緩沖式跨欄架與普通跨欄架性能對(duì)比測評(píng)

王萍，王正珍，陳偉健

緩沖式跨欄架與普通跨欄架性能對(duì)比測評(píng)

王萍1，王正珍2，陳偉健1

目的:以普通L形配重跨欄架（簡稱普通跨欄架）為參照、《田徑競賽規(guī)則（2014—2015）》（簡稱《規(guī)則》）為標(biāo)尺，對(duì)滑動(dòng)緩沖式和滾動(dòng)緩沖式兩種比賽型安全跨欄架的性能進(jìn)行測評(píng)，探究提升跨欄安全、保證公平的實(shí)際效果，為推廣夯實(shí)基礎(chǔ)。方法:采用實(shí)測法，對(duì)欄架總重量、前傾角、推倒力及動(dòng)態(tài)欄高進(jìn)行采集。利用能量的轉(zhuǎn)化與守恒，通過做單擺運(yùn)動(dòng)的鏈球與欄架橫木正碰，模擬運(yùn)動(dòng)員打欄，并用高速攝像機(jī)記錄。采用訪談法，對(duì)緩沖式跨欄架的使用感受加以梳理。結(jié)果:緩沖式跨欄架總重量符合《規(guī)則》，欄架前傾角遠(yuǎn)大于普通跨欄架，能增加緩沖距離提升打欄安全。使用底座抬升裝置進(jìn)行高度補(bǔ)償，可確保動(dòng)態(tài)欄高恒定，保證競賽公平。滾動(dòng)緩沖式跨欄架的推倒力波動(dòng)范圍小，有助于減少因器材造成比賽不公。單擺模擬打欄發(fā)現(xiàn)使用滾動(dòng)緩沖式跨欄架時(shí)能量損失最小，越接近橫木中央，打欄初期沖力越小，緩沖效果越好，并得到運(yùn)動(dòng)員的印證；使用滑動(dòng)緩沖式跨欄架時(shí)打欄時(shí)間最短。結(jié)論:緩沖式跨欄架符合《規(guī)則》要求，安全和公平性能優(yōu)于普通跨欄架，尤以滾動(dòng)緩沖式跨欄架表現(xiàn)突出，值得在比賽及訓(xùn)練中推廣使用。

跨欄架；緩沖；打欄

目前比賽中廣泛使用的欄架是普通L形配重跨欄架（簡稱普通跨欄架），它具有打欄沖力大、沖量集中的特點(diǎn)，給予運(yùn)動(dòng)員做出自我保護(hù)動(dòng)作的反應(yīng)時(shí)間短，易引發(fā)“摔欄”致傷；撞欄出現(xiàn)卡頓式減速，常會(huì)打亂欄間節(jié)奏。筆者研制了以緩沖為主要特征的比賽型安全跨欄架[1-3]（以下稱緩沖式跨欄架），其設(shè)計(jì)理念為通過適度延長緩沖距離來降低打欄初始階段沖力，同時(shí)讓運(yùn)動(dòng)員獲得了較長的反應(yīng)時(shí)間，以便對(duì)身體姿態(tài)進(jìn)行控制或?qū)?dòng)作進(jìn)行調(diào)整；通過彈簧等提供的阻力及欄架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的阻力矩，使運(yùn)動(dòng)員在打欄時(shí)受到漸增的、大小介于3.6～4.0 kg的阻力來實(shí)現(xiàn)懲罰性的減速，確保符合國際田聯(lián)的相關(guān)規(guī)定；通過底座抬升裝置，在緩沖距離范圍內(nèi)，保證打欄過程中橫木頂端到地面的垂直距離不發(fā)生改變；自動(dòng)復(fù)位設(shè)計(jì)充分考慮了欄架在使用時(shí)的便捷性；滾動(dòng)緩沖式底座可有效地節(jié)約制造成本。

為實(shí)際驗(yàn)證緩沖式跨欄架的性能，本研究團(tuán)隊(duì)與體育器材生產(chǎn)企業(yè)合作，在多批次的樣品加工過程中，不斷改進(jìn)及完善設(shè)計(jì):為避免力臂的變化對(duì)門啟裝置開啟難易產(chǎn)生影響，將門啟裝置設(shè)計(jì)由推門式改為一鍵觸發(fā)式；綜合考慮各方對(duì)門啟式設(shè)計(jì)的接受度、比賽形式的延續(xù)性、比賽的精彩度及欄架的耐用性，在保障安全性得以足夠提升的前提下，決定在測試中延用連貫式橫木設(shè)計(jì)。最終將跨欄架的設(shè)計(jì)定型為滑動(dòng)緩沖式和滾動(dòng)緩沖式兩種，見圖1和圖2。

研究假設(shè)的提出:緩沖式跨欄架符合《田徑競賽規(guī)則（2014—2015）》（簡稱《規(guī)則》）[4]的要求，安全和公平性能優(yōu)于普通跨欄架。

1 研究設(shè)備與方法

1.1 研究設(shè)備

本研究應(yīng)用高速攝像平面定點(diǎn)拍攝系統(tǒng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象完成多點(diǎn)打欄試驗(yàn)，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)[5]的數(shù)據(jù)采集。具體地說，使用一臺(tái)拍攝速度1 000幀/s高速攝像機(jī)（SONY?RX100m4高速攝像機(jī)，日本索尼株式會(huì)社提供）全程記錄打欄，并運(yùn)用高速影像視頻解析系統(tǒng)（VirtualDub 1.10.4）進(jìn)行分析，找出打欄時(shí)速度、加速度及力的變化規(guī)律，從中了解運(yùn)動(dòng)員受到欄架反作用力的變化情況。

1.2 研究方法

1.2.1 研究對(duì)象以普通跨欄架（恒祥博瑞?競賽跨欄架，北京恒祥博瑞科技發(fā)展有限公司提供）、滑動(dòng)緩沖式跨欄架和滾動(dòng)緩沖式跨欄架為測試對(duì)象，以《規(guī)則》[4]為標(biāo)尺，對(duì)欄架性能進(jìn)行測試和評(píng)價(jià)。

1.2.2 研究方案基本參數(shù):采用實(shí)測法，對(duì)欄架總重量和欄架前傾角等基本參數(shù)進(jìn)行測量。欄架前傾角是指欄架因受到《規(guī)則》[4]規(guī)定范圍（3.6～4.0 kg）內(nèi)的最大推倒力而發(fā)生前傾時(shí)立柱與垂直面之間形成的夾角，具體為在矢狀面上沿水平方向緩慢牽拉橫木時(shí)，從欄架發(fā)生前傾直至翻倒，該過程中測力計(jì)測得最大力值時(shí)的欄架傾斜角度。

動(dòng)態(tài)欄高:測試用緩沖式跨欄架的高度為1.000 m，普通跨欄架的高度為0.991 m。在欄架旁放置等高線橫板作為參考物，徒手推動(dòng)欄架前擺，直至前擺緩沖過程結(jié)束，觀察前擺過程欄高的變化情況。測量范圍為從欄架立柱前擺至緩沖過程結(jié)束（欄架翻倒之前）。

推倒力:將角度尺的刻度盤固定在欄架立柱上，依次用測力計(jì)在水平方向牽拉橫木的特定位點(diǎn)（1～5號(hào)位，詳見下文；牽拉速度為2 cm/s），直至欄架向前翻倒，測量橫木水平方向受到的最大拉力及對(duì)應(yīng)角度。

模擬打欄:利用單擺運(yùn)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化與守恒，模擬運(yùn)動(dòng)員打欄。在單杠上安裝一金屬鉤用于懸掛鏈球，單杠下方放置一欄架（鏈球質(zhì)量4 kg，鏈長1.145 m，直徑0.104 m），將鏈球提升到與擺繩最高點(diǎn)水平位置（此時(shí)鏈球動(dòng)能為零，勢能達(dá)最大值），松手使其自由下擺（鏈球勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能），并與橫木特定位點(diǎn)在水平方向發(fā)生正碰（此時(shí)鏈球動(dòng)能達(dá)最大值，勢能為零），碰撞全程用高速攝像機(jī)進(jìn)行記錄（將攝像機(jī)架于欄架左側(cè)，并與橫木垂直，其主光軸與橫木中點(diǎn)等高，攝像機(jī)鏡頭與撞擊點(diǎn)的距離為6 m[6]）（見圖3）。分析鏈球運(yùn)行過程中速度、加速度的變化，找出打欄的力學(xué)規(guī)律。

使用感受:采用訪談法，了解運(yùn)動(dòng)員、教練員、生物力學(xué)專家及合作企業(yè)等使用緩沖式跨欄架和普通跨欄架的個(gè)人體驗(yàn)和主觀感受。運(yùn)動(dòng)員打欄過程見圖4。

圖3 單擺模擬打欄示意圖Figure 3Simulation Beating Hurdles with Pendulum

圖4 打欄過程圖Figure 4Process of Beating Hurdle

1.3 樣本量的估計(jì)

方法:求效果量（effect size，ES），再根據(jù)想要的power查對(duì)應(yīng)的Sample size。

具體操作過程:根據(jù)單擺模擬打欄預(yù)實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，計(jì)算均值和標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)而算出效果量。由于具有均值大、標(biāo)準(zhǔn)差小的特點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果中最小的ES值為1.502 601 91，這表明本研究的測量數(shù)據(jù)具有較好穩(wěn)定性，片面追求高測量次數(shù)、反復(fù)進(jìn)行重復(fù)測試意義不大，因此，本研究中測量次數(shù)一般為4次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所得數(shù)據(jù)經(jīng)IBM SPSS Statistics 22進(jìn)行處理，采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)分析，顯著性水平取P＜0.05，非常顯著性水平取P＜0.01。

2 結(jié)果

2.1 基本參數(shù)

兩種緩沖式跨欄架的總重量均符合《規(guī)則》[4]“欄架總重量不得少于10 kg”的規(guī)定。滾動(dòng)緩沖式跨欄架的總重量12.65 kg與普通跨欄架12.80 kg很接近；滑動(dòng)緩沖式跨欄架為20.20 kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前兩種欄架（見表1）。

表1 欄架基本參數(shù)Table 1Hurdle’s Essential Parameters

緩沖式跨欄架的欄架前傾角明顯大于普通跨欄架，由此產(chǎn)生緩沖距離的差異:普通跨欄架的欄高為0.991 m，緩沖距離為2.59 cm；如欄高為1.000 m時(shí)，緩沖距離則為2.62 cm。兩種緩沖式跨欄架的欄架前傾角分別是普通跨欄架的13.67倍和14.33倍，滑動(dòng)緩沖式跨欄架的緩沖距離為35.02 cm；滾動(dòng)緩沖式跨欄架的緩沖距離為36.65 cm。

2.2 動(dòng)態(tài)欄高

欄架發(fā)生前傾時(shí)，隨著傾斜程度的增加，普通跨欄架的欄高會(huì)逐步降低。本研究團(tuán)隊(duì)提出“基于維持?jǐn)[動(dòng)物體垂直高度恒定方法”[2]，它是針對(duì)欄架的立柱繞與橫木平行的方向轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，橫木頂端到地面的垂直距離發(fā)生損失而進(jìn)行差值補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ荚诒３謾诟吆愣╗1]。當(dāng)立桿PQ繞支點(diǎn)O轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其高度會(huì)隨著轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ的增大而規(guī)律地下降，降幅為P1A+ Q1B（見圖5）。此時(shí)給予相應(yīng)數(shù)值的墊高，就可保證增減持平，實(shí)現(xiàn)垂直高度恒定（見圖6）。為達(dá)成此目標(biāo)，本研究團(tuán)隊(duì)在緩沖式跨欄架的立柱底部添加了“高度補(bǔ)償裝置”——底座抬升弧，該裝置對(duì)欄高進(jìn)行漸進(jìn)式增高，補(bǔ)償數(shù)值與前擺時(shí)欄高降低數(shù)值相等。圖7為實(shí)物拍照，具體實(shí)施方式主要包括增加運(yùn)行順暢性的支點(diǎn)滾輪、使用鈑金車床制作的弧形滑躍曲面。

圖5 高度補(bǔ)償原理圖1Figure 5 Schematic Diagram 1 of Height Compensation

圖6 高度補(bǔ)償原理圖2Figure 6 Schematic Diagram 2 of Height Compensation

圖7 底座抬升裝置細(xì)節(jié)圖及抬升過程Figure 7Detail Drawing and Lifting Process of Lifting Device of the Base

表2結(jié)果顯示:兩種緩沖式跨欄架在前擺至5°、10°、15°以及前傾角時(shí)，高度始終是100.00 cm，未因欄架前擺而發(fā)生變化；普通跨欄架則隨著前擺角度增大欄高逐漸降低，達(dá)到前傾角1.5°時(shí)高度為98.97 cm，比初始狀態(tài)降低0.3 mm，依據(jù)《規(guī)則》[4]:“制作欄架時(shí)，欄架高度的允許誤差為±3 mm”，視為在《規(guī)則》[4]可接受范圍內(nèi)。綜上所述，測試結(jié)果為緩沖式跨欄架能夠在欄架前傾角范圍內(nèi)保持欄高恒定，而普通跨欄架在前傾角時(shí)欄高略有降低。

表2 欄架前擺過程動(dòng)態(tài)欄高的測試結(jié)果Table 2Test Results of Dynamic Height of Hurdle before Swing Process

2.3 推倒力

對(duì)欄架承受的推倒力數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，再將兩種緩沖式跨欄架的推倒力與普通跨欄架的推倒力進(jìn)行比較，分別求出P值，得到表3。由表3可知，三種欄架1～5號(hào)位承受的推倒力均在3.6～4.0 kg這一范圍內(nèi)，符合《規(guī)則》[4]關(guān)于“欄架需承受3.6 kg最多不超過4 kg的撞擊力方可被推倒”的規(guī)定。滑動(dòng)緩沖式跨欄架的推倒力和普通跨欄架的推倒力無顯著性差異；滾動(dòng)緩沖式跨欄架的推倒力和普通跨欄架的推倒力有顯著性差異。

2.4 高速攝像機(jī)平面定點(diǎn)拍攝單擺模擬打欄

2.4.1 單擺打欄后鏈球蕩起的高度鏈球最大偏離角是指鏈球做單擺運(yùn)動(dòng)過程中擺至最高點(diǎn)時(shí)，鏈球與懸點(diǎn)的連線和過懸點(diǎn)鉛垂線所成的角。進(jìn)行圖像解析時(shí)，高度以攝像畫面背景的標(biāo)尺為參照坐標(biāo)系進(jìn)行賦值，單位為參照系方格，規(guī)定:高度在原點(diǎn)上方為正值，反之為負(fù)值。

由視頻解析的數(shù)據(jù)得到表4，再進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)。欄架兩兩比較，彼此間都有顯著性差異，其中滑動(dòng)緩沖式跨欄架與滾動(dòng)緩沖式跨欄架比較，得到的1～5號(hào)位P值分別為0.000、0.011、0.004、0.008和0.000。這意味著單擺打欄后鏈球蕩起高度的結(jié)果是滾動(dòng)緩沖式跨欄架＞滑動(dòng)緩沖式跨欄架＞普通跨欄架，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。高速攝像機(jī)平面定點(diǎn)拍攝捕捉到的碰撞后鏈球最大偏離角為滾動(dòng)緩沖式跨欄架41.52°、滑動(dòng)緩沖式跨欄架38.42°和普通跨欄架21.88°，也就是說，打欄分別造成鏈球至少74.87%、78.35%和92.79%的能量損失。

表3 欄架推倒力的分析表（單位：kg）Table 3Analysis on the Down Force Hurdle（Unit：kg）

表4 單擺打欄后鏈球蕩起的高度分析表（X±SD單位：參照系方格）Table 4Analysis on Height after Beating Hurdle with Pendulum Hammer（X±SDUnit：Reference Grid）

2.4.2 打欄接觸時(shí)間由視頻解析的數(shù)據(jù)得到打欄接觸時(shí)間表，再進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，結(jié)果為，欄架進(jìn)行兩兩比較，打欄接觸時(shí)間除滾動(dòng)緩沖式跨欄架與普通跨欄架在2號(hào)位無顯著性差異（P=0.301）外，其余部位均存在顯著性差異。表明:滑動(dòng)緩沖式跨欄架的打欄接觸時(shí)間最短；當(dāng)將打欄接觸時(shí)間表中三種欄架在1～5號(hào)位的數(shù)據(jù)繪制成曲線圖（見圖8），可見，緩沖式跨欄架的打欄接觸時(shí)間曲線呈倒U形，而普通跨欄架呈W形。

圖8 打欄接觸時(shí)間曲線圖Figure 8 Contact Time during Beating Hurdle

2.4.3 鏈球單擺撞擊欄架時(shí)間-速度變化圖9、圖10和圖11顯示:打欄后鏈球速度均會(huì)下降；其中，與普通跨欄架碰撞，鏈球的速度降低最快，其次是與滑動(dòng)緩沖式跨欄架碰撞；速度降幅分別為普通跨欄架51.94%、滾動(dòng)緩沖式跨欄架31.62%、滑動(dòng)緩沖式跨欄架28.62%（1號(hào)位）；普通跨欄架51.22%、滾動(dòng)緩沖式跨欄架30.15%、滑動(dòng)緩沖式跨欄架29.05%，兩種緩沖式跨欄架曲線趨于重合（2號(hào)位）；普通跨欄架60.17%、滾動(dòng)緩沖式跨欄架23.69%、滑動(dòng)緩沖式跨欄架20.22%（3號(hào)位）。由于欄架2號(hào)位與4號(hào)位、3號(hào)位與5號(hào)位分別成鏡像關(guān)系，故4號(hào)位與5號(hào)位速度隨時(shí)間變化的情況不在此贅述。由上可知:與緩沖式跨欄架碰撞，鏈球的速度下降慢；與普通跨欄架碰撞，鏈球的速度下降快。

圖10 2號(hào)位時(shí)間—速度圖Figure 10Time-Velocity at No.2 Position

圖11 3號(hào)位時(shí)間—速度圖Figure 11Time-Velocity at No.3 Position

2.4.4 鏈球單擺撞擊欄架加速度變化打欄時(shí)欄架對(duì)鏈球的反作用力作用于鏈球，產(chǎn)生加速度，F(xiàn)=ma，加速度的大小與打欄沖力成正比。加速度是速度的一階導(dǎo)，由時(shí)間—加速度圖（即速度一階導(dǎo)曲線，見圖12、圖13和圖14）知，1號(hào)位在打欄初期普通跨欄架和滑動(dòng)緩沖式跨欄架產(chǎn)生的沖力分別是滾動(dòng)緩沖式跨欄架的29.44倍、20.80倍；2號(hào)位在打欄初期普通跨欄架和滑動(dòng)緩沖式跨欄架產(chǎn)生的沖力分別是滾動(dòng)緩沖式跨欄架的1.72倍、1.37倍；3號(hào)位在打欄初期普通跨欄架和滑動(dòng)緩沖式跨欄架產(chǎn)生的沖力分別是滾動(dòng)緩沖式跨欄架的1.28倍、0.97倍。由于欄架2號(hào)位與4號(hào)位、3號(hào)位與5號(hào)位分別成鏡像關(guān)系，故4號(hào)位與5號(hào)位加速度隨時(shí)間變化的情況不在此贅述。由上可知:打欄位置接近橫木中央時(shí)，使用滾動(dòng)緩沖式跨欄架，產(chǎn)生的緩沖效果較好。

2.5 使用感受

2.5.1 運(yùn)動(dòng)員使用緩沖式跨欄架，擦欄時(shí)受到的沖擊力小，尤其是滾動(dòng)緩沖式跨欄架，越靠近橫木中央，撞欄時(shí)與欄架的沖擊感越輕，中間位置比兩邊感覺更好，因此，敢于放手攻欄，有利于全身心投入，發(fā)揮出最好水平；運(yùn)動(dòng)員為降低過欄時(shí)身體重心，往往緊貼近橫木過欄，所以，在過欄時(shí)經(jīng)常存在敲欄現(xiàn)象，欄架的改進(jìn)必須考慮到這一點(diǎn)。

圖12 1號(hào)位時(shí)間—加速度圖Figure 12Time-Acceleration at No.1 Position

圖13 2號(hào)位時(shí)間—加速度圖Figure 13Time-Acceleration at No.2 Position

圖14 3號(hào)位時(shí)間—加速度圖Figure 14Time-Acceleration at No.3 Position

立柱的顏色為冷色調(diào)（藍(lán)色、綠色），在視覺上有收縮的效果，相比起暖色調(diào)（紅色、橙色、黃色）對(duì)跨欄者產(chǎn)生的心理壓力較?。涣⒅蜋M木的設(shè)計(jì)比例也對(duì)過欄心理有影響:纖細(xì)立柱的欄架設(shè)計(jì)視覺上更加顯高，對(duì)運(yùn)動(dòng)員造成的心理壓力更大。

2.5.2 教練員比賽欄架的設(shè)計(jì)必須保證對(duì)參賽者公平，設(shè)計(jì)上不能允許讓運(yùn)動(dòng)員違規(guī)獲益，滑動(dòng)緩沖式跨欄架的L形設(shè)計(jì)相比滾動(dòng)緩沖式跨欄架的倒T形設(shè)計(jì)，更容易讓人接受。緩沖式跨欄架在理論上可行，但是必須經(jīng)過長時(shí)間的實(shí)踐驗(yàn)證，建議制作一批緩沖式跨欄架在一定范圍內(nèi)（如:先在體育院校的田徑課中使用，繼而給校內(nèi)高水平運(yùn)動(dòng)員使用）通過對(duì)照實(shí)驗(yàn)三個(gè)月或更長時(shí)間，觀察使用效果，并對(duì)實(shí)踐中對(duì)可能存在的問題加以解決，逐步完善設(shè)計(jì)，待技術(shù)成熟后便可逐漸地大范圍推廣。對(duì)于緩沖式跨欄架，連續(xù)性橫木設(shè)計(jì)不改變比賽的形式，相比開門式設(shè)計(jì)，讓人易于接受。在開門式設(shè)計(jì)未成熟之前，為穩(wěn)妥起見，建議繼續(xù)使用連續(xù)性橫木設(shè)計(jì)。

欄架的自動(dòng)復(fù)位技術(shù)提升了使用的便捷性，降低了場地人員的工作量。建議向欄架的自動(dòng)化、智能化方向改進(jìn)，進(jìn)一步為工作人員減負(fù)。

2.5.3 合作企業(yè)等從碰撞的材料力學(xué)角度來說，建議降低欄架立柱和橫木的重量，使用更輕巧的材料；建議橫木的材料使用更柔軟的吸能材料來保護(hù)運(yùn)動(dòng)員的安全。

3 討論

3.1 基本參數(shù)

由表1可知，在欄架總重量上，滑動(dòng)緩沖式跨欄架大于普通跨欄架和滾動(dòng)緩沖式跨欄架。眾所周知，質(zhì)量越大，慣性就越大，盡管緩沖式跨欄架主要是依靠彈簧施加的彈性阻力起緩沖作用，欄架結(jié)構(gòu)和重量的作用次之，緩沖式跨欄架具有推倒力不完全受欄架重量影響的特點(diǎn)。但是，欄架總重量減輕依然會(huì)導(dǎo)致慣性減小，撞擊欄架沖量也隨之變小。因此，在推倒力不變的前提下，未來可通過降低滑動(dòng)緩沖式跨欄架重量來達(dá)到降低慣性、提升安全性的目的。

緩沖式跨欄架和普通跨欄架結(jié)構(gòu)上的不同，決定了欄架前傾角的差異。欄架前傾角是水平方向?qū)诩苁┘油屏σ允箼诩芮皟A倒下過程中測力計(jì)讀數(shù)達(dá)到《規(guī)則》[4]規(guī)定范圍（3.6～4.0 kg）內(nèi)的最大推倒力時(shí)欄架立柱向前傾斜的角度?；诒荣惞娇紤]，欄架受到推力作用向前運(yùn)動(dòng)開始至推力增大到最大推倒力之前欄高不能降低，從而杜絕打欄運(yùn)動(dòng)員違規(guī)獲益。普通跨欄架依靠自身的慣性阻力實(shí)現(xiàn)撞欄物體在碰撞中減速，沒有設(shè)計(jì)額外的緩沖裝置，欄架前傾角小，緩沖距離短。而緩沖式跨欄架工作原理是以漸增的方式給予撞欄物體一定阻力，欄架前傾角大，緩沖距離長，是普通欄架的13.8倍，使得在實(shí)現(xiàn)逐步緩沖沖力的同時(shí)，也給予運(yùn)動(dòng)員相對(duì)充裕的空間和時(shí)間來調(diào)整姿勢，避免身體失衡摔倒，從而提升比賽的安全性。

3.2 動(dòng)態(tài)欄高

基于“維持?jǐn)[動(dòng)物體垂直高度恒定方法”[2]和“高度補(bǔ)償”[1]工作原理研制的緩沖式跨欄架，人工徒手推動(dòng)橫木致欄架前擺直至欄架翻倒前的過程中，橫木頂端與地面之間的豎直距離，經(jīng)測試證實(shí)始終未發(fā)生改變（見表2），考慮為底座抬升裝置有效地給予高度補(bǔ)償所致。

在前傾角范圍內(nèi)緩沖式跨欄架欄高恒定，使得運(yùn)動(dòng)員打欄必須受到彈簧拉力的緩沖減速作用，且在緩沖結(jié)束前不能以低于欄架標(biāo)準(zhǔn)高度過欄，防止發(fā)生故意踹欄過欄和故意蹭欄板過欄的違規(guī)獲益行為，因此，在《規(guī)則》[4]允許范圍內(nèi)，提升安全性的同時(shí)保證比賽公平性。

兩種緩沖式跨欄架的緩沖距離分別為35.02 cm和36.65 cm，此距離既小于具有平跑速度的跨欄步中擺動(dòng)腿開始擺動(dòng)攻欄至擺動(dòng)腿前伸結(jié)束下壓扒地動(dòng)作之前的距離（約等于自身小腿長度），也小于起跨腿的大小腿開始折疊提拉過欄至小腿提拉結(jié)束后向身體前夾擺前送之前的距離（約等于自身小腿長度），所以緩沖不會(huì)改變比賽形式，仍在《規(guī)則》[4]允許范圍內(nèi)。當(dāng)前的重心起伏低，速度快，跨欄步起跨點(diǎn)和著地點(diǎn)距離遠(yuǎn)的過欄技術(shù)，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)員騰空過欄軌跡曲線平順弧度小，并與欄架前擺緩沖軌跡行程接近重合，這樣欄架就能有效緩沖打欄沖力而不會(huì)使得運(yùn)動(dòng)員難以過欄。

動(dòng)態(tài)欄高的100%指的是在前傾角范圍內(nèi)欄高不降低，換而言之，只是在緩沖距離之內(nèi)欄高不發(fā)生變化，一旦超出該距離范圍欄高就會(huì)降低，甚至使欄架翻倒，因此不會(huì)妨礙運(yùn)動(dòng)員過欄。

3.3 推倒力

由表3可知，滾動(dòng)緩沖式跨欄架的推倒力大于滑動(dòng)緩沖式跨欄架和普通跨欄架的推倒力，雖然因?yàn)槿N欄架推倒力都在《規(guī)則》[4]允許范圍內(nèi)，就目前看來，沒有確切的意義。但是，滾動(dòng)緩沖式跨欄架的推倒力比另外兩種欄架的推倒力變化范圍狹窄，這表明滾動(dòng)緩沖式跨欄架的推倒力更穩(wěn)定。因此，當(dāng)廣泛使用于比賽時(shí)，有助于減少因器材造成比賽不公。從長遠(yuǎn)看，因?yàn)闆Q定滾動(dòng)緩沖式跨欄架推倒力的因素主要是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而非欄架重量，所以，可以考慮以滾動(dòng)緩沖式跨欄架的設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，逐步形成新的欄架推倒力標(biāo)準(zhǔn)——固定推倒力標(biāo)準(zhǔn)，由此將引導(dǎo)跨欄架產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代。

3.4 高速攝像機(jī)平面定點(diǎn)拍攝單擺模擬打欄

3.4.1 單擺打欄后鏈球蕩起的高度用做單擺運(yùn)動(dòng)的鏈球與欄架發(fā)生正碰模擬運(yùn)動(dòng)員打欄，由表4可知，盡管使用不同欄架打欄造成鏈球能量損失有差異，但是，總的來說，打欄導(dǎo)致的能量損失均超過70%，這有效地保證了比賽的公平性。因此，在跨欄跑比賽中，運(yùn)動(dòng)員應(yīng)盡量避免打欄。探究撞擊不同欄架能量損失各異的原因，考慮與打欄時(shí)做功多少有關(guān)。確切地說，雖然三種欄架受到相同或相近的推倒力才會(huì)向前翻到，但打欄時(shí)，鏈球需帶動(dòng)整個(gè)普通跨欄架做功，而與緩沖式跨欄架碰撞需克服的是阻力彈簧的彈性阻力以及欄架立柱和橫木的重力做功。所以，使用緩沖式跨欄架時(shí)打欄造成的能量損失相對(duì)少于普通跨欄架。這也就意味著速度、質(zhì)量相同的個(gè)體使用不同種類欄架發(fā)生打欄，能量損失量不同。因運(yùn)動(dòng)員技術(shù)發(fā)揮的程度不同，打欄可能發(fā)生，相互比較而言，鏈球與緩沖式跨欄架碰撞能量損失比鏈球與普通跨欄架碰撞少12%～14%，如果比賽中欄架均采用緩沖式跨欄架而不是普通跨欄架，那么，如果萬一發(fā)生打欄，運(yùn)動(dòng)員也能在《規(guī)則》[4]允許范圍內(nèi)節(jié)省能量。盡管如此，還是應(yīng)該盡量避免發(fā)生打欄，這樣才能使運(yùn)動(dòng)速度免于打欄造成的損耗。

3.4.2 打欄接觸時(shí)間滾動(dòng)緩沖式跨欄架打欄接觸時(shí)間長的原因:滾動(dòng)摩擦力小于滑動(dòng)摩擦力，由于摩擦力的影響，滾動(dòng)緩沖式跨欄架和滑動(dòng)緩沖式跨欄架的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性不同；滾動(dòng)緩沖式跨欄架轉(zhuǎn)動(dòng)慣性較小，鏈球的動(dòng)能損失較少，轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)緩沖式跨欄架的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能較少，并且轉(zhuǎn)動(dòng)的速度容易提高，容易形成對(duì)鏈球的伴隨，鏈球的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為欄架的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，所以使用滾動(dòng)緩沖式跨欄架時(shí)打欄接觸時(shí)間要比使用滑動(dòng)緩沖式跨欄架長。

緩沖式跨欄架的打欄接觸時(shí)間曲線呈倒U形，而普通跨欄架呈W形的原因:在偏離欄架橫木中央（1號(hào)位），鏈球與欄架在3、5號(hào)位發(fā)生碰撞時(shí)，普通跨欄架除了可能發(fā)生向前的翻到外，還會(huì)發(fā)生以欄架中心為縱軸的前后偏移。因此，導(dǎo)致打欄接觸時(shí)間大幅增加；而滑動(dòng)緩沖式跨欄架和滾動(dòng)緩沖式跨欄架由于設(shè)置了滑動(dòng)和滾動(dòng)的裝置，欄架本身會(huì)以摩擦點(diǎn)或滾動(dòng)點(diǎn)至最高點(diǎn)的中心為軸的前傾（轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小于欄架與地面接觸點(diǎn)至最高點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩），前傾較普通跨欄架容易發(fā)生，故反作用力小于普通跨欄架，打欄接觸時(shí)間短。在物理學(xué)的機(jī)械模擬實(shí)驗(yàn)過程中，可能存在的誤差，對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生了微弱的影響。

3.4.3 鏈球單擺撞擊欄架時(shí)間—速度變化普通跨欄架減速快是因?yàn)闄诩軟]有設(shè)計(jì)專門的緩沖裝置，所以一旦打欄，則為“硬碰硬”過程，鏈球速度下降快。緩沖式跨欄架的緩沖過程則主要通過橫木將來自于鏈球的動(dòng)能傳遞給阻力彈簧轉(zhuǎn)化成彈性勢能。緩沖式跨欄架減速慢是因?yàn)橐婚_始緩沖式跨欄架并未像普通跨欄架一樣受到欄架配重及配重矩的影響，僅受到阻力彈簧漸增式的彈性阻力以及欄架立柱和橫木的重力作用，因此，鏈球速度損失慢。

3.4.4 鏈球單擺撞擊欄架加速度變化鏈球撞擊普通跨欄架產(chǎn)生的加速度大于撞擊緩沖式跨欄架產(chǎn)生的加速度，因?yàn)槠胀鐧诩艿臋诩苤亓?、配重重量和力矩的結(jié)構(gòu)決定了其打欄初始沖力大，所以初始階段鏈球的加速度非常大，撞擊后鏈球速度下降快；緩沖式跨欄架采用的是緩沖打欄作用方式，沖力設(shè)置由小到大逐漸遞增，故初始階段鏈球的加速度比使用普通跨欄架的小。

鏈球撞擊滑動(dòng)緩沖式跨欄架產(chǎn)生的加速度在初始階段大于撞擊滾動(dòng)緩沖式跨欄架產(chǎn)生的加速度，原因有二:立柱和橫木的重量，滑動(dòng)緩沖式跨欄架大于滾動(dòng)緩沖式跨欄架；滾動(dòng)摩擦力小于滑動(dòng)摩擦力，滾動(dòng)緩沖式跨欄架的機(jī)械順暢性好。

鏈球撞擊滾動(dòng)緩沖式跨欄架，在打欄初始階段，打欄位置越接近橫木中央，鏈球的加速度越小，是因?yàn)榻醒胩帣M木彈性更好，能起到增強(qiáng)緩沖效果的作用。

使用滾動(dòng)緩沖式跨欄架打欄沖力最小的原因:鏈球與滾動(dòng)緩沖式跨欄架碰撞損失能量后，滾動(dòng)緩沖式跨欄架伴隨鏈球的時(shí)間長，根據(jù)動(dòng)量守恒定律（當(dāng)沒有外力作用時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部不同物體間動(dòng)量相互交換，但總動(dòng)量之和為固定值）和沖量-動(dòng)量定律（Ft=mv），鏈球動(dòng)能損失，速度下降；作用時(shí)間長，沖力小，所以使用滾動(dòng)緩沖式跨欄架時(shí)打欄沖力最小。

3.5 使用感受

3.5.1 運(yùn)動(dòng)員緩沖式跨欄架將阻力設(shè)置方式由傳統(tǒng)的初始階段沖力大、卡頓感強(qiáng)的設(shè)計(jì)，改為沖力漸增式設(shè)計(jì)，起到了降低打欄沖力的作用，打欄位置越接近橫木中央，降低打欄初期沖力作用越顯著，這讓撞欄變得不再慘烈，有利于減輕運(yùn)動(dòng)員過欄心理壓力，發(fā)揮出最好的競技水平，從而利于成績的提升。根據(jù)本研究結(jié)果，進(jìn)一步降低橫木和立柱的重量將獲得更好的緩沖效果，同時(shí)還可以有效避免起跨腿敲欄致傷問題。緩沖式跨欄架提供的緩沖距離因能給予運(yùn)動(dòng)員相對(duì)多的調(diào)整姿勢的空間和時(shí)間而提升了欄架的安全性，但是該距離應(yīng)嚴(yán)格控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。本研究將欄架前傾角度設(shè)置在21°左右，相當(dāng)于一個(gè)跨欄步長度的1/8-1/10，因此不會(huì)影響比賽形式。

欄架的顏色和外觀，一方面以國際田聯(lián)對(duì)欄架顏色的要求為準(zhǔn)，另一方面遵從色彩對(duì)運(yùn)動(dòng)員的心理影響規(guī)律[7]，采用中性色調(diào)或冷色調(diào)的顏色；外觀上，讓立柱與橫木連接較靠近橫木兩端，這除了能防止和減少運(yùn)動(dòng)員踢到立柱外，其橫向放置的長方形外觀，還可以使欄高在視覺效果上顯得較低矮。同時(shí)立柱采用直徑40 mm的粗管，在比例上進(jìn)一步降低了視覺欄高。3.5.2教練員緩沖式跨欄架是通過彈簧提供的彈性阻力，使打欄運(yùn)動(dòng)員緩沖減速，從而避免因打欄而違規(guī)獲益。針對(duì)可能存在的前擺緩沖過程欄架高度降低問題，加裝具有高度補(bǔ)償效果的底座抬升裝置，避免了刮蹭過欄而產(chǎn)生的違規(guī)獲益現(xiàn)象。緩沖式跨欄架的安全性高，源于欄架設(shè)計(jì)是采用漸增式的彈性阻力，而非欄架加配重的慣性阻力，它能給予打欄運(yùn)動(dòng)員做出自我保護(hù)反應(yīng)的空間和時(shí)間。當(dāng)受到一定力值的推倒力作用時(shí)，緩沖式跨欄架（包括L形和倒T形）也會(huì)向前翻倒。

現(xiàn)階段主要基于安全和公平考慮，對(duì)欄架進(jìn)行參數(shù)測試和物理學(xué)模擬，下一階段將是實(shí)踐應(yīng)用研究，包括在田徑教學(xué)中使用、高水平運(yùn)動(dòng)隊(duì)訓(xùn)練中使用及耐用性試驗(yàn)研究等，不斷完善設(shè)計(jì)，為逐步大范圍推廣積累經(jīng)驗(yàn)。

實(shí)際上，跨欄跑過欄是一個(gè)長約2.95～3.60 m的跨欄步，優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的起跨點(diǎn)距欄架2.00～2.20 m，著地點(diǎn)距欄架1.30～1.45 m[8]。動(dòng)作過程包括起跨攻欄、騰空過欄、下欄著地三部分，其軌跡是以起跨攻欄為起點(diǎn)，騰空過欄跨越欄架為最高點(diǎn)，下欄著地為終點(diǎn)的一條拋物線，一個(gè)跨欄步的跨度，高度約1 m（1.067 m、0.991 m、0.914 m或其他），欄架前擺緩沖的軌跡與騰空過欄軌跡接近，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員在以較快的平跑速度前提下過欄時(shí)，擺動(dòng)腿做出下壓著地動(dòng)作之前也能跨越較長的一段距離（大于緩沖距離），并可在跨越欄架到擺動(dòng)腿做出下壓動(dòng)作前之間完成緩沖過程，然后欄架翻倒運(yùn)動(dòng)員通過，不會(huì)影響比賽形式。另外，即使擺動(dòng)腿下壓比正常情況早，擺動(dòng)腿腳掌或小腿下壓碰撞欄架，僅會(huì)出現(xiàn)欄架隨運(yùn)動(dòng)員推力順勢前擺一段距離（等于緩沖距離）后翻倒，然后運(yùn)動(dòng)員通過。

對(duì)于增加欄架使用上的便捷性，如使其自動(dòng)化和智能化[9-10]，以減輕工作人員的工作量，是未來緩沖式跨欄架改進(jìn)的方向。欄架設(shè)計(jì)方案在提出之初，就設(shè)計(jì)了自動(dòng)復(fù)位裝置，在實(shí)現(xiàn)基本目標(biāo)（用于比賽能保證器材公平性和不改變比賽形式的前提下提升欄架的安全性）的同時(shí)注意提升便捷性。未來本研究團(tuán)隊(duì)將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行若干部件的改進(jìn)，以使其更加便捷化、人性化[11]。本研究舍棄了最初的開啟式橫木設(shè)計(jì)，是基于下述考慮:①開啟式橫木設(shè)計(jì)中使用的門啟裝置，其核心部件的制造工藝要求精密度高，制作難度和成本相應(yīng)提升較高；②開啟式橫木設(shè)計(jì)耐用性遠(yuǎn)不及連續(xù)性橫木設(shè)計(jì)，后續(xù)維護(hù)費(fèi)用高；③專家意見，如改變比賽形式、對(duì)臨近賽道的影響等。

3.5.3 合作企業(yè)等緩沖式跨欄架的緩沖機(jī)制與普通跨欄架不同，主要通過橫木承接來自于鏈球的動(dòng)能，再帶動(dòng)阻力彈簧將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成彈性勢能。緩沖過程中橫木的形變吸能與彈簧的配合至關(guān)重要，橫木的材料彈性太大容易產(chǎn)生碰撞震動(dòng)，進(jìn)而使鏈球和橫木發(fā)生分離，影響緩沖效果。因此，需要通過試驗(yàn)不斷積累數(shù)據(jù)，以選擇更適合的橫木材料。

降低欄架立柱和橫木的重量除了能實(shí)現(xiàn)欄架生產(chǎn)成本的降低，更重要的是可以降低欄架重量產(chǎn)生的慣性進(jìn)而有效提升前擺緩沖的效果，使?jié)u增式阻力設(shè)計(jì)的阻力增長曲線更順暢，吸能效果與緩沖設(shè)計(jì)將配合得更好，從而提升欄架的安全性能。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

緩沖式跨欄架符合《規(guī)則》[4]的要求，且因打欄沖力降低、欄架前傾角增大和欄高恒定，安全和公平性能優(yōu)于普通跨欄架，特別是滾動(dòng)緩沖式跨欄架，具有打欄能量損失少、推倒力值變化小的特點(diǎn)，在測試中表現(xiàn)尤佳。緩沖式跨欄架值得在比賽及訓(xùn)練中推廣使用。

4.2 建議

緩沖式跨欄架的應(yīng)用對(duì)運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作可能產(chǎn)生潛在的影響，這將在后續(xù)研究中繼續(xù)深入探討，并從人機(jī)工程學(xué)的角度，將緩沖式跨欄架的力學(xué)性能與動(dòng)作技術(shù)分析結(jié)合起來進(jìn)行研究，這些是本團(tuán)隊(duì)未來的研究方向。

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Performance Comparison Evaluation between Buffer Hurdles and Ordinary Hurdles

WANG Ping1，WANG Zhengzhen2，CHEN Weijian1
（1.Dept.of PE，Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China；2.Dept.of Sport Rehabilitation，Beijing Sport University，Beijing 100084，China）

Objective:As a reference to ordinary counterweight hurdles with L shape（ordinary hurdles for short），and as a criterion to the athletic competition rules（2014-2015）（rules for short），this paper evaluated properties of safety hurdle for competition（sliding type buffer hurdles and rolling type buffer hurdles）.It probed the actual effect of security and fairness，buffer hurdles in order to apply and promote better.Methods:Using test method，we acquired total weight，anteversion angle，down force and dynamic hurdle high.Based on the law which is kinetic energy-potential energy interconversion and conservation in physics pendulum motion，by hammer beating hurdles，we simulated the process athlete beating hurdles and recorded with a high speed camera.Using interviews，we summarized using feelings.Results:The total weight of buffer hurdles is met to rules.Their anteversion were much larger than ordinary hurdles，which can increase the buffer distance，so as to enhance the safety bar fight.Use the base lifting device for height compensation，which ensures dynamic hurdle height is kept constant，so as to ensure the fairness of the competition.Rolling type buffer hurdle’down force has narrow fluctuation range，which helps to reduce the unfair competition caused by equipment.To simulate beating hurdle with the pendulum can be found:when rolling type buffer hurdles were used，the energy loss is minimal，and closer to the midpoint of the crossbar，smaller hit the hurdles in early momentum，better the cushioning effect for athlete;sliding type buffer hurdles’beating hurdles was shortest time.Conclusions:Buffer hurdles are in line with rules，in terms of safety and fairness，performance is better than ordinary hurdles，especially for rolling type buffer hurdles，and should be promoted in competitions and training.

hurdle；buffer；beating hurdle

G 818.3

A

1005-0000（2016）05-448-07

10.13297/j.cnki.issn1005-0000.2016.05.013

2016-06-10；

2016-08-15；錄用日期：2016-08-16

廣東省省級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào):2014A020220013）

王萍（1974-），女，湖南祁陽人，副教授，研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)生物力學(xué)、體育工程。

1.廣東石油化工學(xué)院體育學(xué)系，廣東茂名525000；2.北京體育大學(xué)運(yùn)動(dòng)康復(fù)系，北京100084。