北獅“高臺180°飛躍直接站腿”騰空階段獅尾動作分析

沈玉梅1，張枝尚2

(1. 東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院體育系，廣東 東莞523808；2.廣東醫(yī)學(xué)院體育教學(xué)部，廣東 東莞523808)

摘要：采用三維定點高速攝像機對北獅“高臺180°飛躍直接站腿”動作進(jìn)行200幀/s頻率的拍攝。首先，用視訊系統(tǒng)進(jìn)行分段解析，得出騰空階段中獅尾不同環(huán)節(jié)、不同時間的三維空間數(shù)據(jù)；然后，對數(shù)據(jù)應(yīng)用Q-TOOLS、EXCEL等軟件進(jìn)行解析、計算；最后，根據(jù)計算結(jié)果分析獅尾在騰空階段運動的運動學(xué)特征。

關(guān)鍵詞：北獅運動;騰空階段;提拉;轉(zhuǎn)動慣量;運動學(xué)

中圖分類號：G852

收稿日期：2015-07-10

作者簡介：沈玉梅(1984-)，女，講師，碩士研究生

研究方向：體育教育訓(xùn)練學(xué)

Analysis on “High-Direct Station 180 ° Leap Legs”

Of The Northern Lion and Lion-Tailed Motion

ZHANG Zhi-shang1, SHEN Yu-mei2

(1. Dongguan vocational and technical college, Dongguan 523808,China；

2. Guangdong Medical College, Dongguan 523808,China)

Abstract：This paper uses three fixed speed camera on the North Lions' high-direct station 180 ° leap legs "operation of 200 / s shooting frequency. First, the video system segmented resolution, drawn vacated stage lion-tailed different segments, three-dimensional spatial data at different times; then applied to the data Q-TOOLS, EXCEL and other software for analysis, calculation; Finally, according to the results analysis Kinetic characteristics of the lion tail in the campaign.

Key words：Northern Lion sports; vacated stage; pulling; inertia; kinematics

我國的“獅”文化有著幾千年的傳統(tǒng)，舞獅運動也有幾千年的發(fā)展歷史，舞獅運動分為北獅和南獅兩大類。騰空動作是北獅難度動作的重要組成部分，在表演、比賽中都占有重要地位，而獅尾在騰空動作過程中具有支持作用，是騰空動作能夠順利完成的關(guān)鍵。本研究通過對北獅“高臺左右180°飛躍直接站腿”騰空階段獅尾動作進(jìn)行運動學(xué)的分析，通過分析得出獅尾在騰空動作完成過程中的運動學(xué)特征。

1研究對象與方法

1.1研究對象

2009年亞洲龍獅錦標(biāo)賽冠軍隊隊員

1.2實驗法

(1)實驗設(shè)計

實驗名稱：北獅難度動作的三維攝像

實驗對象：亞洲錦標(biāo)賽冠軍隊隊員(一組兩人，獅頭+獅尾)如表1。

表1　實驗對象基本情況統(tǒng)計

表2　實驗對象動作完成情況統(tǒng)計

實驗設(shè)施：兩臺高速攝像機；圖像提取、分析軟件；空間標(biāo)定框架

測試對象：北獅高臺左右180°飛躍直接站腿

動作描述：騰空階段獅頭雙腳離開臺面瞬間到再次接觸臺面或地面瞬間之前的部分，為了更好的研究動作，本文將騰空階段細(xì)分為提拉部分、旋轉(zhuǎn)部分和下落部分。每部分在文中都有詳細(xì)說明，本單元就不做贅述。

數(shù)據(jù)采集：用MVC高速攝像機以每秒200幀拍攝。兩臺攝像機放在同一水平面內(nèi)，主光軸夾角為90°。采集運動員6次難度動作完成并成功的數(shù)據(jù)。如表2

數(shù)據(jù)處理：首先，對所獲取的視頻資料進(jìn)行篩選，從中選取動作較為標(biāo)準(zhǔn)的一次視頻，然后，利用視訊視頻分析軟件對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，按照扎齊奧爾斯基模型對實驗對象全身23個點進(jìn)行標(biāo)定，采集數(shù)據(jù)。最后，獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過Q-tools軟件和Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，計算時間、位移、速度、角度等參數(shù)。

運動軸設(shè)定：按獅頭準(zhǔn)備姿勢時的解剖學(xué)位置為準(zhǔn)：冠狀軸設(shè)定為X軸，獅頭運動員右手方向為正方向；垂直軸設(shè)定為Y軸，獅頭運動員頭頂方向為正方向；矢狀軸設(shè)定為Z軸，獅頭運動員面對方向為正方向。如圖1

圖1　坐標(biāo)軸設(shè)定與節(jié)點位置示意

(2)測量參數(shù)

位移：18個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點

位置與時間的特點：獅頭重心，獅尾重心，四肢各關(guān)節(jié)

速度：各環(huán)節(jié)關(guān)節(jié)中心點，重心

定性分析關(guān)鍵：轉(zhuǎn)動慣量、動力學(xué)、靜力學(xué)、運動學(xué)

圖2　攝像機安放位置示意

2實驗結(jié)果與分析

2.1提拉階段獅頭獅尾運動員重心動作分析

提拉階段是從獅頭起跳離開地面到旋轉(zhuǎn)之前的階段，時間為0.085s。獅頭起跳完成雙腳離地后身體處與地面不接觸不受地面的支持力的作用，獅尾的支撐是保持和控制獅頭動作姿勢的關(guān)鍵。獅尾是支點，為獅頭提供動力。獅尾將獅頭從地面拉起至胸前，獅頭獅尾運動員重心距離減小，從視頻上看到獅尾和獅頭運動員產(chǎn)生了相對位移。

圖3　獅頭(a)獅尾(b)提拉階段受力分析

如圖3所示，獅頭雙腳離地后身體處于懸空狀態(tài)，此時地面對獅頭的支持力消失，地面給予獅頭運動員的向上加速度也消失，垂直方向只受到重力a-G。在提拉階段獅尾運動員在獅頭運動員起跳后順勢將其拉起至胸前，此時，獅頭運動員還受到獅尾運動員斜向上的拉力a-F1，，即：獅頭運動員在提拉階段所受合力a-F合 是重力和拉力的作用。從圖3中可以看出獅頭運動員所受合力方向是斜向上的，根據(jù)牛頓第二定律可知獅頭運動員在斜向上有加速度，根據(jù)加速度的矢量性特征可以知道獅頭運動員在提拉階段有水平方向和垂直方向分加速度。根據(jù)牛頓第三定律知道力與力是相互的，獅頭運動員受到獅尾運動員拉力作用的同時也會給獅尾運動員反作用力，這個力表現(xiàn)為拉力的作用，既獅尾運動員受到獅頭運動員的拉力作用，(見圖3 b-F2)。另外，獅尾運動員受到重力(圖3 b-G)作用，同時因為獅尾運動員雙腳未離開臺面，因此也受到地面給他的支持力(圖3 b-F1)。從圖3中可以看到獅尾運動員受到垂直向上的支持力作用，斜向下的拉力作用和垂直向下的重力作用，運用牛頓基本定律可知獅尾運動員還受地面的摩擦力作用見圖3 b-F摩。即獅尾所受合力方向是斜向上的。

圖4　提拉階段獅尾運動員重心在X、Y軸加速度示意

從圖4中可以清晰的看到在提拉階段獅尾運動員重心在X、Y軸的加速度方向在水平軸以下，說明在提拉階段獅尾運動員重心加速度方向是反向的，即向著獅頭運動員的方向與獅頭運動員運動方向是相反的。從數(shù)據(jù)來看獅尾運動員提拉階段在X軸的加速度絕對值變化較大|0.5-1.15|，而在Y軸加速度的絕對值變化較小|0.8-1.0|，這說明獅尾運動員在X軸(獅頭運動員初始位置的左右方向)的速度變化比Y軸(獅頭運動員初始位置的前后方向)大。

表3　獅頭、獅尾重心在提起階段不同方向位移統(tǒng)計　(單位：m“-”表示方向)

從表3中可以知道提拉階段獅頭在Z軸、X軸、Y軸的位移分別為：-23.99cm、-3.45cm、47.23cm，而獅尾在相應(yīng)軸上的位移為：-6.88cm、-12.16cm、18.52cm。從數(shù)據(jù)來看獅頭、獅尾運動員在各個方向上的位移方向一致，說明運動員的運動方向一致；獅頭運動員在Z軸和Y軸上的位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于獅尾運動員；獅頭運動員在X軸上的位移卻小于獅尾運動員，這說明獅頭、獅尾運動員在Z軸和Y軸上的距離變小，而在水平方向的距離變大，即獅尾運動員在提拉階段將獅頭運動員提向自己胸前，而自己身體則向左有較大位移。單獨看獅頭運動員，其在Z軸、Y軸上的位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于X軸上的位移，這說明提拉階段獅頭運動員主要產(chǎn)生向上向后的位移，并在這兩個方向與獅尾運動員的距離變小。單獨看獅尾運動員，其在三個方向的位移差較獅頭運動員小，在X軸、Y軸上的位移大于在Z軸上的位移，說明獅尾運動員在提拉階段身體重心主要產(chǎn)生水平向右和失狀向后的運動，而在垂直向上的運動較少。對比提拉階段獅頭、獅尾運動員在不同方向的位移可以知道：提拉階段獅頭運動員起跳，獅尾運動員將其向上向后向左(以初始狀態(tài)獅頭運動員方位為標(biāo)準(zhǔn))提拉，使其向上向后向左運動；同時獅尾運動員自己也向上向后向左運動；獅頭運動員向上向后位移大于獅尾運動員，向左位移小于獅尾運動員；獅頭獅尾運動員在上下、前后方向的距離變小，而在左右方向的距離變大。這主要是因為在騰空開始獅頭與獅尾運動員在垂直方向和失狀方向距離較大，只有減小兩者之間的距離才能使兩者的轉(zhuǎn)動慣量(轉(zhuǎn)動慣量：“m”不變，“r”越小，j越小)變小，轉(zhuǎn)動慣量越小，那么運動員旋轉(zhuǎn)時的離心力就會變小，旋轉(zhuǎn)時運動員就更省力；獅頭與獅尾運動員在水平面上同時旋轉(zhuǎn)，根據(jù)動量守恒定律獅頭運動員與獅尾運動員在左右方向的相對位移可以緩沖旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動量，可以保持穩(wěn)定。

從表4中可以看出獅尾運動員在提拉階段不同關(guān)節(jié)點在不同方向上的位移相差較大，最大位移是最小位移的70倍。獅尾運動員軀干和上肢關(guān)節(jié)中心點位移大于下肢關(guān)節(jié)；顱頂點位移最大，而右趾尖位移最小；左側(cè)關(guān)節(jié)中心點位移均大于右側(cè)關(guān)節(jié)中心點，如左、右腕總位移分別是是52.21cm、46.17cm，左、右膝總位移分別是13.82cm、7.83cm，左、右趾尖總位移分別是13.76cm、0.77cm；恥骨點位移最接近重心位移分別為16.13cm、23.20cm；獅尾各關(guān)節(jié)自上至下(各關(guān)節(jié)相對踝關(guān)節(jié)的距離)位移逐漸變小。獅尾運動員在提拉階段可以近似看成圍繞左側(cè)關(guān)節(jié)在矢狀面上的旋轉(zhuǎn)，這大大減小了獅尾運動員的旋轉(zhuǎn)半徑，速度(：F、m不變，r越小，ω越大)，轉(zhuǎn)速就大大提高；旋轉(zhuǎn)半徑小了，轉(zhuǎn)動慣量就會變小，這樣獅尾運動員旋轉(zhuǎn)時所需要克服的阻力作用也會變小，也會更省力；顱頂點位移最大是為了更好地利用身體肌肉的姿勢反射，頭部的旋轉(zhuǎn)會引起同側(cè)肌肉伸肌緊張性加強，更有利于身體作出旋轉(zhuǎn)動作。

表4　獅尾各關(guān)節(jié)點不同方向位移統(tǒng)計　(單位：cm)

2.2旋轉(zhuǎn)階段

旋轉(zhuǎn)階段是指獅尾將獅頭拉至一定高度同時使獅頭由高臺左邊緣旋轉(zhuǎn)至高臺右邊緣，重心下落之前的過程，持續(xù)時間為0.305 s。在此過程中獅頭雙腳不著地，處于騰空狀態(tài)，獅尾由雙腳支撐經(jīng)過單腳支撐跨越高臺運動至高臺右邊，最后變?yōu)殡p腳支撐。

表5　獅尾各關(guān)節(jié)點不同方向位移統(tǒng)計　(單位：cm)

旋轉(zhuǎn)階段獅尾空間位置有很大變化，支撐腳也隨著時間改變而有所變化。從表5中可以看出獅尾各關(guān)節(jié)點在Y軸的變化不大，都在30cm以下，可見在旋轉(zhuǎn)過程中獅尾高度變化不大，而是在水平面上的旋轉(zhuǎn)；獅尾腕關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、趾尖在X軸的位移較大，這是因為獅尾在旋轉(zhuǎn)過程中方向改變，產(chǎn)生了對角的位移；在Z軸的位移都較大，是因為旋轉(zhuǎn)的起點與終點之間距離較大，即獅尾與獅頭從高臺的左邊到高臺的右邊。

獅頭、獅尾在旋轉(zhuǎn)過程中是以同樣的速度圍繞高臺做與水平面有一定夾角的旋轉(zhuǎn)，因此在旋轉(zhuǎn)過程中存在獅頭、獅尾的自轉(zhuǎn)和圍繞高臺的旋轉(zhuǎn)。根據(jù)轉(zhuǎn)動定律，可以知道若想獲得較快的角加速度則有兩種途徑，一是：增加肌力矩，二是：較小旋轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量。力矩是肌力與肌力臂的乘積，所以想增加肌力矩可以通過增加肌肉力量和增加肌肉收縮長度。根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量公式可以知道環(huán)節(jié)的質(zhì)量和半徑都影響環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量，減少環(huán)節(jié)質(zhì)量，減小環(huán)節(jié)的旋轉(zhuǎn)半徑都可以減小轉(zhuǎn)動慣量。在旋轉(zhuǎn)過程中獅頭與獅尾的質(zhì)量是固定的，因此只能通過減小轉(zhuǎn)動半徑來減小轉(zhuǎn)動慣量，增加角加速度。從圖5中可以看出獅尾腕關(guān)節(jié)(與獅頭接觸)與胸骨下點(軀干的體表標(biāo)志點)的距離在開始先是逐漸變小，當(dāng)達(dá)到最小值17.8cm(0.21s)時逐漸開始變大。獅尾與獅頭的距離越小，就能獲得越大的角加速度。

獅尾在旋轉(zhuǎn)過程中有支撐腳的變化。左腳先動越過高臺從高臺左邊外側(cè)移動到高臺右邊內(nèi)測，左腳落地后，右腳開始移動，右腳開始移動時獅頭獅尾重心向左腳移動，地面對獅尾的支持力由右腳過渡到了左腳，知道雙腳著地。從視頻資料中可以清晰的看到左腳移動落地時腳跟先著地，后過渡到腳尖，這樣可以起到良好的緩沖作用，獅尾腳落地時產(chǎn)生的沖擊力大于獅頭與獅尾兩個人的重力，因為落地瞬間是瞬間的超重現(xiàn)象。獅尾采用腳跟先著地，過渡到腳尖可以改變教育地面接觸瞬間沖擊力的方向，減少Y方向的力，保護(hù)獅尾踝、膝寬關(guān)節(jié)。

圖5　獅尾腕關(guān)節(jié)胸骨下點距離示意

(整個騰空階段　單位：s)

根據(jù)動量矩守恒原理：在不受外力情況下人體總動量矩的大小和方向均守恒，動量矩在不同環(huán)節(jié)之間可以轉(zhuǎn)換，當(dāng)身體的某一環(huán)節(jié)制動時，會將動量矩轉(zhuǎn)移到其他環(huán)節(jié)。獅尾在旋轉(zhuǎn)過程中通過減小與獅頭間的距離，減小轉(zhuǎn)動慣量；減小自身的轉(zhuǎn)動速度使獅頭的動量矩變大，速度加快，保證騰空時間，完成動作。

2.3落地階段

落地階段是指獅頭從高臺右邊緣開始下落到地面的過程。首先運動員重心有明顯的高度下降趨勢，從圖6中可以看出獅尾重心高度變化呈現(xiàn)線性特征，曲線斜率為k=2.6303，說明獅尾在此階段的下落趨于勻速運動。

圖6　獅尾重心高度變化示意

從圖7數(shù)據(jù)可以看出從高臺右邊緣開始下落時獅頭獅尾隨時間變化兩者之間的距離逐漸變大，兩者的旋轉(zhuǎn)半徑變大，轉(zhuǎn)動慣量變大；此階段的旋轉(zhuǎn)獅尾足部沒有變化(見圖8獅尾趾尖高度變化示意圖)，兩者的旋轉(zhuǎn)是以獅尾重心的Y軸為中心軸的，獅尾的旋轉(zhuǎn)角度較小，獅尾不同環(huán)節(jié)在Z軸的位移方向不同，這樣獅尾自身的旋轉(zhuǎn)慣量保持不變或變大；從視頻上看到獅頭在此階段身體伸展，也增加了轉(zhuǎn)動慣量；從獅尾肘關(guān)節(jié)角度來看(見圖9獅尾肘關(guān)節(jié)角度變化示意圖)，獅尾在此階段與獅頭距離很大，這樣增大了兩者轉(zhuǎn)動慣量，減小獅頭運動的速度，減小了速度。這樣獅頭能夠在下落過程中保持速度的穩(wěn)定，增加了落地瞬間的時間，得到了良好的緩沖。

圖7　獅尾腕關(guān)節(jié)與胸骨下點距離示意

圖8　獅尾趾尖高度變化示意

圖9　獅尾肘關(guān)節(jié)角度變化示意

3結(jié)論

3.1獅尾在提拉階段通過身體姿勢和兩者之間距離的變化減小身體的轉(zhuǎn)動慣量，提高角加速度：獅尾四肢各環(huán)節(jié)向重心軸移動，減小獅尾自身的轉(zhuǎn)動慣量，提高獅尾自身的轉(zhuǎn)動速度；獅尾將獅頭向自己胸骨方向的拉起，兩者距離變小，旋轉(zhuǎn)半徑變小，轉(zhuǎn)動慣量變小，增加角加速度。提拉階段是騰空階段的開始，獅頭獅尾角速度變大，增加騰空時間，保證獅頭成功飛越高臺。

3.2獅尾在旋轉(zhuǎn)階段身體有360°旋轉(zhuǎn)，左右腳位置也產(chǎn)生了交換。獅尾與獅頭之間的距離曲線為左右對稱的開口向上的拋物線，兩者在中間位置距離最近，這時轉(zhuǎn)動慣量最小，角加速度最大。在騰空階段獅尾有單腳支撐階段，獅尾通過減小重心的上下波動增加動作穩(wěn)定性。

3.3獅尾在落地階段各環(huán)節(jié)與重心位置變化速率均勻：獅尾自身各環(huán)節(jié)做離心運動，增加自身的轉(zhuǎn)動慣量，減小自身的角加速度；獅頭通過自身身體的伸展減小自身的轉(zhuǎn)動慣量，減小自身的角加速度；獅尾肘關(guān)節(jié)變大，身體重心與獅頭距離變大，增加了兩者的轉(zhuǎn)動慣量，減小了角加速度，使獅頭速度降低，減少地面對獅頭的沖擊。

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