基于游泳蹲踞式出發(fā)技術(shù)的生物力學(xué)研究分析

馬保雷

（西安工程大學(xué),西安,710068）

0 引言

近年來游泳出發(fā)技術(shù)發(fā)展十分迅速。游泳出發(fā)技術(shù)包括蹲踞式出發(fā)技術(shù)和抓臺(tái)式出發(fā)技術(shù)。蹲踞式出發(fā)技術(shù)出現(xiàn)于上世紀(jì)80年代，該姿勢(shì)具有穩(wěn)定性好、離臺(tái)快、產(chǎn)生的水平速度大等優(yōu)點(diǎn)，被世界各國的運(yùn)用員普遍采用。但是由于我國對(duì)蹲踞式游泳出發(fā)技術(shù)的研究較晚，所以我國的游泳運(yùn)動(dòng)員采用該技術(shù)的人數(shù)不多。游泳出發(fā)的特點(diǎn)就是運(yùn)動(dòng)員聽到槍聲之后，迅速進(jìn)入水中同時(shí)速度值達(dá)到最大，在水中由于受到水的阻力作用，運(yùn)動(dòng)員的速度會(huì)逐漸減小。所以對(duì)游泳運(yùn)動(dòng)員技術(shù)的研究包括快速啟動(dòng)速度能力、起跳角度、空中身體運(yùn)行軌跡、出發(fā)起跳三維力的大小、入水角度以及入水后相關(guān)技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行研究。本文使用游泳出發(fā)技術(shù)的生物力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)蹲踞式出發(fā)技術(shù)的生物力學(xué)進(jìn)行了相關(guān)研究。采用這個(gè)系統(tǒng)可以得到準(zhǔn)確確的力學(xué)和影像數(shù)據(jù)，反映出運(yùn)動(dòng)員蹲踞式出發(fā)技術(shù)的特點(diǎn)，對(duì)蹲踞式出發(fā)技術(shù)進(jìn)行生物力學(xué)研究。

1 生物力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)的組成

1.1 動(dòng)力學(xué)測(cè)試

動(dòng)力學(xué)測(cè)試采用三維測(cè)力平臺(tái)，包括上平臺(tái)、三維力傳感器、基礎(chǔ)平臺(tái)、測(cè)量電路四部分，三維測(cè)力平臺(tái)的模型如圖1所示。其中三維力傳感器由彈性體和應(yīng)變片組成，彈性體由十字筋板、輪輻基座、中心銷柱三部分組成。根據(jù)體系靜力平衡，測(cè)力平臺(tái)在三維載荷的作用下，不同的傳感器將承受不同的電荷，并將電荷轉(zhuǎn)成電壓信號(hào)，通過測(cè)量電路，實(shí)現(xiàn)三維力的測(cè)量。應(yīng)變片的作用就是形成測(cè)量電路，對(duì)X軸和Y軸方向的力進(jìn)行測(cè)量，十字筋板實(shí)現(xiàn)Z軸方向力的測(cè)量。

圖1 三維測(cè)力平臺(tái)模型

根據(jù)三維測(cè)力臺(tái)的結(jié)構(gòu)，對(duì)游泳出發(fā)測(cè)力臺(tái)進(jìn)行合理安裝，在實(shí)驗(yàn)開始之前對(duì)測(cè)力臺(tái)進(jìn)行校正。運(yùn)動(dòng)在測(cè)力出發(fā)臺(tái)上做好預(yù)備知識(shí)之后，清零體重?cái)?shù)值，采集運(yùn)動(dòng)員從出發(fā)信號(hào)到離臺(tái)瞬間的力學(xué)參數(shù)，獲取出發(fā)離臺(tái)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。生物力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 生物力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)試

該系統(tǒng)采用高速攝像機(jī)拍攝運(yùn)動(dòng)員在預(yù)備階段、離臺(tái)階段、騰空階段和入水階段四個(gè)階段的關(guān)節(jié)角度、時(shí)間、速度變化的情況，并采用影像解析軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到蹲踞式出發(fā)技術(shù)各階段的運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)試參數(shù)。

在測(cè)力臺(tái)數(shù)據(jù)采集按鈕按動(dòng)的同時(shí)，也發(fā)出了聲音信號(hào)和光信號(hào)，聲音信號(hào)為運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作的開始，光信號(hào)為攝像機(jī)拍攝運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作的開始。

2 游泳運(yùn)動(dòng)員測(cè)試數(shù)據(jù)的采集方法

2.1 運(yùn)動(dòng)員的選擇

選取16名男子游泳運(yùn)動(dòng)員，并且他們以自由泳短距離為主項(xiàng)，其運(yùn)動(dòng)水平全部為一級(jí)運(yùn)動(dòng)員，他們的基本情況如下：年齡(20.28±1.26)歲，體重(74.55±7.26)kg，身高(1.82±0.04)m，訓(xùn)練年限(10.23±3.23)年。

2.2 蹲踞式游泳出發(fā)技術(shù)動(dòng)力學(xué)測(cè)試

運(yùn)動(dòng)員完成蹲踞式出發(fā)技術(shù)過程中用力情況的分析，主要是通過三維測(cè)力臺(tái)采集相關(guān)的力學(xué)參數(shù)。測(cè)力臺(tái)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間為3min/次，采用頻率為600Hz，本研究只選取第1min內(nèi)的600個(gè)力值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。獲得數(shù)據(jù)運(yùn)用Excel表格進(jìn)行分析，作成離臺(tái)階段f-t受力情況曲線圖。

測(cè)定的動(dòng)力學(xué)測(cè)試參數(shù)如下：水平方向力達(dá)峰值時(shí)間Ty2，垂直方向力達(dá)峰值時(shí)間Tz2，水平方向和垂直方向力的反應(yīng)時(shí)間T1，水平方向和垂直方向作用力時(shí)間（Δt），水平方向力的最大值Fymax，垂直方向力的最大值Fzmax，離臺(tái)瞬間水平?jīng)_量Py，垂直方向沖量Pz，離臺(tái)瞬間重心角度、離合重心垂直速度、離臺(tái)重心水平速度。

2.3 蹲踞式游泳出發(fā)技術(shù)運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)試

如上圖2所示，本系統(tǒng)采用一臺(tái)JVC9800高速攝像機(jī)，圖中的1號(hào)攝像機(jī)為高速攝像機(jī)，它的拍攝頻率為100fps ，對(duì)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行定點(diǎn)拍攝。攝像機(jī)的鏡頭比游泳池岸邊高出1.25m，和出發(fā)臺(tái)中心線的距離為19.25m，其主光軸對(duì)準(zhǔn)出發(fā)臺(tái)前1m。2號(hào)攝像機(jī)為常速攝像機(jī)，型號(hào)為索尼DCR-DVD 610，記錄游泳運(yùn)動(dòng)員的整個(gè)過程進(jìn)行拍攝，拍攝頻率為25fps，拍攝運(yùn)動(dòng)員出發(fā)到頭部入水10m的全過程。

2.4 運(yùn)動(dòng)員錄像解析

采用Ariel三維影像解析系統(tǒng)，攝像機(jī)和電腦主機(jī)通過1394接口相連，使用Ulead Video Studio 5.0 DVD將圖像文件轉(zhuǎn)成Avi文件格式，并對(duì)它們進(jìn)行編輯。根據(jù)系統(tǒng)的人體模型參數(shù)，將運(yùn)動(dòng)員的姿勢(shì)進(jìn)行解析，到運(yùn)動(dòng)員手觸水結(jié)束解析。每幅取19個(gè)點(diǎn)，通過降低通數(shù)字濾波法對(duì)解析數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，平滑系數(shù)為8。

3 蹲踞式出發(fā)技術(shù)測(cè)定結(jié)果分析

3.1 蹲踞式出發(fā)動(dòng)力學(xué)結(jié)果

通過Excel對(duì)數(shù)據(jù)的整理，動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示，運(yùn)動(dòng)員離臺(tái)階段f-t受力情況曲線圖如圖3所示。

表1 蹲踞式出發(fā)技術(shù)動(dòng)力學(xué)結(jié)果

圖3 蹲踞式出發(fā)案例F-t曲線圖

水平方向和垂直方向的力值變化幾乎是同時(shí)的，測(cè)定的過程還會(huì)存在一定的誤差，所以出發(fā)反應(yīng)時(shí)統(tǒng)一用T1表示。圖3顯示了從運(yùn)動(dòng)員出發(fā)到離臺(tái)階段的水平方向、左右方向和垂直方向受力的變化情況。由圖3可知，左右方向的沖量也有細(xì)微的變化，這和蹲踞式技術(shù)的雙腳前后支撐的技術(shù)特征相關(guān)聯(lián)。水平方向的力值變化是一條相對(duì)平滑的曲線，可以說明運(yùn)動(dòng)員在離臺(tái)過程中力值的增加比較緩慢，水平的力值和垂直的力值都達(dá)到了一個(gè)峰值，水平方向達(dá)峰值的時(shí)間為0.46s，垂直方向達(dá)峰值的時(shí)間為0.44s，達(dá)到峰值所用的時(shí)間越短，說明蹲踞式技術(shù)的發(fā)力越迅速，在動(dòng)作完成過程中力量能夠快速增加，利于獲取較大的離臺(tái)沖量和速度，水平方向的力值達(dá)到峰值后先增大后減小，然后最終消失，說明運(yùn)動(dòng)員在臺(tái)上的用力時(shí)間相對(duì)比較長，水平方向力的峰值水平需要進(jìn)一步提高。

3.2 蹲踞式出發(fā)運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)果

游泳出發(fā)技術(shù)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)包括5個(gè)技術(shù)階段，21個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。該系統(tǒng)測(cè)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。預(yù)備階段就是指運(yùn)動(dòng)員就位之后到發(fā)出出發(fā)信號(hào)的時(shí)間；離臺(tái)階段就是指發(fā)出出發(fā)信號(hào)到運(yùn)動(dòng)員離臺(tái)瞬間的時(shí)段；騰空階段就是指運(yùn)動(dòng)員腳離臺(tái)瞬間到手指觸碰到水瞬間的時(shí)間段；入水階段就是指運(yùn)動(dòng)員手指觸水瞬間的動(dòng)作時(shí)相。評(píng)價(jià)出發(fā)效果的重要指標(biāo)是水下滑行階段。離臺(tái)階段是影響蹲踞式出發(fā)效果的重要階段，在此階段蹲踞式出發(fā)技術(shù)產(chǎn)生的重心水平速度大于其垂直速度。在入水階段，蹲踞式入水的重心垂直速度為3.17m/s大于其重心水平速度2.42m/s，會(huì)影響運(yùn)動(dòng)員的入水深度，滑行階段減速的可能性增大。游泳運(yùn)

動(dòng)員入水后速度遞減較小距離評(píng)定指標(biāo)是5m，從入水階段到水下滑行階段運(yùn)動(dòng)員速度明顯變化的距離評(píng)定指標(biāo)是7m，運(yùn)動(dòng)員從入水速度慢慢過度到水中游進(jìn)速度的距離評(píng)定指標(biāo)是10m。在本研究中，運(yùn)動(dòng)員入水后到達(dá)5m所用的時(shí)間為1.5s，達(dá)到7m所用的時(shí)間為2.67s，達(dá)到10m所用的時(shí)間為4.37s。

表2 蹲踞式出發(fā)技術(shù)運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)定結(jié)果

[1]吳強(qiáng),俞志偉,吉愛紅等.一種小型電阻應(yīng)變式三維力傳感器的仿真設(shè)計(jì)[J].中國機(jī)械工程2011,22(11):1288-1293。

[2]孫通.北京奧運(yùn)會(huì)抓臺(tái)式與蹲踞式出發(fā)反應(yīng)時(shí)的比較[J].體育科學(xué)研究,2010,03:86-89.

[3]高磊.新型椎體撐開器的研制及生物力學(xué)測(cè)試[D].蘇州大學(xué),2013.