缓冲式跨栏架与普通跨栏架性能对比测评

王萍，王正珍，陈伟健

缓冲式跨栏架与普通跨栏架性能对比测评

王萍1，王正珍2，陈伟健1

目的:以普通L形配重跨栏架（简称普通跨栏架）为参照、《田径竞赛规则（2014—2015）》（简称《规则》）为标尺，对滑动缓冲式和滚动缓冲式两种比赛型安全跨栏架的性能进行测评，探究提升跨栏安全、保证公平的实际效果，为推广夯实基础。方法:采用实测法，对栏架总重量、前倾角、推倒力及动态栏高进行采集。利用能量的转化与守恒，通过做单摆运动的链球与栏架横木正碰，模拟运动员打栏，并用高速摄像机记录。采用访谈法，对缓冲式跨栏架的使用感受加以梳理。结果:缓冲式跨栏架总重量符合《规则》，栏架前倾角远大于普通跨栏架，能增加缓冲距离提升打栏安全。使用底座抬升装置进行高度补偿，可确保动态栏高恒定，保证竞赛公平。滚动缓冲式跨栏架的推倒力波动范围小，有助于减少因器材造成比赛不公。单摆模拟打栏发现使用滚动缓冲式跨栏架时能量损失最小，越接近横木中央，打栏初期冲力越小，缓冲效果越好，并得到运动员的印证；使用滑动缓冲式跨栏架时打栏时间最短。结论:缓冲式跨栏架符合《规则》要求，安全和公平性能优于普通跨栏架，尤以滚动缓冲式跨栏架表现突出，值得在比赛及训练中推广使用。

跨栏架；缓冲；打栏

目前比赛中广泛使用的栏架是普通L形配重跨栏架（简称普通跨栏架），它具有打栏冲力大、冲量集中的特点，给予运动员做出自我保护动作的反应时间短，易引发“摔栏”致伤；撞栏出现卡顿式减速，常会打乱栏间节奏。笔者研制了以缓冲为主要特征的比赛型安全跨栏架[1-3]（以下称缓冲式跨栏架），其设计理念为通过适度延长缓冲距离来降低打栏初始阶段冲力，同时让运动员获得了较长的反应时间，以便对身体姿态进行控制或对动作进行调整；通过弹簧等提供的阻力及栏架结构产生的阻力矩，使运动员在打栏时受到渐增的、大小介于3.6～4.0 kg的阻力来实现惩罚性的减速，确保符合国际田联的相关规定；通过底座抬升装置，在缓冲距离范围内，保证打栏过程中横木顶端到地面的垂直距离不发生改变；自动复位设计充分考虑了栏架在使用时的便捷性；滚动缓冲式底座可有效地节约制造成本。

为实际验证缓冲式跨栏架的性能，本研究团队与体育器材生产企业合作，在多批次的样品加工过程中，不断改进及完善设计:为避免力臂的变化对门启装置开启难易产生影响，将门启装置设计由推门式改为一键触发式；综合考虑各方对门启式设计的接受度、比赛形式的延续性、比赛的精彩度及栏架的耐用性，在保障安全性得以足够提升的前提下，决定在测试中延用连贯式横木设计。最终将跨栏架的设计定型为滑动缓冲式和滚动缓冲式两种，见图1和图2。

研究假设的提出:缓冲式跨栏架符合《田径竞赛规则（2014—2015）》（简称《规则》）[4]的要求，安全和公平性能优于普通跨栏架。

1 研究设备与方法

1.1 研究设备

本研究应用高速摄像平面定点拍摄系统，对实验对象完成多点打栏试验，并进行运动学参数[5]的数据采集。具体地说，使用一台拍摄速度1 000帧/s高速摄像机（SONY®RX100m4高速摄像机，日本索尼株式会社提供）全程记录打栏，并运用高速影像视频解析系统（VirtualDub 1.10.4）进行分析，找出打栏时速度、加速度及力的变化规律，从中了解运动员受到栏架反作用力的变化情况。

1.2 研究方法

1.2.1 研究对象以普通跨栏架（恒祥博瑞®竞赛跨栏架，北京恒祥博瑞科技发展有限公司提供）、滑动缓冲式跨栏架和滚动缓冲式跨栏架为测试对象，以《规则》[4]为标尺，对栏架性能进行测试和评价。

1.2.2 研究方案基本参数:采用实测法，对栏架总重量和栏架前倾角等基本参数进行测量。栏架前倾角是指栏架因受到《规则》[4]规定范围（3.6～4.0 kg）内的最大推倒力而发生前倾时立柱与垂直面之间形成的夹角，具体为在矢状面上沿水平方向缓慢牵拉横木时，从栏架发生前倾直至翻倒，该过程中测力计测得最大力值时的栏架倾斜角度。

动态栏高:测试用缓冲式跨栏架的高度为1.000 m，普通跨栏架的高度为0.991 m。在栏架旁放置等高线横板作为参考物，徒手推动栏架前摆，直至前摆缓冲过程结束，观察前摆过程栏高的变化情况。测量范围为从栏架立柱前摆至缓冲过程结束（栏架翻倒之前）。

推倒力:将角度尺的刻度盘固定在栏架立柱上，依次用测力计在水平方向牵拉横木的特定位点（1～5号位，详见下文；牵拉速度为2 cm/s），直至栏架向前翻倒，测量横木水平方向受到的最大拉力及对应角度。

模拟打栏:利用单摆运动的能量转化与守恒，模拟运动员打栏。在单杠上安装一金属钩用于悬挂链球，单杠下方放置一栏架（链球质量4 kg，链长1.145 m，直径0.104 m），将链球提升到与摆绳最高点水平位置（此时链球动能为零，势能达最大值），松手使其自由下摆（链球势能转化为动能），并与横木特定位点在水平方向发生正碰（此时链球动能达最大值，势能为零），碰撞全程用高速摄像机进行记录（将摄像机架于栏架左侧，并与横木垂直，其主光轴与横木中点等高，摄像机镜头与撞击点的距离为6 m[6]）（见图3）。分析链球运行过程中速度、加速度的变化，找出打栏的力学规律。

使用感受:采用访谈法，了解运动员、教练员、生物力学专家及合作企业等使用缓冲式跨栏架和普通跨栏架的个人体验和主观感受。运动员打栏过程见图4。

图3 单摆模拟打栏示意图Figure 3Simulation Beating Hurdles with Pendulum

图4 打栏过程图Figure 4Process of Beating Hurdle

1.3 样本量的估计

方法:求效果量（effect size，ES），再根据想要的power查对应的Sample size。

具体操作过程:根据单摆模拟打栏预实验获得的数据，计算均值和标准差，进而算出效果量。由于具有均值大、标准差小的特点，计算结果中最小的ES值为1.502 601 91，这表明本研究的测量数据具有较好稳定性，片面追求高测量次数、反复进行重复测试意义不大，因此，本研究中测量次数一般为4次。

1.4 数据处理

所得数据经IBM SPSS Statistics 22进行处理，采用独立样本T检验分析，显著性水平取P＜0.05，非常显著性水平取P＜0.01。

2 结果

2.1 基本参数

两种缓冲式跨栏架的总重量均符合《规则》[4]“栏架总重量不得少于10 kg”的规定。滚动缓冲式跨栏架的总重量12.65 kg与普通跨栏架12.80 kg很接近；滑动缓冲式跨栏架为20.20 kg，远远大于前两种栏架（见表1）。

表1 栏架基本参数Table 1Hurdle’s Essential Parameters

缓冲式跨栏架的栏架前倾角明显大于普通跨栏架，由此产生缓冲距离的差异:普通跨栏架的栏高为0.991 m，缓冲距离为2.59 cm；如栏高为1.000 m时，缓冲距离则为2.62 cm。两种缓冲式跨栏架的栏架前倾角分别是普通跨栏架的13.67倍和14.33倍，滑动缓冲式跨栏架的缓冲距离为35.02 cm；滚动缓冲式跨栏架的缓冲距离为36.65 cm。

2.2 动态栏高

栏架发生前倾时，随着倾斜程度的增加，普通跨栏架的栏高会逐步降低。本研究团队提出“基于维持摆动物体垂直高度恒定方法”[2]，它是针对栏架的立柱绕与横木平行的方向转动过程中，横木顶端到地面的垂直距离发生损失而进行差值补偿的方法，旨在保持栏高恒定[1]。当立杆PQ绕支点O转动时，其高度会随着转动角度θ的增大而规律地下降，降幅为P1A+ Q1B（见图5）。此时给予相应数值的垫高，就可保证增减持平，实现垂直高度恒定（见图6）。为达成此目标，本研究团队在缓冲式跨栏架的立柱底部添加了“高度补偿装置”——底座抬升弧，该装置对栏高进行渐进式增高，补偿数值与前摆时栏高降低数值相等。图7为实物拍照，具体实施方式主要包括增加运行顺畅性的支点滚轮、使用钣金车床制作的弧形滑跃曲面。

图5 高度补偿原理图1Figure 5 Schematic Diagram 1 of Height Compensation

图6 高度补偿原理图2Figure 6 Schematic Diagram 2 of Height Compensation

图7 底座抬升装置细节图及抬升过程Figure 7Detail Drawing and Lifting Process of Lifting Device of the Base

表2结果显示:两种缓冲式跨栏架在前摆至5°、10°、15°以及前倾角时，高度始终是100.00 cm，未因栏架前摆而发生变化；普通跨栏架则随着前摆角度增大栏高逐渐降低，达到前倾角1.5°时高度为98.97 cm，比初始状态降低0.3 mm，依据《规则》[4]:“制作栏架时，栏架高度的允许误差为±3 mm”，视为在《规则》[4]可接受范围内。综上所述，测试结果为缓冲式跨栏架能够在栏架前倾角范围内保持栏高恒定，而普通跨栏架在前倾角时栏高略有降低。

表2 栏架前摆过程动态栏高的测试结果Table 2Test Results of Dynamic Height of Hurdle before Swing Process

2.3 推倒力

对栏架承受的推倒力数据进行独立样本T检验，再将两种缓冲式跨栏架的推倒力与普通跨栏架的推倒力进行比较，分别求出P值，得到表3。由表3可知，三种栏架1～5号位承受的推倒力均在3.6～4.0 kg这一范围内，符合《规则》[4]关于“栏架需承受3.6 kg最多不超过4 kg的撞击力方可被推倒”的规定。滑动缓冲式跨栏架的推倒力和普通跨栏架的推倒力无显著性差异；滚动缓冲式跨栏架的推倒力和普通跨栏架的推倒力有显著性差异。

2.4 高速摄像机平面定点拍摄单摆模拟打栏

2.4.1 单摆打栏后链球荡起的高度链球最大偏离角是指链球做单摆运动过程中摆至最高点时，链球与悬点的连线和过悬点铅垂线所成的角。进行图像解析时，高度以摄像画面背景的标尺为参照坐标系进行赋值，单位为参照系方格，规定:高度在原点上方为正值，反之为负值。

由视频解析的数据得到表4，再进行独立样本T检验。栏架两两比较，彼此间都有显著性差异，其中滑动缓冲式跨栏架与滚动缓冲式跨栏架比较，得到的1～5号位P值分别为0.000、0.011、0.004、0.008和0.000。这意味着单摆打栏后链球荡起高度的结果是滚动缓冲式跨栏架＞滑动缓冲式跨栏架＞普通跨栏架，差异具有统计学意义。高速摄像机平面定点拍摄捕捉到的碰撞后链球最大偏离角为滚动缓冲式跨栏架41.52°、滑动缓冲式跨栏架38.42°和普通跨栏架21.88°，也就是说，打栏分别造成链球至少74.87%、78.35%和92.79%的能量损失。

表3 栏架推倒力的分析表（单位：kg）Table 3Analysis on the Down Force Hurdle（Unit：kg）

表4 单摆打栏后链球荡起的高度分析表（X±SD单位：参照系方格）Table 4Analysis on Height after Beating Hurdle with Pendulum Hammer（X±SDUnit：Reference Grid）

2.4.2 打栏接触时间由视频解析的数据得到打栏接触时间表，再进行独立样本T检验，结果为，栏架进行两两比较，打栏接触时间除滚动缓冲式跨栏架与普通跨栏架在2号位无显著性差异（P=0.301）外，其余部位均存在显著性差异。表明:滑动缓冲式跨栏架的打栏接触时间最短；当将打栏接触时间表中三种栏架在1～5号位的数据绘制成曲线图（见图8），可见，缓冲式跨栏架的打栏接触时间曲线呈倒U形，而普通跨栏架呈W形。

图8 打栏接触时间曲线图Figure 8 Contact Time during Beating Hurdle

2.4.3 链球单摆撞击栏架时间-速度变化图9、图10和图11显示:打栏后链球速度均会下降；其中，与普通跨栏架碰撞，链球的速度降低最快，其次是与滑动缓冲式跨栏架碰撞；速度降幅分别为普通跨栏架51.94%、滚动缓冲式跨栏架31.62%、滑动缓冲式跨栏架28.62%（1号位）；普通跨栏架51.22%、滚动缓冲式跨栏架30.15%、滑动缓冲式跨栏架29.05%，两种缓冲式跨栏架曲线趋于重合（2号位）；普通跨栏架60.17%、滚动缓冲式跨栏架23.69%、滑动缓冲式跨栏架20.22%（3号位）。由于栏架2号位与4号位、3号位与5号位分别成镜像关系，故4号位与5号位速度随时间变化的情况不在此赘述。由上可知:与缓冲式跨栏架碰撞，链球的速度下降慢；与普通跨栏架碰撞，链球的速度下降快。

图10 2号位时间—速度图Figure 10Time-Velocity at No.2 Position

图11 3号位时间—速度图Figure 11Time-Velocity at No.3 Position

2.4.4 链球单摆撞击栏架加速度变化打栏时栏架对链球的反作用力作用于链球，产生加速度，F=ma，加速度的大小与打栏冲力成正比。加速度是速度的一阶导，由时间—加速度图（即速度一阶导曲线，见图12、图13和图14）知，1号位在打栏初期普通跨栏架和滑动缓冲式跨栏架产生的冲力分别是滚动缓冲式跨栏架的29.44倍、20.80倍；2号位在打栏初期普通跨栏架和滑动缓冲式跨栏架产生的冲力分别是滚动缓冲式跨栏架的1.72倍、1.37倍；3号位在打栏初期普通跨栏架和滑动缓冲式跨栏架产生的冲力分别是滚动缓冲式跨栏架的1.28倍、0.97倍。由于栏架2号位与4号位、3号位与5号位分别成镜像关系，故4号位与5号位加速度随时间变化的情况不在此赘述。由上可知:打栏位置接近横木中央时，使用滚动缓冲式跨栏架，产生的缓冲效果较好。

2.5 使用感受

2.5.1 运动员使用缓冲式跨栏架，擦栏时受到的冲击力小，尤其是滚动缓冲式跨栏架，越靠近横木中央，撞栏时与栏架的冲击感越轻，中间位置比两边感觉更好，因此，敢于放手攻栏，有利于全身心投入，发挥出最好水平；运动员为降低过栏时身体重心，往往紧贴近横木过栏，所以，在过栏时经常存在敲栏现象，栏架的改进必须考虑到这一点。

图12 1号位时间—加速度图Figure 12Time-Acceleration at No.1 Position

图13 2号位时间—加速度图Figure 13Time-Acceleration at No.2 Position

图14 3号位时间—加速度图Figure 14Time-Acceleration at No.3 Position

立柱的颜色为冷色调（蓝色、绿色），在视觉上有收缩的效果，相比起暖色调（红色、橙色、黄色）对跨栏者产生的心理压力较小；立柱和横木的设计比例也对过栏心理有影响:纤细立柱的栏架设计视觉上更加显高，对运动员造成的心理压力更大。

2.5.2 教练员比赛栏架的设计必须保证对参赛者公平，设计上不能允许让运动员违规获益，滑动缓冲式跨栏架的L形设计相比滚动缓冲式跨栏架的倒T形设计，更容易让人接受。缓冲式跨栏架在理论上可行，但是必须经过长时间的实践验证，建议制作一批缓冲式跨栏架在一定范围内（如:先在体育院校的田径课中使用，继而给校内高水平运动员使用）通过对照实验三个月或更长时间，观察使用效果，并对实践中对可能存在的问题加以解决，逐步完善设计，待技术成熟后便可逐渐地大范围推广。对于缓冲式跨栏架，连续性横木设计不改变比赛的形式，相比开门式设计，让人易于接受。在开门式设计未成熟之前，为稳妥起见，建议继续使用连续性横木设计。

栏架的自动复位技术提升了使用的便捷性，降低了场地人员的工作量。建议向栏架的自动化、智能化方向改进，进一步为工作人员减负。

2.5.3 合作企业等从碰撞的材料力学角度来说，建议降低栏架立柱和横木的重量，使用更轻巧的材料；建议横木的材料使用更柔软的吸能材料来保护运动员的安全。

3 讨论

3.1 基本参数

由表1可知，在栏架总重量上，滑动缓冲式跨栏架大于普通跨栏架和滚动缓冲式跨栏架。众所周知，质量越大，惯性就越大，尽管缓冲式跨栏架主要是依靠弹簧施加的弹性阻力起缓冲作用，栏架结构和重量的作用次之，缓冲式跨栏架具有推倒力不完全受栏架重量影响的特点。但是，栏架总重量减轻依然会导致惯性减小，撞击栏架冲量也随之变小。因此，在推倒力不变的前提下，未来可通过降低滑动缓冲式跨栏架重量来达到降低惯性、提升安全性的目的。

缓冲式跨栏架和普通跨栏架结构上的不同，决定了栏架前倾角的差异。栏架前倾角是水平方向对栏架施加推力以使栏架前倾倒下过程中测力计读数达到《规则》[4]规定范围（3.6～4.0 kg）内的最大推倒力时栏架立柱向前倾斜的角度。基于比赛公平考虑，栏架受到推力作用向前运动开始至推力增大到最大推倒力之前栏高不能降低，从而杜绝打栏运动员违规获益。普通跨栏架依靠自身的惯性阻力实现撞栏物体在碰撞中减速，没有设计额外的缓冲装置，栏架前倾角小，缓冲距离短。而缓冲式跨栏架工作原理是以渐增的方式给予撞栏物体一定阻力，栏架前倾角大，缓冲距离长，是普通栏架的13.8倍，使得在实现逐步缓冲冲力的同时，也给予运动员相对充裕的空间和时间来调整姿势，避免身体失衡摔倒，从而提升比赛的安全性。

3.2 动态栏高

基于“维持摆动物体垂直高度恒定方法”[2]和“高度补偿”[1]工作原理研制的缓冲式跨栏架，人工徒手推动横木致栏架前摆直至栏架翻倒前的过程中，横木顶端与地面之间的竖直距离，经测试证实始终未发生改变（见表2），考虑为底座抬升装置有效地给予高度补偿所致。

在前倾角范围内缓冲式跨栏架栏高恒定，使得运动员打栏必须受到弹簧拉力的缓冲减速作用，且在缓冲结束前不能以低于栏架标准高度过栏，防止发生故意踹栏过栏和故意蹭栏板过栏的违规获益行为，因此，在《规则》[4]允许范围内，提升安全性的同时保证比赛公平性。

两种缓冲式跨栏架的缓冲距离分别为35.02 cm和36.65 cm，此距离既小于具有平跑速度的跨栏步中摆动腿开始摆动攻栏至摆动腿前伸结束下压扒地动作之前的距离（约等于自身小腿长度），也小于起跨腿的大小腿开始折叠提拉过栏至小腿提拉结束后向身体前夹摆前送之前的距离（约等于自身小腿长度），所以缓冲不会改变比赛形式，仍在《规则》[4]允许范围内。当前的重心起伏低，速度快，跨栏步起跨点和着地点距离远的过栏技术，导致运动员腾空过栏轨迹曲线平顺弧度小，并与栏架前摆缓冲轨迹行程接近重合，这样栏架就能有效缓冲打栏冲力而不会使得运动员难以过栏。

动态栏高的100%指的是在前倾角范围内栏高不降低，换而言之，只是在缓冲距离之内栏高不发生变化，一旦超出该距离范围栏高就会降低，甚至使栏架翻倒，因此不会妨碍运动员过栏。

3.3 推倒力

由表3可知，滚动缓冲式跨栏架的推倒力大于滑动缓冲式跨栏架和普通跨栏架的推倒力，虽然因为三种栏架推倒力都在《规则》[4]允许范围内，就目前看来，没有确切的意义。但是，滚动缓冲式跨栏架的推倒力比另外两种栏架的推倒力变化范围狭窄，这表明滚动缓冲式跨栏架的推倒力更稳定。因此，当广泛使用于比赛时，有助于减少因器材造成比赛不公。从长远看，因为决定滚动缓冲式跨栏架推倒力的因素主要是结构设计而非栏架重量，所以，可以考虑以滚动缓冲式跨栏架的设计为基础，逐步形成新的栏架推倒力标准——固定推倒力标准，由此将引导跨栏架产业升级换代。

3.4 高速摄像机平面定点拍摄单摆模拟打栏

3.4.1 单摆打栏后链球荡起的高度用做单摆运动的链球与栏架发生正碰模拟运动员打栏，由表4可知，尽管使用不同栏架打栏造成链球能量损失有差异，但是，总的来说，打栏导致的能量损失均超过70%，这有效地保证了比赛的公平性。因此，在跨栏跑比赛中，运动员应尽量避免打栏。探究撞击不同栏架能量损失各异的原因，考虑与打栏时做功多少有关。确切地说，虽然三种栏架受到相同或相近的推倒力才会向前翻到，但打栏时，链球需带动整个普通跨栏架做功，而与缓冲式跨栏架碰撞需克服的是阻力弹簧的弹性阻力以及栏架立柱和横木的重力做功。所以，使用缓冲式跨栏架时打栏造成的能量损失相对少于普通跨栏架。这也就意味着速度、质量相同的个体使用不同种类栏架发生打栏，能量损失量不同。因运动员技术发挥的程度不同，打栏可能发生，相互比较而言，链球与缓冲式跨栏架碰撞能量损失比链球与普通跨栏架碰撞少12%～14%，如果比赛中栏架均采用缓冲式跨栏架而不是普通跨栏架，那么，如果万一发生打栏，运动员也能在《规则》[4]允许范围内节省能量。尽管如此，还是应该尽量避免发生打栏，这样才能使运动速度免于打栏造成的损耗。

3.4.2 打栏接触时间滚动缓冲式跨栏架打栏接触时间长的原因:滚动摩擦力小于滑动摩擦力，由于摩擦力的影响，滚动缓冲式跨栏架和滑动缓冲式跨栏架的转动惯性不同；滚动缓冲式跨栏架转动惯性较小，链球的动能损失较少，转化为滚动缓冲式跨栏架的转动动能较少，并且转动的速度容易提高，容易形成对链球的伴随，链球的动能转化为栏架的转动动能，所以使用滚动缓冲式跨栏架时打栏接触时间要比使用滑动缓冲式跨栏架长。

缓冲式跨栏架的打栏接触时间曲线呈倒U形，而普通跨栏架呈W形的原因:在偏离栏架横木中央（1号位），链球与栏架在3、5号位发生碰撞时，普通跨栏架除了可能发生向前的翻到外，还会发生以栏架中心为纵轴的前后偏移。因此，导致打栏接触时间大幅增加；而滑动缓冲式跨栏架和滚动缓冲式跨栏架由于设置了滑动和滚动的装置，栏架本身会以摩擦点或滚动点至最高点的中心为轴的前倾（转动力矩小于栏架与地面接触点至最高点的转动力矩），前倾较普通跨栏架容易发生，故反作用力小于普通跨栏架，打栏接触时间短。在物理学的机械模拟实验过程中，可能存在的误差，对数据产生了微弱的影响。

3.4.3 链球单摆撞击栏架时间—速度变化普通跨栏架减速快是因为栏架没有设计专门的缓冲装置，所以一旦打栏，则为“硬碰硬”过程，链球速度下降快。缓冲式跨栏架的缓冲过程则主要通过横木将来自于链球的动能传递给阻力弹簧转化成弹性势能。缓冲式跨栏架减速慢是因为一开始缓冲式跨栏架并未像普通跨栏架一样受到栏架配重及配重矩的影响，仅受到阻力弹簧渐增式的弹性阻力以及栏架立柱和横木的重力作用，因此，链球速度损失慢。

3.4.4 链球单摆撞击栏架加速度变化链球撞击普通跨栏架产生的加速度大于撞击缓冲式跨栏架产生的加速度，因为普通跨栏架的栏架重量、配重重量和力矩的结构决定了其打栏初始冲力大，所以初始阶段链球的加速度非常大，撞击后链球速度下降快；缓冲式跨栏架采用的是缓冲打栏作用方式，冲力设置由小到大逐渐递增，故初始阶段链球的加速度比使用普通跨栏架的小。

链球撞击滑动缓冲式跨栏架产生的加速度在初始阶段大于撞击滚动缓冲式跨栏架产生的加速度，原因有二:立柱和横木的重量，滑动缓冲式跨栏架大于滚动缓冲式跨栏架；滚动摩擦力小于滑动摩擦力，滚动缓冲式跨栏架的机械顺畅性好。

链球撞击滚动缓冲式跨栏架，在打栏初始阶段，打栏位置越接近横木中央，链球的加速度越小，是因为近中央处横木弹性更好，能起到增强缓冲效果的作用。

使用滚动缓冲式跨栏架打栏冲力最小的原因:链球与滚动缓冲式跨栏架碰撞损失能量后，滚动缓冲式跨栏架伴随链球的时间长，根据动量守恒定律（当没有外力作用时，系统内部不同物体间动量相互交换，但总动量之和为固定值）和冲量-动量定律（Ft=mv），链球动能损失，速度下降；作用时间长，冲力小，所以使用滚动缓冲式跨栏架时打栏冲力最小。

3.5 使用感受

3.5.1 运动员缓冲式跨栏架将阻力设置方式由传统的初始阶段冲力大、卡顿感强的设计，改为冲力渐增式设计，起到了降低打栏冲力的作用，打栏位置越接近横木中央，降低打栏初期冲力作用越显著，这让撞栏变得不再惨烈，有利于减轻运动员过栏心理压力，发挥出最好的竞技水平，从而利于成绩的提升。根据本研究结果，进一步降低横木和立柱的重量将获得更好的缓冲效果，同时还可以有效避免起跨腿敲栏致伤问题。缓冲式跨栏架提供的缓冲距离因能给予运动员相对多的调整姿势的空间和时间而提升了栏架的安全性，但是该距离应严格控制在适当的范围内。本研究将栏架前倾角度设置在21°左右，相当于一个跨栏步长度的1/8-1/10，因此不会影响比赛形式。

栏架的颜色和外观，一方面以国际田联对栏架颜色的要求为准，另一方面遵从色彩对运动员的心理影响规律[7]，采用中性色调或冷色调的颜色；外观上，让立柱与横木连接较靠近横木两端，这除了能防止和减少运动员踢到立柱外，其横向放置的长方形外观，还可以使栏高在视觉效果上显得较低矮。同时立柱采用直径40 mm的粗管，在比例上进一步降低了视觉栏高。3.5.2教练员缓冲式跨栏架是通过弹簧提供的弹性阻力，使打栏运动员缓冲减速，从而避免因打栏而违规获益。针对可能存在的前摆缓冲过程栏架高度降低问题，加装具有高度补偿效果的底座抬升装置，避免了刮蹭过栏而产生的违规获益现象。缓冲式跨栏架的安全性高，源于栏架设计是采用渐增式的弹性阻力，而非栏架加配重的惯性阻力，它能给予打栏运动员做出自我保护反应的空间和时间。当受到一定力值的推倒力作用时，缓冲式跨栏架（包括L形和倒T形）也会向前翻倒。

现阶段主要基于安全和公平考虑，对栏架进行参数测试和物理学模拟，下一阶段将是实践应用研究，包括在田径教学中使用、高水平运动队训练中使用及耐用性试验研究等，不断完善设计，为逐步大范围推广积累经验。

实际上，跨栏跑过栏是一个长约2.95～3.60 m的跨栏步，优秀运动员的起跨点距栏架2.00～2.20 m，着地点距栏架1.30～1.45 m[8]。动作过程包括起跨攻栏、腾空过栏、下栏着地三部分，其轨迹是以起跨攻栏为起点，腾空过栏跨越栏架为最高点，下栏着地为终点的一条抛物线，一个跨栏步的跨度，高度约1 m（1.067 m、0.991 m、0.914 m或其他），栏架前摆缓冲的轨迹与腾空过栏轨迹接近，当运动员在以较快的平跑速度前提下过栏时，摆动腿做出下压着地动作之前也能跨越较长的一段距离（大于缓冲距离），并可在跨越栏架到摆动腿做出下压动作前之间完成缓冲过程，然后栏架翻倒运动员通过，不会影响比赛形式。另外，即使摆动腿下压比正常情况早，摆动腿脚掌或小腿下压碰撞栏架，仅会出现栏架随运动员推力顺势前摆一段距离（等于缓冲距离）后翻倒，然后运动员通过。

对于增加栏架使用上的便捷性，如使其自动化和智能化[9-10]，以减轻工作人员的工作量，是未来缓冲式跨栏架改进的方向。栏架设计方案在提出之初，就设计了自动复位装置，在实现基本目标（用于比赛能保证器材公平性和不改变比赛形式的前提下提升栏架的安全性）的同时注意提升便捷性。未来本研究团队将在现有基础上进行若干部件的改进，以使其更加便捷化、人性化[11]。本研究舍弃了最初的开启式横木设计，是基于下述考虑:①开启式横木设计中使用的门启装置，其核心部件的制造工艺要求精密度高，制作难度和成本相应提升较高；②开启式横木设计耐用性远不及连续性横木设计，后续维护费用高；③专家意见，如改变比赛形式、对临近赛道的影响等。

3.5.3 合作企业等缓冲式跨栏架的缓冲机制与普通跨栏架不同，主要通过横木承接来自于链球的动能，再带动阻力弹簧将动能转化成弹性势能。缓冲过程中横木的形变吸能与弹簧的配合至关重要，横木的材料弹性太大容易产生碰撞震动，进而使链球和横木发生分离，影响缓冲效果。因此，需要通过试验不断积累数据，以选择更适合的横木材料。

降低栏架立柱和横木的重量除了能实现栏架生产成本的降低，更重要的是可以降低栏架重量产生的惯性进而有效提升前摆缓冲的效果，使渐增式阻力设计的阻力增长曲线更顺畅，吸能效果与缓冲设计将配合得更好，从而提升栏架的安全性能。

4 结论与建议

4.1 结论

缓冲式跨栏架符合《规则》[4]的要求，且因打栏冲力降低、栏架前倾角增大和栏高恒定，安全和公平性能优于普通跨栏架，特别是滚动缓冲式跨栏架，具有打栏能量损失少、推倒力值变化小的特点，在测试中表现尤佳。缓冲式跨栏架值得在比赛及训练中推广使用。

4.2 建议

缓冲式跨栏架的应用对运动员的技术动作可能产生潜在的影响，这将在后续研究中继续深入探讨，并从人机工程学的角度，将缓冲式跨栏架的力学性能与动作技术分析结合起来进行研究，这些是本团队未来的研究方向。

[1]王萍，王正珍，陈伟健.比赛型安全跨栏架的研制[J].中国体育科技，2016，52（3）:140-145.

[2]王萍，陈伟健，张亚恒，等.二级缓冲式跨栏架:中国.CN102961880A [P].2013-3-13.

[3]王萍，陈伟健，吴康海.滚动缓冲式跨栏架底座:中国.CN202946484A [P].2015-7-29.

[4]中国田径协会.田径竞赛规则（2014-2015）[M].北京:人民体育出版社，2014:210-214.

[5]钱竞光，宋雅伟.运动康复生物力学[M].北京:人民体育出版社，2015:13-23.

[6]刘学贞.运动生物力学实验与习题[M].北京:北京体育大学出版社，2009:13-17.

[7]李丹，于清，李洪臣.我国青年冰壶运动员的心理调控手段研究[J].体育文化导刊，2015（10）:107-111.

[8]张贵敏.田径运动教程[M].北京:人民体育出版社，2008:236-238.

[9]林文成.一种太阳能发光跨栏架:中国.CN204411736U[P].2015-06-24.

[10]冯双喜.一种电动式跨栏架:中国.CN104941224A[P].2015-09-30.

[11]胡志刚，董少伟.自动复位跨栏架的研制与开发[J].北京体育大学学报，2010，33（6）:143-144.

Performance Comparison Evaluation between Buffer Hurdles and Ordinary Hurdles

WANG Ping1，WANG Zhengzhen2，CHEN Weijian1
（1.Dept.of PE，Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China；2.Dept.of Sport Rehabilitation，Beijing Sport University，Beijing 100084，China）

Objective:As a reference to ordinary counterweight hurdles with L shape（ordinary hurdles for short），and as a criterion to the athletic competition rules（2014-2015）（rules for short），this paper evaluated properties of safety hurdle for competition（sliding type buffer hurdles and rolling type buffer hurdles）.It probed the actual effect of security and fairness，buffer hurdles in order to apply and promote better.Methods:Using test method，we acquired total weight，anteversion angle，down force and dynamic hurdle high.Based on the law which is kinetic energy-potential energy interconversion and conservation in physics pendulum motion，by hammer beating hurdles，we simulated the process athlete beating hurdles and recorded with a high speed camera.Using interviews，we summarized using feelings.Results:The total weight of buffer hurdles is met to rules.Their anteversion were much larger than ordinary hurdles，which can increase the buffer distance，so as to enhance the safety bar fight.Use the base lifting device for height compensation，which ensures dynamic hurdle height is kept constant，so as to ensure the fairness of the competition.Rolling type buffer hurdle’down force has narrow fluctuation range，which helps to reduce the unfair competition caused by equipment.To simulate beating hurdle with the pendulum can be found:when rolling type buffer hurdles were used，the energy loss is minimal，and closer to the midpoint of the crossbar，smaller hit the hurdles in early momentum，better the cushioning effect for athlete;sliding type buffer hurdles’beating hurdles was shortest time.Conclusions:Buffer hurdles are in line with rules，in terms of safety and fairness，performance is better than ordinary hurdles，especially for rolling type buffer hurdles，and should be promoted in competitions and training.

hurdle；buffer；beating hurdle

G 818.3

A

1005-0000（2016）05-448-07

10.13297/j.cnki.issn1005-0000.2016.05.013

2016-06-10；

2016-08-15；录用日期：2016-08-16

广东省省级科技计划项目（项目编号:2014A020220013）

王萍（1974-），女，湖南祁阳人，副教授，研究方向为运动生物力学、体育工程。

1.广东石油化工学院体育学系，广东茂名525000；2.北京体育大学运动康复系，北京100084。