鞏立姣背向滑步推鉛球最后用力階段技術(shù)的生物力學(xué)分析

葛 青，張秋亞，范煥文，董 松

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

以2010年女子鉛球世界排名第六位的中國選手鞏立姣為研究對象，基本情況見表1。

表1 研究對象基本情況

1.2 研究方法

1.2.1三維攝像法運用美國產(chǎn)Ariel高速運動錄像采集與計算機硬盤記錄系統(tǒng)設(shè)備, 對鞏立嬌推鉛球過程進行定點拍攝。兩臺攝像頭主光軸高1.10m，主光軸正對投擲圈中心，拍攝距離7.40m，兩架攝像頭相距8m，主光軸間夾角約為70°，拍攝頻率為100p/s。機器均在鞏立姣進入投擲圈前開機，中間不停機以記錄鞏立姣推鉛球技術(shù)完整過程。測試時間為2010年1月8日下午；測試地點為天津體育學(xué)院室內(nèi)田徑館。

1.2.2錄像解析法運用美國產(chǎn)Ariel Biomechanics of Sport Analyticl System運動分析系統(tǒng)對鞏立嬌完整投擲過程進行錄像解析。選用標(biāo)準(zhǔn)鄧普斯特人體模型，按照人體模型點和附加點的方式進行圖像采集和數(shù)據(jù)計算，并采用低通數(shù)字濾波法對原始數(shù)據(jù)進行平滑處理，濾波頻率為8Hz, 獲取了所需參數(shù)原始數(shù)據(jù)指標(biāo)。

1.2.3對比分析法根據(jù)解析得出的數(shù)據(jù)與我國前優(yōu)秀鉛球運動員(隋新梅、黃志紅、李梅素、張榴紅等) 和2009年柏林世錦賽前兩名選手(瓦萊麗亞當(dāng)斯、納丁5克萊內(nèi)特)部分技術(shù)參數(shù)進行對比分析。

2 結(jié)果與分析

最后用力技術(shù)是背向滑步推鉛球的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，是鉛球獲得速度的主要階段，其完成動作的質(zhì)量和技術(shù)效果的優(yōu)劣直接影響鉛球的出手速度、出手角度，最終影響鉛球成績。最后用力階段始于擺動腳著地，止于鉛球出手瞬時。此階段的主要任務(wù)是在雙腳牢固支撐前提下通過身體各環(huán)節(jié)自下而上的協(xié)同用力將鉛球以最快的出手初速度和適宜角度推出。

2.1 左腳著地瞬間主要運動學(xué)參數(shù)分析(見表2、表3)

表2 左腳著地瞬時部分環(huán)節(jié)運動學(xué)參數(shù)

表3 左腳著地瞬時部分環(huán)節(jié)運動學(xué)參數(shù)(單位：m/s)

左腳著地瞬間，雙腳形成牢固支撐，身體左側(cè)進行有效制動，目的是將滑步中身體獲得的水平動量有效的傳遞到器械上。因此，左腳著地時機、左側(cè)制動效果、軀干及上肢的相對位置、右腿工作狀態(tài)等都直接影響過渡階段與最后用力階段的銜接及完整技術(shù)的節(jié)奏、速度、力量的傳遞效果。表2數(shù)據(jù)顯示，鞏立姣左腳著地時左腿幾乎伸直，形成了有力的制動支撐，左肩遠(yuǎn)離抵趾板，身體左側(cè)肌群處于被拉長狀態(tài)，形成了良好的側(cè)滿弓姿勢，為加速推球創(chuàng)造了一定的力學(xué)條件，蓄積了能量。

表3數(shù)據(jù)顯示鞏立嬌左腳著地時下肢髖、膝環(huán)節(jié)速度除右髖外均優(yōu)于張榴紅和李玲，且左側(cè)髖、膝速度大于右側(cè)，說明鞏立嬌左腿向抵趾板方向擺動下插比張榴紅和李玲積極，過渡階段與最后用力階段銜接技術(shù)較好。通過解讀數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，鞏立姣左腳著地后身體各環(huán)節(jié)先后減速的順序依次為左肩，身體重心、右踝(之后0.02s)，左髖(之后0.03s)，右髖、右膝、左踝(之后0.04s)，左膝(之后0.05s)。分析數(shù)據(jù)看出，鞏立姣左腳著地后，左踝和左膝緩沖幅度較大，說明左腿肌群退讓性工作和由退讓轉(zhuǎn)為克制性工作能力比較薄弱。因為左腿擺動下插速度越快，著地時所承受的壓力也就越大，要求制動支撐完成的就越積極，對于下肢肌群發(fā)揮其整體功效和完成動作的質(zhì)量要求也就越高。因此在今后的訓(xùn)練中應(yīng)在保持左腿原有動作速度前提下，強化左側(cè)下肢肌群超等長能力的訓(xùn)練，提高左腿制動支撐的功效。

通過反復(fù)觀察錄像我們還發(fā)現(xiàn)鞏立姣左腳著地瞬間軀干扭轉(zhuǎn)不夠充分，說明左腳著地時左肩內(nèi)扣控制的不太理想，進而影響鉛球最后用力階段的做功距離。

2.2 最后用力加速準(zhǔn)備階段主要運動學(xué)參數(shù)分析

筆者從現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料中發(fā)現(xiàn)，由于最后用力階段劃分沒有統(tǒng)一的量化概念描述，使得每位學(xué)者均從自身對該部分技術(shù)的認(rèn)識與理解進行研究，導(dǎo)致關(guān)于最后用力加速準(zhǔn)備和加速階段的橫向比較研究甚少。本文基于前人的研究成果和最后用力加速準(zhǔn)備階段的任務(wù)：保持鉛球已有的速度，為加速用力推球做好神經(jīng)與肌肉的準(zhǔn)備[1]，對最后用力加速準(zhǔn)備階段界定為：最后用力加速準(zhǔn)備階段起于左腳著地瞬間，止于左膝最大緩沖角。由于可借鑒的對比參數(shù)有限，本研究試圖從推鉛球技術(shù)基本原理結(jié)合運動學(xué)參數(shù)對鞏立姣該部分技術(shù)進行分析。

正確的完整推鉛球技術(shù)是左腳著地后右腿順勢完成邊蹬地邊內(nèi)旋右膝、右踝動作，以推動右髖向投擲方向轉(zhuǎn)動。該過程投擲臂尚未給鉛球加速，僅依靠右膝內(nèi)壓、右腿側(cè)蹬推動骨盆側(cè)移。由于上體不主動抬起，頭頸不主動扭轉(zhuǎn)，身體左側(cè)相關(guān)肌群呈最大拉進狀態(tài)，為最后爆發(fā)式用力創(chuàng)造有利條件[1]。

2.2.1下肢相關(guān)參數(shù)分析最后用力加速準(zhǔn)備階段，鞏立姣左側(cè)髖、膝、踝角分別減少了21.3°、18.6°和32.3°；左膝緩沖幅度為18.6°。左腿髖、膝、踝關(guān)節(jié)速度分別在左腳著地后0.03s、0.04s和0.05s急增至左膝最大緩沖后0.01s和最大緩沖時達(dá)最大(4.57m/s、3.34m/s、1.46m/s)(見圖1)。

圖1最后用力階段鞏立嬌左側(cè)主要環(huán)節(jié)速度示意圖(左腳著地瞬間t=0)

上述數(shù)據(jù)說明鞏立嬌在最后用力加速準(zhǔn)備階段，下肢左側(cè)關(guān)節(jié)隨人體向前的慣性以適度彎曲的形式進行退讓性工作，以較小的緩沖幅度盡快形成左側(cè)制動支撐，同時左腿的快速蹬伸有助于左髖的水平制動[8]，以保證動量傳遞的效果。但也反映出鞏立嬌從左腳著地至左膝最大緩沖左側(cè)下肢肌群協(xié)同工作效果一般，不利于左側(cè)踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)固支撐和完成左側(cè)有效制動動作，易發(fā)生先制動部位肌肉或韌帶的損傷。

由圖2可知，鞏立姣右側(cè)髖、膝角平穩(wěn)增加了20.1°和6.9°，踝角急增61.6°。右側(cè)髖、膝速度拐點與左踝同步，即在左腳著地后0.04s后急增至左膝最大緩沖后0.03s和0.01s分別達(dá)最大(3.61m/s、3.21m/s)。右踝速度在左腳著地后0.02s平穩(wěn)增加至左膝最大緩沖時且以垂直速度變化為主。從左腳著地到左膝最大緩沖，鞏立姣左髖的水平位移大于右髖(15.1cm、10.5cm)，與范秦海[2]研究結(jié)果一致；左髖、右膝速度及單位時間內(nèi)速度增長值均大于右髖，與楊瑞鵬等研究結(jié)果一致[3]。左髖速度大于右髖說明此階段髖在側(cè)移的同時還有轉(zhuǎn)動特征，而且這種轉(zhuǎn)動是以左髖打開的形式出現(xiàn)，表現(xiàn)出髖部積極向投擲方向移動。右膝速度增大說明在蹬伸右踝的同時，右膝積極的向投擲方向移動。這與加速準(zhǔn)備階段的技術(shù)描述相吻合，即伸踝，扣膝，推髖側(cè)移。表明鞏立嬌在左腳著地后，右腿的技術(shù)動作基本合理。

圖2最后用力階段鞏立嬌右側(cè)主要環(huán)節(jié)速度示意圖(左腳著地瞬間t=0)

左膝最大緩沖時，鞏立姣兩腳間水平距離為114cm，身體重心升高10.8cm，左、右膝角分別為150.4°、123.7°，均大于第一代運動員(137°、114°)和第二代運動員(134°、114°)[2]，耗時0.08s，與黃志紅、李梅素、李梅菊相當(dāng)。綜合分析數(shù)據(jù)并結(jié)合錄像可以看出該階段鞏立姣上體抬起時機較早，姿態(tài)較高且兩腳站位相對較寬。上體抬起較早會縮短鉛球的加速距離，進而影響鉛球的出手速度。兩腳較寬的站位姿勢，有助于加大最后用力髖部的前移距離，使軀干肌群更加扭緊，獲得更大的動力勢能，有利于充分發(fā)揮軀干肌群力量；同時能減小左腿支撐角，更有利于提高左腿支撐用力的效果。

2.2.2上肢相關(guān)參數(shù)分析從左腳著地到左膝最大緩沖，鞏立嬌左肘、肩速度和肩軸轉(zhuǎn)動角速度(見圖3)在下肢各環(huán)節(jié)速度及髖軸轉(zhuǎn)動角速度最小時達(dá)最大(7.42m/s、5.29m/s、3.67rad/s)，之后減速制動，間隔0.01s下肢踝、左側(cè)髖、膝、右側(cè)膝、髖速度和身體重心速度(2.91m/s)(以水平速度變化為主)分別達(dá)最大值。肩、髖轉(zhuǎn)動角分別為40.2°、35.2°，大于第一代運動員(隋新梅、黃志紅、李梅素19°、23.3°)[2]，略小于第二代運動員(李梅菊、姜萍、錢春華45.6°、46°)[2]，與前兩代不同的是鞏立嬌肩轉(zhuǎn)動角大于髖。軀干傾角變化了15.8°。鉛球速度由2.49m/s增至4.28m/s。說明最后用力加速準(zhǔn)備階段，鞏立姣肩的轉(zhuǎn)動快于髖的轉(zhuǎn)動，肩髖扭轉(zhuǎn)動作保持得不好，左側(cè)上肢主動發(fā)力使左肩打開過早，破壞了原有的超越器械動作和正確的發(fā)力順序，縮短了投擲臂用力的工作距離，進而影響了最后用力的效果。身體重心速度和球速增加主要是由于左側(cè)上肢減速制動固定、下肢制動蹬伸和右小腿側(cè)蹬導(dǎo)致的結(jié)果。

圖3最后用力階段鞏立嬌肩、髖軸轉(zhuǎn)動角速度示意圖(左腳著地瞬間t=0)

2.3 最后用力加速階段主要運動學(xué)參數(shù)分析

最后用力加速部分是指從左膝最大緩沖至鉛球出手瞬時，主要任務(wù)是加快鉛球的運行速度，并達(dá)到最大限度，以適量的角度將鉛球推出。鉛球在最后用力階段獲得的速度是滑步階段的5～7倍[1]，對成績的影響遠(yuǎn)大于其他環(huán)節(jié)。良好的發(fā)力姿勢和爆發(fā)用力是獲得鉛球最大出手速度的保證，在最后用力加速階段所有與動作速度有關(guān)的參數(shù)對成績都有顯著影響。

數(shù)據(jù)顯示，最后用力加速初始(左膝最大緩沖角)，鞏立姣左側(cè)下肢關(guān)節(jié)角度與速度拐點背離，即左髖、膝、踝角增大的同時，左髖、膝、踝、右膝及身體重心速度(水平速度)減小，髖軸轉(zhuǎn)動角速度也同步下降，說明左腿退讓性工作結(jié)束，爆發(fā)式蹬伸開始，且左下肢完成減速制動支撐，使力量、速度向上傳遞。左肩、肘角快速減小，左肩、肘速度陡升，肩軸轉(zhuǎn)動角速度出現(xiàn)第一峰值(4.56rad/s)，肩轉(zhuǎn)動角超越髖。表明此時鞏立嬌左臂通過向上、向左、向下方的擺動加大了胸部肌群的橫向引展，協(xié)助完成左側(cè)支撐，提高轉(zhuǎn)體推球的速度和力量。在右髖、右肩依次減速制動同時，右踝(1.25m/s～2.79m/s)、右膝速度(1.76m/s～3.22m/s)及左髖垂直速度(0.29m/s～2.88m/s)先后呈現(xiàn)快速增長并伴隨球速陡增(4.70m/s～9.65m/s)的特征，右髖角持續(xù)增大至鉛球出手。說明此時球速的變化源于右側(cè)肢體在左下肢制動支撐及左肩、肘向投擲方向加速擺動的配合下完成以右膝為主的轉(zhuǎn)蹬發(fā)力并傳遞至右肘、腕，產(chǎn)生了較好的動量傳遞效果，結(jié)果使投擲臂加速對球施力并持續(xù)到鉛球出手。

鉛球第二次加速出現(xiàn)在出手前0.04s，重心速度也達(dá)較高水平(2.28m/s)，且以垂直速度變化為主。此時左、右髖及右膝速度減小，左膝、右踝速度相對穩(wěn)定在較高水平上；左踝速度急增(0.40m/s～2.41m/s)。右肩及左肩、肘速度增加至出手前0.01s達(dá)最大(4.97m/s、2.49m/s、4.22m/s)；右肘、腕速度分別在鉛球出手前的0.06s和0.04s達(dá)最大值(分別為11.60m/s、 11.09m/s)后急降至鉛球出手。綜合分析上述數(shù)據(jù)可以看出：鉛球速度第二次變化是由于左、右髖及右膝的減速制動和左膝、踝的積極蹬伸，使左、右肩速增加從而使球速產(chǎn)生第二次急增(10.22m/s～13.68m/s)。值得注意的是，鞏立嬌持球臂在完成依次減速制動時，右肩再次加速并在出手前達(dá)最大值。依據(jù)鞏立嬌最后用力階段左肩速度和肩軸轉(zhuǎn)動角速度的變化情況，分析右肩再次加速的原因由于左腳著地后左肩急于向投擲方向加速運動，故使肩的速度快于髖，破壞了正確的肩髖用力順序，致使推臂前肩的轉(zhuǎn)動還沒有到位，作為一種代償性補償，肩部在下肢的配合下再次加速所致。這種動作應(yīng)引起注意并在訓(xùn)練中加以改進。

2.4 鉛球出手瞬間主要運動學(xué)參數(shù)分析

從投擲原理我們得知，出手初速度、出手角度和出手高度是決定鉛球成績的三要素，在交互影響的三要素中，與鉛球水平速度有關(guān)的技術(shù)因素要比與垂直因素有關(guān)的技術(shù)因素對鉛球成績的作用效率更高[7](見表4)。

表4 鉛球出手瞬時部分運動學(xué)參數(shù)

表4數(shù)據(jù)顯示，鞏立嬌此投出手速度雖與我國第一代運動員隋新梅和黃志紅[3]有一定差距，但優(yōu)于2009年柏林世錦賽前兩名選手[6]；出手角度略低于世界優(yōu)秀運動員和我國第一代運動員；出手高度低于世界優(yōu)秀選手，與我國第一代運動員(2.04m)相當(dāng)，但鉛球成績卻不盡人意。說明鞏立姣此投技術(shù)在整體功效和內(nèi)在合理性上存在缺陷。鞏立嬌此投出手瞬間左膝角為165.2°，高出第一代運動員均值5.2°；左腳蹬地角為64.5°，小于第一代運動員的平均值70°[9]；從左腿最大屈膝到鉛球出手左腿緩沖幅度為14.8°。綜合鞏立嬌出手瞬間技術(shù)參數(shù)和反復(fù)觀察錄像我們發(fā)現(xiàn)鞏立嬌在鉛球出手前右腳已離地，說明右腿已完成蹬伸動作，用力過程結(jié)束。左腿緩沖幅度較小，雖滿足最后用力階段縮短作用時間的要求，但也揭示出此時鞏立嬌下肢肌群用力及左腳蹬伸不充分的技術(shù)缺陷。

從力學(xué)角度分析，器械出手速度v與器械受力f和受力作用距離s成正比，與受力作用時間t成反比。出手前鉛球加速距離是影響鉛球出手速度的另一要素，即在“人—球” 系統(tǒng)儲備動能的最短時間內(nèi)確保鉛球獲得最長的加速距離。提高力的作用距離是合理技術(shù)中的重要組成部分，主要通過提高“超越器械” 程度和加大用力幅度來實現(xiàn)。鞏立姣在最后用力加速準(zhǔn)備階段用時0.08s，鉛球位移了0.21m，與世界優(yōu)秀運動員和我國第一代優(yōu)秀運動員無差異(見表5)。但在加速階段，從鉛球運行的距離與所用時間我們發(fā)現(xiàn)鞏立姣與世界優(yōu)秀運動員和我國第一代運動員均存在一定差距，鞏立嬌加速階段鉛球加速距離最短(1.29m)，加速時間也最短(0.18s)。

從原理分析，在一定的作用時間內(nèi)，加速距離短會減小鉛球的出手速度；同理，在一定的加速距離內(nèi)，加速時間短可以增大鉛球出手速度。鞏立姣此階段加速距離比世界優(yōu)秀女運動員和我國第一代女運動員分別短0.24m和0.37m，因此，鉛球的出手速度受到一定影響。鞏立姣此階段加速時間比世界優(yōu)秀女運動員和我國第一代女運動員分別短0.03s和0.01s，由于加速時間短，彌補了加速距離短的不足，使鉛球也獲得了較大的出手速度。

從技術(shù)層面上分析，鞏立姣在此階段加速距離短，主要是在加速階段前上體抬起過早、左肩內(nèi)扣和軀干扭緊不夠、整個超越器械動作不夠充分，從而導(dǎo)致加速距離短的問題。今后應(yīng)在最后用力技術(shù)上進一步改進與完善，控制好左肩動作，避免左肩過早打開，加大肩髖扭轉(zhuǎn)角，保持軀干的適度前傾姿勢，改進加速階段加速距離短的問題，從而獲得更大的出手速度。

表5 最后用力加速準(zhǔn)備階段與加速階段鉛球位移與時間關(guān)系

注：世界優(yōu)秀女運動員數(shù)據(jù)來源于《田徑運動高級教程》。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

(1)左腳著地時，鞏立姣左腿向抵趾板方向擺動下插積極，過渡階段與最后用力階段銜接技術(shù)較好。左腿幾乎伸直，左肩遠(yuǎn)離抵趾板，形成了良好的側(cè)滿弓姿勢，但軀干扭轉(zhuǎn)不夠充分，左肩內(nèi)扣控制不好，進而影響鉛球最后用力階段的做功距離。左腳著地后左側(cè)制動順序為左肩、身體重心、左髖、左踝、左膝。說明鞏立姣左腳著地后，左腿肌群退讓性工作和由退讓轉(zhuǎn)為克制性工作能力比較薄弱。

(2)鞏立嬌在最后加速準(zhǔn)備階段，右腿用力是先伸右踝，使右膝和髖部積極向投擲方向移動，髖部在移動的同時伴有轉(zhuǎn)動的特征。鞏立嬌此階段右腿的技術(shù)動作基本合理。

(3)最后用力加速準(zhǔn)備階段鞏立嬌肩的轉(zhuǎn)動快于髖，肩髖扭轉(zhuǎn)動作保持的不好，左側(cè)上肢主動發(fā)力使左肩打開過早。身體重心速度和球速增加主要是左側(cè)上肢減速制動固定、左腿制動蹬伸和右小腿側(cè)蹬的結(jié)果。

(4)最后用力加速階段鉛球速度有兩次陡增，第一次變化源于右側(cè)肢體在左下肢制動支撐及左肩、肘向投擲方向加速擺動的配合下完成以右膝為主的轉(zhuǎn)蹬發(fā)力并傳遞至右肘、腕，產(chǎn)生了較好的動量傳遞效果。第二次變化源于左、右髖及右膝減速制動和左膝、踝積極蹬伸，使左、右肩速增加從而使球速產(chǎn)生第二次急增。值得注意的是，鞏立嬌持球臂在完成依次減速制動時，右肩再次加速并在出手前達(dá)最大值。

(5)鞏立嬌最后用力加速準(zhǔn)備階段用時和鉛球位移距離與世界優(yōu)秀運動員和我國第一代優(yōu)秀運動員無差異。加速階段，鞏立姣鉛球位移的距離和所用時間均短于世界優(yōu)秀運動員和我國第一代運動員。

4.2 建議

(1)改進最后用力技術(shù)，針對上體抬起過早的問題，從控制左肩動作入手，并加大肩髖扭轉(zhuǎn)角，以提高最后用力階段的動作幅度，最大限度的增加最后用力階段鉛球運行距離。

(2)針對左側(cè)制動能力薄弱，訓(xùn)練中應(yīng)強化左腿超等長力量練習(xí)，提高左腿蹬伸肌群退讓性收縮能力。

[1] 田徑運動高級教程[M].北京:人民體育出版社,1994.

[2] 范秦海.對我國新老兩代女子鉛球運動員最后用力技術(shù)的對比分析[J].北京體育大學(xué)學(xué)報，2006,29(11)：1572～1573.

[3] 楊瑞鵬，陳小龍，李金剛.我國女子優(yōu)秀鉛球運動員最后用力階段技術(shù)的生物力學(xué)特征研究[J].北京體育大學(xué)學(xué)報，2010，33(9)：121～124.

[4] 白光斌.李玲背向滑步推鉛球技術(shù)的生物力學(xué)分析[J].山東體育學(xué)院學(xué)報, 2008，24(3)：66～68.

[5] 白光斌，龔銳.張榴紅背向滑步推鉛球技術(shù)動作的速度節(jié)奏研究[J].西安體育學(xué)院學(xué)報, 2003，20(1)：73～76.

[6] 國際田徑聯(lián)合會(I.A.A.F.)官方網(wǎng)站.第十二屆世界田徑錦標(biāo)賽國際田聯(lián)生物力學(xué)報告[EB/OL].http://www.iaaf.org/development/research/ index.html.

[7] 盧德明，王云德，嚴(yán)波濤.運動生物力學(xué)測量方法[M].北京，北京體育大學(xué)出版社，2000.

[8] 李繼輝.我國部分優(yōu)秀女子鉛球運動員最后用力階段髖與軀干動作的某些運動學(xué)因素分析[J].沈陽體育學(xué)院學(xué)報, 2004，23(1)：34～37.

[9] 宗華敬，楊善德.中國優(yōu)秀田徑運動員技術(shù)圖片選輯[M].北京：人民體育出版社，2001.