铅球“滑步”与“旋转”最后技术的生物力学分析

2022-01-20尹华跟张葆欣童立涛

体育科学研究 2021年6期

尹华跟，张葆欣,黄艺，刘娜，刘刚，童立涛，陈夏

(1.上饶师范学院体育学院，江西上饶 334001；2.西安体育学院健康科学系，陕西西安 710068；3.贵州健康职业学院人文基础部，贵州铜仁 554300；4.云南民族大学中印瑜伽学院，云南昆明 650500)

推铅球是一个以力量为基础、速度为核心、技术为载体的体能主导类快速力量型运动项目。发展至今，背向滑步式与旋转式推铅球技术已然成为当今时代的主流技术。目前，该项目世界纪录是由美国著名铅球运动员巴恩斯在1990年采用旋转式技术推出的23.12 m。至此，该项技术逐渐被欧美各国选手采纳，并运用于近几届田径世锦赛和奥运会铅球项目中占主流地位，且使用旋转式技术的运动员屡创佳绩，可见该项技术在实践上已得到各国选手和教练的认可。然而，我国田径界中，旋转式推铅球技术还远不及背向滑步推铅球技术有影响力，这主要是因为背向滑步作为我国铅球项目的传统技术，经过历届优秀教练和科研人员的整理、挖掘，已经形成了一套科学合理的训练体系，在实施过程中一般不会走弯路，出成绩的速度比较快。而旋转式技术在我国起步较晚，从下至上没有一套较为完备的训练方案，教练员不敢贸然尝试，因此我国很多教练员和运动员对旋转式技术的认可度不高。但随着时代的进步，旋转式推铅球技术在竞赛场上的优势逐渐打开了国内教练员和运动员的视野，教练员为了改变当前国内铅球竞技成绩停滞不前的局面，不得不再创新以求有所突破。尤其是上海田径代表队铅球运动员张俊采用旋转式推铅球技术在2009年至2012年的运动成绩突飞猛进，一举打破了亚洲记录，促使国内铅球界对旋转式技术更加关注。从现阶段我国各类田径赛事可以看到，每场比赛中均有2～3名选手采用旋转式技术，这说明我国男子铅球投掷技术已经开始向国际化靠拢。另外，国内科研人员也加快了对旋转式推铅球技术的研究步伐，如张英波[1]、董海军[2-3]、文世林[4]、张少伟[5]、刘瑞江[6,7]、郭立亚[8]、张宝峰[9]以及毛永[10]等专家学者分别对旋转式推铅球技术进行了动作原理、生物力学、潜在优势、可行性、结构特点及动作划分等一系列的研究，为当前我国铅球技术水平的提升和人才的选拨与培养提供了重要的理论基础。在国外的研究中，采用运动生物力学在运动损伤与康复领域[11]、中老年健康问题[12]的研究较深入。目前，在国内旋转式技术出众的运动员代表当属冯杰，该名运动员在2017年第十三届全运会中推出19.15 m的成绩，荣获一枚铜牌。冯杰在2005年至2013年一直采用背向滑步技术，在2009年的比赛期间采用该项技术推出19.08 m的成绩，平时在赛前训练中也接连推出过19.14 m和19.64 m 的好成绩。冯杰在12届全运会决赛中推出18.82 m，仅差一厘米而未能进入前八名。之后由于考虑到个人的身体条件和伤病等原因，并结合美国著名铅球教练唐·巴比特在旋转式技术上的经验以及对自身身体机能的评估，冯杰在2014年决定更换技术，且三次赴美进行投掷技术训练。冯杰经过三年的技术改进就能够在国内最高规格的比赛中获奖，这是我国铅球史上绝无仅有的例子，具有重要的意义。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本研究以陕西省男子铅球重点运动员(冯杰)为研究对象，针对其在2017年7月赛前训练中所采用的两种投掷技术(背向滑步和旋转式)的最后用力阶段进行运动学和肌电学的数据分析。该名运动员采用两种投掷技术在不同时期均突破过19 m的成绩，且在第十三届全运会中采用旋转式技术荣获季军。具体见表1。

表1 研究对象基本信息情况统计表

1.2 研究方法

1.2.1 测试方法

1.2.1.1 运动学测试

使用两台SONY300高清摄像机(120帧/s)对运动员赛前训练的两种技术动作进行拍摄。摄像机架设位置分别在投掷圈的右侧方(1号机)和投掷圈的正后方(2号机)，每台摄像机距离投掷圈约10 m，镜头距离地面1.1 m，拍摄频率为50Hz，两机主光轴成夹角约90°(图1)。在测试前对三维框架进行一次拍摄定标，测试后再进行一次框架定标，确保测试录像有效可靠。使用美国ARIEL生产的APAS录像解析软件对所拍摄的动作录像进行解析，采用的人体模型是日本松井秀治人体模型(20个环节，28个关节点参数)。根据本研究的需要选取20个关节点和一个器械附加点(铅球)对两种技术的最后用力阶段进行逐幅打点解析。最后使用低通数字虑波法对原始数据进行平滑处理，截断频率为8 Hz，对所需的运动学原始数据进行分析。

图1 实验测试现场模拟图

1.2.1.2 肌电测试

采用芬兰生产的(Megawin6000-16)16导无线遥测肌电仪对运动员的10块肌肉进行测试，采样频率为1 000 Hz。本次实验使用一次性心电电极(Ag/AgCI,上海申风医疗保健用品公司生产)，经过前期对运动员所测肌肉表面的汗毛、油脂进行处理后，分别将两片心电电极沿着肌纤维走向平行贴在肌肉的肌腹处，另一片零电极贴在肌肉的末端，最后用弹力绷带将心电电极绑好，并通过A/D转换器与电脑连接进行测试。所测肌肉部位具体见图2。

图2 选取测试肌肉电极安置示意图

1.2.1.3 同步的设置

采用外同步的方法将肌电仪和摄像机进行同步，在两台摄像机前方摆放一个通过连串连接的闪光点，当肌电仪发出信号时两台摄像机均能记录到一个很亮的光源(称作“mark点”)，从而确保运动员完成技术动作时在肌电和摄像中的同步工作。

1.2.2 试验测试方案的实施

运动员均采用不同的投掷技术投掷标准铅球5～6次，分别选取2次试验测试较好的成绩进行分析。为了更好地区分两种不同投掷技术的成绩，分别选取滑步技术测试中两次成绩较好的投掷分为A投和B投；旋转技术也同样区分选取，分为C投和D投。

1.2.3 技术阶段划分

最后用力阶段是整个铅球投掷技术中最为关键的环节。在总结前人研究的基础上，分别将背向滑步技术划分为三个阶段——滑步阶段、过渡阶段、最后用力阶段，将旋转式技术划分为五个阶段——双支撑阶段、单支撑阶段、腾空阶段、过渡阶段、最后用力阶段。根据研究的需要将两种投掷技术的最后用力阶段界定为：左脚着地瞬间(L↓)至铅球最后出手瞬间(O↑)。两种投掷技术最后用力阶段具体见图3、4。

图3 背向滑步推铅球最后用力技术动作连续影像图

1.2.4 数理处理

影像解析是采用APAS影像解析软件对运动影像进行解析，其运动参数指标是结合该研究领域专家的建议，严格筛选出20个运动参数指标进行数字化处理的结果；肌电数据处理主要采用芬兰生产的Megawin肌电分析软件对选定的肌电仪中各块肌肉的原始数据进行计算、处理,以此对获得的均方根振幅(RMS)和积分肌电(iEMG)两个主要数据进行肌电分析。

图4 旋转式推铅球最后用力技术动作连续影像图

2 研究结果与分析

2.1 “滑步式”与“旋转式”最后用力阶段主要环节关节角度变化的特征分析

最后用力阶段时的身体主要环节的关节角度变化，反映了运动员在投掷铅球最后用力出手时上下肢的伸展幅度，也间接反映了投掷成绩的好坏。表2的数据显示，两种投掷技术中，C投的左踝角最好，为131°，其中，左脚着地瞬间和最后出手瞬间的左踝角分别为101°和156°，差值+55°，最大角度为174°。B投的左踝角为113°，其中，左脚着地瞬间和最后出手瞬间的左踝角分别为93°和131°，差值+38°，最大角度为162°，相比同类技术中的A投和旋转技术中的投次则相对较差。这说明滑步技术中B投的左踝关节伸展幅度小，蹬转不积极。从差值来看，差值大则蹬伸幅度大，反之则小。在左脚着地瞬间和最后出手瞬间右踝关节的蹬伸幅度差值不大，主要是因为在器械出手瞬间，右脚已离地，下肢各关节角度有一定的减小，不能准确地衡量右侧下肢(右踝关节)的蹬伸幅度，这与董海军[2]的研究相吻合。根据前人研究选取最大的角度，两种投掷技术中的A投至D投右踝关节的最大角度分别为155°、165°、156°和155°。冯杰与国内优秀选手相比，差异不明显,说明冯杰采用两种投掷技术时，右踝关节在最后用力阶段蹬伸均比较积极，踝关节力量相对较好。冯杰在滑步技术中，左膝角分别为144°和148°，旋转技术中，左膝角分别为158°和159°。左脚着地瞬间，左膝角最大的是D 投，为152°，最小的是A投，为130°，冯杰与世界优秀选手相比支撑幅度较小[13]。这说明冯杰所采用的两种投掷技术左侧下肢支撑技术不理想，左腿没有积极地向抵趾板方向穿插，尤以滑步技术最为突出。在铅球最后出手瞬间，左腿必须完全处于积极的蹬伸状态。从表2看，A投至D投最后出手瞬间左膝角分别为173°、166°、169°和170°，没有达到完全的蹬伸状态，即使是左膝关节的最大角度也未曾出现，说明左腿还未完全充分蹬伸。左脚着地瞬间，A投至D投的右膝角分别为114°、122°、115°和118°，此瞬间右膝角过大会减小“满弓”的幅度，不利于身体对超越器械的形成，使上体出现过早的抬起[14]。右膝关节的最大角度反映了最后用力过程中右腿的蹬伸程度，A投至D投右膝关节的最大角度分别为153°、154°、149°和142°，冯杰与优秀选手相比还是有所欠缺的，右膝关节在最后用力过程没有积极地配合左腿的蹬伸，使整个右侧各关节未得到充分的伸展。在左脚着地瞬间，A投的左髋角最小，为142°，说明髋关节的扭紧状态不佳。在铅球最后出手瞬间，A投的左髋角与其他投次不符，左髋角度不降反而高于左脚着地时刻的角度，为145°，表明A投在铅球最后出手瞬间存在后仰的倾向。B投的左髋角在左脚着地瞬间为174°，与其他投次相比存在显著差异，说明上体存在过早抬起的迹象。左髋关节的最大角度反映了左髋伸展的程度，左髋关节的A投、B投和D投伸展幅度充分，而C投的左髋关节在最后用力过程中可能存在屈髋的迹象。在A投中，右髋角在最后出手瞬间与相应的左髋角可能存在同样的问题，右髋关节在A投至D投中的最大角度分别为176°、177°、172°和179°，各投次之间相差并不大，说明右髋伸展较为积极。在两种投掷技术中，左肩角从左脚着地瞬间至铅球最后出手瞬间，角度值本应呈下降的趋势，但B投却与其他投次相反，出现不降反增的趋势，说明左肩关节出现过早打开的问题，使得左臂与髋部未形成较好的扭紧状态。在左脚着地瞬间至铅球出手瞬间，右肩角在两种投掷技术的投次中均呈上升的趋势，这与众多的学者研究结果是一致的[2,15]。从成绩上看，B投的右肩角要小于左肩角，分别为79°和94°，说明该投次的右肩关节没有积极地向前伸展，其他投次的左、右肩关节角度符合技术原理。另外，右肩角在两种投掷技术中的最大角度与投掷成绩密切相关。

表2 “旋转式”与“滑步式”最后用力阶段运动学关节角度指标统计表 (°)

2.2 “滑步式”与“旋转式”最后用力阶段各环节速度的特征分析

表3的数据显示，左膝关节在最后用力阶段主要起支撑和制动的作用。左膝速度在滑步技术中的平均值为1.98 m/s±0.05 m/s，在旋转技术中平均值为2.10 m/s±0.10 m/s，两者相差0.12 m/s。优秀铅球运动员的左膝速度为2.61 m/s，相比较，冯杰在两种投掷技术中的左膝速度偏缓，说明左膝关节在最后用力阶段没有积极地起支撑作用和配合右腿的发力，这与上述表2中存在的问题一致。右膝关节在最后用力阶段的左脚着地瞬间有一个缓冲的过程，在这一过程中右膝速度必然有所损耗，但经过一个短暂的蓄力之后又能使右膝关节的速度提升，其速度提升的大小与右膝关节积极的蹬伸有关。右膝速度在滑步技术中平均值为2.60 m/s±0.21 m/s，在旋转技术中平均值为2.67 m/s±0.04 m/s，其中B投右膝速度最小，说明右腿蹬伸不够充分。右髋速度在滑步技术中平均值为2.56 m/s±0.33 m/s，在旋转技术中平均值为2.87 m/s±0.23 m/s。从成绩上看，投掷成绩好相应的右髋速度最大，分别为2.79 m/s和3.02 m/s，说明右髋水平方向支撑反作用力大，促使右髋推动整个髋部积极地转动。然而B投的右髋速度却要小于右膝速度，从理论上讲，不符合投掷项目中自下而上逐渐加速进行动量传递的原理，从而反映出右髋在该投次中转动不够积极。右肩速度在滑步技术中平均值为2.87 m/s±0.14 m/s，在旋转技术中的平均值为3.44 m/s±0.28 m/s，可以看出旋转技术中的右肩速度要好于采用滑步技术，说明旋转技术在最后用力阶段对铅球的持续加速能力相对较好。

根据表3来看，重心高度在滑步技术中平均值为1.19 m±0.01 m，在旋转技术中平均值为1.24 m±0.04 m，两者相差0.05 m。可以看出采用旋转技术时的最后用力阶段的重心高度要略高于滑步技术，这与前人的研究观点是相符的。在滑步技术中，重心速度和铅球速度平均值分别为2.41 m/s±0.06 m/s、11.89 m/s±0.21 m/s，铅球与身体重心速度差平均值为9.48 m/s±0.27 m/s。在旋转技术中，重心速度和铅球速度平均值分别为2.46 m/s±0.04 m/s、12.42 m/s±0.18 m/s，铅球与身体重心速度差平均值为9.96 m/s±0.12 m/s。可以得知，冯杰采用旋转技术在最后用力阶段时的三项速度指标均在一定程度上要好于采用滑步技术。相关研究表明，若运动员的铅球速度与身体重心速度差值偏小，那么就表明运动员的爆发用力不够理想，“人-球”系统获得的加速度不够，不利于铅球获得更大的出手速度。世界优秀铅球运动员铅球与身体重心速度差值为11.04 m/s[16]，不难看出，冯杰所采用的两种投掷技术(尤其是滑步技术)在最后用力阶段对技术的掌控能力不是很好，使得在动量的传递和速度的叠加方面不够明显，在今后训练中需要改进。

表3 “滑步式”与“旋转式”最后用力阶段各环节速度参数统计表

2.3 “滑步式”与“旋转式”最后用力阶段出手瞬间部分运动学的特征分析

出手速度、出手角度和出手高度是决定铅球投掷成绩的重要指标。其中，出手速度与投掷成绩呈显著性相关(相关系数大于0.99)[17]。表4显示，冯杰采用滑步技术时的出手速度平均值为12.13 m/s，采用旋转技术时的出手速度平均值为12.45 m/s。世界优秀铅球运动员在滑步技术和旋转技术中的出手速度分别为13.14 m/s和13.55 m/s[18]，冯杰所采用的两种投掷技术与世界优秀铅球运动员在相应的投掷技术中速度相差1 m/s有余，其中只有C投在出手速度上与世界优秀铅球运动员差值稍小，这也是该投成绩最好的主要原因。因此，提高铅球的出手速度对冯杰能否取得好的成绩具有至关重要的作用。铅球的出手角度在一定范围内会随着出手速度的变化而变化。从理论上讲，铅球适宜的出手角度在34°～38°之间[19]，冯杰所采用的两种投掷技术的出手角度平均值分别为34.79°和35.73°，角度最大的是C投，为36.09°，角度最小的是B投，为34.35°，均在合理的范围之内。出手高度和两脚距离主要与运动员的身高、臂长、爆发力大小以及用力方式有一定的关系。世界优秀铅球运动员的平均身高在190 cm左右，而冯杰身高只有180 cm，在铅球项目中并不占优势。其中冯杰只有C投的出手高度与优秀选手相接近，为2.21 m，A投两脚距离最大，为0.81 m，但与优秀选手之间还存在不小的差距。在最后完成时间上，滑步技术平均值为0.249 s，旋转技术平均值为0.25 s，C投的最后完成时间最短，为0.233 s，接近优秀选手最后完成时间的水平。冯杰滑步技术与世界优秀铅球运动员的最后完成时间存在显著的差异，但与国内优秀选手则水平相当，平均为0.24 s。这说明我国运动员在采用滑步技术时，身体由背向转为侧弓、再由侧弓转为反弓的时间过长，可能出现“用力迟缓”的现象。这将是今后运动员采用滑步技术在最后用力阶段中改进的重点。

表4 “滑步式”与“旋转式”最后用力阶段出手瞬间部分运动学参数统计表

表5 “滑步式”与“旋转式”最后用力阶段肌肉活动的RMS特征统计表单位：uV

2.4 “滑步式”与“旋转式”最后用力阶段肌肉的sEMG总体描述

均方根振幅(RMS)是反映肌电信号振幅大小的指标，其大小反映了一定时间内肌肉放电的平均水平[21-23]。根据表5统计的RMS结果可知，冯杰在滑步技术中的最后用力阶段主要肌肉的平均放电大小顺序是右腕关节屈肌、右竖脊肌、左股四头肌、右胸大肌、右股四头肌。不难看出，滑步技术中肌肉发力顺序在该阶段整体上出现絮乱的现象，与投掷项目在该阶段从右至左、从下至上的发力顺序传递过程相悖。这与表2中左右膝关节在出手瞬间角度偏小是有直接关系的。

冯杰在旋转技术中的最后用力阶段主要肌肉的平均放电大小顺序是右股四头肌、左股四头肌、右腓肠肌后段、右股二头肌、右臀大肌。可以看出，冯杰采用旋转技术时在最后用力阶段肌肉的发力顺序整体上符合从右至左、从下至上的传递过程。但冯杰的躯干肌群的肌肉放电还是存在问题，比如：右胸大肌的放电水平较低，肌肉活动相对较弱；右腹外斜肌和左股二头肌在C投和D投中均存在放电不积极的现象，振幅和棘波频率不明显；右竖脊肌在C投中的放电强度相比D投存在放电不明显、肌肉活动较弱的迹象。所以，今后冯杰躯干肌群的发力协调性还急需改进。

2.5 “滑步式”与“旋转式”最后用力阶段肌肉活动的iEMG特征分析

积分肌电(iEMG)是指在一定时间内肌肉参与活动的运动单位放电总量，即在时间不变的前提下，其值大小在一定程度上反映了参加工作的运动单位的数量多少和运动单位的放电强弱，这是评定肌纤维参与多少的重要指标[20-22]。

根据表6来看，在滑步技术中，A投的右腕关节屈肌、右竖脊肌和右胸大肌的肌肉活动较强，其iEMG值分别为117 uV.s、65 uV.s和64 uV.s，可以判定是该投的主要发力肌肉，其余肌肉活动强度不明显，尤以右臀大肌、右腓肠肌后段和右股二头肌最为显著，从而说明右腿在最后用力阶段铅球出手时没有积极地蹬伸。B投的主要发力肌肉是右腕关节屈肌、左股四头肌和右竖脊肌，其次是右股二头肌和右股四头肌。结合图5可知，滑步技术中整体放电强度较好的肌肉是右腕关节屈肌和右竖脊肌，其平均iEMG值和贡献率分别为126 uV.s、70 uV.s和22.57 %、12.52 %，且均是A投和B投中做功较好和贡献率较大的两块肌肉，整体放电强度较弱的肌肉是右臀大肌和左股二头肌。

表6 “滑步式”与“旋转式”最后用力阶段肌肉活动的iEMG特征统计表单位：uV.s

在旋转技术中，C投的主要发力肌肉是右股四头肌、左股四头肌和右股二头肌，可以发现C投的下肢肌群发力明显，这与李延军[23]的研究结果相似，在其研究中均认为下肢肌群是主要发力肌肉，所以这也是C投相比其他几投成绩较好的主要原因。D投的主要发力肌肉是左股四头肌、右股四头肌、右臀大肌，可以看出C投和D投的主要发力肌肉相似，均是下肢肌群发力明显，但D投除左股四头肌和右臀大肌之外，其他肌肉的放电强度均要弱于C投的相应肌肉。结合图5来看，旋转技术中整体放电较好的肌肉是右股四头肌、左股四头肌、右腓肠肌后段和右股二头肌，其平均iEMG值和贡献率分别为162 uV.s、124 uV.s、81.5 uV.s、78.5 uV.s和23.58 %、18.12 %、11.86 %、11.43 %，可以发现下肢肌群起主要发力作用，这与C投和D投的情况基本相吻合。整体放电较弱的肌肉是左股二头肌、右腹外斜肌，不难看出，左股二头肌没有被有效地激活是与左腿在制动支撑和左膝速度偏慢有必然联系的，滑步技术中也同样存在相应问题。右腹外斜肌活动程度较弱可能是在最后用力阶段腰髋关节未充分扭紧、侧弓不饱满且伴有上体过早提起造成的。所以在今后的训练中要重视躯干肌群的激活，同时也要加强其他相关联肌肉的训练。