單人皮艇200米劃不同階段槳和艇的運(yùn)動學(xué)分析

許貽林 曲 峰

（1.江蘇省體育科學(xué)研究所，江蘇 南京 210033；2.北京體育大學(xué)，北京100084）

單人皮艇200米是奧運(yùn)會的新興項(xiàng)目，而水上短距離項(xiàng)目一直是我國的潛優(yōu)勢項(xiàng)目，非常有望在奧運(yùn)會上取得突破。皮艇運(yùn)動是一項(xiàng)技術(shù)含量較高的項(xiàng)目，而劃槳動作是皮艇技術(shù)的重要組成部分[1—3]。因此，對劃槳節(jié)奏、槳葉運(yùn)動、艇的運(yùn)動等參數(shù)進(jìn)行評價(jià)對于指導(dǎo)皮艇200米訓(xùn)練和比賽具有重要意義。

作為新興奧運(yùn)項(xiàng)目，在2012年之前針對單人皮艇200米的生物力學(xué)研究尚不多見?，F(xiàn)有的研究主要集中在對200米全程中某一特定階段的劃槳技術(shù)進(jìn)行分析。如許耶力[4]和張本筱[5]等人利用二維運(yùn)動分析系統(tǒng)對男子單人皮艇200米劃起航階段的劃槳技術(shù)進(jìn)行了研究。另外，丁俊杰[6]等同樣利用二維運(yùn)動分析系統(tǒng)對男子單人皮艇200米劃途中劃階段一個(gè)劃槳周期內(nèi)抓水、動力和回槳階段槳葉和艇的運(yùn)動學(xué)參數(shù)進(jìn)行了更加深入的研究。這些研究對于認(rèn)識200米全程不同階段的劃槳技術(shù)生物力學(xué)原理，改進(jìn)劃槳技術(shù)和提高運(yùn)動成績發(fā)揮著重要的作用。但是，有研究發(fā)現(xiàn)在起航、途中和沖刺階段運(yùn)動員會根據(jù)自身的競技能力以及對手的表現(xiàn)情況決定劃槳頻率和節(jié)奏[7—11]。Baker通過研究發(fā)現(xiàn)在200米劃的起航階段運(yùn)動員逐步增加槳頻并在30至40米的位置實(shí)現(xiàn)最高槳頻；另外，隨著槳頻的增加艇速也隨之增加[7]。另外，Gomes[8]和潘梅兵[11]等人的研究也表明槳頻不僅對槳——力時(shí)間曲線產(chǎn)生顯著性的影響，而且對艇速也有顯著影響。基于這些研究結(jié)果，本文認(rèn)為在單人皮艇200米劃起航、途中和沖刺階段運(yùn)動員的槳頻和艇速等與劃槳技術(shù)密切相關(guān)的運(yùn)動學(xué)參數(shù)會呈現(xiàn)出一定的差異性，因而僅僅針對某單一階段下的分析不能全面地揭示該項(xiàng)目的運(yùn)動學(xué)特征。另外，尚未發(fā)現(xiàn)有針對不同比賽階段一個(gè)劃槳周期內(nèi)各個(gè)時(shí)間段劃槳技術(shù)參數(shù)的研究。本研究的目的包括兩個(gè)方面：（1）比較一個(gè)劃槳周期內(nèi)抓水、拉水和回槳三個(gè)階段槳和艇的運(yùn)動學(xué)參數(shù)變化情況；（2）比較 200米劃起航、途中和沖刺三個(gè)階段槳和艇運(yùn)動學(xué)參數(shù)的變化情況。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

以 11名高水平男子皮艇運(yùn)動員為研究對象。他們健康狀況良好，無傷病，訓(xùn)練正常。在測試正式開始前，向每名運(yùn)動員說明測試目的、流程和要求并記錄研究對象的基本情況。研究對象基本情況見表1。

表1 研究對象基本情況 (n=11）

1.2 研究方法

運(yùn)用三臺高清攝像機(jī)（SONY）分別對200米劃起航、途中和沖刺階段艇和槳葉的運(yùn)動軌跡進(jìn)行平面定點(diǎn)捕捉。至少保證每臺攝像機(jī)同時(shí)捕捉左、右兩個(gè)完整劃槳周期的動作，采集頻率為100Hz。測試步驟如下：（1）攝像機(jī)的架設(shè)與調(diào)試。根據(jù)文獻(xiàn)資料以及事先與教練員的溝通，三臺攝像機(jī)分別放置在 200米航道的 30米（起航）、130米（途中）和 190米（沖刺）處。（2）攝像機(jī)的調(diào)節(jié)。根據(jù)當(dāng)天的光線情況和拍攝距離調(diào)整攝像機(jī)的焦距和俯仰角等。在每個(gè)鏡頭里面保證能采集運(yùn)動員劃行8米左右的距離。（3）準(zhǔn)備活動。每名運(yùn)動員要至少完成30分鐘的準(zhǔn)備活動。（4）正式測試。每名運(yùn)動員按照比賽要求劃完一次200米的距離。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)處理方法

選擇每名運(yùn)動員一個(gè)完整的劃槳周期（從槳葉入水到對側(cè)槳葉入水）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。采用視訊圖像解析系統(tǒng)對拍攝的視頻進(jìn)行平面定點(diǎn)解析。選擇一個(gè)完整的艇長作為比例尺對劃槳動作的二維圖像進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定完成后進(jìn)行計(jì)算并轉(zhuǎn)換為TSV數(shù)據(jù)文件以獲取每個(gè)標(biāo)示點(diǎn)二維坐標(biāo)。采用低通濾波方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，截?cái)囝l率為10Hz。使用 Qtools軟件對原始二維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算以獲取艇速和槳距等參數(shù)，參數(shù)包括槳角、劃槳周期、劃槳節(jié)奏、槳頻、槳距、艇速和艇速差等。計(jì)算相關(guān)參數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

1.3.2 皮艇劃槳動作的階段劃分

選取一個(gè)完整的劃槳周期中四個(gè)特征時(shí)刻（槳葉入水、槳葉垂直于水面、槳葉出水時(shí)刻和對側(cè)槳葉入水）來劃分劃槳動作的階段。四個(gè)特征時(shí)刻見圖1。

三個(gè)劃槳階段定義如下：

抓水階段：從槳葉入水到槳葉垂直于水面（圖1A—B）。

拉水階段：從槳葉垂直于水面到槳葉與水分離（圖1B—C），抓水階段和拉水階段結(jié)合在一起形成拉槳階段。 回槳階段：由從槳葉出水到對側(cè)槳葉入水（圖1C—D）。

圖1 一個(gè)周期劃槳中動作特征時(shí)刻示意圖

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS18.0統(tǒng)計(jì)軟件對200米劃起航、途中和沖刺階段以及一個(gè)劃槳周期內(nèi)抓水、拉水和回槳階段槳葉和艇的運(yùn)動學(xué)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。統(tǒng)計(jì)方法包括單因素方差分析和皮爾遜相關(guān)分析，顯著性水平定義為α=0.05。

2 研究結(jié)果

2.1 槳角參數(shù)

在200米劃起航、途中和沖刺階段，槳葉的入水角度和出水角度均無顯著性差異（p＞0.05）（圖2）。

2.2 劃槳節(jié)奏參數(shù)

200米劃起航階段的槳頻顯著高于其它兩個(gè)階段的槳頻（p＜0.05），而途中與沖刺階段的槳頻之間沒有明顯的差異性（p＞0.05）。三個(gè)階段在抓水時(shí)間百分比、拉水時(shí)間百分比、拉槳時(shí)間百分比以及回槳時(shí)間百分比方面均不存在顯著性差異（p＞0.05）（表2）。

圖2 不同階段槳葉入水和出水角度比較示意圖

表2 不同階段劃槳節(jié)奏參數(shù)比較 (±S）

表2 不同階段劃槳節(jié)奏參數(shù)比較 (±S）

注： *表示與起航階段相比存在顯著性差異（p＜0.05）。

參數(shù) 起航 途中 沖刺槳頻（st/min） 158.19 ± 7.46 132.00±3.75* 131.83±5.53*抓水時(shí)間（%） 30.02 ± 3.32 28.79±3.69 27.23±1.92拉水時(shí)間（%） 38.29 ± 2.44 39.46±3.06 39.69±3.34拉槳時(shí)間（%） 68.31 ± 4.40 68.25±0. 75 66.92±1.89回槳時(shí)間（%） 31.69 ± 4.40 31.75 ±0.75 33.08±1.89

2.3 艇速參數(shù)

拉水、抓水和回槳階段之間的平均艇速參數(shù)均存在明顯的差異（p＜0.05）（圖3）。起航、途中和沖刺三個(gè)階段的平均艇速和最大艇速參數(shù)之間均存在顯著性差異（p＜0.05），起航階段的艇速差明顯大于沖刺階段的艇速差（p＜0.05）（表3）。此外，槳頻和平均艇速之間存在顯著性正相關(guān)關(guān)系（r=0.531,p＜0.05）。

圖3 艇速參數(shù)比較示意圖

表3 不同階段艇速參數(shù)比較

2.4 槳距參數(shù)

拉水階段的槳距參數(shù)顯著大于抓水和回槳階段的槳距（p＜0.05）。200米劃三個(gè)階段的槳距參數(shù)之間沒有明顯的差異（p＞0.05），槳頻和槳距之間存在顯著性負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=—0.62,p＜0.05) （圖 4）。

圖4 槳距參數(shù)比較示意圖

3 分析與討論

3.1 槳角參數(shù)特征

本文的槳角參數(shù)與Baker[12]和安迪·托諾[13]等人的研究結(jié)果基本一致而且在200米劃的不同階段槳角參數(shù)變化不明顯。由此可以推斷皮艇運(yùn)動員的槳角是一個(gè)比較穩(wěn)定的參數(shù)，其不隨運(yùn)動水平和比賽階段的變化而改變。這也在一定程度上說明了本文研究對象的技術(shù)動作較為穩(wěn)定。

3.2 劃槳節(jié)奏參數(shù)特征

本文報(bào)道的劃槳節(jié)奏參數(shù)與 Plagenhoef等人的研究結(jié)果相一致[14]。Plagenhoef認(rèn)為合理的拉槳時(shí)間應(yīng)該占整個(gè)劃槳動作周期的 69%[14]。但是，Mann[2]、Selina[15]、Hay[16]和Sperlich[17]等人的研究結(jié)果與本文的結(jié)果不完全一致。本文認(rèn)為這可能是由于不同的研究所采用的槳葉形狀不同以及運(yùn)動員的競技水平差異所導(dǎo)致。這一觀點(diǎn)在Selina等的研究中得到了驗(yàn)證[15]。

根據(jù)流體動力學(xué)原理，在一個(gè)劃槳周期中只有拉槳階段是動力階段，因此艇的加速只可能出現(xiàn)在拉槳階段。本文發(fā)現(xiàn)在200米劃的三個(gè)階段，隨著槳頻的下降拉槳時(shí)間百分比也隨之下降。因此，起航階段較高的拉槳時(shí)間百分比有利于彌補(bǔ)較短的劃槳周期時(shí)間。在高槳頻下拉槳時(shí)間占總時(shí)間的比例增加，這表明在高槳頻下并未犧牲拉槳時(shí)間，從而有利于艇的推進(jìn)。由此可見，艇在起航階段的推進(jìn)效果明顯優(yōu)于其它兩個(gè)階段。

3.3 艇速參數(shù)特征

本文發(fā)現(xiàn)在一個(gè)拉槳周期內(nèi)拉水階段的平均艇速參數(shù)要明顯大于其它兩個(gè)階段。這可能是由于兩個(gè)方面的原因。第一，拉水階段時(shí)間百分比高于其它兩個(gè)階段。第二，拉水時(shí)間段的槳力參數(shù)明顯高于其它階段[18]。在相對較長時(shí)間的高槳力作用下艇也會也會保持在較高的速度水平上。

本文發(fā)現(xiàn)在200米劃的三個(gè)階段平均艇速和最大艇速參數(shù)均存在明顯遞減的趨勢。這與 Baker[7]和鐘紅燕[19]等人的研究結(jié)果基本一致。引起這一變化趨勢的原因可能與研究對象的劃槳節(jié)奏相關(guān)。本文和 Kleshnev的研究均發(fā)現(xiàn)研究對象的槳頻和船速之間存在顯著性正相關(guān)關(guān)系[20]。在起航階段以較高的槳頻輸出將艇速迅速提高到最大，從而在起航階段就獲得領(lǐng)先的位置。起航階段的領(lǐng)先位置不僅對運(yùn)動員的心理產(chǎn)生良好的影響，同時(shí)還能避免其他航道的運(yùn)動員劃槳時(shí)波浪的干擾[21]。

對于皮艇這一類水上運(yùn)動項(xiàng)目，有兩個(gè)因素會影響艇的推進(jìn)效率，其中一個(gè)就是艇速的波動。由于流體阻力與艇速之間的非線性關(guān)系，艇速波動會增加其航行的阻力。艇速波動增加，艇所受到的阻力也隨之增加[22]，劃槳的推進(jìn)效率隨之下降[10]。而 Kleshnev的定量研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。發(fā)現(xiàn)艇速差每增加1%相應(yīng)地比賽時(shí)間延長0.25%[9]。因此，本文進(jìn)一步分析了艇速差參數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)從起航到途中再到?jīng)_刺，運(yùn)動員的艇速差逐漸下降。這表明在200米劃的三個(gè)階段艇速波動幅度逐步下降，從而有利于艇的向前推進(jìn)。

3.4 槳距參數(shù)特征

本文發(fā)現(xiàn)200米劃起航階段的槳距參數(shù)明顯低于其它階段。從物理學(xué)角度，槳距受槳頻和平均艇速決定。Kleshnev報(bào)道槳頻和槳距之間存在顯著性負(fù)相關(guān)關(guān)系[20]；而槳頻和艇速存在顯著性正相關(guān)關(guān)系。因此，運(yùn)動員需要通過科學(xué)的訓(xùn)練，將槳頻[23]、艇速[24]、槳距和槳力[25,26]等參數(shù)合理的結(jié)合在一起以實(shí)現(xiàn)較大的槳距。本文在槳距參數(shù)方面同Selina[15]等報(bào)道的結(jié)果存在一定的差距。本文認(rèn)為有兩個(gè)原因可以解釋這種差異。一是，不同的研究中運(yùn)動員所采用的槳頻存在差異。在 Selina的研究中運(yùn)動員的平均槳頻為122.16st/min，低于本文運(yùn)動員的槳頻，運(yùn)動員有較長的時(shí)間完成劃槳動作。這可以在一定程度上解釋前人研究報(bào)道的較高槳距。另外運(yùn)動員的競技水平差異也可能會影響槳距參數(shù)。

4 結(jié)論

無論是起航、途中還是沖刺階段，一個(gè)拉槳周期內(nèi)拉水階段的平均艇速要顯著大于抓水和回槳階段的平均艇速。較長的抓水時(shí)間和較大的槳力作用是產(chǎn)生較高的抓水階段艇速的原因。一個(gè)拉槳周期內(nèi)運(yùn)動員通過提高抓水時(shí)間和槳力作用產(chǎn)生較高的抓水階段艇速。另外，拉水階段的槳距明顯高于其它兩個(gè)階段的槳距，艇在拉水階段推進(jìn)的效果明顯高于其它兩個(gè)階段。200米劃起航階段的槳頻、平均艇速和最高艇速均顯著高于途中和沖刺階段的槳頻，槳頻和平均艇速之間成正相關(guān)關(guān)系。運(yùn)動員在起航階段以高槳頻輸出的方式將艇速提高到最大，從而獲得一定領(lǐng)先地位。而在不同階段槳距參數(shù)沒有顯著的差異，而槳頻和槳距之間存在顯著性負(fù)相關(guān)關(guān)系。運(yùn)動員在不同階段通過調(diào)整槳頻以及艇的速度來達(dá)到穩(wěn)定的劃槳距離這一目的。

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