自由泳短周期內(nèi)速度特征的三維運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

郝鳳霞，劉 錚，劉平清，史東林

自由泳短周期內(nèi)速度特征的三維運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

郝鳳霞1，劉 錚1，劉平清1，史東林2

目的：描述游泳運(yùn)動(dòng)員在200m自由泳中，短周期內(nèi)速度波動(dòng)（Vfluc）的特征和變化，及身體質(zhì)心速度的最大值（Vmax）和最小值（Vmin），并分析其與運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的相關(guān)性。方法：選現(xiàn)役河北省游泳隊(duì)國(guó)家一級(jí)以上自由泳男運(yùn)動(dòng)員共11名為研究對(duì)象。用4臺(tái)水下和2臺(tái)水上攝像機(jī)同步記錄他們的游泳表現(xiàn)。將200m自游泳分為4段（每段50m：SC1、SC2、SC3、SC4）分析，采用橢圓區(qū)域的方法對(duì)人體數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果：測(cè)試發(fā)現(xiàn)，200m自游泳中Vmean總體在下降；Vmax和Vmin與運(yùn)動(dòng)員的表現(xiàn)呈正相關(guān)，且SC1段比另外三段的相關(guān)性更高；Vmax和Vmin的相關(guān)性顯著且一致，但與游泳表現(xiàn)并無(wú)相關(guān)性。結(jié)論：各個(gè)方向速度波動(dòng)特征與運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)沒有相關(guān)性，且在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中也并不呈現(xiàn)顯著性的變化。

運(yùn)動(dòng)學(xué)；自由泳；質(zhì)心；速度特征

目前對(duì)于運(yùn)動(dòng)員游泳速度的計(jì)算，學(xué)界多采用兩維攝像或者使用專用設(shè)備，安裝在游泳運(yùn)動(dòng)員腰部或頸部，通過計(jì)算其身體某個(gè)部位（通常是臀部）來(lái)獲取其游泳速度［1］。然而近期大量研究表明，采用以上方法，并不能準(zhǔn)確表示人體質(zhì)心運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)在短周期內(nèi)的變化［2－3］。國(guó)外學(xué)者Craig和Pendergast認(rèn)為，專門制作的這種裝置并不一定能較為準(zhǔn)確的反應(yīng)人體質(zhì)心活動(dòng)。因?yàn)?，在游泳過程中運(yùn)動(dòng)員四肢往復(fù)交替，部分技術(shù)動(dòng)作可能被遮擋，從而導(dǎo)致臀部垂直運(yùn)動(dòng)的測(cè)量誤差［4］。目前雖然有研究試圖通過運(yùn)用二維運(yùn)動(dòng)學(xué)方法以及人體左右對(duì)稱特征，計(jì)算人體質(zhì)心的速度［5］，然而近期運(yùn)動(dòng)員游泳技術(shù)動(dòng)作往往不對(duì)稱的觀點(diǎn)，又使此研究方法的準(zhǔn)確性受到一定質(zhì)疑［6］。

基于以上本文運(yùn)用三維運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法，確定男子200m自由泳身體質(zhì)心的速度波動(dòng)大小及最大值和最小值。同時(shí)還要驗(yàn)證游泳方向上速度的最大值和最小值，以及其他各個(gè)方向的速度波動(dòng)的大小是否與運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)呈線性的關(guān)系，水平速度均值（Vmean）是否決定著運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。通過對(duì)這些變量及其相對(duì)值進(jìn)行分析，以期能更完全和清晰地顯示速度波動(dòng)及其最大值和最小值對(duì)游泳運(yùn)動(dòng)的影響。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象選現(xiàn)役河北省游泳隊(duì)國(guó)家一級(jí)以上（包括國(guó)家級(jí)及國(guó)家一級(jí)運(yùn)動(dòng)員）自由泳男運(yùn)動(dòng)員共11名為研究對(duì)象。基本信息見表1。

表1 研究對(duì)象基本情況

1.2 實(shí)驗(yàn)實(shí)施 身體19個(gè)部位（頭頂點(diǎn)，肩，眉毛，腰，臀部，膝蓋，腳踝和中間趾骨關(guān)節(jié)，中指末端及大腳趾），以50幀／秒使用Ariel運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)（APAS）解析，三維坐標(biāo)的獲得運(yùn)用直接線性轉(zhuǎn)換（DLT）的方法計(jì)算（Abdel－Aziz＆Karara）。由于運(yùn)用了4臺(tái)攝像機(jī)，最大限度的加強(qiáng)了水下標(biāo)志點(diǎn)的準(zhǔn)確性。這意味著每個(gè)部位至少在不同的兩臺(tái)機(jī)器中可以清晰的看見，使人工“猜測(cè)”在DLT計(jì)算中最小化。水上和水下的視頻分別被記錄和解析。相同的標(biāo)定框架用于水上和水下，不同的視頻被合并到一個(gè)文件，不需要對(duì)數(shù)據(jù)做任何的調(diào)整。使用截?cái)囝l率6HZ對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾和平滑處理。

1.3 測(cè)試指標(biāo)使用6臺(tái)JVC KY32 CCD（采樣頻率50 Hz，快門速度1／120 s）攝像機(jī)，其中4臺(tái)安置在水下，2臺(tái)安置在水上。用一個(gè)6.75立方米框架標(biāo)定，此框架一半在水上，一半在水下，X軸為游泳方向，Y軸和Z軸分別為垂直方向和左右方向，每臺(tái)攝像機(jī)拍攝6.5米長(zhǎng)，框架向兩邊各延長(zhǎng)一米，具體見圖1。定點(diǎn)同步拍攝（實(shí)驗(yàn)的同步拍攝是利用運(yùn)動(dòng)員蹬壁出發(fā)時(shí)，觸發(fā)安裝在池壁的觸發(fā)式傳感器，觸發(fā)傳感并同步閃光，來(lái)實(shí)現(xiàn)的）每個(gè)運(yùn)動(dòng)員的表現(xiàn)。另外，考慮到框架標(biāo)定可能帶來(lái)的誤差，研究采用大范圍標(biāo)定來(lái)盡可能減小這種誤差，以增加測(cè)量的準(zhǔn)確性。

圖1 三維運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中攝像機(jī)和標(biāo)定框架擺放位置

1.4 實(shí)驗(yàn)控制測(cè)試選擇在長(zhǎng)25m的室內(nèi)游泳池進(jìn)行，首先受試者同意參與本研究并簽署實(shí)驗(yàn)知情同意書。為了避免過度訓(xùn)練對(duì)測(cè)試的干擾，在測(cè)試前一天，避免對(duì)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行大強(qiáng)度訓(xùn)練。其次為了消除呼吸可能對(duì)變量的影響，要求所有運(yùn)動(dòng)員在通過6.5m的標(biāo)準(zhǔn)空間時(shí)應(yīng)避免換氣。為了確保測(cè)試水平與競(jìng)賽水平相似，要求每個(gè)運(yùn)動(dòng)員測(cè)試成績(jī)達(dá)到其最好成績(jī)的95%，經(jīng)過第一次測(cè)試，運(yùn)動(dòng)員實(shí)際表現(xiàn)為117.3±2.8 s，均比他們的個(gè)人最好成績(jī)慢3.0±1.5%。

1.5 數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)將200m的自由泳分為四個(gè)階段，每50米為一個(gè)SC并做一次記錄，因此所有運(yùn)動(dòng)員19個(gè)部位的相關(guān)參數(shù)值都進(jìn)行了分段記錄（經(jīng)過了四次計(jì)算SC1，2，3和4），并且通過視頻記錄獲得每個(gè)SC（s）所持續(xù)時(shí)間。此外，研究通過運(yùn)動(dòng)員每個(gè)環(huán)節(jié)質(zhì)心的位移（X，Y和Z坐標(biāo)）表示人體質(zhì)心的位移；通過人體質(zhì)心（CM）位移的一階微分計(jì)算顯示CM的速度；通過SC段X方向位移除以經(jīng)過該段的時(shí)間得到每段SC的平均速度（Vmean）。同時(shí)，將一個(gè)周期內(nèi)速度的最大值與最小值設(shè)定為最大及最小速度；通過平均速度的百分比來(lái)計(jì)算相對(duì)最大和最小速度；采用人體質(zhì)心在每個(gè)SC中速度最大值減去速度最小值來(lái)確定每個(gè)方向的速度波動(dòng)（Vfluc）；而每個(gè)方向的相對(duì)速度波動(dòng)是以平均速度的百分比進(jìn)行計(jì)算的。數(shù)據(jù)采集的可靠性：通過六臺(tái)攝像機(jī)3次記錄同一名運(yùn)動(dòng)員一個(gè)完整SC內(nèi)相關(guān)變量，并進(jìn)行方差計(jì)算及整個(gè)人體質(zhì)量變化系數(shù)來(lái)確保指標(biāo)的可靠性。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析對(duì)于實(shí)驗(yàn)所得人體測(cè)量學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算采用橢圓區(qū)域方法（Jensen，1978），經(jīng)過Deffeyes和Sanders（2005）研發(fā)的PC軟件計(jì)算得出，并通過對(duì)同一名運(yùn)動(dòng)員3次反復(fù)測(cè)試，采用方差計(jì)算及分析其質(zhì)量變化系數(shù)來(lái)確保橢圓區(qū)域方法的準(zhǔn)確性［7］。運(yùn)用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件包和Excel 2003軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。均采用重復(fù)方差分析的方法，統(tǒng)計(jì)結(jié)果以“ˉx±s”表示，顯著水平為P＜0.05，高度顯著為P＜0.01。

2 結(jié)果

2.1 計(jì)算的準(zhǔn)確性和可靠性表2顯示了測(cè)試指標(biāo)的高度可信性。根據(jù)橢圓區(qū)域方法的可靠性計(jì)算出本研究估計(jì)值和真實(shí)值之間的平均誤差為0.2－0.9kg或者0.3% －1.3%（以人體質(zhì)量百分比表示）。誤差均方根值RMS分別為0.9kg和1.3%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：標(biāo)準(zhǔn)差SD（0.04kg）和變異系數(shù)（0. 08%）較低，證實(shí)了本研究數(shù)據(jù)的可靠性。

2.2 最大和最小瞬時(shí)速度測(cè)試結(jié)果圖2顯示：相對(duì)最大速度大于最大速度、平均速度及最小速度（最大速度＞平均速度＞最小速度），但最大速度與平均速度卻大于相對(duì)最小速度，相對(duì)最小速度與最小速度有交叉但總體前者稍大于后者。相對(duì)最大、最小速度較最大、最小及平均速度平緩。

圖2 人體質(zhì)心相關(guān)速度特征

表3顯示：運(yùn)動(dòng)員平均速度（Vmean）、最大速度（Vmax）、最小速度（Vmin）、相對(duì)最大速度（Relative Vmax）和相對(duì)最小速度（Relative Vmin）四個(gè)SC階段兩兩比值，結(jié)果顯示運(yùn)動(dòng)員的平均速度除了SC4無(wú)變化（P＞0.05）外，其余每個(gè)SC都在下降（P＜0.05）。SC1中的最大和最小速度明顯要高于其他三個(gè)SC，而SC2中的最大速度比SC4的明顯要高，SC3與SC4最小速度相同。然而，相對(duì)最大和最小速度卻無(wú)明顯的變化（P＞0.05）且它們?cè)谡麄€(gè)測(cè)試中都很相似，其200m的平均速度值分別為110.8± 1.6%和 88.6±1.7%。運(yùn)動(dòng)員在 SC1（27.38± 0.13s）用時(shí)比SC2（28.04±0.32s）、SC3（28.04± 0.32s）、SC4（27.81±0.20s）要少（P＜0.05）。除此之外，無(wú)其它變化。具體如圖2與表2：

表3 人體質(zhì)心相關(guān)速度特征的方差分析

表4 人體質(zhì)心相關(guān)速度特征的相關(guān)性分析

結(jié)果顯示：平均速度（Vmean）與最大（Vmax）、最小速度（Vmin）具有高度相關(guān)性同時(shí)具有顯著性差異（P＜0.01）；然而平均速度與相對(duì)最大、最小速度的相關(guān)性很小且無(wú)顯著性差異（P＞0.05）除平均相對(duì)最大速度有顯著性（P＜0.05）外。

2.3 速度波動(dòng)測(cè)試結(jié)果 表5顯示：四個(gè)階段中，水平、垂直及側(cè)向速度波動(dòng)呈階梯狀分布，同時(shí)相對(duì)水平、垂直及側(cè)向速度波動(dòng)也具有階梯狀分布特點(diǎn)。側(cè)向速度波動(dòng)均大于水平速度波動(dòng)與垂直速度波動(dòng)，第2個(gè)與第4個(gè)階段尤為明顯，與此同時(shí)相對(duì)側(cè)向速度波動(dòng)出現(xiàn)結(jié)果與上面完全一致，整個(gè)測(cè)試中的各個(gè)方向速度波動(dòng)與相對(duì)速度波動(dòng)的變化基本一致，但參數(shù)值變化較小且各方向上速度波動(dòng)或相對(duì)速度波動(dòng)均無(wú)顯著變化。

表5 人體質(zhì)心的速度波動(dòng)值與相對(duì)速度波動(dòng)百分比（%）

表6 平均速度與速度波動(dòng)、相對(duì)速度波動(dòng)相關(guān)性分析

表6顯示出三個(gè)方向速度波動(dòng)與平均速度之間的相關(guān)性。除了垂直速度波動(dòng)及相對(duì)垂直速度波動(dòng)在SC1階段呈高度相關(guān)性且分別具有高度顯著性差異（P＜0.01）和顯著性差異（P＜0.05）外，三階段其它方向的相關(guān)性較小且多數(shù)無(wú)顯著性差異（P＞0.05），另外平均速度與水平速度波動(dòng)較其它具有高度相關(guān)性且具有高度顯著性差異（P＜0.01）。

3 討論

3.1 最大和最小瞬間速度結(jié)果分析經(jīng)分析，測(cè)試中實(shí)驗(yàn)對(duì)象的平均速度逐漸下降，第一階段（SC1）用時(shí)明顯少于其他三階段（SCs），第一階段最大和最小速度值均高于其它三階段。此結(jié)果也與受試者本人預(yù)期基本一致。分析其原因：筆者認(rèn)為，在游泳過程中由于乳酸不斷堆積等因素導(dǎo)致機(jī)體疲勞產(chǎn)生從而致使其技術(shù)動(dòng)作的穩(wěn)定性逐漸下降進(jìn)而導(dǎo)致游泳過程中的阻力逐漸增大、推進(jìn)力隨之減小。

在200m比賽中，游泳表現(xiàn)（如平均速度）與最大和最小速度呈很強(qiáng)的線性關(guān)系，然而這些變量的相對(duì)值在測(cè)試中表現(xiàn)出較好地一致性，且與游泳表現(xiàn)無(wú)關(guān)。可見，無(wú)論運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技水平如何，其相對(duì)最大、最小速度分別與平均速度相比均在11%的范圍內(nèi)，此研究結(jié)果與目前其它相關(guān)研究數(shù)據(jù)相比，則更佳接近于平均值?；谝陨瞎P者認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)員在游泳方向上最大速度、最小速度和速度波動(dòng)具有一定一致性，且與游泳表現(xiàn)無(wú)關(guān)。值得一提的是本研究所選取的自由泳運(yùn)動(dòng)員水平十分接近，如選取游泳水平相差較大運(yùn)動(dòng)員參加測(cè)試，是否影響以上參數(shù)與運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的關(guān)系，有待于今后進(jìn)一步研究。同時(shí)，對(duì)不同水平的運(yùn)動(dòng)員的研究，將會(huì)進(jìn)一步驗(yàn)證這些結(jié)論。

3.2 速度波動(dòng)結(jié)果分析研究中，在一個(gè)SC階段由于水的波動(dòng)以及其方向上合力的變化具有的一定規(guī)律性，所以游泳方向上水平速度波動(dòng)是可以預(yù)料的。但對(duì)于垂直與側(cè)向速度波動(dòng)來(lái)說(shuō)，雖然最近研究表明“垂直和側(cè)向的速度波動(dòng)可能由某種沿水平方向力造成的［8］。”也不能排除垂直速度波動(dòng)由重力與浮力相對(duì)變化造成的可能。在試驗(yàn)中雖然側(cè)向和垂直方向的速度波動(dòng)比游泳方向上的相對(duì)和絕對(duì)值都大，且在大多數(shù)SC中，與運(yùn)動(dòng)員游泳表現(xiàn)無(wú)顯著相關(guān)性，但是對(duì)于側(cè)向和垂直方向的速度波動(dòng)與運(yùn)動(dòng)員游泳表現(xiàn)，尤其是垂直活動(dòng)幅度較大的泳姿，如蝶泳和蛙泳等是否具有相關(guān)性，仍有必要進(jìn)行進(jìn)一步探討。此外，鑒于測(cè)試中SC時(shí)間的變化，諸如時(shí)間，持續(xù)時(shí)間和游泳方向的推力和阻力等因素可能已經(jīng)改變。建議今后研究采用能夠通過用一種詳細(xì)的變量，例如模式，數(shù)量和周期速度V和最大和最小加速來(lái)分析推力和阻力之間關(guān)系，以此提高在一個(gè)SC中對(duì)速度波動(dòng)的理解。

本研究顯示，各個(gè)方向的速度波動(dòng)與運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)并無(wú)關(guān)聯(lián)性，此觀點(diǎn)恰與國(guó)外學(xué)Alberty等人結(jié)論“速度波動(dòng)和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)不具有相關(guān)性”相契合［9］。但就該結(jié)論的得出，目前學(xué)界還存在一定爭(zhēng)議。有少數(shù)學(xué)者提出速度波動(dòng)與游泳表現(xiàn)具有顯著相關(guān)性且速度快的運(yùn)動(dòng)員比速度慢的有更大的波動(dòng)。由于運(yùn)動(dòng)員所承受的較大的阻力，更高的平均速度可能與更大的速度波動(dòng)有關(guān)。然而學(xué)者Craig和Pendergast研究發(fā)現(xiàn)，速度波動(dòng)往往會(huì)隨著速度增加而增長(zhǎng)，但通過相對(duì)速度波動(dòng)的分析，卻沒有發(fā)現(xiàn)任何的差異。以上不同結(jié)論的得出顯然與不同研究人員采用不同方法來(lái)計(jì)算速度波動(dòng)造成的。因此筆者建議今后，在速度波動(dòng)和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)之間關(guān)系的相關(guān)研究中除了考慮方法差異與局限性外，研究者應(yīng)充分考慮到計(jì)算方法的有效性。雖然本研究中速度波動(dòng)和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)無(wú)相關(guān)性，但有一點(diǎn)是不可否認(rèn)的，那就是在游泳速度保持不變的情況下，減小速度波動(dòng)會(huì)減少能量消耗，使游泳更加經(jīng)濟(jì)。

以上觀點(diǎn)為教練員在訓(xùn)練過程中，通過指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)員改善技術(shù)動(dòng)作從而減少速度波動(dòng)，來(lái)降低其能量消耗方面提供有力的理論支撐。另外，我們對(duì)速度波動(dòng)的進(jìn)一步深入研究，可能對(duì)運(yùn)動(dòng)員協(xié)調(diào)能力的評(píng)價(jià)及相關(guān)協(xié)同訓(xùn)練的設(shè)計(jì)提供一些參考，例如：游泳過程中，不同SC階段速度波動(dòng)的變化與游泳運(yùn)動(dòng)員協(xié)調(diào)能力的相關(guān)性問題等都極具研究?jī)r(jià)值。最后，值得一提的是本研究沒有考慮到不同游段過程中的換氣問題，但有研究顯示換氣對(duì)游泳表現(xiàn)有影響。因此對(duì)運(yùn)動(dòng)員在比賽過程中換氣時(shí)間的確定、游段中是否換氣及一側(cè)換氣還是異側(cè)換氣有待于更深一步研究。

4 結(jié)論

目前的研究主要建立在二維運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和單個(gè)SC的基礎(chǔ)上。除了這些發(fā)現(xiàn)外，所報(bào)道的數(shù)據(jù)在涉及速度波動(dòng)、最大速度及最小速度和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)關(guān)系時(shí)都不確定。而本研究運(yùn)用的三維運(yùn)動(dòng)學(xué)分析并結(jié)合人體測(cè)量方法，總結(jié)如下：

（1）最大和最小速度是反映運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的很好的指標(biāo)，它們的變化和平均速度的變化相似。然而，相對(duì)最大和最小速度值顯著相關(guān)，且與運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)沒有關(guān)聯(lián)。

（2）各個(gè)方向的速度波動(dòng)和相對(duì)速度波動(dòng)與運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)無(wú)關(guān)，且在測(cè)試中沒有明顯的改變。值得注意的是，側(cè)向和垂直方向的速度波動(dòng)比游泳方向的速度波動(dòng)要大。今后研究要進(jìn)一步尋找其中原因和影響，尤其是垂直活動(dòng)幅度較大的泳姿，如蝶泳和蛙泳，還需研究速度波動(dòng)和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)可能存在關(guān)系。

（3）可以通過進(jìn)一步詳細(xì)分析SC的不同階段，以及換氣和不換氣對(duì)SCs的速度波動(dòng)的影響，會(huì)加深我們對(duì)于運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)和速度波動(dòng)關(guān)系的理解。

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3－D Kinematic Analysis of the Speed Characteristics Freestyle Swimming Within a Shjort Cycle

HAO Fengxia1，LIU Zheng1，LIU Pingqing1，SHI Donglin2

Objective：This study aims at describing the swimmers’features and changes of a short－cycle speed fluctuation in the 200m freestyle（Vfluc），and analyzing their correlation with the swimmers’performance.Methods：11 male swimmers in active service from Hubei are selected as the research subjects.4 underwater and 2 overwater video cameras are used to synchronously record their swimming performance.The 200m freestyle swimming is divided into 4 segments（SC1，SC2，SC3，SC4）and oval region method is adopted to calculate human body data.Results：the findings indicate an overall decline in the Vmean and a positive correlation between the swimmers’Vmax／Vmin and their performance with the correlation of segment 1 much higher than the other three sections.Vmax and Vmin demonstrate significant correlation，but no correlation to the swimming performance.Conclusion：there is no correlation between the velocity fluctuation characteristics in all directions and performance with no significant changes during the whole process.

kinematics；freestyle；centroid；velocity features

G861.1 Document code：A Article ID：1001－9154（2015）03－0082－05

10.15942／j.jcsu.2015.03.16

G861.1

A

1001－9154（2015）03－0082－05

2014年國(guó)家體育總局重點(diǎn)研究領(lǐng)域項(xiàng)目（2014B036）；2013年重慶市教委人文社科一般項(xiàng)目（13SKM03）。

郝鳳霞，碩士，副教授，研究方向：運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)，E－mail：haofengxia29＠163.com。

1.重慶三峽學(xué)院，重慶404100；2.河北體育科學(xué)研究所，河北石家莊050024

1.Chongqing Three Gorges University，Chongqing 404100；2. Hebei Institute of Sport Science，Shijiazhuang Hebei 050024

2014－12－12