速度攀岩运动员出发动作的生物力学分析

蔡 勇，武文强，周兴龙，牛志培，武 薇，黄 嫡

速度攀岩运动员出发动作的生物力学分析

蔡 勇1，武文强2，周兴龙3，牛志培4，武 薇5，黄 嫡6

目的：探讨速度攀岩运动员出发动作技术的生物力学特征，揭示运动员完成合理动作的规律，对技术特点进行总结分析，为运动员进行科学化训练提供参考。方法：本研究从北京体育大学攀岩运动员中选取9名作为试验对象，根据运动等级分为优秀组和普通组。运用Qualisys动作捕捉分析系统和Kistler三维测力台对速度攀岩运动员的出发动作进行测试，测试指标为蹬伸时间、加速度、身体重心速度、冲量、峰值力等。结果：优秀组和普通组在垂直方向加速度分别为11.29 m/s2和5.17 m/s2，有显著性差异（P＜0.05）。普通组运动员蹬伸阶段的时间平均为0.17 s，而优秀组运动员蹬伸平均时间为0.12 s，且优秀组峰值力1 035.41 N明显大于普通组的551.40 N，两者均具有显著性差异（P＜0.05）；在蹬伸冲量方面，优秀组和普通组分别为1.16 BW/s和0.84 BW/s，有显著性差异（P＜0.05）；两组运动员身体重心速度没有显著性差异。结论：优秀组在预备阶段膝关节角度较大、缓冲冲量小，表明优秀组运动员在预备阶段身体重心下降相对较小，能够缩短蹬伸时间；优秀组运动员在蹬伸阶段，力的梯度大，冲量大，表明爆发力强；蹬离地面时重心加速度变化表明优秀组运动员能够充分利用岩壁的支撑腿和手臂进行加速。

速度攀岩；生物力学；冲量；重心；爆发力

在里约奥运会举办之际，国际奥委会正式宣布攀岩项目进入2020年东京奥运会大家庭。攀岩运动作为当今的时尚运动之一，素有“岩壁芭蕾”的美誉。速度攀岩作为攀岩比赛项目之一，赛道难度系数相对较低。出发是攀岩比赛过程的第一步，它的主要作用是使身体尽快地摆脱静止状态，获得最快的速度和向上的冲力，为启动后快速向上攀爬提供有利的条件。在世界顶级比赛中，比赛成绩往往相差百分之一秒就可以决定比赛的名次。国内教练往往凭借着经验进行教学训练，缺乏数据的理论支持。从以往教学经验可知除出发的反应时间外，起动阶段的时间也是决定速度赛出发时间的重要因素。要求运动员除具备良好的专项身体素质，出发阶段的动作模式也是十分重要的。国内有学者运用生物力学方法对不同“侧拉”动作研究发现，人体重心对于平衡维持有着重要作用，对攀岩训练有大帮助[1]。

通过查阅文献发现，对于攀岩运动的研究主要集中在对攀岩技术动作的理论性分析[3-6]，速度攀岩出发阶段的运动学与动力学特征的报道还未看到。综上所述，本研究运用Qualisys动作捕捉分析系统和Kistler三维测力台对运动员的出发动作进行生物力学分析，寻求该动作过程的运动学和动力学特点，为学校速度攀岩运动员的训练提供数据支持。

1 研究对象与方法

1.1 试验对象

本研究通过查阅资料、专家咨询筛选北京体育大学200名攀岩运动员，选取3名运动员作为优秀组，6名运动员作为普通组，其中张X、刘X、贾X作为本实验的优秀组，曾代表北京体育大学参加北京市攀岩比赛，训练年限4年；其他6人作为本试验的普通组，训练年限4年。本研究通过筛选运动年限相同、比赛经验丰富的运动员，在这一点上可以对代表性较小起到一些补偿作用。运动员基本情况见表1。

表1 受试者基本情况登记表Table1 The Subjects'Basic Condition

1.2 测试方法

1.2.1 测试仪器 运动学测试仪器：Qualisys光学运动捕捉与分析系统，包括8个高速摄像头、红外光点和数据采集系统，数据采集频率为200 Hz。应用Qualisys光学运动捕捉与分析系统对受试者出发动作的预备姿势阶段到地面支撑脚离地阶段的全面拍摄，由于学术界暂未对速度攀岩出发动作进行明确定义，根据本研究目的进行人为的阶段划分。

动力学测试仪器：瑞士产Kistler（9281CA）三维测力台4块。应用三维测力台对测试过程中受试者出发阶段所受的地面反作用力数据进行采集。数据采集频率为1 000 Hz。场地器材：EP公司人工岩壁（高约230 cm）1块，为不透明人工岩壁。实验场地布置见图1。

图1 Qualisys、测力台和人工岩壁的空间位置及现场实验示意图Figure1 Space Location and Field Experiment Sketch of Qualisys，Force Platform and Artificial Walls

1.2.2 测试方案 实验人员讲解实验要求后，受试者进行热身活动，按照设置方案粘贴反光标志物。为减少系统误差，所有受试者反光标志物的粘贴均由一人完成。进行2次练习动作后每位受试者进行实验动作3次。

1.2.3 数据处理 运动学数据运用Qualisys track manager（版本号：1.10.282）进行提取与分析。通过体表红外光点标志点建立环节坐标系[7-8]，用Cortex软件计算膝关节、关节角度。

动力学数据运用Kistler Bioware（版本号：3.2.6.104）进行提取与分析。后用Microsoft Excel软件进行处理。实验数据处理见图2。

图2 Qualisys track manager数据处理示意图Figure2 Data Processing Sketch of Qualisys Track Manager

为了消除受试者体质量不同所造成的影响，本研究采用单位体质量的压力、单位体质量的冲量，即把所受压力、冲量除以相应受试者的体质量。

2 结果与分析

2.1 速度攀岩运动员出发技术阶段的划分

通过查阅相关文献，国内外暂未对速度攀岩出发动作有一个明确的定义。查阅相关运动学方面的资料以及考虑到本实验条件等因素的制约，根据出发技术的规律及本实验研究的目的将整个出发过程分为预备阶段和蹬伸阶段2个部分。

2.2 运动学结果与分析

2.2.1 身体重心位置相关参数的对比分析 在出发的预备阶段，运动员主要是调整身体的姿势，为下一步快速启动创造有利的条件。身体重心所处的位置，可以决定运动员是否能够快速的打破原有的静态平衡进入到加速阶段，也决定了运动员下肢的肌群是否处于一个有利的发力工作条件，因此，身体重心位置能够影响运动员的身体姿势。本研究对不同时刻运动员的重心位置进行对比分析（见表2）。

表2 各特征时刻身体重心高度统计表/mTable2 Statistical Table of the COG Height at Every Feature Moment/m

从表2可以看出，进行独立样本T检验得出两组运动员在身体重心各参数的变化量上没有统计学差异（P＞0.05）；普通组和优秀组运动员身体重心变化差别不大，对于速度攀岩运动员出发来说，较低的身体重心虽有利于身体的稳定，但对出发阶段的作用还要结合下肢各关节角度进行分析。单从身体重心变化这一因素分析得知这9名运动员在向上攀爬前能稳定地控制平衡。

2.2.2 身体重心相关参数的对比分析 攀岩运动员在蹬伸阶段需要充分利用在向上踏跳前所得到的缓冲能力，得到较大的垂直方向的速度，使人体尽快离开地面进行攀爬。为了探讨人体重心的速度特征对攀岩运动员出发效果的影响，本研究选取蹬伸阶段的身体重心垂直方向相关参数进行对比分析（见表3）。

表3 出发各个阶段重心相关参数统计表Table3 Statistical Table of the COG Related Parameters at All Stages of Departure

从表3可以看出，本研究实验对象的重心速度在一定的时间范围内是逐渐加大的，刚蹬离地面时普通组运动员的速度平均值为1.81 m/s，优秀组运动员的平均速度为1.26 m/s，重心速度变化没有统计学差异（P＞0.05）。蹬离地面时重心加速度优秀组运动员显著大于普通组运动员（P＜0.05），分别为5.17 m/s2、11.29 m/s2，运动员在蹬离地面时产生加速度的力量主要来源于岩壁的支撑腿和手臂。在教学训练中，教练员强调岩壁支撑腿和手臂并非是简单稳定身体的作用，而应该是在支撑同时进行发力向上攀爬，这与实验数据特征相符。速度变化率也显著大于普通组运动员，这是由于优秀组运动员除了能够很好地利用下肢的爆发力外、身体的协调也是高度一致的，这为后程加速向上攀爬提供了很好的条件。

2.2.3 预备阶段人体下肢关节角度的特征

根据研究目的，将整个出发过程在蹬离地面的腿称为地面支撑腿，蹬离岩壁的腿称为岩壁支撑腿。运动员从缓冲阶段到蹬伸阶段是通过“重心最低”作为临界点实现的，对于启动具有重要的意义。该画面下人体的身体姿势与后续的加速蹬伸动作的完成有着直接的联系，而下肢的关节角度大小决定了运动员的身体姿势是否能够处于一个较佳的发力状态。因此，“重心最低”位置下运动员的身体姿势对于出发技术来具有重要的作用。预备姿势时下肢各关节角度见表4、表5。

表4 预备姿势时下肢各关节角度参数Table4 The parameters of the Joint Angles of the Lower Limbs in the Preparation Position

表5 蹬离地面时下肢各关节角度参数Table5 The parameters of the Joint Angles of the Lower Limbs While Push Off the Ground

从表4、5可以看出预备姿势下普通组运动员地面支撑腿膝关节的平均角度为130.72°，而优秀组运动员膝关节的平均角度为144.87°，通过独立样本T检验得出两组运动员在地面支撑腿膝关节角度变化、蹬离地面时踝关节角度具有统计学意义（P＜0.05），而在岩壁支撑腿膝关节、踝关节角度变化不具有统计学意义（P＞0.05）。结合经过处理的高速视频能够清晰地看到，所有运动员地面支撑腿的膝关节角度都大于130°，要明显大于岩壁支撑腿的膝关节角度。结果身体重心高度变化以及蹬伸阶段时间分析，优秀组运动员在预备阶段身体重心下降幅度小，地面支撑腿膝关节角度较大，岩壁支撑腿的膝关节在一定范围内尽可能的小，这样有利于膝关节快速发力进行蹬伸启动，从而使蹬伸过程时间短。出现角度大的原因可能是由于普通运动员在启动过程中过度利用地面支撑腿进行发力或是身体协调性不够。在短暂的蹬伸阶段中，攀爬的力量主要是通过髋、膝、踝3个关节的快速有力的蹬伸、岩壁支撑腿以及上肢手臂而产生的。两组运动员的踝关节角度在预备姿势时刻差别不大，但在蹬离地面时优秀组运动员的地面踝关节角度具有统计学意义，而蹬伸时间为0.12 s，说明优秀组运动员能够利用预备阶段储存的弹性势能进行启动。

2.2.4 蹬伸阶段时间的运动学特征

蹬伸阶段时间的界定是：运动员的身体重心开始上升的那一帧开始一直持续到测力台上力值突然变化为零的那一帧为止。从表6可以看出，本研究所选的普通组运动员在蹬伸阶段的平均时间为0.17 s，而优秀组运动员在蹬伸阶段平均时间为0.12 s，两组运动员在蹬伸阶段时间上具有统计学意义（P＜0.05）。

表6 蹬伸阶段的时间对比表Table6 The Table of Comparison of Stretching Time

这说明优秀组选手的蹬伸快速有力，结合运动员蹬伸腿下肢各关节蹬伸程度可以发现，主要原因可能是利用岩壁上的支撑腿和手臂进行加速，地面支撑腿的作用是使身体尽快进行启动。在2014年中国吴江举行的世界杯攀岩赛中，中国速度赛冠军钟齐鑫以0.04 s的微弱优势险胜捷克选手利博夺得冠军，可以说极短的时间可以直接影响速度攀岩比赛的成绩。速度攀岩出发动作并不像其他短跑类运动，它的出发很大程度取决于岩壁支撑腿和上肢的快速攀爬能力。所以，要想缩短蹬伸阶段的时间，既要加强专项力量的练习，又要加强协调能力的练习，以便增强出发出发的效果。

优秀组峰值力出现在蹬伸阶段时间的40%以前，明显早于普通组运动员，且蹬伸力峰值要明显大于普通组。说明普通组运动员在短时间内利用能量的效率比较低。

2.3 动力学结果与分析

2.3.1 冲量的相关参数结果分析 曲峰等[9]在研究中提到，研究爆发力性质的动作时，选择力的梯度（单位时间内力的增量）、力的冲量等参数进行分析比较科学。曹志飞等[10]分别从缓冲阶段冲量和蹬伸阶段冲量上分析了与跳起高度之间的关系，指出起跳的冲量是影响起跳效果的非常重要指标，所以根据前人在类似项目中的研究经验，结合速度攀岩这项运动本身的特点，本文选用了缓冲阶段冲量、蹬伸阶段冲量2个指标进行分析。

从图3可以看出，普通组缓冲阶段冲量为10.60 BW/s，优秀组缓冲阶段冲量为6.09 BW/s，蹬伸阶段冲量分别为0.84 BW/s、1.16 BW/s，均具有统计学上的意义（P＜0.05）。预备阶段普通组的缓冲冲量大于优秀组运动员，说明相对于优秀组运动员，普通组运动员在出发前有较充分的缓冲制动，充分的缓冲需要身体重心的下降，同时下肢肌肉拉长储存能量，最终完成向上出发加速；优秀组由于缓冲时间较短，制动不明显，这样可以减少能量的损失，使在出发时最大限度的向上攀爬。蹬伸阶段冲量优秀组运动员显著大于普通组（P＜0.05），说明优秀组的腿部爆发力更大，相对的蹬伸阶段冲量也就大于普通组运动员。

图3 标准化冲量统计图（优秀n=3；普通n=6）Figure3 StandardizedImpulseStatistics（Excellent：n=3；Control：n=6）

2.3.2 力值相关参数比较分析 缓冲结束瞬间的力值大小能够反映出下肢肌肉能量储存的情况，体现缓冲阶段与地面作用效果的有效指标。缓冲结束瞬间的力值越大，下肢储存的肌肉势能就越多，能够转化成人体向上的能量也就越多。从表7中可以看出，优秀组运动员在缓冲结束时垂直方向Fz绝对值与普通组运动员具有统计学意义（P＜0.05），说明优秀组在缓冲阶段储存的能量大于普通组，可能是由于缓冲结束瞬间普通组运动员身体的部位与地面碰撞造成的。

表7 出发过程垂直方向相关力值参数统计表Table7 Parameter Statistics of the Force of the Vertical Direction at the Departure Time

蹬伸力峰值指的是运动员在加速蹬离地面时反作用力的最大值。它是下肢主要肌群储存的弹性势能从缓冲阶段到蹬伸阶段释放能量的具体表现，其影响因素除体质量外，还和运动员身体各环节的协调以及下肢主要肌肉的活动有关。从上表可以看出，优秀组运动员与普通组运动员在蹬伸力峰值方面具有统计学意义（P＜0.05）。普通组运动员在蹬离地面时的重心垂直速度速度稍大于优秀组，引起的原因可能是普通组运动员下肢肌肉力量不足不及优秀组。

2.3.3 力的加载率曲线变化 力的加载率，也称力的梯度，是指某一阶段力值的变化与所经历时间的比值[2]。研究[9]表明力的加载率越大，爆发力越强。本研究选取了蹬伸阶段运动员的垂直加载率作为研究内容。

从表8可以看出，普通组运动员最大加载率为1 988 N/S，优秀组运动员的力的最大加载率为4 591 N/S，两者具有统计学差异（P＜0.05）。优秀组运动员垂直方向力的最大加载率大于普通组运动员，说明优秀组运动员的下肢爆发力比普通组强，在进行教学训练中，可以结合专项动作增加专门性的力量训练，对于运动员的出发成绩来说有着重要的意义。

表8 蹬伸阶段垂直方向力的最大加载率统计表/N·S-1Table8 Parameter Statistics of Maximum Loading Rate of theVertical Force When Stretching/N·S-1

3 结论与建议

3.1 本研究的创新与局限

（1）国内外对于速度攀岩运动的研究比较少，本研究运用Qualisys动作捕捉分析系统和测力台对攀岩运动员的出发动作进行研究。

（2）每次测试都需要移动600 kg的器械，使实验具有一定的挑战性，而且岩壁属于不透明的物体，给实验增加了许多困难，以后的研究中希望能够改进人工岩壁，使实验数据更加全面、精确。

3.2 结论

（1）优秀组在预备阶段膝关节角度较大、缓冲冲量小，表明优秀组运动员在预备阶段身体重心下降相对较小，能够缩短蹬伸时间。

（2）优秀组运动员在蹬伸阶段，力的梯度大，冲量大，表明爆发力强。

（3）蹬离地面时重心加速度变化表明优秀组运动员能够充分利用岩壁的支撑腿和手臂进行加速。

3.3 建议

（1）在攀岩训练中设置专门的出发技术的训练，在这过程中对预备姿势的技术动作要有严格的要求，即身体重心高度、左右腿膝关节角度、踝关节角度等参数都控制在合理的范围内。

（2）结合专项动作，加强对下肢爆发力的训练以及身体协调性训练，充分利用岩壁支撑腿及上肢进行出发。

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Biomechanical Analysis of the Start Movement of Speed Rock-Climbing Athletes

CAI Yong1，WU Wenqiang2，ZHOU Xinglong3，NIU Zhipei4，WU Wei5，HUANG Di6
（1.School of Graduate，Beijing Sport University，Beijing 100084，China；2.School of Education，Beijing Sport University，Beijing 100084，China；3.College of Sport Science，Beijing Sport University，Beijing 100084，China；4.Dept.of Social Sports，Beijing Sport University，Bei⁃jing 100084，China；5.Sport Science Research Center，Beijing Sport University，Beijing 100084，China；6.School of Graduate，Beijing In⁃stitute of Technology，Beijing 100081，China）

Objective：This study aims to detect the biomechanical characteristics of starting action techniques of speed rock-climbing athletes.To reveal the rules of the athlete completing the reasonable action，and to summarize and analyze their technical characteristics，and then，providing references for athletes to carry out scientific training.Methods：9 rock-climbing athletes from Beijing Sports University were assigned into the elite group and the control group.The start⁃ing action was measured by Qualisys motion capture analysis system and Kistler three-dimensional force platform.The indices were measured include pushing time，acceleration，the speed of center of gravity（COG），impulse and peak force，etc.Independent test was performed to compare the differences between groups.Results：There was significant difference in the vertical acceleration between the elite group and the control group（11.29 m/s2vs.5.17 m/s2，P＜0.05）.The average time of pushing phase in the control group was 0.17 s，however，it’s just 0.12 s in the elite group.The peak force in the elite group was significant higher than that in the control group（1 035.41 N vs.551.40 N，P＜0.05）.Significant difference was observed in the sum of stretching impulse between the excel⁃lent group and the ordinary group（1.16BW*G vs.0.86BW*G，P＜0.05）.No significant difference was showed in the COG speed between the two groups.Conclu⁃sions：In the preparing phase，the knee angle was larger and the buffer impulse was smaller in the elite group compared with control group，indicating that the body center of gravity of elite athletes decreased relatively small in the preparing phase，and the elite can shorten the pushing time；in the pushing phase，the loading rate of force was higher，the impulse was bigger in the elite group compared with control group，indicating that elite athletes have more power；the accelera⁃tion of the center of gravity when body accelerating from the ground indicated that elite athletes can make full use of the supporting legs and arms to accelerate.

the speed rock-climbing；biomechanics；impulse；COG；explosive power

G 804.6

A

1005-0000（2017）03-256-05

2016-10-09；

2017-02-05；录用日期：2017-02-06

2014-2015年北京市科研训练计划支持项目

蔡 勇（1992-），男，湖南益阳人，在读硕士研究生，研究方向为运动生物力学，运动训练学；通信作者：武文强（1973-），男，山东新泰人，博士，副教授，研究方向为运动生物力学，技术分析，运动训练学。

1.北京体育大学研究生院，北京100084；2.北京体育大学教育学院，北京100084；3.北京体育大学运动人体科学学院，北京100084；4.北京体育大学社会体育系，北京100084；5.北京体育大学科学研究中心，北京100084；6.北京理工大学研究生院，北京100081。

10.13297/j.cnki.issn1005-0000.2017.03.013