是体操动作中的重要课题。随着多周多转的各种复杂动作的出现，落地时重心向下和向前的冲击力量加大，而且落地时除了有绕身体横轴的翻转速度之外，还可能有绕身体的纵轴的翻转。这就要求落地时，要缓冲重心的垂速度和水平速度，要缓冲掉各种翻转速度，使身体重心保持在双脚支撑面上方稳定落地。通过复杂而高速的空中运动后，在0.1 s间落地并完全静止，此时因翻转和重力产生的冲击力大于运动员自身10倍的体重，要想稳稳地落地，合外力矩的能量必须要比脚的最大恢复能量小。好的动作“腾空高，落地近”，使弧度保持较大，把两只脚落在身体重心速度的延长线上面，要是在展体过程中没有“消耗”完旋转的角动量，那么落地后会继续作用，从而导致身体失衡。尤其重要的是，人体落地承受的“冲量”等于时间和力的乘积，所以要减少冲击力就只能使作用时间延长。除垫子使用外，前掌着地后快速过渡到全脚掌，且按照正确顺序使髋、膝、踝关节作急剧的退让性收缩，这种“缓冲”动作能使脚与地面的作用时间有效延长。运动员“下法动作”的最高境界就是所谓的“旋转如风，落地如钉”。