运动技术的生物力学原理
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了八篇运动技术的生物力学原理范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
运动技术的生物力学原理范文第1篇
关键词：运动损伤；防护服装；运动生物力学；防护模型
中图分类号：TS941.2 文献标志码：A
A Study on Protective Cloths Based on Sports Biomechanics
Abstract： Based on introducing sports biomechanics as well as current study on protective equipment and protective clothes， the article draws the conclusion that it is very important to study protective clothes by using sports biomechanics and puts forward the theoretical basis， technical problems and technical route for using sports biomechanics in garment applications.
Key words： sports injury； protective clothes； sports biomechanics； protective model
近年来，我国参与体育运动或日常锻炼的人口越来越多。在对全国体育人口比例的调查中发现，1996年的体育人口在总人口中所占的比例为31.4%，2000年增加到33.9%，而到2007年又增加到37.1%，短短10多年的时间里增加了5.7个百分点。
但是在运动中，由于人们并未太多地注意保护自己，常常会引起相应的关节、肌肉、韧带的意外损伤。网球运动常常会导致肘部、肩袖部损伤，范？克拉莫（Von Kramer）对网球运动中出现的损伤进行过调查，结果表明，网球运动中肘关节损伤占全部损伤的41%，是最容易损伤的部位；肩袖损伤占其全部损伤的39%，仅次于网球肘。在跑步运动中，常常会发生小腿肌肉拉伤，有研究显示，有高达35% ～ 65%的健身者与专业运动员曾经发生过下肢损伤。老年人、小孩以及肢体残疾人在日常的行走过程中，由于自身缺乏一定的平衡能力，往往会因为磕碰、摔倒等突发状况而意外导致肌肉和骨骼损伤。有国外学者曾做过相关的研究，该研究揭示了在老年人的摔倒中，将近53%是因为行走、站立的不稳定所导致的。
运动损伤已经给运动员、业余爱好者、老年人、小孩等带来了伤害，也是人们生命安全的重要隐患之一。也有不少人缺乏自我保护意识，认为在业余的体育锻炼和比赛中，做准备活动，然后再多加注意一些，受伤的几率也就小了，其实这种想法是不正确的。因为这种损伤，比如说扭伤、摔伤、各种磕碰伤，在运动损伤里只占到了2%，它的名称叫做意外伤，而将近98%的损伤是那种运动技术性伤。所以基于运动的生物力学，研制减少骨骼与肌肉损伤的防护性服装，是一个很大的趋向。
1 运动生物力学的研究
运动生物力学是生物力学的分支学科，是研究体育运动中人体机械运动规律的科学。其主要任务是运用生物学和力学的理论和方法研究人体从事各种运动、活动以及劳动的动作技术，使复杂的人体动作技术奠基于最基本的生物学和力学规律之上，并以数学、力学、生物学以及动作技术原理的形式加以定量描述。运动生物力学的发展与研究，为提高体育运动的成绩、预防运动损伤、设计研发防护器材奠定了理论基础。
1.1 运动生物力学的实际应用
对于运动生物力学的研究，特别是在应用上，具有自己的特色，大致可归结为以下几点：
（1）在竞技体育运动动作的技术方面，根据人体的体态、素质、机能等情况，研究适合个人的最佳运动和活动技术的动作方案，并通过动作技术诊断使之逐步完善；
（2）从预防运动损伤的观点出发，对各种体育、活动以及生产劳动进行生物力学分析，找出致伤因素，并设计出相应的预防与治疗措施；
（3）运动生物力学不仅研究人体，而且也研究与运动相关的器械的运动规律，按照人体形态、结构和机能的生物力学特征，设计和改进运动器材、设施、服装与用具以及劳动机器、工具等。
1.2 运动生物力学与防护器材
从运动生物力学的角度出发，对体育运动或健身锻炼中用于防护人身安全、避免运动损伤的器材，提出设计和改进的设想及要求，是一项非常艰巨的学科任务，当前基于运动生物力学研制的防护用品主要有护具、运动鞋。
新型橄榄球头盔与传统头盔相比有着本质的区别，新型头盔的外层覆盖了一种新型树脂吸振缓冲材料，它可以有效地防止运动员以头盔作为进攻武器冲撞对手。在运动的过程中，人体的各个关节肌肉常常由于过多的运动量或瞬间的挥击、拉伸发生拉伤或震伤。戴上护具后，就可以对相应部位的肌肉、韧带加压舒服，减缓可能的过度拉伸，并协助肌肉动作，对关节部位起到支撑作用。对于关节出现不同程度劳损的老人以及正在发育期的小孩来说，进行远足郊游或体育锻炼时，很有必要选择一定的护具。
国内外一线运动品牌，其运动鞋技术的每一项进步都离不开生物力学研究，结构设计和技术创新都遵循人体运动生物力学原理。国际一线运动品牌都拥有自己的核心技术，如Nike的air气囊鞋底科技和足跟稳定技术、Adidas的HUG环抱系统和智能芯片技术、李宁新一代单弦弓减震技术等。无论核心技术如何创新变化，结构设计必须遵循运动生物力学的原理，其主要的生物力学原理是缓震减震、能量回归、足跟控制、模拟踝足和回归自然。
2 防护服装的研究
伴随着运动的普及，传统的防护服装基本上从舒适性、结构设计、功能材料等角度出发进行设计研究，通过研究改变或加强面料的性能来达到服装吸湿排汗透气、防火、防水等效果，或者从服装结构设计出发，采用多开口宽松式设计，在前胸、腋下、前后衣片采用连续开口散热功能设计，设计了一套具有散热功能的篮球比赛服装。而在运动过程中能真正地起到对人体防护作用的，往往都是要通过佩戴护具来达到目的，从拳击的头盔到篮球的护足，每一个易受伤的关节都有相对应的护具来产生防护的效果。
但是现阶段基于运动生物力学研究的运动防护仅限于护具以及运动鞋，而客户对防护服装的要求却逐渐从原来的吸湿排汗等舒适性方面提升到舒适、功能、美观、防护一体化上来，更多地希望可以通过服装本身就可以达到防护人体的目的。
所以，有必要从人体出发，通过测量人体各关节点运动的三维坐标数据的变化，将其转化为人体关节运动的生物力学参数，通过分析生物力学参数数据，建立人体防护模型，明确服装面料与防护模型相互之间的关系，并结合服装材料学、服装结构设计、人体工效学等相关知识，设计具有防护性能的服装。
3 运动生物力学在服装上的应用
在体育运动、日常活动以及生产劳动中骨骼和肌肉损伤是难以避免的问题，解决这一难题，必须以人体运动为目标，运用人体解剖学、人体生理学、力学的理论与方法来探索人体运动规律，根据骨骼和肌肉的变化，建立外部防护模型，获取防护服装所需达到的力学参数，为开发运动防护服装提供理论依据。
3.1 理论依据
在运动过程中，骨骼及肌肉功能模型的研究比较成熟，是确定肌肉长度、肌肉拉力线、肌力臂、肌力矩、肌力等关键因素，但却没有明确指出骨骼及肌肉损伤的临界值，建立外防护模型是解决该问题的关键途径。
基于人体骨骼与肌肉的动力学模型，模拟在外部约束条件下骨骼和肌肉的变化，通过逆向动力学方程式和有限元模拟获取相关参数，建立外防护机制，即防护模型；在外加反应实验的作用下，明确服装材料的性能与外防护模型之间的关系，为研制高质量的运动防护服装、减少运动过程中骨骼及肌肉的损伤提供理论依据。
3.2 技术问题
（1）建立骨骼及肌肉的模型，需要运用动态捕捉系统捕捉关键点的运动信息，测量人体在空间的位置和方向，即人体骨骼、关节的运动轨迹。动态捕捉系统通常分类为 3类：机械式、电磁式和光学式，价格不菲。
（2）结合人体运动轨迹的数据，通过人体建模仿真软件进行模拟，并推导出骨骼及肌肉的最优化的防护机制。
（3）通过实验验证分析，明确防护模型与服装面料的性能特征之间的关系，为研发防护性能最优的服装提供依据。
3.3 研究方案
针对一项具体的运动，主要研究内容有以下几个方面：
（1）运用动态捕捉系统捕捉人体关键部位的空间运动轨迹；
（2）借助人体建模仿真软件，将空间运动轨迹的数据转化为生物力学参数，如各关节的位移、速度、加速度及肌肉长度、肌力臂、肌力矩等，进而计算出有关人体防护力学参数；
（3）基于骨骼及肌肉模型，运用逆向动力学的方法，建立人体外部防护机制；
（4）根据各种服装材料的性能，通过有限元的模拟，确定材料的性能与防护模型相互之间的关系，获取防护服装所需的防护参数；
（5）人体建模仿真软件对所获取的服装防护参数进行模拟，以进一步获得最优防护的服装。
技术路线如图 1 所示。
4 结语
运动损伤常常给运动员、体育爱好者、老人、小孩等带来意想不到的身体伤害，然而，传统的防护服装基本上从服装的舒适性角度进行研究，通过改变面料的特性来达到服装的防湿透气、吸湿排汗等，或从服装的结构设计出发，改变服装衣下间隙、开口特征等来提高服装的着装舒适性。国外对于运动防护服及装备的研究则比较深入，从人体的头部到脚的各个器官都配有特定的防护用具，所以基于运动生物力学研究防护服装必将是未来的研究热门。
外防护模型的建立是运动生物力学应用到服装领域的关键，也是制约防护服装研发的主要因素。防护模型的研究处于起步阶段，只有建立起防护模型，才能进一步明确服装材料与防护力学参数之间的相互转化关系，也为研制减少运动损伤的运动装备奠定技术基础。
参考文献
[1] 陆建平，李宁.我国居民参与体育锻炼的特征研究[J].体育文化导刊，2012（1）：36-39.
[2] 张雷，王少华.网球运动中常见的损伤与防治[J].网球天地，1995（3）：45 - 47.
[3] 王威.对跑步中下肢运动损伤的原因分析[J].运动精品，2011（7）：16-17.
[4] Blake A J， et. al. Falls by elderly people at home： prevalence and associated factors[J].Age Ageing，1988（17）：365-372.
[5] 侯宇.运动护具面面观[J].文体用品与科技，2009（11）：41.
[6] 全国体育学院教材委员会.运动生物力学[M].北京：人民体育出版社，1990.
[7] 全国体育学院教材委员会.运动生物力学（2版）[M].北京：人民体育出版社，2005：195-198.
[8] 王向东，刘学贞，苑廷刚，等. 运动生物力学方法学研究现状及发展趋势[J]. 中国体育科技，2003，39（2）：15-16.
[9] 李世明.运动生物力学理论与方法[M].北京：科学出版社，2006.
[10] 李建设，顾耀东，陆毅琛，等.运动鞋核心技术的生物力学研究[J].体育科学，2009，29（5）：40-49.
[11] 郑素化，张欣，应柏安.篮球运动服装舒适性研究[J].西安工程大学学报，2008，22（1）：52-54.
[12] Beumer A， van Hemert WL， Swierstra BA， et al. A biomedical evaluation of the tibiofibular and tibiotalar ligaments of the ankle[J]. Foot Ankle Int， 2003（5）：426-429.
运动技术的生物力学原理范文第2篇
《运动生物力学》是研究体育运动过程中人体机械运动规律的科学，其主要任务是研究体育运动过程中人体所进行的各种运动，以及不同条件下人体产生运动和运动状态改变的力学和生物学原因。因此，运动生物力学研究应以体育动作为核心，运用技能解剖学、运动生理学和力学的理论与方法，研究人体运动器系的力学特征和人体运动规律，并根据影响人体运动的内部和外部条件寻求人体运动技术的合理性和最佳化，进而为提出有效的训练手段和发展人体运动能力提供理论依据。《运动生物力学》是一门以实验为基础的学科。由于受到人体运动形式复杂性和实验条件的制约，《运动生物力学》教学中运用视觉传达技术对运动虚拟环境进行模拟显得尤为重要。
1视觉传达和视觉传达设计的概念
【1】视觉传达是人与人之间利用“看”的形式所进行的交流，是通过视觉语言进行表达传播的方式。不同的地域、肤色、年龄、性别、说不同语言的人们，通过视觉及媒介进行信息的传达、情感的沟通、文化的交流，视觉的观察及体验可以跨越彼此语言不通的障碍，可以消除文字不同的阻隔，凭借对“图”――图像、图形、图案、图画、图法、图式的视觉共识获得理解与互动。视觉传达设计（简称VISUAL DESIGN）是指“具有视觉传达功能的设计”.简称为视觉设计。它们把有关内容传达给眼睛，从而进行造形性的表现性设计。
2制作《运动生物力学》课件时要整体设计，统筹安排
《运动生物力学》课件制作时，经常要通过图像、文字、表格等形式讲述体育动作。在体育科学研究中，体育统计图有条形图、线图、直方图和圆形图等，统计表也有单单项统计表、多项统计表和专项统计表，由于用到的表达形式较多，所以图像的形状、颜色、文字、表格等要素上下关联，互为补充，相得益彰。各要素前后顺序要统筹规划、整体考虑。对于设计的内容，则可能有多种表达形式，但要严格按照内容需要，不能一味追求形式而影响了整体效果，在课件设计时，具体运用哪种或者同时运用哪几种表达形式，要统筹考虑。
3 色彩搭配要有层次感
授课过程实际是向学生传达信息的过程，课件中不同的颜色搭配体现不同的意境。课件制作时将不同的颜色按照背景或主题的不同进行合理搭配，既显得生动活泼，提高学生的兴趣，有提高课件的美感。但要注意，色彩再好也是形式，是要为内容服务的，所以，色彩体现的风格应与课件主题相关，即要达到内容与形式的统一。具体到课堂应用时，不同的图形可采用不同的颜色，形成成鲜明的对比，文字的表达可以用不同的填充色并配以相应的字体颜色，突出内容的重点部分。
4 合理编排文字
在《运动生物力学》多媒体课件中，文字的主要功能是向学生传达教学内容以及各种辅助信息。教学内容主要信息是靠文字体现的，是非常重要的视觉要素。但在具体课件制作中尽量不要整版都是密密麻麻文字，同时文字也要适当通过变化字体或改变衬底背景颜色来提高美感，避免出现视觉疲劳。一般来说，在同一张PPT中，可以运用不同的字体和色彩，但文字的种类和颜色尽量不要超过三种，尽量不用太草的字体，否则版面显得杂乱，喧宾夺主，影响教学效果。
5 巧妙运用设计模板
在《运动生物力学》课件设计中，必须以突出表现内容为依据，从而灵活运用版式设计。根据不同的体育项目，选择不同的模板。配以生动的竞赛图片、鲜艳的文字，创造一个虚拟的体育环境，提高学生学习的直观性和兴趣。在一堂课中，适当选取不同的模板，尽量避免始终使用一个模板，那样显得单调。但模板毕竟是表达内容的外在形式，所以模板选取上既要防止呆板单一，又要防止一版一式，过度花哨。
6 善于运用“超级链接”
运动技术的生物力学原理范文第3篇
1、正确技术与合理技术区别统一
在教学训练中，什么是正确的技术呢?可能有人会说，世界冠军选手的技术动作最正确，其实不然。从运动技能学和运动生物学的观点来看，绝对正确的技术是不存在的，只有合理技术(或动作)。所谓合理技术，就其动作结构首先要符合力学原理，其次是要符合其自身解剖学特征，换言之，就是要符合每个运动员的自身特点。因为，每个运动员的身体形态，结构比例不同，骨杠杆所产生的力学效应也不同。那种不考虑自身的特点而一味去模仿他人的技术动作显然是不可取的。美国著名短跑选手刘易斯的教练汤姆•雷特兹博士曾说过：“对刘易斯进行科学的指导即把生物力学原理应用于他的训练，教给他适合他身体条件的动作和符合力学原理的姿势。”由此，我们可以看出，在教学训练中应教会学生掌握合理的技术动作，而不是所谓的模仿他人的“正确”技术。在合理掌握动作的基础上，尽量使学生结合自身的身体形态、机能和运动素质的特点去改进和掌握技术动作。对于那些跑得快、跳得远而动作不规范的学生运动员，不必过分地强调动作的规范程度，而应让他保持自身的动作结构。因为在某种程度上讲，需要改进的只是那些受力不合理的动作。
2、运用生物力学的原理讲解分析技术动作，指导训练
讲解的目的是使学生了解技术动作及构成动作的内在因素。因此，在讲解中仅对技术动作做外在的描述，不利于运动员理解和掌握动作，无法分析技术动作的优劣，要讲清动作结构的实质，分析技术动作的内在因素，必须从力学原理去分析描述技术动作。恰当的分析讲解有助于学生理解和掌握动作的本质属性，使之知道我为什么要这样做。如在短跑教学训练中，对影响跑速二因素的讲解，当今大多数短跑研究指出，对于短距离跑(50-200m)步频和步幅的提高主要在着地阶段。因此，步频和步幅的提高关键是处理好着力脚的着地点与身体重心投影点之间的距离。如果脚的着力点与身体重心投影点的距离大，虽然可以增大步长，但支撑腿的运动范围大，则着力时间就长，人体受前支撑反作用力的平阻力就大。从而产生减速现象，使步频降低。反之，如果脚的着地点与身体重心投影点的距离适中，前支撑反作用力的水平阻力就小，脚着地时间就短，使身体重心向前运动的冲量增加，从而达到在不影响步频的基础上，增大步长的目的。这样的讲解分析，使运动员理解了那种为增大步长而采取踢小腿的跑法是不可取的，同时也加深了运动员对“摆髋”和“积极扒地”技术的理解。又如在跨栏跑教学中，我们对跨栏技术的讲解：跨栏实质是短跑，只不过在跑进过程中要越过障碍而已。因此，怎样才能在保持跑速的情况下，顺利地越过栏架呢?关键是跨栏步技术。上栏时，摆动腿大小腿充分折叠高抬前摆，可以缩短摆动半径，减少阻力，加快上栏速度，提高起跨腿的支撑反作用力，增加起跨力量，过栏时起跨腿大小腿充分折叠又能小跨腿绕髋关节的转动半径，从而减少转动惯性，提高角速度：加快起跨腿的向前提位。下栏时，摆动腿积极主动快速下压上体迅速抬起，可促使起跨腿的向前提拉(相向运动)，更主要的是缩短摆动脚着力点与身体投影点之间的距离，减少落地制动力，加快人体重心快速向前移动，很快而自然地转入栏间跑。
在跳远教学训练中，发现有的队员跳挺身式还没有跳蹲距式效果好。通过分析原因，我教学的对象大都是12―14岁的少年选手，他们的身体素质各方面都还未达到跳挺身式的要求，所以在教学中我利用生物力学原理力求抓好蹲距式跳远技术中的关键环节，注重摆动腿的快速大幅度前摆。一方面可克服蹲距式跳远中空中上体前旋。另外，通过屈膝摆动动作可使摆动环节的质量向上移动，因而使人体总质心的相对位置升高。提高重心相对高度(其升高的数值的点起跳后人体重心腾起高度的25%左右)，通过摆动可增加起跳力(当摆环节质心做竖直向上加速运动时，必然对施力部位产生反作用力，通过起跳腿的肌肉用力作用于地面，从而增大了直跳力，进一步推动人体重心飞得更远)。
运动技术的生物力学原理范文第4篇
关键词：网球运动 正手击球 技术动作 运动动作形式
中图分类号：G845 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（a）-0218-02
1 正手技术的特点
正手技术是运用最多的一种击球技术，是比赛中进攻得分的主要方式，是网球技术的基础。根据网球的正手技术动作的结构，可分为准备姿势，引拍，向前挥拍，触球、随挥五部分。正手技术动作要根据人体动作的基本运动特征和规律，需要各肌群合理的协调运用，充分利用好人体的协调链。即身体的协调配合，严格按照肌肉的发力顺序来完成正手技术动作，利用好人体协调链的体节转换，踝、膝、髋、躯干、肩、肘、腕等关节的发力顺序来完成正手技术动作。正手威胁巨大，适用于各种战术，可以打出强烈的上旋球和快速的平击球。战术执行也更多的借助正手来稳定的完成。在底线的对峙中，正手击球范围大，能更快的移动到位，适合不同的来球，是最有效的进攻和防守方式，侧身正拍的经常使用就能说明正拍技术是首选。正拍击球直接反映出你的技术水平的高低，对比赛的结果产生深远的影响，因此，要更好的运用正手技术来掌握主动权。
2 正手技术动作的肌肉工作原理
网球正手技术动作是协调连贯的全身性的运动。任何一个动作都是许多肌肉在神经系统的支配下共同参与、相互协作完成的。肌肉的收缩会产生能量，工作原理是大关节带动小关节和大肌群带动小肌群，人体肌肉的对称性，完成每一个动作都有不同的肌肉工作形式。正手击球的动作结构涉及到人体上肢、躯干和下肢等关节的运动及肌肉的工作。击球过程中，大肌肉群的发力与小肌肉群的控制相互配合，不仅依靠手臂力量，而且必须借助下肢充分蹬转产生的力量，全身的协调用力以获得最大的爆发力，进而击出理想的球。其力量来源是下肢的蹬伸，躯干的转动，上肢的鞭打传导到拍头而产生力量。击球时，动作要符合大肌肉群优先的原则，各相关肌肉在拉长的条件下，首先是下肢、躯干等大肌肉的用力，然后才是各关节的小肌肉群加速用力，其顺序是下肢蹬伸―躯干侧转―伸肩―伸肘―前臂内旋―上臂转动―手腕屈。
3 正手技术动作的力学原理
3.1 正手技术动作的运动学原理
动作的运动学特征或外貌特征，包含了时间特征、空间特征、时空特征。正手击球的运动学特征表现在击球点上，击球点是否合适，影响着运动员击球的力量、速度、角度、弧度，将决定着击球质量的好坏。所以击球时要从时间节奏、空间位移和轨迹、时空上的快慢来调整动作。所谓击球点是运动员击球时球拍与球相接触那一点的时间、空间位置。击球点包括了三个方面的内容：第一，球拍和球的接触点距地面的高度；第二，接触点距身体的前后距离；第三，距身体的左右距离。尤其是在移动中击球、面对不同的来球时，更需要从运动学的时间、空间、时空来调整动作。
3.2 正手技术动作的动力学原理
力是物体间的相互作用，人体动作的实现是内外力共同作用的结果，内力主要是肌肉力，外力表现在外部介质的作用。人体运动只有受到外力的作用下才会改变运动状态，正手击球的主要外力有重力、支撑反作用力、弹性力、摩擦力、流体作用力、向心力。
动量用以描述一定质量的物体在一定状态下运动量的物理量。相同质量的物体，运动速度越大动量就越大。运动中增加冲量可以增加人体或物体的运动速度，增加冲量通常是加大施力工作距离来实现。其力学机制是：一方面使原动肌充分拉长和旋外，以提高肌肉的爆发式收缩力和旋内的向心力，如正手击球时加大引拍；另一方面可延长最后用力的工作距离，则要以最快的速度完成这段工作距离，以达到提高击球速度的目的，如触球时，要延长球和球拍向前运行的距离，因为球拍触球时，球的速度是先减速再加速的过程，此过程的完成需要一段距离。但是要在最快的时间里完成这段距离以提高击球速度。
惯性是物体在不受外力作用时，保持其原有运动状态不变的性质。物体质量越大，惯性越大。转动惯量是度量转动物体惯性的物理量，转动惯量的大小与物体质点系到转轴距离的平方成正比。转动惯量与转动速度是相互变化的，增大转动惯量就会减小转动速度，增大转动速度就会减小转动惯量。如正手击球时，以肩为轴，直臂击球时的转动惯量大，但转动速度小；屈臂击球时转动速度快，但转动惯量小，所以正手技术动作要保持一定的夹角，既要利用转动惯量也要利用转动速度。
综上，增加冲量可以增加击球的速度，增加转动惯量和转动速度可以增加击球速度。所以正手击球时，要保持正确的姿势，利用好动力及力的转化，加大内外力，加大作用距离，加大冲量，加大转动惯量同时也要加大转动速度来增加正手击球的动力速度。
3.3 正手技术动作的运动生物力学原理
网球技术动作的生物力学原理主要包括平衡、惯性、反作用力、动量、弹性能和协调链这几方面。动量就是人体产生的力量（质量乘速度）。动量有两种类型：线动量和角动量。线动量，即直线型运动，是简单的将身体重心移向你正在击球的方向。角动量，即在一圆周运动中的动量，则产生于髋部和上体的转动。人体协调链是指“体节的作用就像由一个环或身体的一部分产生的力量转换成一环套一环的链条系统”（格罗佩尔，1984）。这些体节的最佳协调（时机）将允许从一个体节移至另一体节，有效地转换为全身的加速度，先前的人体部分的速度补充至下一体节，该体节将自身的速度补充至累积的总速度，如此连续进行直至体节顺序的最后部分，此时，球拍用全部积累的速度对着来球最大限度地加速[1]。要遵循大关节带小关节的顺序性原理，才能产生良好的用力环节，产生最后的速度力量。由于人体的下肢力量大并支撑着身体，所以击球时人体各环节按照踝、膝、髋、躯干、肩、肘、腕的顺序进行活动。
4 正手技术动作分析
4.1 准备姿势和引拍
下肢腿部分开并保持平衡，引拍动作开始于髋部和肩部次序的向后转动，肩部的转动带动手臂引拍。低重心可以获得启动的更大惯性，蹬地产生反作用力，重力线落在支撑面中心身体最稳定。若是快速移动，则重力线应落在最可能发生运动的方向的支撑面边缘。若是运动方向无法确定，一般将重力线移至支撑面的前方边缘，这样能为任何方向的快速移动做好准备。开放式站位可以产生更快的转动动量和更快的回击球。
躯干和上体的向后转动，可以提前牵张腹部和胸部的大肌组，以便产生能量。肩部转动幅度大于髋部，这对拉长肌肉组织具有一定的作用，可以增大腿部力量的传递，产生转动效应。
上肢肩部的转动带动手臂引拍，球拍和手臂离身体越近向后引拍越容易，因为减小了转动惯量增大了转动速度。能量储存在肩关节、肘关节和腕关节。通过动体链的这些部分逐渐加大力量。
4.2 向前挥拍
下肢蹬地向前转髋转体，躯干和上体向前移动。此过程主要是为线动量转化为角动量而获得力量，因为网球的主流击球方式主要是以身体轴为中心，靠转轴点来形成角动量。此时身体重心与根基边缘的距离变宽更稳定，蹬地伸膝就产生线动量， 当双腿和双脚停止向前移动，用力蹬地促使上体转动，线动量就转换为角动量，从而增加了角动量产生击球的力量。根据协调链，髋部把下肢的力量传导至上肢到拍头，起着中枢轴的作用，所以蹬地后要转髋，产生力量的传导。地面反作用力可以用来克服身体自然的惯性，否则身体将继续向前移动。
躯干和上体向前移动，腹部肌肉、手臂肌肉收缩旋内，产生爆发式收缩力增加击球冲量，屈臂增大转动的速度，提高线动量转化为角动量。体重越大越平稳，但移动和停止移动则更难，重心离根基边缘越近越难以保持平衡。
上肢手臂的动作要稍晚于髋和下肢动作，头和肩部保持平衡和相对静止，这样更易于保持平衡。头部静止，肩部放松对保持平衡很重要。
4.3 触球
下肢的蹬伸，躯干的转动，上肢的鞭打，利用好人体协调链的体节转换，踝、膝、髋、躯干、肩、肘、腕等关节的发力顺序，按照下肢蹬伸―躯干侧转―伸肩―伸肘―前臂内旋―上臂转动―手腕屈的发力顺序来完成正手技术动作。
身体轴稳定，适度的屈膝、屈臂屈肘产生的冲量和转动速度，促使更大角动量的形成，蹬地动作产生的离心力通常会使你离开地面。
躯干和上体的身体动作是，正确利用身体各部分，适度握紧球拍防止击球点偏离，手腕后屈防止击球瞬间的晃动。掌握好时机，利用身体的协调链，拍头产生的速度作为角动量。
头和肩部必须保持在一条直线上以保持平衡，肩部带动手臂动作。因为击球最快的挥拍速度来源于肩部向内转动。
4.4 随挥
下肢蹬转，躯干转动，手臂鞭打保持击球加速度的距离，随后再随惯性挥拍贴近身体。鞋和地面的摩擦，摩擦力从线动量转移至角动量。正确的利用协调链可加快拍头速度，产生角动量是提高拍头速度的根本。球拍和手臂随惯性减速，肌肉放松，能量释放，就形成了任何力量的转动力矩。球拍和手臂贴近身体，正确的把握使用身体各个部分的时机。
5 结语
网球正手技术是网球运动基础，要想打出有效果的正手，需要对正手技术动作力学原理有一个完整的认识。动作各环节都处于一个协调链中，要按照协调链的顺序来完成击球动作；肌肉的牵张收缩和旋内的向心运动产生力量；增加击球冲量、增加转动惯量、增加转动速度，促使线动量和角动量的转换形成。全身协调有序地用力，线动量和角动量完美结合，把体节的累积速度和全身的力量连贯地传导至球拍上，在恰当的击球点击出一记好球。
参考文献
[1] 中国网球协会中级教练员手册.中国网球协会审定.2010.
[2] 全国体育学院教材委员会.运动生物力学[M].北京：人民体育出版社，2008.
[3] 马艳辉.网球正手击球过程中触球动作的生物力学分析[J].竞技论坛，2011，（3）：24-26.
运动技术的生物力学原理范文第5篇
【关键词】运动生物力学 投篮 命中率 动作
篮球运动其实就是在统一的规则限制下，两方队员通过对球的争夺和配合，想方设法阻止对方进球得分，并努力把球投进对方严密防守下的篮筐，以投中次数多者为胜的一种同场竞技对抗运动。无论是身体素质多好，配合多么精妙，而最终的目的都以快速而精准的投篮来结束这一次攻与守。由此可见，投篮是篮球运动中的十分重要技术之一，是得分的唯一的手段。随着篮球运动的不断发展以及篮球比赛中对抗强度的增加，投篮技术也朝着快、高、远、变、全、准的方向不断发展。 因此，从运动生物力学角度分析投篮的技术动作以及如何提高投篮命中率具有现实意义，能够有效地指导篮球运动训练。
1投篮技术动作的运动生物力学分析
1.1肘关节、肩关节、腕关节和指关节的技术动作
无论何种投篮方式，投篮时都必须有肘关节、肩关节、腕关节和指关节的参与来完成。假若投篮方式出现差异，主要是肘、腕和指关节的变化所导致。
1.1.1提肘与伸臂
投篮时腿蹬伸和膝盖挺直的同时伴随着肘部上提的动作，提肘这一动作既关系着全身的协调用力还直接影响着球出手角度的大小。因此投篮的距离越近，提肘方向就应越接近于垂直位置；而在中远距离投篮时，就要更加充分的向前上方抬肘。提肘动作也直接影响着腕、指关节的活动轨迹，这是因为提肘的同时肘关节外展和内收可能会影响腕、指关节的用力的方向和大小从而影响着球出手后的飞行轨迹。
投篮动作要求有力但柔和，有效地伸直投篮臂就相应增大了力的作用距离和时间，对于更加有效地对球的控制起着十分重要的作用，从而避免了投篮用力过猛而使球撞击篮筐或篮板的力量过大。依据杠杆原理可知，通过放松、自然地伸直投篮臂能够给予球一个较大的出手速度，也有利于投篮全身的协调用力，从而避免腕、指的过早发力以及出现将球甩出去的错误动作。同时，还可以有效提高出手点，提升球的飞行弧度。最后应当注意投篮臂伸直后保持一段时间再放下，以此保证用力的柔和与协调。
1.1.2 腕关节、指关节的发力
投篮动作最终是球在腕指关节的有效控制下离开手指的，腕、指关节动作质量的高低直接影响着出手角度、方向和命中率。两外还需要手给予球两个力的作用，一个是使球向前上方匀速运动的力，另一个就是使球产生后旋的力。投篮时手腕要放松的向后张开，投篮臂伸直后顺着前臂向前的方向压手腕拨手指，这样可以对球施加一种沿球切线方向运动的分力从而使球产生有效地旋转。压手腕动作应放松、柔和，球出手后保持压腕动作直至球到达篮筐。
1.2 上升力的作用
投篮时应充分利用一种上升力来帮助投篮动作的完成。上升力的产生有两种：一是投篮时通过屈踝、挺膝、伸髋、伸脊柱的同时脚蹬地给地面一个作用力，这样就会相应产生一个大小相等、方向相反的反作用力，通过身体躯干和上肢依次快速的传递给球。二是投篮时双手持球上举至投篮动作完成的整个过程，此过程要求迅速、稳定且运动轨迹正确。充分利用这两种方式产生的上升力可以有效地提高投篮的距离、高度。另外一种上升力的说法是在流体力学上，指的是球在出手向前上方飞行的过程中会受到空气阻力的影响，加上手指手腕的拨球使球后旋能使球有足够的上升力，以此来保证球的抛物线高度。
1.3 球出手的角度、速度与高度对入篮角度的影响
根据物理学、生物力学角度研究得知，在一定的投篮距离，出手点越高则要相应减小出手角和出手速度来保证合适的入篮的角度。另外，出手速度随着投篮距离的增大而相应增大，而出手的角度则要适当减小以此来增大球运行的水平速度，加之球体受气流影响所产生的上升力来保证球的入篮角度和命中率。
入篮角度是直接影响着球是否能准确到达篮筐上方，适当的入篮角度就会大大提高投篮的命中率。也就是说入篮角度越是接近90度，球就越容易进入篮筐。但入篮角度允许的误差范围也是比较大的，投篮的抛物线越低，入篮的角度也相应减小，投篮命中率就会逐渐下降。通过已知篮球的半径r=12～13.5cm（取中间值），篮框的半径R=22.5cm，设立A为投篮命中的最小入篮角，则r，R有关系式：sinA=r/R=32.39度。也就是说，球入篮角度低于32.39度时是不允许再有误差了，否则球不可能直接进入篮筐。因此，入篮角度的允许范围是在32.39度――90度之间，命中率才会随入篮角度的增加而相应的增加。
2 运动生物力学角度下如何提高投篮命中率
2.1 身体各关节的协调、连贯
投篮尽量保持身体的平衡，两脚开立与肩同宽，两脚前后站立，投篮手同侧的脚在前。同时膝盖稍微弯曲，含胸收腹，身体的重心落在两脚之间的前脚掌，上体微前倾，双手十指张开持球放于胸前位置，成持球基本站立姿态。投篮时在腿部充分蹬伸的同时伴随着肩、肘、腕、指关节的活动，腿部和投篮臂将要伸直时抖动手腕，拨手指。
2.2肘关节、肩关节、腕关节和指关节的发力动作规范
上肢关节，尤其是投篮侧上肢关节的发力动作必须规范，在此基础上发力顺序应正确，投篮结束后不要急于放下投篮臂。
2.3 充分利用由下肢蹬伸、举球提肘和球飞行受气流影响所产生的两种类型的上升力
只有充分利用这两种不同类型的上升力才能使投篮力量更加充分，球体的抛物线才会越高，相应的入篮角度就会增大，命中率也会提高。
2.4 投篮时注意入篮角度
日常训练和比赛过程中的投篮应时刻注意投篮的入篮的角度问题，入篮角度不能过低。
2.5 注意瞄篮点的位置选择和球的旋转
投篮时瞄篮点的选择也会影响命中率，瞄篮点不能过于靠前也不能过于靠后，选择篮筐中心点上方最为合适。加之给予球的后旋力，球在合适的角度、合适的力度以及准确的瞄篮位置下就更加容易进入篮筐。
3结论与建议
投篮技术动作复杂，参与的关节、肌肉较多，加上外界客观条件的影响，命中率的提高难度较大。运动员需在掌握正确地投篮姿势和投篮动作的同时勤加练习，练习中注意各关节的发力顺序、出手的角度、入篮角度、球的旋转等制约因素，重视各个环节技术的功能作用与协调关系。练习时可根据自身实际情况，保证投篮动作规范的同时逐渐增加投篮的距离，以适应篮球场上不断变化的投篮时机、距离和角度等。投篮动作的改善和命中率的提高是个循序渐进的过程，切不可急于求成。
参考文献：
[1]陈健.篮球投篮中球的旋转及瞄准点选择的力学分析[J].杭州师范学院学报（自然科学版），2005，（05）.
[2]梁天永.力学在篮球运动中的应用[J].广西中医学院学报，2000，（04）.
[3]体育院系教材编审委员会编.运动生物力学[M].北京：人民出版社出版，1983.
[4]任晓静.单手肩上投篮稳定性的生物力学分析[J].安徽体育科技，2002，（03）.
运动技术的生物力学原理范文第6篇
关键词：跳马；落地稳定性；计算机仿真；速度
中图分类号： 文献标识码： A 文章编号：
Simulation Research on Effect of Landing Velocity and Angle on the Landing Stability of Horse-vaulting
WU Chengliang， XIANG Jiajun， XU Bo， LI Xuhong， XIAO Xiaofei， LIU Jianyu， LIU Zheng， SHI Donglin
Abstract： Objective： To make modeling and simulation experiment researches on landing movements in horse-vaulting of two high-level gymnasts around the world， to explore the relation between landing velocity & angle and landing stability of vault from the perspectives of landing velocity & angle， and to provide scientific basis for landing stability of horse-vaulting. Methods： Firstly， 3D motion analysis is made for the vaulting movement of “Movement-round-off with 1/2 Twist and Forward Handspring and Salto Stretched with 1/2 Twist” completed by the two gymnasts. Then a model of 19 segments of human body is developed by adopting MSC.ADAMS /LifeMod software. The vaulting apparatus， including the jump platform （horse） and a landing mat are all established in the MSC. ADAMS/ LifeMod software. The model is endowed with 3D motion coordinates of human body. Later， the influence of horizontal velocity and human body gesture angle on landing stability at the moment when the simulation model fell to the ground is observed by changing horizontal velocity and vertical velocity of pushing the mode off the jump platform （horse）. Results： When horizontal velocity of pushing the mode off the horse is increased， the horizontal velocity of landing increases correspondingly and the human body gesture angle increases at first and then decreases. When vertical velocity of pushing the mode off the horse is increased， the horizontal velocity of landing do not increase and the change of human body gesture angle do not present any rule. When horizontal velocity and vertical velocity of pushing the mode off the horse are increased at the same time， both horizontal velocity of landing and the human body gesture angle increase correspondingly. Conclusions： If horizontal velocity of the gravity center of human body when pushed off the horse is not reduced and its vertical velocity is increased， the human body will have more time and space to complete the second vault. The body has to stretch to some extent before landing， so as to reduce angular velocity of landing and enhance landing stability.
Key words： horse-vaulting； landing stability； computer simulation； velocity
收稿日期：2014-12-22
基金项目： 国家自然科学基金（10972062）；国家体育总局科教司项目（2014B036）；重庆三峡学院青年基金项目（14QN16）
作者简介：吴成亮（1984-），男，湖北人，硕士，讲师，研究方向为运动生物力学；向家俊（1965-），男，重庆人，本科，教授，研究方向为体育专业教育；徐波 （1965- ），男， 四川乐山人，博士，教授，研究方向学校体育。
作者单位： 1.重庆三峡学院，重庆 404100；2.浙江体育科学研究所，浙江杭州 310004；3.山东工商学院，山东烟台 264005；4.河北体育科学研究所，河北石家庄 050011
1. Chongqing Three Gorges University， Chongqing 404100， China； 2. Zhejiang Institute of Sport Science， Hangzhou， Zhejiang 310004， China； 3.Shandong Institute of Business and Technology， Yantai， Shandong 264005， China； 4. Shijiazhuang Institute of Sport Science， Shijiazhuang， Hebei 050011， China.
体操是我国的优势项目，但从伦敦奥运会和近几届世锦赛成绩来看，这个优势在逐渐缩小，与世界强队的差距正在扩大。体操落地技术是影响比赛成绩的关键因素，它不同于其他项目（如跳高、跳远） 的落地动作，它要求落地站稳不动。国际体联会（FIG）在2009年体操落地的评分规则中规定[1]，落地时脚移动一步将导致0.1～0.5的扣分；落地摔倒直接扣1分，而且还存在难度分认定不全风险。在当今的重大国际比赛中，运动员落地能否站稳不动，已成为能否夺冠和取得好成绩的决定性因素之一。跳马落地难度较大，也具有典型性，因此，研究跳马落地稳定性是体育科学工作者们关注的热点问题，并受到广大教练员和运动员的重视。跳马一般由8个动作阶段组成，包括助跑、趋步、踺子、踺子踏跳、第一腾空、推马、第二腾空和落地[2]。如今跳马不断地朝多轴的复合翻转方向发展，这无疑加大了落地稳定性的难度。黄强等[3]对27届奥运会我国男子体操选手落地稳定性进行统计与分析，结果表明落地动作完成较差，落地稳定的仅占43.19%。北京奥运会女子跳马落地稳定性也不乐观，在决赛16次试跳中，无一人能站稳，大部分选手落地会有一小步或中步移动，有4名运动员落地失败。可见，跳马落地稳定与否成为制约跳马成绩的关键因素。
目前，对跳马落地稳定性影响的研究主要集中在跳马落地技术与落地方式、肌肉组织的刚度和力量、心理调控能力等。严波涛等[4]对30人次的跳马落地进行分析，建立跳马落地的运动方程，指出落地的稳定性需要高质量的空中动作，旋翻转体周数尽量提前完成，留有充足的空间和时间展体收臂准备着地。姚吉庆[5]对体操跳马落地技术稳定性中分析指出，第二腾空阶段技术好坏直接影响着落地技术的稳定性；良好的空间、时间知觉和训练比赛中情绪变化也会影响到落地技术的稳定性。杨继美等[6]对体操运动员进行核心力量训练，提高其落地的稳定性。李旭鸿等[7]从人体肌肉骨骼系统具有缓冲减震的功能、落地垫的刚度和阻尼探讨落地的稳定性及下肢损伤风险。魏书涛[8]从人体下肢刚度及落地高度据探讨了落地缓冲特征。Hsiang等[9]研究认为有效地控制股四头肌和小腿肌可以提高落地的稳定性。Khaleghi等[10]对15名健康人进行起跳-落地研究，发现股四头肌的峰值力矩对落地稳定性影响最大。Pedro等[11]对6种落地垫进行研究，发现垫子的力学特性对人体落地稳定性影响较大。这其中大多数研究是运用生物力学原理对落地稳定性进行定性分析，鲜有实验数据作为支撑，且推理过程往往较为繁琐。所以本文在不考虑其它因素的提前下，旨在通过计算机建模与仿真技术，从速度和角度2个方面来分析跳马落地的稳定性。
1研究对象与方法
1.1研究对象
程某，中国体操跳马前世界冠军，1988年出生，身高1.52 m，体重41 kg。
洪某，朝鲜体操跳马前奥运冠军，1986年出生，身高1.54 m，体重42 kg。
1.2研究方法
1.2.1三维运动学分析
对程某和洪某完成的“踺子转体180°前手翻接直体前空翻转体180°”跳马动作，进行三维运动学分析。使用Troubleshooter高速摄像机拍摄，2台摄像机同在跑道一侧，夹角约70°，拍摄频率为250帧/s。采用SIMI Motion软件进行解析，获得人体运动轨迹坐标、速度等运动学数据。
1.2.2计算机仿真技术
基于MSC.ADAMS/ LifeMod运动仿真软件，输入受试对象的性别、年龄、身高和体重等人体形态参数，根据人体模型数据库 GEBOD（Generator of Body Data）中的回归方程计算得到环节长度、围度和人体惯性参数等，建立19环节的人体模型，各环节之间由不同自由度的铰链连接，共有52个自由度 [12]。在此人体模型基础上，对各环节的关节铰链赋予约束，并调整人体模型的初始姿态，使它更接近实际的运动状态；然后进行平衡分析，即将运动学解析得到的2人跳马动作中人体各个关节的三维坐标赋予三维人体模型，其目的是为了使人体模型的关节中心和实际人体关节运动坐标点相匹配。再按国标[13]建立（GB/T 23124-2008）跳马的落地环境，即与人体相接触的体操落地垫，并完成与人体模型的接触。通过逆向动力学分析，记录人体运动轨迹和各个关节力及力矩，再进行正向动力学分析，在关节力及力矩的驱动下，实现跳马运动员落地过程中的人体运动仿真。最后将人在推离马瞬间，身体重心的水平速度（Vx）和垂直速度（Vy）作为输入条件变量，改变该变量值，以100%、105%及110%人体重心水平速度（Vx）和垂直速度（Vy）组合输入，进行仿真实验，如图 1所示。
计算机仿真软件MSC.ADAMS/ LifeMod基于带乘子的拉格朗日方程，并根据人体模型最终建立如下方程[14]：
其中，M为广义质量矩阵，Q为广义外力矩阵，r，p为广义位移矩阵，Γ为广义角动量矩阵。最后需要输出的仿真实验结果为：落地瞬间人体的姿态角和人体重心的水平速度，如图2所示。
2 结果
表1为在推离马时将人体重心的水平速度（Vx）和垂直速度（Vy）作为变量输入仿真模型，通过计算机仿真实验后，得到落地瞬间人体的姿态角和人体重心的水平速度。从表1可以看出，当只增加推离马的水平速度（Vx）时，落地时的水平速度也相应增加，但是人体落地姿态角是先增加后下降的。当只增加推离马的垂直速度（Vy）时，落地时的水平速度没有增加，人体落地姿态角变化暂不显示规律性。当推离马的水平速度（Vx）和垂直速度（Vy）同时增加时，落地时的水平速度和人体落地姿态角都相应增加了。
图3程某推离马时重心不同垂直速度，人体盆骨中心高度-时间变化曲线（左），身体水平位移及第二腾空时间（右）
如图3所示，仅改变程某推离马时身体重心垂直速度，左图的实线表示该动作的实际速度（2.64 m/s，高速摄影解析得到的速度在这里称为实际速度），虚线“- -”表示105%实际速度（2.80 m/s），隔点虚线“-・-”表示110%的实际速度（2.94 m/s）；右图黑色方块和斜线方块分别代表在这3种重心垂直速度下第二腾空所用时间和人体重心水平位移，3条曲线可以明显地看到程某第二腾空阶段盆骨中心的高度随时间的变化情况，身体重心垂直速度越大，人体盆骨中心越高；从柱形图来看，身体重心垂直速度的增加，也带来人体的水平位移和第二腾空所用时间的增加。
图4程某推离马时重心不同水平速度，人体盆骨中心高度-时间变化曲线（左），身体水平位移及第二腾空时间（右）
如图4所示，仅改变程某推离马时身体重心水平速度，左图实线表示该动作的实际速度（3.17 m/s），虚线表示105%的实际速度（3.33 m/s）；右图黑色方块和斜线方块分别代表在这2种重心水平速度下第二腾空所用时间和人体重心水平位移。从曲线图可以看到，2条实线和虚线完全重合，看起来只有一条曲线，所以，身体重心水平速度的改变，对于骨盆中心高度没有变化。从柱形图上看，当身体重心水平速度增加了，人体的水平位移也会增加，但第二腾空所用时间没有增加。图5为程某（左）和洪某（右）跳马第二腾空及落地动作仿真图。
3分析与讨论
体操技术发展迅速，跳马空中动作越来越惊险、复杂，它既要表现出“高飘”，又要表现出舒展大方，最后落地要稳定，给人以美的享受。跳马落地瞬间，通常是决定成败的关键。随着跳马难度增加，落地的稳定性相对下降，如果不注意落地中的技术问题，还容易造成关节损伤，尤其是膝、踝关节[15]。人体运动的计算机仿真是运动生物力学理论方法中较高层次的研究内容[16]，它可以实现人体运动的计算机仿真实验及结果的可视化[17]，为揭示运动技术特点提供直观的素材，为教练员指导跳马训练提供科学的理论依据。
3.1跳马落地技术分析
落地技术是指跳马动作技术环节中，从脚接触体操落地垫，再经过缓冲到身体起立站稳阶段的技术[18]。落地技术稳定性实际上是指运动员根据不同的下法动作充分调整身体姿势，抵消倾倒力矩能力的稳定性。落地技术它包括相互联系的2个阶段：准备阶段、落地缓冲阶段。
准备阶段中，人体在空中完成各种动作难度后，两脚在还未触垫前，身体处于准备落地姿态。这一阶段对落地的稳定性有直接影响，跳马第二腾空动作一般以绕人体横轴较多。根据转动惯量原理：I=MR2 （其中M为人体的质量，R为人体的回转半径）。M不变，I与R2成正比，即R增大到原来的2倍，I就增大到原来的4倍。此外，I与角速度ω成反比（人在腾空之后，只受重力作用，根据动量矩守恒：Iω=常量），所以当R增大时，I随增大，而ω减小，即当人体转动的半径增大时，其转动速度相应减小。因此，在人体完成空翻动作后，身体要做一定的伸展，以减小落地时的角速度，增加落地的稳定性。另外，这样做同时增加肌肉的初长度，使落地时肌肉发挥更大的力量，有助于落地站稳。
落地缓冲阶段，此阶段又包括一个较短的冲击阶段和一个较长的平衡稳定阶段[19] 。在冲击阶段，脚-落地垫间存在较大的地面反作用力（GRF），其峰值随着推离马高度（第二腾空高度）增加而增大，大约是运动员自身体重（BW）的8～14倍，而在较长的平衡稳定阶段，其GRF 约为1BW[20]。落地缓冲技术是稳定的关键，其生物力学特点是落地瞬间的水平分力及翻转力矩，通过合理缓冲使之消失，垂直分力逐渐趋近体重，即人体所受的合外力、合外力矩为零。在缓冲制动过程中，动力矩M主动）必须始终大于破坏平衡的倾倒力矩M倾倒。当制动结束时M主动=M倾倒，此时人体站立不动。所以人体受到的合外力、合外力矩为零，是站稳不动的必要和充分的条件。冲击阶段双腿肌肉用力特点是由积极主动的退让性工作过渡到克制性工作；落地方式由脚尖落地过渡到全脚掌，原因在于足尖落地时足弓等部位较好的变形和缓冲、踝关节处肌肉的预激活等大大降低了脚跟的负荷[11]。双臂需要适度摆动，以保持平衡。
3.2跳马计算机仿真模型的落地速度及角度分析
跳马从推离马之后，人体重心运行的轨迹基本上是一个曲率不同的抛物线，而重心的速度无论从数值大小和方向都时刻在变化，到接触地面的瞬间达到最大值。落地的垂直速度与第二腾空高度有关，对落地发生倾倒的影响不大。落地的水平速度对落地稳定性影响较大，较高或较低的落地水平速度，落地时有可能向前或向后倾倒。在分析跳马落地时，人体与体操垫接触符合动量定理：
F=M（Vt-V0）/t
其中F为冲力（即地面给人体作用力的合力），M为人体质量，Vt为瞬时末速度，V0为瞬时初速度，t为人体接触地面缓冲时间。人体质量M一般短时间内不会改变，人体接触地面缓冲时间t越长，F会越小，落地会越稳定，但t与落地高度、动作控制、下肢神经肌内的控制和协调能力、肌肉组织的刚度和力量、落地方式和落地垫的力学特性等因素都有关[18]，相互关系较为复杂，不作详细讨论。本文假定t不变，只探讨落地的速度和角度对跳马落地稳定性的影响。落地瞬时末速度Vt 一般为零，所以当落地瞬时初速度V0越大时，F越大，人要落地站稳越难。落地垂直速度是由落地高度决定的，落地高度越高，第二腾空的时间越长，运动员有足够的时间完成翻腾和/或转体动作，这就越有利于跳马动作的完成，所以不应该以牺牲落地垂直速度为代价，影响落地高度。因此，减小落地时的水平速度，是增加落地稳定性的很好选择。但是过小的水平速度，可能引起落地阶段的远度不足，造成完成分（E分）被扣[1]。所以，在跳马的计算机仿真实验中，为了不影响落地稳定性，在不减小落地水平速度的情况下，应增加推离马的垂直速度，来增加第二腾空高度，这有利于跳马动作的完成。
本研究通过计算机仿真实验，只增加推离马的垂直速度，对于落地姿态角影响不大，在53～76°内呈不规则变化（见表1）。只增加推离马的水平速度时，落地姿态角先增加后减小，姿态角的减小是为了降低水平速度的增加对落地稳定性的影响。设人体落地时主矢和主矩不为零，主矢量与地面有夹角为 （如图2所示），则相对A点产生动量矩MA，其大小MA=mvrsin（θ- ）（顺时针方向），其中v为O点瞬间线速度（以A为支点，OA为半径r的转动）；重力相对A点产生重力矩M重=mgrcosθ（逆时针方向）。当MA=M重，人体落地站立不动，这是理想结果。当MA>M重或MA
若MA=M重，即mvrsin（θ- ）=mgrcosθ，
那么
在不考虑跳马落地失败的情况，由表1可知，人体落地姿态角θ范围在53°～76°，为锐角，又因为 ≤θ，则
假设当角 =0，即v正好等于人体落地水平速度，则
所以， v=g*cotθ
假设当 =90 °， v为人体落地垂直速度，此时落地无水平速度，落地的稳定性更多与人体落地缓冲能力有关。
通常情况下，运动员跳马落地是既有水平速度又有垂直速度。人体垂直速度给落地带来的不稳定因素更多与运动员的缓冲能力有关，本文不做讨论。而对于跳马中人体落地水平速度与落地姿态角应更多的考虑v=g*cotθ的函数关系，通过计算机仿真获知，人体落地姿态角θ范围在53°～76°，函数在该区间为减函数。所以，人体水平速度与落地姿态角应该呈负相关，即当水平速度增加时，落地姿态角必须减小才能满足落地的稳定性。但是落地姿态角减少，将使人在落地时控制平衡的难度增大，使落地稳定的风险增加。当推离马的水平速度和垂直速度同时增加时，落地姿态角和水平速度都会增加，MA将进一步增加，人体向后倾倒趋势增加，造成落地稳定的难度更大。
本文还对计算机仿真实验结果，进行了理论验证。根据抛物线运动原理，跳马第二腾空到落地过程，属于落地点在抛出点下的抛物线运动。设 为推离马瞬间身体重心速度， 为 与水平夹角，则有，推离马瞬间身体重心水平速度：Vx= ，垂直速度：Vy= 。
所以，⑤、⑦式分别说明在抛物线运动中，物体飞行时间和高度由初速度的垂直分量决定，而不受初速度水平分量的影响（不计空气阻力）。如图3所示，身体重心的垂直速度增加了，第二腾空高度和所用时间都会增加，有更多的时间和空间完成第二腾空动作，提高伸展身体，增加落地的稳定性。而在图4中，只改变了身体重心的水平速度，垂直速度没有改变，所以第二腾空高度和所用时间都没有发生改变，而落地的水平距离增加，这样就增加了落地稳定的难度。以上采用计算机仿真实验所得出的仿真结果，与抛物线运动原理相吻合，这就从抛物线运动原理对本研究中计算机仿真实验结果进行了理论验证。
4结论
本文利用高速摄影这一运动生物力学较为成熟的技术手段，获得人体运动三维坐标，再基于MSC.ADAMS/LifeMod多体动力学仿真软件，对跳马落地进行仿真实验。以跳马推离马时的水平速度和垂直速度作为变量，获得不同条件下的落地水平速度和落地姿态角，并分析它们对落地稳定性的影响。结果表明：在跳马落地的最佳策略为，在保持推离马时人体重心水平速度不减小的情况下，增加其垂直速度，能产生更多的时间和空间完成第二腾空动作，并为落地作积极准备；而在即将落地前，身体要做一定的伸展，以减小落地时的角速度，增大落地时的转动惯量，从而增加落地的稳定性。
诚然，本研究仅从落地速度和角度来评判落地稳定性，不可避免地存在一些局限性。本文将人体简化为多刚体模型，忽略了肌肉和软组织对运动的影响，本身会带来一定误差。尽管如此，但我们可以通过模型评估出很难在人体上测量的结果，从而确定最佳的运动模式。今后的研究方向需要将模型的效度不断提高，将肌肉和软组织引入。综上所述，计算机仿真技术也必将在运动训练指导及运动损伤预防上拥有广泛的应用前景。
参考文献
[1]国际体操联合会.女子竞技体操评分规则[S].2006.
[2]郝卫亚，姚侠文，庞乐.程菲跳运动学分析[J].中国体育科技，2007，43（6）：76-79.
[3]黄强，蒋小娟.对第27届悉尼奥运会我国男子体操选手落地稳定性的统计与分析[J].福建体育科技，2001，20（3）：16-19.
[4]严波涛，于长菊，张伯强.体操跳跃类动作落地稳定性的生物力学原理探讨[J].西安体育学院学报，1994.11（2）：64-71.
[5]姚吉庆.论竞技体操跳马落地技术稳定性[J]. 武汉体育学院学报，2003，37（3）：74-76.
[6]杨继美，李贵庆.对体操运动员核心力量训练与落地稳定性关系的探讨[J].武汉体育学院学报，2010，44（8）：74-78.
[7]李旭鸿，郝卫亚，于佳彬等.基于LifeMod对跳马过程中体操运动员―落地垫动力学关系的计算机仿真[J].体育科学，2013，33（3）：81-87.
[8]魏书涛.落地缓冲地面反力及下肢关节内力变化特征研究[D].上海：上海体育学院，2007.
[9]Hsiang Y T， Wei-HH， Wan J C，et al.Relationship between supinated and pronated foot with dynamic stability in jump-landing[J]. Journal of Biomechanics.2007，40（2）：204.
[10]Khaleghi M， Sadeghi H， Abbasi A.Relationship between peak torque of the lower limb muscles with dynamic stability in jump-landing[J]. Journal of Biomechanics.2007，40（2）：244.
[11]Pedro P S， Salvador L B， Gaspar M K，et al.Effects of mat characteristics on plantar pressure patterns and perceived mat properties during landing in gymnastics[J]. Sports Biomechanics.2010，9（4），245-257.
[12]吴成亮，郝卫亚.跳马过程中人-器械动力学关系的研究[J].中国体育科技，2011，47（6）：25-29.
[13]GB/T23124-2008.中华人民共和国国家标准跳跃平台[S].2008.
[14]刘雷.人体运动仿真建模方法研究[J].计算机仿真，2009（1）：166-168.
[15]弗拉基米尔M・扎齐奥尔斯基.运动生物力学[M].北京：人民体育出版社，2004：531-554.
[16]卢德明.运动生物力学测试方法[M].北京：北京体育大学出版社，2001.222-226.
[17]郝卫亚.人体运动的生物力学建模与计算机仿真进展[J].医用生物力学，2011.26（4）：97-103.
[18]李旭鸿，郝卫亚.落地冲击引起下肢损伤的生物力学研究进展[J].中国运动医学杂志，2013，32（2）：186-189.
运动技术的生物力学原理范文第7篇
关键词：影像解析法运动生物力学分析旋风脚转体7200接马步
空中击响阶段
中图分类号：G85 文献标识码：A 文章编号：1004―5643（2013）05―0060―04
1 前言
竞技武术套路在竞赛规则的导向作用下历经巨变，目前随着国际、国内的竞技武术套路水平的不断提高，处在同一层次的运动员在技术动作层面上的差距已日趋缩小，第一名和第二名之间有可能只有零点零几分的差距。统计发现“难度动作”和“连接难度”与比赛成绩以及名次的排定有着高度的正相关Ⅲ，因此，如何高质量地完成难度动作，以及怎样进行科学训练，提高动作完成的成功率，是摆在教练员和运动员面前的一个亟需解决的难题。为此本研究选择在武术套路比赛中出现率及失误率较高的旋风脚转体7200接马步技术运作，运用美国进口的motion影像解析系统对该技术动作进行全面的运动生物力学的分析与研究，为广大教练员和运动员掌握该技术动作特点，提高成功率，进行科学训练提供理论依据，同时也能为其它难度动作的分析，提供方法与结果上的借鉴。
2 研究对象与方法
2.1 研究对象
上海市武术队、上海体育学院武术队武英级运动员6名。
2.2 研究方法
2.2.1 文献资料法
通过手工、光盘及网络检索，查阅与本文有关的文献数据，查阅过程中主要围绕以下两个主题进行：一方面是有关竞技武术难度动作的研究，另一方面是有关生物力学方面的研究特别是有关武术动作的生物力学研究。
2.2.2 专家访谈法
咨询相关专家与学者，确定本次实验测试的程序，并指导现场测试。
2.2.3 生物力学实验测试与分析法
本次实验采用三维高速摄像的方法，在实验过程使用四台红外线高速摄像机（拍摄频率为120幅/秒），对测试对象所完成的技术动作进行分析与研究，每个动作均运用三维影像分析系统（Motion Analysis svstem）进行解析，各关节点原始数据经数字滤波平滑处理，截止频率为8Hz。
3 研究结果与分析
3.1 击响时机
对于旋风脚转体720°接马步动作中的腾空里合腿的击响时机，从目前所查阅的文献资料来看前人对此没有进行过深入的研究，但前人曾对旋风脚转体360°技术动作的击响时机作了一定的分析与研究，曾提出过在人体腾空转体270°时进行腾空里合腿的击响动作，在训练实践中也有人曾提出过在腾空的最高点进行腾空里合腿的击响动作，但始终没有形成定论。因此本研究试图分别从理论与实践两个方面对旋风脚转体720°接马步动作中的腾空里合腿的击响时机进行分析与研究。
（注：击响时髋轴已转过角度是指右脚最后一步着地瞬间至腾空里合腿击响瞬间两髋关节的联机在水平面内所转动的角度击响时肩轴已转过角度是指右脚最后一步着地瞬间至腾空里合腿击响瞬间两肩关节的联机在水平面内所转动的角度）
首先，从理论上来进行分析，根据里合腿动作的技术要求，运动员的右腿从体侧踢起向内作扇面摆动落下，做这样的一个扇面摆动的动作必然会引起右下肢远离人体旋转纵轴。根据力学中转动惯量和动量矩守恒的原理（转动惯量的大小仅与物体的质量有关，还与质量分布及转轴的位置有关，质量愈大、质量分布离轴愈远，转动惯量也就愈大；动量矩守恒定律I1ω1=12ω2=常量，在动量矩一定时，转动惯量与角速度成反比）可知，如果运动员在身体总重心处于腾空后的最高点时再进行腾空里合腿的击响动作，则势必会造成在人体腾空后身体总重心在上升至最高点的全过程及下降之初时人体正在进行腾空里合腿的起腿和收腿的动作，这必然会使右腿远离躯干中轴，致使人体绕纵轴旋转的转动惯量增大，旋转角速度减小，从而有可能会导致运动员没有足够的时间去完成腾空后的后续转体动作；同时根据力学原理在斜抛运动中人体总重心腾起的高度是由踏跳时的初速度和腾起角所决定，跟在腾起后是否进行身体的其它动作无关，因此如果在身体的总重心到达最高点之前完成腾空里合腿的击响动作将会使运动员有比较充分的时间完成空中转体约620°的技术要求。因此从理论上来讲，在身体总重心到达最高点之前进行腾空里合腿的击响动作，将有助于该技术动作的顺利完成。
其次，从本次测试的结果来进行分析，本研究分别从腾空里合腿击响动作完成的时间和完成腾空里合腿时身体髋关节的转动角速度两个方面对击响时机进行研究与分析。第一，从上表1及表2中可以看出，三名运动员在完成腾空里合腿的动作时，平均在0.275秒内髋关节转动了137.79°，从而可以看出三名运动员在进行腾空里合腿时身体绕纵轴旋转的角速度不大，如果按照这样的角速度要完成转体620°则需要1.237秒，而运动员的腾空时间平均为0.685秒。因此，如果运动员的身体总重心在到达最高点处才进行腾空里合腿的击响动作，则可能导致运动员在整个身体总重心的上升阶段及下落阶段之初的身体绕纵轴旋转的角速度不大，从而有可能会导致转体720°技术要求的不能顺利完成；第二，从上表1及表2中可以看出，三名运动员在完成旋风脚转体720°接马步动作过程中身体的腾空时间分别分杨××0.742秒、林××0.664秒、张××0.650秒，总体平均为0.685秒，为了便于分析与研究，把整个人体的运动看作为一个质点的运动，根据力学中斜抛运动的理论，在斜抛运动中质点到达最高点的时间同质点由最高点到着地的时间相等，因此三名运动员身体总重心到达最点的时间是身体腾空时间的1/2时，也即是离地后的0.371秒、0.332秒和0.325秒，平均为0.343秒时，而三名运动员的腾空里合腿的击响动作分别发生在离地后的0.308秒、0.292秒和0.225秒，平均为0.275秒时，平均是在身体重心到达最高点前0.068秒时进行腾空里合腿的击响动作；第三，从上表2中可以看出，本次研究中三名运动员在完成腾空里合腿的击响动作时髋关节所转动的角度分别是杨××232.39°、林××237.51°、张××244.81°，总体平均为238.24°，要小于前人所提出的在转体达270°时进行击响动作，如果按照前人所提出的在转体达270°时进行腾空里合腿的击响动作，三名运动员在髋关节转动达270°时，身体腾空后的时间分别为0.383秒、0.342秒、0.325秒，平均为0.350秒，也即在腾空后身体总重心从最高点开始下落之初，根据前文中的论述这显然不利于腾空转体720°技术的顺利完成。
终上所述，本研究认为旋风脚转体720°的腾空里合腿的击响技术动作应有别于“二起脚”的技术动作（二起脚的击响动作发生在身体总重心腾空最高点后0.055S时），在踏跳腾空后人体总重心尚未达到最高点处即进行腾空里合腿的击响动作将对于整个旋风脚转体720°接马步动作的成功完成能取到积极、有利的作用。同时从本次实验研究的结果来看前人所提出的在空中转体270°时进行腾空里合腿的击响动作有可能是针对旋风脚转体360°而言，不适宜于旋风脚转体720°接马步动作。
3.2 击响时身体姿势
（注：躯干与三个轴的夹角是指躯干与三个轴的正方向之间的夹角，右腿与躯干的夹角是指右侧髋关节与膝关节的联机与躯干之间的夹角，膝角是指同侧髋、膝、踝三点构成的夹角，髋角是指同侧肩、髋、膝三点构成的夹角）
在本研究中击响时身体的姿势，主要包括击响时躯干与三个轴之间的夹角、击响时右腿与躯干的夹角以及左侧下肢关节的各角度等，本研究认为击响时身体的姿势对空中转体时绕纵轴旋转的角速度的大小能产生较大的影响，因此击响时身体姿势对于空中转体技术的顺利完成有着十分重要的作用。
从表3可以看出三名运动员在腾空里合腿击响时右腿与躯干的夹角分别是53.51°、39.65°、42.21°，总体平均为45.12°，三名运动员之间存在着一定的差异，本研究认为腾空里合腿击响时右腿与躯干的夹角主要由运动员个人的身体柔韧所决定，夹角的大小在一定程度上反映了运动员个体柔韧素质的差异，但另一方面腾空里合腿击响时右腿与躯干的夹角在一定程度上还决定着空中转体时的转动惯量的大小，夹角越大右腿离躯干越远，则转动惯量越大，转动角速度则越小，越不利于身体在空中的旋转，直接有碍转体720°的顺利完成。
同时从上表3可以看出三名运动员在腾空里合腿击响时躯干与z轴的夹角分别是6.57°、20.5°、18.18°，平均为15.08°；与x轴的夹角分别是94.42°、108.99°、72.8°平均为92.07°；与y轴的夹角分别为95.21°、82.57°、90.17°平均为89.32°，说明三名运动员在击响时躯干没有保持直立，都在一定程度上存在着后仰或倾斜，旋转时如果身体不保持直立必然会增大转动时的转动惯量，影响旋转的角速度，不利于空中转体720°的完成。
理论上来讲，腾空里合腿击响时右腿与躯干的夹角越小，躯干与z轴的夹角越接近0°；与x、y的夹角越接近90°，越能使转动惯量减小到最小，这样就会使旋转角速度尽可能的增大，越有利于空中转体的完成。因此本研究认为，教练员在日常训练中，首先要着实提高运动员的身体柔韧素质，尽量减小运动员腾空里合腿击响动作时右腿与躯干的夹角，根据本次实验的解析结果，运动员在空中击响时右腿与躯干的夹角在53。左右也能顺利地完成该技术动作；其次要通过专门性的训练来提高运动员的空中本体感觉，尽量使运动员在完成空中击响及转体动作时身体保持正直，尽量减小身体绕纵轴转动时的转动惯量，增加转动角速度。
3.3 击响后两腿夹角的变化
注：两腿夹角是指人体腰骶连结与两膝关节所构成的三点角，顶点为人体腰骶连结。
在对影片进行解析的过程中发现，运动员在腾空里合腿击响动作完成后至两脚着地前，两腿有着一个先夹拢后分开技术动作，本研究认为运动员在击响后完成一个两腿的夹拢的技术动作，可以加快身体绕纵轴的转动，因为根据动量矩守恒的定律可知，当转动惯量减少时，可增大转动角速度，而运动员的两腿夹拢就可以使转动惯量减小，增大转动角速度，从而可以在一定程度上保证转体720的顺利完成。
竞赛新规则中要求运动员在落地时必须保持平衡不能出现跳动，根据运动生物力学的原理，人体承受纵向压缩负荷的能力要远远高于其它各类的转动负荷，而运动员着地前的积极的分腿恰恰就能增大身体绕纵轴旋转的转动惯量，以减小旋转角速度，从而可以达到减小落地时的转动负荷，因此本研究对着地前的分腿时机进行了一定的研究与分析。
在本次数据解析过程中不仅对三名运动员成功的动作进行了分析与研究，同时对林××的一次失误动作也进行了数据解析，发现林××在着地前两腿分开的时机与成功完成动作时大相径庭（见图1），从图1中我们可以看出三名运动员成功完成动作时的曲线都较平滑，而林××失误时的两腿角度变化曲线在放大后存在着一个明显的波峰与波谷，说明林××在腾空里合腿击响动作完成后，两腿夹角存在着一个收拢又略打开紧接着又有一个收拢的过程，尤其是第二收拢过程中两腿之间的夹角最小值仅为13.14°，当然这样较小的两腿夹角有助于身体绕纵轴的旋转，有利于转体720°的顺利完成，但通过解析发现林××在距着地前0.15S时两腿夹角开始出现第二次逐渐减小，并减小到13.14°，然后从着地前0.0667S开始从该角度逐渐增大直止两脚着地，本研究认为正是林××有了这样一个画蛇添足的过分夹腿过程才导致了他在落地时身体绕纵轴的旋转速度仍较大，致使落地时身体出现晃动，平衡不易控制，而同时反观三名运动员在成功完成动作时，他们分别在距着地前0.25S左右时开始分腿，从而有目的地使身体绕纵轴旋转的转动惯量增大，减小旋转角速度，因此在着地时身体的平衡易受控制，落地的稳定性得到了极大加强。
综上所述，本研究认为腾空里合腿击响动作完成后运动员进行一个两腿先夹拢后分开的技术动作，一方面有利于转体720°技术要求的顺利完成；另一方面有利于提高落地时的稳定性。
3.4 击响后两臂位置的变化
通过对数据的观察发现三名运动员在腾空里合腿的击响动作完成后，两手臂的移动轨迹存在着一定的规律性，即左右两肘在击响后都有一个向内同时向下的一个收拢的过程，左肘关节平均最下收至左肩下284mm处，右肘关节平均最下收至右肩下210mm处，本研究认为这样一个收肘的过程，可以加快空中转体动作的完成，因为根据动量矩守恒的定理，以及茹可夫转椅实验可知，当两臂张开时人体的转动惯量增大，减小人体绕纵轴转动的角速度，相反地，如果将两臂收至胸前，则可以使人体绕纵轴旋转的转动惯量减小，从而增大旋转的角速度，有利于空中转体动作的完成。而在落地前的两手臂的打开动作，也正是利用了动量矩守恒的定理，两手臂的打开可以增大身体绕纵轴旋转的转动惯量，从而减小身体的转动角速度，一方面可以减少落地后身体绕纵轴旋转的角速度，有利于落地的稳定性的提高，另一方面也可以减小落地后由于身体仍具有一定的旋转速度而对膝、踝关节产生一定的扭压力，可以在一定程度上预防落地时的膝、踝关节的受伤情况的发生。
4 结论与建议
旋风脚转体720接马步动作的空中击响阶段，要掌握以下三个关键点：
“早”――腾空里合腿的击响要早，在人体的总重心到达最高点之前（人体髋关节转动约238.24左右时）进行腾空里合腿的击响动作；
运动技术的生物力学原理范文第8篇
关键词:跳板跳水;运动学分析;跨跳步;控膝摆髋
中图分类号:G804.66文献标识码:A文章编 号:1007-3612(2009)05-0058-04
A Kinematics Analysis on the Swinging Limbs in the Stride Step o f Springboard
LIU Weiguo1, CHEN Xiaoguang2, LI Xin3, SONG gang1, LI U Hui4
(1.Sports school,Guangxi Normal University,Guilin541004 ,Guangxi China;2.Sports school,Henan Normal University,Xinxiang453007,Henan Chi na;4. Pilot College of Beijing University of Technology, Beijing101101, Chin a;3. Beijing Sport University, Beijing100084, China)
Abstract:10 elite springboard divers from national team are taken as research o bjects, and the paper does a kinematic analysis on their characteristics of swin ging limbs based on proper time phase of stride step. The results show that exce llent sank arms with straight elbows and raising arms with bendy elbows are prop er way of swinging arms; that in stridejump, swinging the thigh with a perfectfixed knee can increase the pressure on the springboard; that “rapid arm ascend i ng" and “high leg lifting" are good for pressing springboard and increasing theflight height. At the same time, the concrete kinetic parameter on both the harm ony between swinging the free bodies and stretching the sustaining leg and the t echnique of the swinging the thigh with fixed knee are gained.
Key words: springboard diving; kinematics analysis; stride step; Swingin g the thigh with fixed knee
摆动肢体的谐和运动是指人体自由肢体为了达到整体某一运动效果所进行的相对整个躯体的 局部运动[1-2]。自由肢体的摆动是跳板跳水跨跳步技术的重要组成部分,它的主 要任务有三:一是通过变换自由肢体的位置来改变人体重心的相对位置[3-5];二 是利用人体局部 加 速运动以改变人板间力的作用效果[5-8];三是调节身体平衡和维持动作稳定流畅 [9-11]。 跨跳步自由肢体的摆动运动往往有其一般规律,但因动作组别和技术风格不同而存在个体差 异,所以在完成动作时摆动方式的合理选择、摆动幅度的有效控制和摆动节奏准确调整是跨 跳步的基本技术,也是整个助跑技术“合板”的前提条件。可见,自由肢体摆动技术的熟练 掌握是跳板跳水助跑的基本技术要求,掌握好摆动技术是运动员在训练比赛中取得优异成绩 的重要保证,对跨跳步摆动肢体运动特征进行研究,有利于促进跳板跳水运动技术的完善和 发展。
1 研究对象与方法
1.1 研究对象本研究以国家队奥运阵容中10名优秀男子跳板跳水运动员为研究对象。受试者身高158～178cm不等,体重从52～70 kg不等,其中国际健将8人,健将2人。
1.2 研究方法
1.2.1 方案设计 一方面由于跳板跳水是难美型运动,本实验的技术难点是对运动员动作完成质量的评定和筛 选。为了提高各项技术参数指标的研究效度,本实验对所获资料进行筛选时,采用的评价标 准结合了专家评定与动作得分,所有文中选取的动作都是比赛和训练中专家认为完成较好, 且得分均在8分以上的动作。另一方面,由于运动员完成简单动作更有利于反映运动的内在 规律,所以本研究有意识地选取简单的103b动作来揭示其助跑的一般特征。
1.2.2 二维图像分析 采用一台型号为HDR-HC5E型号的摄像机对10名运动员103b动作进行定点常速拍摄,机位 距离走板运动画面垂直距离18 m,机头高出平衡状态下跳板平面1.1 m,主光轴垂直于运动 平面并指向运动画面的中心。对拍摄的运动图像,通过北京体育大学生物力学教研室开发研 制的视讯解析系统进行解析,采集频率为50场/s,利用扎齐奥尔斯基人体模型,所得数据 进行数字化滤波法平滑,截断频率为10。
1.2.3 数理统计 根据统计学原理,利用SPSS软件系统对测定的数据进行常规统计。*表示差异有显著性,** 表示差异非常有显著性。
2 结果与分析
跨跳步是从跨跳摆动腿着板到双脚着板的助跑步伐,是跳板跳水助跑向起跳过渡的关键环节 ,跨跳步完成质量直接 影响后续的起跳。其最终任务是 在维持身体平衡和稳定的条件下,获 得尽可能高的腾空,为双脚起跳创造尽可能大的下落冲量。
跨跳步摆动环节的运动是很复杂的,主要包括上肢运动和摆动腿运动,本文定义上肢从后向 前摆到体侧的运动状态叫零摆动,那么上肢运动可分为沉臂(指从跨步最大后摆到零摆动的 运动过程)、升臂(指从零摆动到最大上摆的运动过程)和伸臂(主要指腾空中手臂向上伸 直的调整运动);而摆动腿运动分为控腿(指摆腿前膝关节变小,而髋角变大的调整过程) 、摆腿(指膝关节相对身体由体后向体前摆动过程)、提腿(指膝关节相对身体由体前向上 运动过程)和并腿(指膝关节相对身体由上向下运动过程)(图1)。
2.1 上肢的运动学特征整个沉臂过程保持直肘(图2),且肩关节角速度持续增大(图3);而升臂是屈肘(图2) ,后阶段肩关节角速度减小(图3),远端摆动环节相对重心垂直向上,线速度先急剧 增大,而后快速减小(图4),且最大线速度对应肩角为70°;升臂结束后,有一较小( 肩关节增大9°)幅度的伸臂,起跳沉臂前有一较大幅度(肩关节增大17°)的伸臂(如图5 )。
摆臂方式不同(直肘沉臂而屈肘升臂)是摆臂各阶段目标各异的结果。沉臂的目的是通过改 变重心相对位置来增大缓冲过程中重心的落差,所以采用直肘沉臂来增大摆动环节对人板系 统的能量贡献。而升臂前阶段是通过增大摆动环节相对重心的向上加速度来增大压板力量, 所以运动员在沉臂末获得一个较大的摆动角速度基础上,继续积极升臂,通过提高(或保持 )摆动角速度来增大(保持)摆动环节向心加速度在垂直方向上的分量。同时做积极屈肘动 作,正是对积极升臂的保障。从肌肉解剖学角度分析,一方面,积极屈肘是积极屈肩引起上 肢多关节肌相同作用的结果(相同作用是指多关节肌收缩时使两个相邻环节作同一方向运动 的肌肉工作形式);另一方面,一定程度的屈肘有利于增大肘关节屈肌力矩,确保积极升臂 过程中前臂上摆动力。升臂后阶段(肩关节上摆70°,此时远端摆动环节相对重心垂直向上 线速度最大(图4),肩关节角速度逐渐减小接近于零(图3),且肘关节还有一定的伸 展,其目的是为了提高腾空前重心的相对高度。
升臂结束后两次明显的伸臂动作,十个人有同样的结果(图5),实际上是运动员对身体平 衡调整的结果。跳板是一种大弹性的器械,增加了运动中的许多不稳定性因素,为了维持身 体平衡,即使是最优秀的运动员也必须不断做出调整身体的动作。跨跳步的控制调整技术是 走板起跳的关键技术,其中跨跳腾空后的两次伸臂是对整个身体的“刚化”过程,以增大人 体对额状轴的转动惯量而减小制动引起的上体前倾。
2.2 摆动腿的运动学特征参见图6、表1,跨跳腿着板后,进入控腿阶段,摆动腿髋关节增大而膝关节减小(髋关节增 到177°,而膝角减为89°);向前摆腿时,摆动腿髋关节大幅前屈(角度177°～106°, 角速度为351°/s)而膝角几乎不变(角度98°～93°,角速度为34°/s),即采用控膝摆 髋;向上提腿时,摆动腿髋关节进一步变小(角度106°～87°,角速度118°/s)且膝角大 幅屈曲(角度83°～42°,角速度为208°/s);并腿阶段,摆动腿大幅、快速伸展(髋角8 7°～168°,膝角42°～171°,且膝关节达到下肢摆动角速度之最451°/s)。
摆动腿摆动的各阶段都有其各自的任务,控腿的目的是使摆动腿处于最佳的摆动姿势,摆腿 可通过增大摆动腿相对髋关节的向心加速度而增大压板力量;提腿的目的是使腾空前重心相 对位置升高,从而提高腾空后重心的绝对高度,并腿的作用与伸臂一样,有利于控制上体的 前倾。
运动员采用控膝摆髋技术是为了增大摆动腿的向心加速度。
首先摆动腿前摆是摆动腿绕髋关节的转动,如果前摆过程中前屈肌群的力矩作用效果一定( 即产生的角动量大小不变),摆动肢体的转动半径越小,摆动腿对髋关节的向心加速度越大 。而摆腿前的控腿实质上有两个效果:一方面增大了髋角,可能是通过扩大髋关节肌力矩的 作用空间来增大摆动腿的摆动角动量;另一方面,通过减小膝角而减小了摆动腿的摆动半径 。所以控腿是通过预先增大髋角和减小膝角来调整摆动姿势的,而后采用控膝摆髋增大向心 加速度来增大摆腿时的压板力量。
那么,运动员在控腿时,为什么膝角并没有减到最小呢?其中原因有两种可能性,一种可能 ,摆动腿前摆转为上提时,由于惯性小腿会有强烈前踢趋势,应有较强的屈膝力量以维持动 作的稳定,所以控腿时,膝角只能减小到屈膝力矩较大的特定角度;另一可能是由于髋关节 大幅后伸在膝关节处股四头肌出现伸展被动不足和股后肌群发生收缩主动不足,膝角不能进 一步减小。如果是后者,运动员在训练膝关节伸肌力量以增大蹬伸力量时,就应有针对性地 加强伸展肌群的柔韧性练习和屈膝肌群力量训练,以缓解这种被动不足和主动不足以增大屈 膝力矩。
2.3 摆动肢体与蹬伸肢体的时相特征参考表2,缓冲、控腿和沉臂几乎同时结束;上肢向上加速压板于板最低点前结束,而下肢 摆动压板在板最低点后完成;蹬伸、升臂和提腿同时完成,无“早升臂” 和“早提腿”的 现象;并腿在人体上升到最高点前4帧结束,且差异有显著性,即存在“早并腿”现象。
前面已经阐述过,摆腿和早期升臂的根本任务就是增大压板力量。有效的摆腿和升臂都将产 生强大的反作用力,只有摆腿和升臂在蹬伸阶段进行,才能使摆动的反作用力与向下蹬板的 作用力有效叠加,有利于“合板”以增大压板力量。所以运动员蹬伸前的缓冲与控腿、沉臂 同时结束是“合板”的体现。
关于“早升臂”(过去资料的“早上手”)的论述较多[11-14],早期的资料将其 作为一项 基本技术,认为在踏跳的最后阶段当膝关节尚未完全蹬直的情况下手臂就应迅速上摆到两耳 旁,也就是说在踏跳时沉臂完后的上摆动作要比支撑腿膝关节蹬直的动作早。并且要求每一 个运动员在入门时都要练好这一技术,在跳任何动作时都应发挥其优势。但是,从理论上分 析升臂的任务前期(实验结果为肩角70°前)是增加踏跳力量,而后期(肩角70°后)是提 高身体重心的相对位置。那么运动员只须升臂与蹬伸同步开始,在前期尽可能地加速上摆, 而后期于离板前结束,就可以达到理想的升臂效果,尤其是跳水踝关节蹬伸的末加速延迟了 人体离板,也为运动员升臂落后膝关节蹬伸提供了可能。可以说“升臂”的关键并不在其结 束时相的早,更重要的应突出升臂前期向上加速的快。所以跳水跨跳步“早升臂”并不是踏 跳技术的动作要领,而“快升臂”才是踏跳技术的基本要求。
提腿在动作结构上是向前摆腿的延续,出现在跳板回弹阶段。与在硬性支撑面上踏跳不同, 跨跳步提腿动作的目的不在于增大人板间的作用力(以增大人板间作用力而增大沉板幅度为 主要任务的是跨跳步摆腿),也不要求运动员在膝角蹬伸阶段完成提腿。与在硬性支撑面上 踏跳相同的是,跨跳步提腿动作的主要作用是提高人体重心的相对位置和调整身体姿势以完 成后续动作,所以运动员只须在离板前完成提腿动作,就可以达到增大离板后人体腾空绝对 高度的运动效果,而且跳板跳水踝关节蹬伸的末加速延迟了人体离板,这也为跨跳步提腿落 后于膝角蹬伸提供了可能。可见,提腿的要领并不在其结束时相的早,更重要应强调向上提 腿幅度的大,为了增大腾空后的绝对高度,“高提腿”才是跨跳步摆动腿的技术关键。
并腿与伸臂有同样的物理作用就是“刚化”身体,使整个人体的转动惯量增大,所以运动员 应尽早并腿,以减小水平制动产生的前翻运动。并腿还有与提腿相反物理作用,可降低人体 重心的相对高度,如果在离板前并腿就会降低腾空后的绝对高度,但如果上升到最高点前完 成并腿,则能通过降低重心相对位置而实现在外观上增加腾空高度,所以本文的“早并腿” 强调并腿于离板后开始,于最高点前结束。
3 结论与建议
1) 跨跳步摆动环节的运动是很复杂的。上肢运动可分为沉臂、升臂和伸臂,摆动腿运动分 为控腿、摆腿、提腿和并腿,运动空间与时相交织有序。
2) 跳板跳水只有蹬摆协调配合,才能有效“合板”。跨跳步应在支撑腿缓冲阶段完成控腿 和沉臂,在支撑腿蹬伸时同步积极摆腿和升臂以增加压板力量。
3) 摆臂方式的合理选择是“合板”的重要保证。跨跳步直肘沉臂有利于增大缓冲阶段人体 的重心落差,而升臂屈肘为上肢远端环节积极上摆提供了动力保障。
4) 控膝摆髋是跳板跳水特有增大人体压板力量的技术动作,要求膝角控制为(89°±3°) ,髋关节前摆从177°到101°。但跨跳步的控膝要求在伸髋的条件下大幅屈膝,股后肌群主 动不足和股前肌群被动不足可能是此项技术的限制因素,所以运动员应有针对性地加强股四 头肌的柔韧性练习和股后肌群的力量训练。
5) 跨跳步未出现“早升臂”(即过去资料的“早上手”)与“早提腿”的现象,优秀运动 员常常利用“快升臂”和“高提腿”来增大有效压板和腾空高度,并通过“早并腿”和伸臂 调整身体姿势以减小身体前倾。
参考文献:
[1] 刘卫国,李强,刘学贞.跳板跳水的生物力学研究进展[J].沈阳体育学院 学报,2006(4):63-65.[2] 吴延禧.跳水技术的生物力学研究[M].北京:人民体育出版社.
[3] 谢才明.试论走板起跳技术[J].跳水信息,1988(1):6-9.
[4] 徐益明.跳水手册.第一章基本技术教练.第4页
[5] 刘卫国,陈晓光,刘学贞,刘卉.优秀男子跳水运动员走板节奏的运动学分析[J]. 北京体育大学学报,2008,31(12):1655-1657.
[6] 成尔恒,王其宁,李连在.从生物力学的角度初探跳板跳水的起跳技术[J].中国体 育科技,1983(11):5-13.
[7] 刘卫国,刘学贞,刘卉.积极蹬伸“合板”的模型探究和因子分析[J].北京体育大 学学报,2005,28(12):1644-1646.
[8] 刘卫国,李强,刘学贞.优秀男子跳水运动员跳板起跳积极蹬伸时机的运动学分析[J ].西安体育学院学报,2006(3):98-100.
[9] 成尔恒,王期宁,李连在.从生物力学的角度初探跳板跳水的起跳技术,1982(10):5 -13.
[10] 刘卫国,张国庆,刘学贞.王峰走板步伐结构的运动学分析[J].山东体育学院学报 ,2005(6):108-110.
[11] 李连在.对跳板跳水走板技术的探讨[J].体育科技资料,1980(21):30-39.[12] 王其宁.运动生物力学在跳板跳水中的应用[J].中国体育科技,1985(1):26-31 .