賈 誼，張青粉

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我國優(yōu)秀女子鏈球運動員關鍵動作技術的生物力學分析

賈 誼，張青粉

研究目的：通過拍攝我國部分優(yōu)秀女子鏈球運動員的動作，對影響和制約運動員成績發(fā)揮的因素進行了分析和研究。研究方法：1)用立體定機拍攝法，獲得運動員比賽視頻錄像；2)利用APAS運動圖像分析系統(tǒng)對比賽視頻進行解析，獲得原始運動學參數(shù)；3)數(shù)字濾波法，對原始運動學參數(shù)進行低通濾波平滑，截斷頻率為8 Hz。研究結果：1)我國運動員雙支撐時間不足；2)我國運動員普遍存在預擺動作不充分的現(xiàn)象，導致旋轉(zhuǎn)第1圈鏈球速度增量過大，個別運動員在旋轉(zhuǎn)過程中還出現(xiàn)了鏈球速度的負增長。3)我國運動員普遍采用“晚抬早落”的旋轉(zhuǎn)技術以增加對鏈球的加速距離。研究結論：1)我國運動員應增加預擺末期的鏈球速度；2)運動員應在雙支撐期盡量保持重心平穩(wěn)過渡，以減少“轉(zhuǎn)輪效應”對鏈球速度產(chǎn)生的影響；3)建議增加雙支撐期時間。

女子鏈球；動作技術；生物力學；預擺；旋轉(zhuǎn)

1 前言

女子鏈球近年來一直是我國的田徑優(yōu)勢項目。在2014年成都舉行的全國田徑投擲項目公開賽中，陜西隊運動員王崢投出了77.68 m的好成績，刷新了張文秀保持的76.99 m的亞洲紀錄。這一成績也使王崢的世界排名躍居到第5位。另外，老將張文秀近幾年的發(fā)揮也較為穩(wěn)定。鏈球項目需要運動員在有限的空間范圍內(nèi)完成一連串快速和高難度的動作，因此，對運動員的動作技術進行生物力學分析，可以發(fā)現(xiàn)其中的不足，為指導運動員科學訓練提供幫助。本研究選取2014年全國田徑冠軍賽暨大獎賽總決賽女子鏈球項目前8名運動員的技術動作作為研究對象，將她們的動作技術參數(shù)與國外優(yōu)秀運動員進行對比研究，分析制約我國運動員成績提高的因素。

2 研究對象與研究方法

2.1 研究對象

本次研究對象為2014年全國田徑冠軍賽暨大獎賽總決賽女子鏈球項目前8名的運動員(表1)。8名運動員均以右手為優(yōu)勢手，均采用旋轉(zhuǎn)4圈的技術動作。

表 1 本研究參賽運動員情況統(tǒng)計一覽表

2.2 研究方法

2.2.1 比賽現(xiàn)場拍攝

于2014年7月11日，使用兩臺CASIO FH25攝像機，對8名參賽運動員的技術動作進行三維定機定焦拍攝。一臺攝像機位于投擲圈右方正側(cè)面，另一臺攝像機位于投擲圈正后方，兩攝像機主光軸夾角約90°。設定拍攝頻率為120 Hz，拍攝距離為10 m，機高1.2 m，快門速度1/2 000 s。使用PEAK輻射式三維標定框架為后續(xù)數(shù)據(jù)解析過程進行標定，并分別于賽前和賽后將標定框架放置于投擲圈中央進行拍攝。拍攝現(xiàn)場布置如圖1所示。

2.2.2 錄像解析與數(shù)據(jù)處理

分別取8名運動員成績最好的一投進行解析。使用Ariel公司(美國)的APAS錄像解析系統(tǒng)對動作視頻進行人工數(shù)字化處理。人體標志點數(shù)量為19個，將人體劃分為16個環(huán)節(jié)，另外，設置一個靜止參考點以及一個額外點作為計算鏈球球體運動學參數(shù)之用。采用丹普斯特人體慣性參數(shù)模型計算得到運動員相關的慣性參數(shù)及人體重心運動學參數(shù)。人體標志點三維坐標采用直接線性變換算法(DLT)計算得到。解析得到的原始數(shù)據(jù)通過數(shù)字濾波法進行平滑處理，截斷頻率設為8 Hz。

圖 1 本研究拍攝現(xiàn)場示意圖

2.2.3 關鍵運動時相劃分

為了便于研究，選取了運動員整個動作過程中的10個關鍵時相，分別為t1～t10，動作劃分方法為：t1：預擺末期鏈球最低點時刻；t2：預擺結束后右腳第1次離地時刻；t3：右腳第1次著地時刻；t4：右腳2次離地時刻；t5：右腳2次著地時刻；t6：右腳3次離地時刻；t7：右腳3次著地時刻；t8：右腳4次離地時刻；t9：右腳4次著地時刻；t10：鏈球出手時刻。

另外，定義第1圈至第4圈(T1～T4)旋轉(zhuǎn)的開始和結束時刻，分別為球體Z軸坐標最小值和最大值時刻；將每圈旋轉(zhuǎn)動作分為單支撐(SS)和雙支撐(DS)兩個階段。其中，單支撐階段為擺動腳離地時刻至下一次著地時刻；雙支撐階段為擺動腳著地時刻到離地時刻。

所有解析得到的原始數(shù)據(jù)通過EXCEL 2003軟件進行計算處理。

3 結果與分析

3.1 支撐時間特征分析

鏈球運動員在每一圈旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)都會各出現(xiàn)一次雙腳支撐階段(以下簡稱雙支撐期)和單腳支撐階段(以下簡稱單支撐期)。以往的研究表明[3，4]，運動員通常是通過雙支撐期發(fā)力，來使鏈球加速運動；將單支撐期作為過渡階段。Panoutsakopoulos[12]認為，雙支撐期占總支撐時間的比例應該達到55%左右。車曉波[1]對男子鏈球運動員的動作進行分析后認為，旋轉(zhuǎn)過程中單、雙支撐時間不合理,是造成球速增量較少和無法持續(xù)加速的原因。于是有研究者提出，運動員在投擲過程中，應盡量增加雙支撐期時間，并減少單支撐期時間，以提高投擲成績。

但也有學者提出了不同意見，Susanka等人[13]提出，運動員在后兩圈旋轉(zhuǎn)過程中應適當延長單支撐期時間，使單支撐期與雙支撐期時間基本相同，更有利于運動員的最后發(fā)力。另外，F(xiàn).Javier等人[5]通過對5項國際比賽中30名高水平運動員的動作技術進行研究后發(fā)現(xiàn)，在倒數(shù)第2圈旋轉(zhuǎn)中鏈球平均線速度較高的運動員，雙支撐期時間相對較低。

圖 2 運動員雙支撐與單支撐總時間及比例示意圖

圖2為本研究參賽運動員單、雙支撐期的總時間及比例關系。從結果來看，8名運動員中，有5名的雙支撐期時間少于單支撐期。從總體來看，我國運動員雙支撐期時間不足，其中，冠軍張文秀(73.14 m)的雙支撐時間/單支撐時間為1∶1.1。通過對技術錄像的觀察可以看出，由于在身高方面的優(yōu)勢，張文秀的預擺動作顯得比較平順，預擺距離也長于其他運動員。但是，其右腳離地時刻較早，而著地時刻較晚，縮短了雙支撐期時間。其身體姿態(tài)與其他運動員的明顯區(qū)別是在整個旋轉(zhuǎn)過程中，其頭部呈明顯的后仰姿勢，導致其重心與支點的距離減小，縮短了鏈球的旋轉(zhuǎn)半徑。Malcolm Fenton[9]也曾指出，這是她技術上的不足，但從本研究的比賽來看，這一技術上的不足仍沒有得到改善。與之相比較，王崢的雙支撐時間比例(1∶0.8)明顯高于張文秀，右腳支撐力的作用時間較長，可以使鏈球在雙支撐期內(nèi)獲得更多的加速度。

3.2 速度增量

鏈球運動員每圈的速度增量可以反映其在旋轉(zhuǎn)過程中對鏈球速度的掌控情況以及動作的協(xié)調(diào)程度。從表2可以看出，我國運動員與世界優(yōu)秀運動員比較，在第1圈和第4圈的速度增量相差較大。進一步分析，我國運動員第1圈的速度增量雖然與國外優(yōu)秀運動員相比沒有統(tǒng)計學差異(P=0.317>0.05)，但從絕對值來看普遍偏高，這說明我國運動員在預擺過程中，鏈球沒有達到足夠的初速度。雖然通過第1圈的旋轉(zhuǎn)發(fā)力償還了一部分速度的虧欠，但這無疑會影響到后續(xù)器械的運動軌跡和運動員的動作節(jié)奏。在最后1圈，我國運動員速度增量顯著小于世界優(yōu)秀運動員(P=0.00<0.05)。造成這一現(xiàn)象，一方面是由于受到了預擺不充分的影響，繼而打亂了后續(xù)的動作節(jié)奏；另一方面，是最后用力階段運動員肌肉力量與旋轉(zhuǎn)速度不匹配造成的。因此，建議運動員今后在訓練中要加強預擺動作幅度以提高預擺階段的末速度。

圖3是本研究比賽運動員與2009年世界田徑錦標賽決賽運動員的速度增量對比。世界優(yōu)秀運動員在投擲過程中，不論采用3圈或4圈旋轉(zhuǎn)技術，鏈球的速度都是在逐圈遞增，且在最后1圈達到增量最大，表現(xiàn)出良好的動作節(jié)奏和肌肉爆發(fā)力。與之相比較，我國運動員不論從動作穩(wěn)定性，還是肌肉力量方面都有差距。通過觀察還發(fā)現(xiàn)，王崢、羅娜和王璐3名運動員在旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)了速度的負增長，這說明她們在技術方面存在比較嚴重的問題。

3.3 對鏈球速度特征的分析

由于在投擲過程中，鏈球的運動軌跡近似圓環(huán)，因此某一時刻的鏈球速度有線速度和角速度兩種表示方法。本文主要研究其線速度特征。圖4描述了各動作階段，鏈球速度隨時間的變化趨勢?？梢钥闯?，大部分運動員在雙支撐期鏈球速度增加，在單支撐期速度下降。這與先前學者的研究結果相符。另外，鏈球的速度在每圈旋轉(zhuǎn)過程中都有兩個上升期。第1個上升期出現(xiàn)在鏈球過高低點(hp)之后，第2個上升期出現(xiàn)在雙支撐期結束之后。這與Marwa Sakr對目前的世界紀錄保持者Heidler的研究結果[10]是一致的。第1個速度峰值的獲得是從鏈球過最高點(hp)后開始的，這是重力加速度作用的結果；在雙支撐期中段，由于右腳落地所造成的輕微制動，又有小幅下降。之后，隨著雙腳發(fā)力蹬轉(zhuǎn)，使速度曲線出現(xiàn)第2個峰值。

表 2 本研究參賽運動員與世界優(yōu)秀運動員各圈速度增量一覽表

注：表中世界優(yōu)秀運動員數(shù)據(jù)取自2009年世界田徑錦標賽。

圖 3 本研究運動員與2009年世界田徑錦標賽運動員每圈速度增量對比圖

注：指右腳離地瞬間鏈球速度與預擺階段鏈球速度的差值，第2圈球速增量指右腳離地瞬間鏈球速度與右腳著地瞬間鏈球速度的差值，下同。

圖 4 本研究運動員各階段球速隨時間變化曲線圖

仔細分析后可以發(fā)現(xiàn)，8名運動員的速度曲線特征大致可分為兩類：1)張文秀、羅娜、王璐和李雨茂4名運動員在雙支撐期中段和單支撐期前段會出現(xiàn)兩個峰值相差不大的波峰，使得整個速度曲線呈“波浪形”遞增趨勢；2)每圈的兩個速度峰值差值較大，起伏明顯，且在單支撐期速度明顯下降。關于鏈球速度的波動，Jesus Dapena[7]認為，除了運動員自身用力加速產(chǎn)生的波動之外，還有另外兩個因素：1)重力加速度對鏈球速度的影響；2)受到“轉(zhuǎn)輪效應”的影響。重力的影響在先前的討論中已經(jīng)涉及，在此不再重述。所謂“轉(zhuǎn)輪效應”是指鏈球在轉(zhuǎn)動的同時，由于運動員身體重心沿投擲方向的平移，造成在某些特殊方位角度時刻所帶來的轉(zhuǎn)動速度與平動速度相互增進和相互抵消的現(xiàn)象。另外，他通過研究還發(fā)現(xiàn)，若排除上述兩個因素對鏈球速度的影響，高水平運動員的鏈球速度曲線應該是幾乎沒有波動的、隨時間漸增的曲線；而成績一般的運動員，即便排除了上述因素的作用，仍然存在速度的波動。由此可以推斷，本次比賽中，第1類“波浪形”遞增的速度曲線很有可能是受到重力和“轉(zhuǎn)輪效應”的影響所產(chǎn)生的；而第2類速度起伏明顯的曲線則可能是由于運動員短時間發(fā)力所致。Koji Murofushi等人[8]指出，當鏈球下降至最低點時，速度接近最大值，此時運動員重心應該保持穩(wěn)定以對抗鏈球運動。但從本研究比賽的情況看，在鏈球下降到最低點時，運動員重心曲線并沒有出現(xiàn)這一穩(wěn)定的平臺期(圖4)，因此造成在雙支撐后期出現(xiàn)速度的下降。

3.4 發(fā)力特征分析

在擲鏈球過程中，運動員依靠旋轉(zhuǎn)身體的方式使鏈球加速運動，但這并不是使鏈球獲得速度的唯一方式。在運動員高速旋轉(zhuǎn)身體的同時，其身體重心在每轉(zhuǎn)一圈的過程中，都會有一個停頓和加速運動的過程。其原理與單擺的擺動原理非常相似[8]。如果單擺的支點固定，則重物會有規(guī)律的來回擺動，但如果支點朝向與單擺擺動方向一致的方向運動，則重物的擺動幅度會大為減少。擲鏈球時，假設將人體重心作為“單擺的支點”，如果人體重心與鏈球運動方向一致，則會大幅減小其運動的幅度，從而降低運動速度。身體重心和鏈球重心坐標值反映了在某個方向上，鏈球擺動與身體重心移動的相互位置關系。如果兩點的位置坐標曲線走勢相同，則表明運動員動作節(jié)奏與鏈球運動節(jié)奏脫節(jié)，降低了鏈球的運動效果。本研究對8名運動員身體重心和球體重心的X、Y、Z 3軸的坐標值進行了對比分析。

圖5a-h是運動員身體重心與鏈球重心的Z坐標值隨時間變化情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，除了運動員李雨茂之外，其他運動員在4圈的旋轉(zhuǎn)過程中都表現(xiàn)出身體重心下降超前于鏈球重心下降的特征，這樣的技術可以保證以身體下降帶動鏈球加速運動，其中，以羅娜、燕妮和王璐3名運動員最為明顯。而運動員李雨茂在動作節(jié)奏的掌握上顯然并不理想，從圖5h可以看出，其每圈中重心與鏈球位移峰值基本在同一時刻出現(xiàn)，也就是出現(xiàn)了上面所講到的“單擺支點”朝向與鏈球擺動方向一致的方向運動的情況，從而減小了擺動效果。從這點來看，李雨茂在右腳著地后的蹬轉(zhuǎn)發(fā)力應當略微提前，以有效的保持其在鏈球最低點時的重心位置。

圖 5 本研究運動員身體重心與鏈球重心Z坐標值曲線圖

除了運動員身體重心與鏈球重心之間相互位置關系之外，運動員對發(fā)力時機的掌握也很重要。Otto[11]在對男子鏈球世界紀錄保持者尤里·謝迪赫的技術動作進行研究后發(fā)現(xiàn)，其髖關節(jié)在鏈球達到最高點后立刻下降，而在鏈球最低點后立刻抬升，這使得人體與器械之間產(chǎn)生了積極的相互作用，從而增加了用力效果。本研究所有運動員在右腳著地時身體重心降到最低點，右腳離地時達到最高，說明在雙支撐階段，運動員主動降低重心位置，給后續(xù)的蹬伸發(fā)力動作預留了空間。運動員王崢在這方面比其他運動員做的更為出色，其重心位置的起伏與右腳著、離地面的時刻配合幾乎完美，表現(xiàn)出她良好的爆發(fā)力和動作節(jié)奏感。

3.5 投擲方位角

鏈球投擲的方位角是指從運動員頭頂方向俯視，以過投擲圈圓心作直線，平分投擲區(qū)，將投擲圈分左右兩半圓。背對投擲區(qū)方向為零度，以逆時針旋轉(zhuǎn)為正。在雙支撐期，運動員方位角的經(jīng)歷范圍約為260°～60°之間；其余則為單支撐期。薩姆茨維研究認為[2]，右腳離地時刻，鏈球的方位角應在30°～100°之間，右腳“早抬起” 和“晚抬起”的分界線是65°；右腳著地時刻，鏈球的方位角應在217°～281°之間,右腳“ 早落地” 和“ 晚落地” 的分界線是250°。他同時指出，這種“晚抬早落”的技術有利于延長雙支撐期鏈球的加速時間。

表3是本研究參賽運動員與世界優(yōu)秀運動員右腳離地與著地時刻方位角的對比。從數(shù)值來看，我國運動員在前兩圈表現(xiàn)出“早離地，晚落地”的技術特征，在后兩圈則相反，而世界優(yōu)秀運動員除第1圈右腳著地時刻偏早之外，其余過程均呈現(xiàn)出“早離地，晚落地”的技術特征。說明當今的擲鏈球技術已經(jīng)發(fā)生了改變，運動員已不再刻意追求延長雙腳支撐時間的這種傳統(tǒng)技術，而我國運動員的技術風格還沒有發(fā)生改變。

表 3 本研究我國運動員與世界優(yōu)秀運動員右腳離地與著地時刻方位角對照一覽表

從圖6可以明顯看出，國內(nèi)、外運動員在雙支撐期內(nèi)，鏈球的角位移量呈相反的變化趨勢，反映出國內(nèi)外運動員的技術風格存在很大的差異。這種差異表現(xiàn)在，國外運動員在第1圈就已經(jīng)在最大限度的利用雙支撐期的力量使鏈球加速，而后則是將鏈球維持在一個高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)上；而我國運動員則正好相反。

圖 6 本研究國內(nèi)、外優(yōu)秀運動員各旋轉(zhuǎn)周期的雙支撐期內(nèi)鏈球角位移的變化趨勢

4 結論與建議

1.我國運動員預擺動作不充分，導致預擺末期鏈球速度不足。主要表現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)第1圈鏈球速度增量過大，角位移過小，旋轉(zhuǎn)過程中鏈球速度出現(xiàn)負增長現(xiàn)象。建議增加對預擺階段技術動作的改進，并增加預擺末期的鏈球速度。

2.鏈球在旋轉(zhuǎn)過程中的速度呈“波浪式”的遞增趨勢，鏈球的線速度不僅受到運動員作用力的影響，還與重力和“轉(zhuǎn)輪效應”相關。建議運動員在雙支撐末期和單支撐初期盡量保持重心的平穩(wěn)過渡。

3.我國運動員張文秀的雙支撐期時間較短，旋轉(zhuǎn)動作具有明顯的“晚抬早落”特征，頭部有明顯的后仰動作，不利于鏈球速度的增加。建議其推遲右腳離地的時間，并提前落地，以增加雙支撐期時間。

4.我國運動員王崢在比賽中表現(xiàn)出良好的爆發(fā)力和動作節(jié)奏感，其重心位置的起伏與右腳著、離地面的時機配合較好。而運動員李雨茂則出現(xiàn)了身體重心與鏈球重心同時起伏的情況，影響了其雙支撐期的發(fā)力效果，建議在其右腳著地后的蹬轉(zhuǎn)發(fā)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 “l(fā)ift 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

賈誼(1980-)，男，山西盂縣人，副教授，博士，主要研究方向為動作技術分析與診斷，Tel：(0351)3922161，E-mail：jiayi7534@sina.com。

中北大學 體育學院，山西 太原 030051 North University of China,Taiyuan 030051,China.

G804.6

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