短臂鉸鏈與鋼片軟橋的屈趾型速滑冰刀連接裝置

劉 晉，張 森，劉貴寶

（1.黑龍江工程學院 體育部，哈爾濱 150005；2.黑龍江省體育科學研究所，哈爾濱 150008）

短臂鉸鏈與鋼片軟橋的屈趾型速滑冰刀連接裝置

劉 晉1，張 森2，劉貴寶2

（1.黑龍江工程學院 體育部，哈爾濱 150005；2.黑龍江省體育科學研究所，哈爾濱 150008）

摘 要：目的，為了我國運動員在今后的冬奧會上有所新突破，提出一種新型速滑冰刀連接裝置。方法與內容，利用文獻資料法、對比分析法和試驗分析法，分析了Clap式速滑冰刀結構特點與不足，以及速滑冰刀結構相關研究進程，并在論述跖屈型新冰刀研究情況基礎上，提出對屈趾型速滑冰刀的改進。結果，通過對國內外研究成果進行了結構力學和生物力學的對比，提出了符合速滑冰刀結構特點和符合人體生物力學特點的一種短臂鉸鏈與鋼片軟橋的屈趾型速滑冰刀連接裝置。結論，這種新型速滑冰刀連接裝置結構，有助于腳部跖趾關節(jié)發(fā)揮生理性功能，使冰刀與冰鞋的固定更加牢靠。將有可能提高速滑成績。

關鍵詞：短臂絞鏈；鋼片軟橋；屈趾型速滑冰刀；連接裝置

1 研究目的

由于傳統速滑冰刀與冰鞋都是固定在一起的，這種速滑冰刀與冰鞋固定方式，使得在蹬冰結束后冰刀刀尖有摳冰的現象，對速滑運動員滑行速度具有一定影響。在這種技術矛盾刺激需求下，荷蘭人研制了一種Clap式速滑冰刀，Clap新式冰刀與傳統冰刀的主要區(qū)別在于所設計的 “活動刀托”即前刀托與冰鞋形成鉸鏈式連接，后刀托與冰鞋可自動分離，較好地解決了傳統速滑冰刀在蹬冰結束后刀尖出現摳冰的問題。我國自1997年開始正式引入Clap式速滑冰刀，這種Clap式速滑冰刀自1984年問世以來[1]，經過14年不斷應用推廣，在1998年冬奧會正式使用之后風靡全球，引起速滑運動技術和運動成績空前大飛躍，使得一大批世界記錄不斷刷新。

目前國際上公認為：Clap式速滑冰刀與傳統速滑冰刀相比具有延長蹬冰作用時間；提高踝關節(jié)的靈活性；增大下肢關節(jié)蹬伸幅度；保持冰刀全刃與冰面接觸和原有的滑行方向以及蹬冰方向，使之在踝關節(jié)充分跖屈的情況下結束蹬冰動作等作用。但是，不論Clap式速滑冰刀還是傳統速滑冰刀，冰刀與冰鞋的剛性裝置結構違背了人體腳部正常生理運動和生物力學的基本原理，限制了腳部跖趾關節(jié)的活動。為此，國內也相繼研制了屈趾型速滑冰刀，雖然把冰鞋改成屈趾型速滑冰鞋，依舊還是沒有脫離縱向固定冰鞋的方式。由于老式速滑冰刀和Clap式速滑冰刀仍然延續(xù)了速滑冰鞋的整體固定的結構方式，老式速滑冰刀在蹬冰結束時刀尖有摳冰的現象，KLAP式速滑冰刀在蹬冰時由全腳轉為腳尖蹬冰。因此現有速滑冰刀。

2 研究內容

2.1 Clap式冰刀結構特點與不足

Clap式冰刀是國際速滑運動近20年來最為突出的革命性變化[2-3]。Clap式速滑冰刀的結構原理是長臂鉸鏈的前端和后端與冰鞋的前部和后部連接在一起，長臂鉸鏈的后支撐點與冰刀的后支撐點之間可以開合。這種Clap式冰刀改進新技術[4-5]，關鍵在于刀跟與冰鞋能隨著蹬冰角度自動脫離和還原，根據鞋跟與冰刀分離聲音命名音譯為 “克來普”冰刀。其優(yōu)越性是在蹬冰的全過程中，冰刀全刃可以有效地咬住冰面，能夠將蹬冰最后階段展踝的力量完全作用到冰面，不僅有利于延長蹬冰距離，還通過提高踝關節(jié)的靈活性和加大蹬冰腿膝關節(jié)的伸展范圍，有效避免后程用刀尖蹬冰的現象，使速滑蹬冰技術在蹬冰角度、蹬冰腿膝關節(jié)的伸展幅度等方面更加符合人體運動力學結構特點[6]。研究表明[7]，采用Clap式冰刀每個單步時間減少、雙支撐蹬冰階段時間延長，與普通冰刀相比，單支撐所占時間比例縮短，雙支撐所占時間比例延長，增強了雙支撐蹬冰的作用，并認為這很可能就是使用新冰刀提高運動成績的原因之一?，F場觀察發(fā)現，新冰刀蹬冰時造成冰面破損較小，從能量角度分析，減小能量的消耗以減小滑行的阻力也有助于提高運動成績。Clap式冰刀可以認為是一種較為適合運動力學原理的"可彈式"速滑冰刀，但在向逐步符合人體自然生理運動的科技改革趨勢中，Clap式冰刀仍然沒有很好解決僵直鞋底所帶來的負面影響[8]。根據跖趾關節(jié)運動測試結果[9]，相關研究發(fā)現Clap式速滑冰刀、鞋幫、鞋底一體化結構限制了足趾的運動，足部的拇長屈肌、趾長屈肌、足跟間肌、足蚓狀肌、拇短屈肌、趾短屈肌、小趾短屈肌等根本沒有參與速滑的蹬冰動作，相對來說降低和減少了運動員的蹬冰力量，影響運動員的滑行速度提高。

2.2 冰刀結構相關研究進程

自Clap式冰刀1997年公開引入我國，為了能使我國的青少年速滑運動員盡快地更換新型冰刀、適應新的技術，我國科研人員適時地開發(fā)研究了活動刀托連接裝置[10]，可將普通速滑冰刀改裝成新型冰刀。并就活動刀托連接裝置的結構特點、性能實驗結果及推廣應用的意義進行闡述。國內速滑界普遍認識到速滑運動的成績，除了與參賽運動員的運動技巧和體能有關外，還與運動器材的優(yōu)劣密不可分。隨后國內有關人員相繼進行了相關冰刀結構改進工作。例如，為使速滑運動員既可在室內人工冰場使用，又可在室外天然冰面進行運動，有人在Clap式冰刀基礎上研制了一種自鎖裝置[11]，當冰面狀況不好時冰刀轉換為非可彈狀態(tài)，反之則為可彈狀態(tài)。有人在陸地上進行了Clap式速滑冰刀模擬蹬冰過程的點位壓力變化實驗[12]，通過驗證滑行過程的支撐面積、壓力點的位置壓力變化的數據，在Clap式冰刀結構技術正效應的基礎上，進行了橋式雙托位支撐Clap式冰刀結構力學設計。還有人探討了新型速滑冰刀墊片的功能及對冰刀整體性能的微調作用[13]，介紹了墊片的使用方法，指出了優(yōu)秀速滑運動員應充分利用這一環(huán)節(jié)提高運動成績。為了在蹬冰階段，足跟抬離足跟支點且通過前軸相對于刀管旋轉時，前軸旋轉允許腳折曲，而此時刀刃仍然充分接觸冰面，有人設計研制了一種雙鉸鏈跖屈型可彈式速滑冰刀[14]，主要是在可彈式冰刀前腳掌部位設一個可以旋轉的前軸。

2.3 跖屈型新冰刀研究情況

跖屈型新冰刀的實驗室研究取得很大進展，這種冰鞋將大大提高運動員的輸出功率，對今后的速滑運動產生深遠的影響。研究人員對原屈趾型速滑冰刀鞋（國家專利公開號CN2659502，國家專利公開日：2004年12月1日）的專利技術進行了廣泛的研究[15]，針對老式速滑冰刀和Clap式速滑冰刀的結構也進行了深入的探討和研究。認為原屈趾型速滑冰刀在人體做跖屈蹬冰動作時，人體的蹬冰力量比現有速滑冰刀的蹬冰力量要大，運動員在速度滑冰起跑時，腳的跖趾關節(jié)動作符合人體運動生物力學特征；認為老式速滑冰刀限制了人體腳部踝關節(jié)和腳跖趾關節(jié)的運動，雖然Clap式速滑冰刀解決了限制人體腳部踝關節(jié)的運動，但是束縛人體腳的跖趾關節(jié)運動的問題始終沒有解決，國外文獻認為[16]：在測試縱跳產生的總能量和動能方面，跖屈鞋底比剛性鞋底大9 %，縱跳的能量上的變化反映到滑行結果，跖屈鞋底可能比當前的Clap冰刀提高3%的滑行速度。國內相關研究人員對速滑運動員強化踝、跖趾關節(jié)肌群力量訓練的器材與方法進行了研究[17]，在沒有屈趾型速滑冰刀和冰鞋的出現時，跖趾關節(jié)的力量訓練對Clap式速滑冰刀是沒有作用的，但是為屈趾型速滑冰刀的誕生提供了訓練參考方法。

有關研究指出[18-22]，Clap冰刀的功效核心是以提高踝關節(jié)的靈活性來達到增大下肢各關節(jié)協調作用的目的，并在比較傳統冰刀和clap冰刀肌群工作特點后，提出Clap冰刀技術動作的相關肌群強化訓練重點。據此，研究人員對速滑運動員的陸地訓練進行了長期的跟蹤研究。運動員的陸地滑跳訓練、運動員的陸地橡皮筋彎道訓練、運動員的陸地拉輪胎（人拉）訓練等，觀察到運動員的腳部都是在做跖屈運動，有關研究人員和教練員針對專業(yè)速滑運動員和體校速滑運動員的跖屈運動時的力量進行了測試，當時的專業(yè)速滑運動員李雨的跖屈力量在300 kg以上、黑河體校速滑運動員的跖屈力量在150 kg以上。所以我們認為速滑冰刀的結構應該有所改變，改變成符合人體運動生物力學特征的速滑冰刀結構，改變成符合陸地訓練模式的速滑冰刀結構。

2.4 屈趾型速滑冰刀的改進

研究人員對原屈趾型速滑冰刀鞋的結構進行了大膽的改造。對此，我們提出了把Clap式速滑冰刀的長鉸鏈分節(jié)成三段，分別為短臂鉸鏈、鋼片軟橋、冰鞋跟座。冰鞋與冰刀底座固定板的安裝，通常用兩個螺釘直接固定在底座上，或者用傳統鉚釘方式固定。固定板利用兩點加固方法，將固定板牢牢固定在冰鞋和鉸鏈上。短臂鉸鏈可以解決限制人體腳部踝關節(jié)運動的問題；鋼片軟橋可以解決限制人體腳部跖趾關節(jié)運動的問題；冰鞋跟座可以解決與冰刀跟托恢復結合的問題。短臂鉸鏈采用一定厚度的鋼板沖壓制成形，在短臂鉸鏈翼面（鉸鏈軸上方）的位置橫向轉兩個孔，為固定專用屈趾型速滑冰鞋；短臂鉸鏈的末端轉兩個小孔，用鉚釘把鋼片軟橋固定在一起；鋼片軟橋的末端轉個長條孔，冰鞋跟座的上方開有與鋼片軟橋等寬、等厚的槽，鋼片軟橋的末端臥在槽中，用螺栓與屈趾型速滑冰鞋連接在一起。

3 研究結果

圖1是短臂鉸鏈與鋼片軟橋的屈趾型速滑冰刀的結構圖。鉸鏈托（1）、短臂鉸鏈（2）、復位扭簧（3）、鋼片軟橋（4）、冰鞋跟座（5）、冰刀跟托（6）。圖2是短臂鉸鏈結構示意圖。短臂鉸鏈軸(2A)、短臂鉸鏈軸套(2B)、短臂鉸鏈翼面(2C)、與冰鞋連接的螺栓孔(2D)、與鋼片軟橋連接的鉚釘孔(2E)、與鉸鏈軸托固定的螺栓兩枚(2F)。在蹬冰階段，人體重心幾乎全部壓在鉸鏈點處，而且人體重心頻繁發(fā)生左右移動，對鉸鏈點結構的產生應力損壞性影響。短臂鉸鏈結構在一定程度上能夠加強鉸鏈點對應負載能力。圖3是復位扭簧結構示意圖。復位扭簧中段(3A)、左右扭簧孔圈(3B)、左右扭簧別柄(3C)。鉸鏈扭轉角度范圍一般在45°以內，對應彈簧的扭轉角度＜75°，扭轉力300N左右。為了使彈簧達到一定彈力，并且彈力會在使用期間內不會因為過度疲勞而消失，要求所選取的彈簧預應角度要適中。為此，對彈簧內徑在設計上還需留有足夠冗余量。圖4是鋼片軟橋的結構示意圖。與短臂鉸鏈固定連接的鉚釘孔(4A)、與冰鞋和冰鞋跟托螺栓連接的調整長孔(4B)。鋼片軟橋本身具有彈性勢能儲備能力，在蹬冰階段對足底發(fā)力產生緩沖作用，同時為腳部跖趾關節(jié)運動釋放一定自由度。圖5是冰鞋跟座的結構示意圖。能臥鑲鋼片軟橋的淺槽(5A)、與鋼片軟橋末端長條孔相對應的倒T字形長條孔(5B)用來固定冰鞋后跟、冰鞋跟座的底部開有冰刀跟托槽(5C)用于和冰刀跟托的歸位連接。

圖1 短臂鉸鏈與鋼片軟橋的屈趾型速滑冰刀的結構Figure 1 Speed skate blade adapter structure of plantar flexion type with short arm hinge and elastic steel bridge

圖2 短臂鉸鏈結構Figure 2 Structure of the short arm hinge

圖3 復位扭簧結構Figure 3 Structure of the reset torsion spring

圖4 鋼片軟橋的結構Figure 4 Structure of the elastic steel bridge

圖5 冰鞋跟座的結構Figure 5 Structure of the skate heel seat

4 結論

研究認為短臂鉸鏈與鋼片軟橋的屈趾型速滑冰刀的結構可以帶來如下好處和有益效果。

1.短臂鉸鏈與鋼片軟橋的屈趾型速滑冰刀的結構，符合人體腳部跖趾關節(jié)運動的生理習慣，如同人們在走、跑、跳的活動中，人體腳部的跖趾關節(jié)會發(fā)生生理性的跖屈。

2.短臂鉸鏈與鋼片軟橋的屈趾型速滑冰刀的結構，符合常見的速滑運動員陸地模仿動作腳部的運動訓練方式，如運動員的跑、跳運動一樣趾跖關節(jié)參與運動。

3.短臂鉸鏈與鋼片軟橋的屈趾型速滑冰刀的結構，解決了原屈趾型速滑冰刀鞋和Clap式速滑冰刀的縱向螺栓固定模式，采用了冰鞋的三角形固定模式，或者是冰鞋的跖趾關節(jié)處橫向2個螺栓和冰鞋后跟1個螺栓固定形式（三角形固定模式），使冰刀與冰鞋的固定更加牢靠。

4.短臂鉸鏈與鋼片軟橋的屈趾型速滑冰刀的結構，解決了跖屈冰鞋的彎曲剛性鉸鏈達不到性能，鋼片軟橋的創(chuàng)新結構可以隨著跖屈冰鞋的彎曲鋼片軟橋會發(fā)生相應的變化。

5.短臂鉸鏈與鋼片軟橋的軟鉸鏈體和跖趾關節(jié)處可彎曲軟冰鞋的誕生，將有可能大幅度提高速滑成績，尤其是長距離速滑成績。

6.短臂鉸鏈與鋼片軟橋是解決新式屈趾型速滑冰刀的關鍵，仿造只能始終落后與他人，創(chuàng)新才能趕上和超越。

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中圖分類號：G807.4

文獻標識碼：A

文章編號：1002–3488（2015）03–0086–06

收稿日期：2015–01–11；修回日期：2015–02–09

第一作者簡介：劉晉（1981–），男，黑龍江哈爾濱人，講師，研究方向為體育教學與訓練。

Speed Skate Blade Adapter of Plantar Flexion Type with
Short Arm Hinge and Elastic Steel Bridge

LIU Jin1， ZHANG Sen2， LIU Gui-bao2

（1.Heilongjiang Institute of Technology， Harbin 150005， China； 2.Heilongjiang Research Institute of Sports Science，Harbin 150008， China）

Abstract：Objective， in order to advance Chinese speed skaters to get new breakthroughs in future winter Olympics， the paper puts forward a new speed skate blade adapter. Methods and content，with the methods of literature information， contrast and experiment analysis， it analyzes the Clap skate’s structure and shortage， discusses the related research progress of speed skate structure，and basing on the development of speed skate of plantar flexion type， it presents a improvement for the plantar flexion skate. Results， by contrasting some domestic and overseas research findings from the viewpoints of structural mechanics and biomechanics， it develops a speed skate blade adapter of plantar flexion type with short arm hinge and elastic steel bridge， which adapter being as far as possible in accordance with the features of speed skate structure and human body biomechanics. Conclusion， the new skate adapter will be possible to improve the speed skaters’ performance by helping to the metatarsophalangeal joint bring its physiological function， and making the fixation between the blade and shoe more firmly.

Key words：short arm hinge； elastic steel bridge； speed skate blade of plantar flexion type；adapter