宋兆銘 ,趙 勇 ,張 輝
(1.四川警察學(xué)院,四川 瀘州 646000 ;2.安徽省體育局,安徽 合肥 230001; 3.北京體育大學(xué)重競(jìng)技教研室,北京 100084)
運(yùn)動(dòng)技術(shù)的本質(zhì)是一個(gè)競(jìng)技項(xiàng)目在規(guī)則許可下所特有的動(dòng)作序列,精湛的技術(shù)都建立在標(biāo)準(zhǔn)和正確的“動(dòng)作”基礎(chǔ)之上[1]。但可惜的是國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練理論與方法一直以來以線性科學(xué)模型作為其理論基礎(chǔ),追求簡(jiǎn)明的因果關(guān)系。而作為動(dòng)態(tài)、多元復(fù)雜的非線性人體系統(tǒng),這種線性研究范式只適用于一定范圍內(nèi),很多情況下很難用線性這種確定性的方法來描述[2]。
當(dāng)前關(guān)于拳擊出拳速度的研究仍主要以一元線性的方法為主,其主要結(jié)論是拳擊擊打技術(shù)主要由下肢蹬伸、軀干扭轉(zhuǎn)和手臂前伸擊打三個(gè)動(dòng)作環(huán)節(jié)組成[3-6]。但不同的學(xué)者對(duì)人體不同環(huán)節(jié)對(duì)出拳力量貢獻(xiàn)率上有不同的認(rèn)識(shí)。Mack等指出上肢鞭打?qū)Τ鋈俣鹊奶岣咂鹬饕淖饔?,其中,上肢鞭打與直拳和勾拳出拳速度的相關(guān)性分別為0.391和0.380,下肢與直拳和勾拳出拳速度的相關(guān)性分別為0.103和0.099[3]。蘇彥炬等(2013)將16名拳擊運(yùn)動(dòng)員后手直拳最大出拳速度分別與前、后腳最大力量/體重,蹬地發(fā)力達(dá)到最大力量峰值的時(shí)間,快速力量指數(shù)/體重出拳速度進(jìn)行相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn)前、后腳蹬地最大力量/體重,快速力量指數(shù)/體重與出拳速度之間直線擬合度最高,均呈顯著正相關(guān),蹬地達(dá)到最大力量峰值的時(shí)間與出拳速度二次曲線模型擬合度最高,呈曲線關(guān)系(P<0.01);同時(shí),其結(jié)論認(rèn)為在后手直拳擊打的過程中,前、后腳積極蹬地發(fā)力蹬地最大力量和發(fā)力速度對(duì)出拳速度具有顯著影響[4]。
首先,值得肯定的是此研究從研究范式上采用了非線性研究,修正了過去線性研究的不足;但同時(shí)也應(yīng)看到,拳擊后手直拳的出拳過程具有復(fù)雜性,其最大出拳速度受人體各環(huán)節(jié)多因素的影響[3,5-6]。因此,從在多元復(fù)雜視角,整體、全面地評(píng)價(jià)人體各環(huán)節(jié)對(duì)拳擊后手直拳出拳最大速度的影響很有必要。
后手直拳是2013國(guó)際拳聯(lián)新規(guī)則下運(yùn)動(dòng)員在比賽中主要得分的拳法[7,12],居于運(yùn)動(dòng)員進(jìn)攻技術(shù)體系的核心地位[8]。分析后手直拳出拳過程中人體各環(huán)節(jié)與出拳速度的關(guān)系,能夠較為全面、客觀地反映人體各環(huán)節(jié)對(duì)出拳速度影響的大小,可以為教練員、運(yùn)動(dòng)員科學(xué)正確地進(jìn)行拳擊后手直拳的專項(xiàng)訓(xùn)練提供理論依據(jù)。因此,本研究運(yùn)用Motion-Anlysis紅外光點(diǎn)運(yùn)動(dòng)捕捉測(cè)試系統(tǒng)和2塊Kistler測(cè)力臺(tái),采集拳擊后手直拳出拳過程中人體各環(huán)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的相關(guān)數(shù)據(jù),并在多元復(fù)雜視角下整體評(píng)價(jià)人體各環(huán)節(jié)對(duì)拳擊后手直拳最大出拳速度的影響,確定拳擊后手直拳最大出拳速度的關(guān)鍵影響因素,為拳擊專項(xiàng)技術(shù)的訓(xùn)練提供理論建議與參考。
1.1 研究對(duì)象 依據(jù)研究對(duì)象來源的可行性,本研究共選取北京體育大學(xué)競(jìng)技體育學(xué)院拳擊專項(xiàng)班男生15人,武警體工隊(duì)15人,共30人(正架);并于2017年12月11-15日在北京體育大學(xué)科研中心一樓,采用預(yù)約方法,開展測(cè)試(表1)。
表1 研究對(duì)象基本情況一覽
1.2 研究方法
1.2.1 文獻(xiàn)資料法 以“拳擊”“后手直拳”和“最大拳速”為關(guān)鍵詞,在“中國(guó)知網(wǎng)”“百度學(xué)術(shù)”和“百鏈云”數(shù)據(jù)庫查閱相關(guān)文獻(xiàn)18篇,比較和借鑒相關(guān)研究的理論、方法、數(shù)據(jù)處理以及研究假設(shè)和構(gòu)想,為本研究相關(guān)結(jié)論的提出提供引證。
1.2.2 實(shí)驗(yàn)法
1.2.2.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)作 后手直拳(右手):在基本姿勢(shì)狀態(tài)下,右腳內(nèi)旋發(fā)力,腳后跟外翻,依次帶動(dòng)膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、前肘關(guān)節(jié),以重心投影線為中柱轉(zhuǎn)動(dòng),身體由右側(cè)轉(zhuǎn)到正對(duì)前方時(shí),右手臂順勢(shì)向前方擊打,接近目標(biāo)時(shí)右手大拇指旋內(nèi)運(yùn)動(dòng),瞬間握緊拳頭,左腳掌內(nèi)扣,身體由于左轉(zhuǎn)帶來的轉(zhuǎn)動(dòng),上體呈交叉型,擊打結(jié)束后迅速還原。
1.2.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器 Motion-Anlysis(運(yùn)動(dòng)學(xué))和Kistler測(cè)力臺(tái)(動(dòng)力學(xué)),數(shù)據(jù)采集由紅外采集軟件Cortex同時(shí)觸發(fā)采集(圖1)。
圖1 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)模
1.2.2.3 實(shí)驗(yàn)過程 a標(biāo)志點(diǎn)安置:根據(jù)Helen-Heys模型,在實(shí)驗(yàn)對(duì)象體表相應(yīng)位置貼29個(gè)反光標(biāo)志點(diǎn)(圖2)。
圖2 反光標(biāo)志點(diǎn)位置
b實(shí)驗(yàn)測(cè)試:測(cè)試時(shí),受試對(duì)象盡全力完成后手直拳3次打靶,相關(guān)實(shí)驗(yàn)人員記錄,數(shù)據(jù)分析使用最快一拳。1.2.2.4 評(píng)價(jià)參數(shù) a動(dòng)作階段劃分:見下表(表2)。
表2 后手直拳出拳過程中階段劃分的特征畫面
b運(yùn)動(dòng)學(xué):應(yīng)用Cortex分析軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,獲得*.ts和*.kin文件。具體指標(biāo)見下表(表3)。
表3 運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的定義及其計(jì)算公式
c動(dòng)力學(xué):應(yīng)用Cortex分析軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,獲得*.forces文件。同時(shí),為了消除個(gè)體重量不同所造成的影響,把蹬地最大合力和水平方向的力除以實(shí)驗(yàn)對(duì)象的體重,即:/Weight、/ Weight。具體指標(biāo)見表4。
表4 動(dòng)力學(xué)參數(shù)定義及其計(jì)算公式
圖3 后手直拳最大出拳速度關(guān)鍵影響因素分析步驟
1.2.3 數(shù)理統(tǒng)計(jì)法 采用雙變量相關(guān)(Pearson),分析因變量與各自變量以及各自變量之間的密切程度,為下一步的多元回歸分析篩選變量;采用多元逐步回歸(Stepwise),對(duì)自變量進(jìn)行篩選,確定對(duì)因變量(后手直拳最大出拳速度)的關(guān)鍵影響因素,從而建立多元回歸方程模型,具體分析步驟見圖3,分析軟件使用R軟件。
2.1 相關(guān)性分析 從后手直拳最大出拳速度與人體各環(huán)節(jié)數(shù)量關(guān)聯(lián)趨勢(shì)圖(圖4)可以首先看出,后手直拳最大出拳速度(hand_v)與后腳最大水平蹬地力(horizontal_F1)、最大肩部角速度(shoulder_ω)、最大髖角速度(waist_ω)、最大軀干轉(zhuǎn)角角速度(trunkr_ω)、最大肘關(guān)節(jié)屈伸角速度(elbow_ω)、前后方向重心變化(gravity_X)、左右方向重心變化(gravity_Y)、上下方向重心變化(gravity_Z)呈顯著性正相關(guān);其次,從圖形趨勢(shì)來看,后手直拳最大出拳速度與人體各環(huán)節(jié)部分變量間存在一定的線性相關(guān),但也與部分變量存在不成直線的非線性相關(guān),且各變量間存在密切相關(guān)。因此,應(yīng)進(jìn)行多元逐步回歸分析,分析各相關(guān)因素對(duì)后手直拳最大出拳速度影響的程度,從而確定影響后手直拳最大出拳速度的關(guān)鍵因素。
圖4 后手直拳最大出拳速度與人體各環(huán)節(jié)數(shù)量關(guān)聯(lián)趨勢(shì)
2.2 回歸模型建立 由相關(guān)性分析可知,影響最大出拳速度的因素有多個(gè),因此選取對(duì)最大出拳速度具有顯著性相關(guān)的指標(biāo)進(jìn)行回歸建模,采用逐步多元回歸分析的方法解決多重共線性問題,將變量一次性引進(jìn),并逐步檢驗(yàn),剔除失去統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的變量[9]。建立最大出拳速度的多元線性回歸、多元二次回歸及多元三次回歸,其回歸分析結(jié)果見表5。
表5中,多元線性回歸的擬合優(yōu)度調(diào)整R2最接近于1,回歸擬合程度最高[9]。這表明,后手直拳最大出拳速度(hand_v)關(guān)鍵影響因素有:前后方向重心變化(gravity_X)、最大肘關(guān)節(jié)屈伸角速度(elbow_ω)、最大軀干轉(zhuǎn)角角速度(trunkr_ω),且后手直拳最大出拳速度各解釋變量呈線性關(guān)系(圖5)。
表5 后手直拳最大出拳速度的多元線性回歸、多元二次回歸及多元三次回歸分析結(jié)果一覽
圖5 后手直拳最大出拳速度多元線性回歸成分殘差
2.3 回歸模型診斷 數(shù)據(jù)的無規(guī)律性或者錯(cuò)誤設(shè)定了預(yù)測(cè)變量與響應(yīng)變量的關(guān)系,都將會(huì)使模型產(chǎn)生巨大的偏差,導(dǎo)致模型實(shí)際預(yù)測(cè)效果差[9]。表6中,經(jīng)擬合優(yōu)度的檢驗(yàn)可以看出,自變量解釋因變量變異程度的調(diào)整為R2=0.7747,表明方程擬合度較好,具有一定應(yīng)用價(jià)值;經(jīng)對(duì)回歸模型的假設(shè)檢驗(yàn)可以看出,F(xiàn)=34.25,P<0.000,說明至少一個(gè)自變量的回歸系數(shù)不為0,回歸模型有意義;經(jīng)對(duì)回歸方程的進(jìn)一步檢驗(yàn)可以看出:通過Durbin-Watson檢驗(yàn)可以看出,D.W=1.610,在1<D.W<4限定范圍內(nèi),殘差獨(dú)立,因此序列不存在一階自相關(guān)性。
圖6表明,正態(tài)Q-Q圖上的點(diǎn)基本落在45度角的直線上,這表明隨機(jī)誤差項(xiàng)服從正態(tài)分布;Residuals vs Fitted(殘差圖與擬合圖)可以看出殘差值與預(yù)測(cè)值沒有系統(tǒng)關(guān)聯(lián),模型包含數(shù)據(jù)中所有系統(tǒng)方差,即:因變量與自變量呈直線相關(guān)關(guān)系;Scale-Location(位置尺度)圖顯示水平線周圍的點(diǎn)分布形狀呈隨機(jī)分布,這表明滿足方差齊性假設(shè);Residuals vs Leverage(殘差與杠桿)圖顯示觀測(cè)點(diǎn)18離直線較遠(yuǎn),靠近置信區(qū)間邊緣,且殘差值(真實(shí)值-預(yù)測(cè)值)較大,這表明觀測(cè)點(diǎn)18可能是離群點(diǎn),且可能導(dǎo)致發(fā)模型預(yù)測(cè)效果不佳,應(yīng)進(jìn)一步對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行判定。
采用R語言car包outlierTest()函數(shù),并依據(jù)觀測(cè)點(diǎn)18最大殘差值的顯著性來判斷是否是離群點(diǎn),若顯著則刪除該點(diǎn)。
圖6 后手直拳最大出拳速度多元線性回歸方程診斷
圖7 后手直拳最大出拳速度多元線性回歸方程離群點(diǎn)
圖7 表明,觀測(cè)點(diǎn)18被判定為離群點(diǎn)(P=0.027346),應(yīng)刪除該點(diǎn)進(jìn)行方程修正。
2.4 回歸模型修正 表6中,相對(duì)于多元線性回歸1,多元線性回歸2的調(diào)整R2=0.8499,回歸擬合程度有所提高(0.0752);圖8表明,殘差隨各自變量取值的水平改變的范圍在-2<<+2以內(nèi),波動(dòng)范圍基本保持穩(wěn)定,無離群點(diǎn)。這表明,刪除離群觀測(cè)18點(diǎn)可以提高數(shù)據(jù)集對(duì)于正態(tài)假設(shè)的擬合度,使模型預(yù)測(cè)效果更好。
2.5 回歸模型驗(yàn)證 由于研究樣本量較少,同時(shí)也為了充分利用數(shù)據(jù)集對(duì)算法效果進(jìn)行測(cè)試,本研究采用k-折交叉驗(yàn)證(k-fold CrossValidation)對(duì)回歸模型在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)進(jìn)行檢驗(yàn),即:將數(shù)據(jù)集A隨機(jī)分為k個(gè)包,每次將其中一個(gè)包作為測(cè)試集,剩下k-1個(gè)包作為訓(xùn)練集進(jìn)行訓(xùn)練。這樣獲得k個(gè)預(yù)測(cè)方程,記錄k個(gè)保留樣本的預(yù)測(cè)表現(xiàn)結(jié)果,然后求其平均值。軟件實(shí)現(xiàn)采用R語言bootstrap包中的crossval()函數(shù)實(shí)現(xiàn)k重交叉驗(yàn)證。圖9結(jié)果表明,回歸方程的實(shí)際應(yīng)用能力屬中等水平,但仍具有一定的應(yīng)用價(jià)值(R2=0.769)。
表6 最大出拳速度的多元線性回歸模型修正分析結(jié)果一覽
圖8 后手直拳最大出拳速度多元線性回歸方程診斷
圖9 后手直拳最大出拳速度多元線性回歸方程驗(yàn)證
2.6 變量相對(duì)權(quán)重 采用相對(duì)權(quán)重(relative weight)評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)變量對(duì)后手直拳最大出拳速度的影響力。相對(duì)權(quán)重法可以對(duì)所有可能的子模型添加一個(gè)預(yù)測(cè)變量引起的R平方平均增加量的一個(gè)近似值,并通過各個(gè)預(yù)測(cè)變量對(duì)模型方差的解釋程度來判定每個(gè)預(yù)測(cè)變量的重要性。軟件實(shí)現(xiàn)采用R語言relweights()函數(shù)實(shí)現(xiàn)相對(duì)權(quán)重的計(jì)算。圖10表明:各個(gè)預(yù)測(cè)變量對(duì)模型方差的解釋程度(R2=0.866),gravity_.X(前后方向重心變化)解釋了37.31%的R平方,elbow._ω(最大肘關(guān)節(jié)屈伸角速度)解釋了34.68%,trunkr._ω(最大軀干轉(zhuǎn)角角速度)解釋了28.01%。根據(jù)相對(duì)權(quán)重法的重要性順序?yàn)椋篻ravity_.X﹥elbow._ω﹥trunkr._ω。
圖10 后手直拳最大出拳速度多元線性回歸方程變量相對(duì)權(quán)重
拳擊的出拳動(dòng)作是由上肢、軀干、下肢共同作用的復(fù)雜活動(dòng)[10],相關(guān)研究認(rèn)為下肢對(duì)出拳力量起主導(dǎo)作用[4-5],下肢力量對(duì)于出拳力量的貢獻(xiàn)率要高于上肢和軀干;但同時(shí),也有研究認(rèn)為拳擊的出拳動(dòng)作更加符合鞭打原理[3,10],并指出上肢鞭打?qū)Τ鋈α科鹬鲗?dǎo)作用。所以,不同的研究在人體各環(huán)節(jié)對(duì)出拳力量貢獻(xiàn)率上的結(jié)論有所不同。因此,正確認(rèn)識(shí)人體各環(huán)節(jié)對(duì)出拳力量貢獻(xiàn)率的影響,明晰出拳時(shí)人體運(yùn)動(dòng)鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié),這對(duì)拳擊后手直拳專項(xiàng)技術(shù)訓(xùn)練是十分必要的。
本研究結(jié)果顯示,在后手直拳出拳過程中,增大X方向的重心變化(gravity_X),可以顯著提高出拳速度。人體是一個(gè)活的生物有機(jī)體,能自主地通過人體各環(huán)節(jié)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),有意識(shí)地在一定空間范圍內(nèi),改變?nèi)梭w重心的位置,使平衡得以在最佳姿勢(shì)的方式下建立和維持[11]。重心是重力的作用點(diǎn),人體全部環(huán)節(jié)(整個(gè)人體)所受重力合力的作用點(diǎn)就是人體總重心[12]。從支撐面邊緣到重心(重力作用線)的水平距離決定了重心要移動(dòng)多遠(yuǎn)才能使該姿勢(shì)不穩(wěn)定。如果重心超出了支撐面,則重心傾向于使人體向支撐面邊緣傾斜[13]。因此,支撐面的水平重心的變化對(duì)人體姿勢(shì)的穩(wěn)定性與靈活性起到重要的作用,且重心移動(dòng)的方向總是與環(huán)節(jié)移動(dòng)方向一致。拳擊屬于同場(chǎng)格斗對(duì)抗的項(xiàng)目,為了減少人體暴露的面積、對(duì)抗前后方向的沖擊力以及完成出拳擊打的需要和步法移動(dòng)的需要,拳擊基本姿勢(shì)采用前腳內(nèi)扣站立,增加側(cè)向維度,以此來增加支撐面積,兩腳前后腳拉開與肩同寬,增加前后維度,這既考慮到平衡性、穩(wěn)定性,又兼顧到移動(dòng)的靈活性,從而使支撐面達(dá)到了穩(wěn)定性與靈活性的最好折中。拳擊后手直拳的出拳是在基本姿勢(shì)的基礎(chǔ)上開始的。在出拳時(shí),由于兩腳被地面約束限制,每一脊柱節(jié)段均圍繞其下端關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)和椎間盤運(yùn)動(dòng),所以軀干運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)位于下端。因此,在出拳的過程中人體重心前移,重心接近支撐面的前緣,減小了人體向出拳方向的穩(wěn)定性,為后手直拳技術(shù)動(dòng)作的完成提供了較好的靈活性。與此同時(shí),由于人體重心的前移,重心移動(dòng)的方向與出拳方向一致,也使更多的人體質(zhì)量處于向前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[14],增加了近端環(huán)節(jié)的質(zhì)量[15],增加了軀干轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性[16],從而進(jìn)一步提高了出拳的速度。
本研究結(jié)果顯示,拳擊的出拳動(dòng)作符合上肢鞭打原理,提高人體最大軀干轉(zhuǎn)角角速度(trunkr_ω)和最大肘關(guān)節(jié)屈伸角速度(elbow_ω),可以顯著提高出拳速度。上肢鞭打原理指出環(huán)節(jié)由近端向遠(yuǎn)端依次加速和制動(dòng),遠(yuǎn)端環(huán)節(jié)的速度來于近端環(huán)節(jié)的制動(dòng)將運(yùn)量傳遞[15],由于近端環(huán)節(jié)的質(zhì)量大于遠(yuǎn)端環(huán)節(jié),從而使得遠(yuǎn)端環(huán)節(jié)獲得較大的速度。首先,軀干轉(zhuǎn)角角速度反映了拳擊后手直拳出拳過程中軀干轉(zhuǎn)動(dòng)速度的快慢。在后手直拳出拳過程中,軀干的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于“拳”的質(zhì)量。因此,較快的軀干轉(zhuǎn)角角速度有利于對(duì)下肢環(huán)節(jié)能量的利用,有利于軀干近端環(huán)節(jié)向肩關(guān)節(jié)遠(yuǎn)端環(huán)節(jié)的能量傳遞[17]。同時(shí),在拳擊后手直拳出拳的過程中,由于上臂圍繞肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)、前臂繞肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng),手處于游離狀態(tài),所以上肢運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)位于近側(cè)端。因此,肘關(guān)節(jié)的快速伸展,可以減少上肢繞縱軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,從而增加前臂內(nèi)旋的角速度,增加了肘關(guān)節(jié)肌群的彈性能量的積累及其利用[18]。
綜上,在后手直拳出拳過程中,要在注意人體重心前移的同時(shí),強(qiáng)調(diào)人體的整體發(fā)力,重視軀干快速轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)手臂能量傳遞的正向作用,并且通過肘關(guān)節(jié)的快速伸展(翻肘、屈伸、壓腕)等一系列動(dòng)作最終將動(dòng)量集中到“拳”上,從而提高出拳速度,提高鞭打效果。
4.1 結(jié)論 1)在后手直拳出拳過程中,增大X方向的重心變化(gravity_X),可以顯著提高出拳速度;2)提高人體最大軀干轉(zhuǎn)角角速度(trunkr_ω)和最大肘關(guān)節(jié)屈伸角速度(elbow_ω),可以顯著提高出拳速度。
4.2 建議 在進(jìn)行后手直拳訓(xùn)練時(shí),應(yīng)增大人體重心的前移,使重心移動(dòng)的方向與出拳方向更一致,同時(shí)促使更多的人體質(zhì)量處于向前運(yùn)動(dòng)狀態(tài),增加近端環(huán)節(jié)的質(zhì)量與軀干轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性,從而進(jìn)一步提高出拳速度;應(yīng)重視上肢力量訓(xùn)練,特別是快速力量與爆發(fā)力訓(xùn)練,從而增強(qiáng)肘關(guān)節(jié)的快速伸展能力與肘關(guān)節(jié)肌群彈性能量的積累及其利用的能力;應(yīng)重視軀干力量訓(xùn)練,積極提高人體核心區(qū)力量,從而保證出拳時(shí)正確的身體姿勢(shì)和合理的重心變化,保證軀干的主動(dòng)發(fā)力與快速轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)整體運(yùn)動(dòng)鏈能量傳遞的效率,以期達(dá)到出拳速度與鞭打效果的最優(yōu)。