吳成亮，郝衛(wèi)亞（.重慶三峽學院體育學院； .國家體育總局體育科學研究所）

女子跳馬過程中運動員與器械垂直反作用力研究

吳成亮1，郝衛(wèi)亞2（1.重慶三峽學院體育學院； 2.國家體育總局體育科學研究所）

跳馬；器械；垂直作用力

1 研究目的

通過運動學分析方法和生物力學建模與仿真方法，揭示這類技術(shù)動作的動力學規(guī)律與技術(shù)特點，為我國運動員發(fā)展該類型動作提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

（1）程菲，中國女子體操運動員，1988年5月出生，身高1.52 m，體重41 kg。

（2）洪淑貞，朝鮮女子體操運動員，1986年3月出生，身高1.54 m，體重42 kg。

2.2 研究方法

（1）對程菲和洪淑貞完成的“踺子轉(zhuǎn)體180°前手翻接直體前空翻轉(zhuǎn)體180°”(簡稱“R180”)，進行三維高速攝影拍攝（拍攝頻率為250幀/s），運動學分析后獲得人體三維運動坐標。

（2）根據(jù)多體動力學原理，利用MSC.ADAMS/ LifeMod軟件建立19環(huán)節(jié)的人體模型，將運動學解析得到的“R180”兩個動作中人體三維坐標賦予三維人體模型，并建立與人體相接觸的踏跳板、跳躍平臺（馬）和體操落地墊的跳馬環(huán)境，再對“R180”跳馬動作進行計算機仿真，然后進行結(jié)果處理。

3 結(jié)果

對“程菲R180”、“洪淑貞R180”兩跳馬動作進行動力學分析，獲得兩人與體操器械接觸時的垂直反作用力及其沖量特征如下。

圖1 “程菲R 1 8 0”踏板階段垂直反作用力Figure 1 Vertical Reaction Force at the Stepping Stage of "Cheng Fei R180"

圖2 “洪淑貞R 1 8 0”踏板階段垂直反作用力Figure 2 Vertical Reaction Force at the Stepping Stage of "Hong Sujong R180"

圖3 “程菲R 1 8 0”推馬階段垂直反作用力Figure 3 Vertical Reaction Force at the Horse-Pushing Stage of "Cheng Fei R180"

圖4 “洪淑貞R 1 8 0”推馬階段垂直反作用力Figure 4 Vertical Reaction Force at the Horse-Pushing Stage of "Hong Sujong R180"

圖5 “程菲R 1 8 0”落地階段垂直反作用力Figure 5 Vertical Reaction Force at the Landing Stage of "Cheng Fei R180"

圖6 “洪淑貞R 1 8 0”落地階段垂直反作用力Figure 6 Vertical Reaction Force at the Landing Stage of "Hong Sujong R180"

圖1～6是程菲和洪淑貞兩人在完成跳馬“踺子轉(zhuǎn)體180°前手翻接直體前空翻轉(zhuǎn)體180°”時，踏板、推手、落地3個階段中，人體與助跳板、馬、體操落地墊的接觸時垂直反作用力，實線表示各階段垂直作用力的大小，中間陰影面積表示其各階段的沖量值。引入體重倍數(shù)（BW）將垂直反作用力峰值歸一化處理，可以觀察到，程菲和洪淑貞兩人在踏跳和落地階段垂直反作用力峰值分別為7.5 BW、7.3 BW和8.9 BW、9.4 BW，數(shù)值大小非常接近，而在推馬階段，兩人垂直反作用力峰值分別為1.7 BW、2.4 BW，洪淑貞的要高出程菲的40%。

4 分析討論

4.1 踏板階段

如圖1、圖2，程菲、洪淑貞踏板階段垂直反作用力峰值分別為7.5 BW、7.3 BW，在運動學分析中，知道兩人踏板階段時間分別0.108 s、0.124 s，沖量，兩人沖量分別為121.6 N·s，162.5 N·s，洪淑貞的沖量比程菲的多出34%，根據(jù)動量定理：，洪淑貞的沖量大，說明洪淑貞踏板階段垂直速度變化量大，離板后的動量也大，又因為此階段踏板前后垂直速度方向相反，所以，洪淑貞在離板后有比程菲更大的垂直速度，這和運動學得出來的結(jié)果是相一致的。

另外，程菲垂直反作用力在踏板階段出現(xiàn)了一個短暫的小平臺期，結(jié)合高速錄像分析，程菲在踏板瞬間，身體已經(jīng)完成一定轉(zhuǎn)體，又由于程菲雙腳是斜著踏上板的，筆者推測在踏板的某一階段身體出現(xiàn)了一個小的調(diào)整，所以才會出現(xiàn)圖1中垂直反作用力小平臺期。

4.2 推馬階段

如圖3，程菲垂直反作用力呈雙峰型，峰值分別為553 N、556 N，兩值相近。前一個垂直反作用力峰值是在左手撐馬時出現(xiàn)，其峰值全部由左手貢獻；整個推馬階段，右手最大垂直反作用力為316.7 N，僅為左手峰值的57%，但右手在向上撐馬的同時，能防止身體繞其橫軸翻騰過度。

如圖4，洪淑貞垂直反作用力呈單峰型，峰值為846 N，出現(xiàn)在雙手撐馬時，垂直反作用力峰值大小約為程菲的1.5倍；程菲和洪淑貞在此階段的垂直沖量分別為72.8 N·s，75.3 N·s，根據(jù)動量定理，洪淑貞和程菲在推馬階段垂直速度損失也相近，但是由于洪淑貞第一騰空階段垂直速度減小得比較多，所以程菲在離馬瞬間的垂直速度要高于洪淑貞的，所以程菲的第二騰空高度也大于洪淑貞的。

仔細觀察圖3、圖4，洪淑貞推馬階段的雙手用力順序為：左右手依次撐馬，過渡到雙手撐馬，再雙手離馬過程，為通常說的“晚旋”（指運動員在脫離器械或地面后，先只有繞身體橫軸翻轉(zhuǎn)，而沒有繞身體縱軸旋轉(zhuǎn)）；而程菲推馬階段的用力順序為：左手撐馬、右手撐馬、雙手撐馬、左手離馬、右手離馬，近似一種“滾動式”撐馬技術(shù)，且根據(jù)高速錄像分析，程菲在推馬過程中，有繞身體縱軸旋轉(zhuǎn)跡象，即“早旋”，這種“滾動式”撐馬，它有利于在推馬階段就完成一定量的轉(zhuǎn)體，這樣既可以為第二騰空轉(zhuǎn)體做好充分的準備，同時也可以分擔一部分第二騰空的轉(zhuǎn)體圈數(shù)，這一技術(shù)對于完成高難度、多圈數(shù)的轉(zhuǎn)體動作具有一定意義，但是，這種“早旋”現(xiàn)象的發(fā)生，撐馬時就產(chǎn)生了一個旋轉(zhuǎn)力矩，勢必會犧牲一部分向上撐馬的力，“早旋”現(xiàn)象的出現(xiàn)可能會導致向上推馬動力不足，影響第二騰空高度；而且國際體操聯(lián)合會在體操跳馬專項完成扣分上規(guī)定：推馬階段，規(guī)定的縱軸轉(zhuǎn)體開始過早，B組裁判會扣0.1～0.5分，這是值得我們注意和深思的。

4.3 落地階段

如圖5、圖6，實線表示雙腳在落地階段，跳馬落地墊對人的垂直反作用力，陰影面積代表落地階段0.134 s內(nèi)總沖量（拍攝“洪淑貞R180”動作時，只有落地后0.134 s被采集到，所以都只計算兩人落地后0.134 s內(nèi)的沖量）。

表1 不同體育項目落地垂直反作用力峰值比較TableⅠ Peak Vertical Reaction Force at the Landing Stage ofthe Different Sports

如表1所示，本文研究結(jié)果與英國Chris Mills、Yeadon對跳馬落地仿真研究結(jié)果非常接近，他們的研究對象為身高1.77 m，體重75 kg男子體操運動員，落地垂直反作用力峰值約為10 BW，在落地后0.05～0.06 s達到峰值。

另外，Mcnitt-Gray使用測力臺的方法，對部分運動項目的落地反作用力進行了研究，如體操空翻落地垂直反作用力峰值為6.5～7.5 BW，排球攔網(wǎng)落地垂直反作用力為3～4 BW。以上數(shù)據(jù)表明，本文采用的計算機仿真方法，所獲得的落地垂直反作用力具有很好的可靠性。

5 結(jié)論

5.1 程菲跳馬在推馬階段，存在縱軸轉(zhuǎn)體開始過早現(xiàn)象，這可能導致其向上推馬動力不足，影響第二騰空高度，完善推馬階段技術(shù)動作，是程菲練習踺子轉(zhuǎn)體180°前手翻接直體前空翻類跳馬動作，包括“程菲跳”的關(guān)鍵所在。

5.2 本研究建立了適合應用于跳馬訓練實踐的、基于三維影像運動學分析的跳馬技術(shù)動作動力學分析的計算機仿真方法，該方法具有可靠性。

Vertical Reaction Force of Gymnasts and Apparatus in Women's Vault

WU Cheng-liang (Chongqing Three Gorges University)

vault; apparatus; vertical reaction force

G 804.6

A

1006-1207(2010)06-0019-02