閆紅光,婁彥濤,吳松林

(沈陽體育學院運動人體科學系,遼寧沈陽 110102)

自由式滑雪空中技巧動作技術的運動生物力學原理探析

閆紅光,婁彥濤,吳松林

(沈陽體育學院運動人體科學系,遼寧沈陽 110102)

運用觀察、攝像解析方法和理論分析等方法,在歸納總結 19屆、20屆冬奧會的技術攻關與服務中形成的技術反饋報告的基礎上,從理論層面上闡述了該運動項目在助滑、出臺、空中及落地動作階段的力學機制及動作結構規(guī)律的內(nèi)在制約關系,并給出動作結構優(yōu)化的理論基礎,為備戰(zhàn) 21屆冬奧會提升運動訓練的科技含量、高質量地完成動作提供理論支持和科技保障。

自由式滑雪空中技巧;動作結構;力學原理

自由式滑雪空中技巧運動是由助滑、出臺起跳、騰空翻轉和落地四部分組成,是體操翻騰技術和滑雪技術的完美結合。在動作的完成過程中要求“穩(wěn)、難、準、美”,因此是一項技術性很強、具有很高的觀賞性和藝術表現(xiàn)力的體育運動項目。由于動作的難度和美感在運動員的比賽成績中占有非常重要的地位,因此我國自 80年代末 90年代初開展空中技巧項目以來,有關運動生物力學的學者專家就介入了該項運動的技術攻關與服務,并立項參與了 18、19和 20屆冬奧會的科技服務與攻關,在技術攻關與服務中運用運動生物力學的基本理論對該項目的動作結構的內(nèi)在力學規(guī)律進行研究探討,為該項運動成績的快速提高、高質量地完成動作提供了科技保障,受到運動員和教練員的肯定和歡迎,促進了該項體育運動事業(yè)的發(fā)展。在 20屆都靈冬奧會上,韓曉鵬曾先后憑借 bFdFF和 bLdFF兩個高難度動作一舉獲得了 250. 77分的最高分,而難度系數(shù)為 4.425的 bFdFF無論從起跳、空中姿態(tài)還是落地都可以用完美來形容,2名裁判都給了落地分滿分,為此實現(xiàn)了中國在冬奧會歷史上男子項目金牌零的突破,實現(xiàn)了中國在冬奧會歷史上雪上項目金牌零的突破。為了保持該項目的領先地位,實現(xiàn) 21屆冬奧會的備戰(zhàn)目標,筆者從運動生物力學角度對 18、19和 20屆冬奧會的技術攻關與服務中形成的技術反饋報告進行歸納總結,并從理論上闡述該運動項目動作結構的內(nèi)在力學規(guī)律,為提高 21屆冬奧會技術攻關與科技服務的水平,進一步提升運動訓練的科技含量以及運動員高質量地完成動作提供保障,并形成自由式滑雪項目的理論基礎。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

參與備戰(zhàn) 19屆、20屆、21屆冬季奧運會自由式滑雪空中技巧國家隊所有運動員的參賽動作。女子運動員兩周臺以 dff、bfdf動作為主,三周臺以 blff、bfff動作為主;男子參賽動作均以三周臺為主,主要動作是 bdfff、bfdff、bldff、bfff。各運動員主攻動作見表 1。

1.2 研究方法

1.2.1 現(xiàn)場觀察分析

在 19屆、20屆冬季奧運會備戰(zhàn)期間課題組成員長期隨隊進行技術攻關并定期撰寫技術反饋,在反饋的同時與教練員、裁判員、運動員進行交流、探討,分析內(nèi)在的運動生物力學規(guī)律。

表1 備戰(zhàn) 19、20、21屆冬奧會運動員及參賽動作一覽

1.2.2 運動攝像分析方法

采用多臺攝像機對參賽選手的主攻動作,進行了正側面定點、正后方、落地及全程掃描跟蹤拍攝,反復觀看不同角度的掃描動作錄像,并用 S IM I運動影像分析系統(tǒng)進行動作連續(xù)圖片的采集打印,對動作不同階段完成的時空特征進行準確的界定,并對定點影像資料進行解析、獲取所需運動學數(shù)據(jù)。

1.2.3 理論分析法 運用運動生物力學的基本理論對自由式滑雪空中技巧的動作內(nèi)在力學機制、動作的時空特征、動作結構之間的內(nèi)在規(guī)律運動進行理論層面的闡述,并給出高質量完成動作的發(fā)展趨勢和運動員應該具備的身體素質發(fā)展方向。

2 結果與分析

2.1 自由式滑雪空中技巧動作的結構劃分

自由式滑雪空中技巧動作由助滑、起跳、騰空和著陸四個部分組成。助滑階段由運動員在助滑坡上助滑開始到進入到過渡曲線時止;起跳階段指運動員開始做準備起跳動作——即進入跳臺過渡曲線至雙板尾離跳臺瞬時;騰空階段指運動員雙板尾離跳臺瞬時至雪板落地前瞬時;著陸階段指雪板落地前瞬時到運動員安全滑行到過渡區(qū)止。動作過程如圖 1所示。圖 1是 2006年 12月韓曉鵬一次高水平的雪上bFdFF動作。其中 a為助滑階段、b為起跳階段、c-g為騰空階段、h為著陸階段開始。

圖1 自由式滑雪空中技巧冬季跳臺動作組圖(韓曉鵬 bFdFF)

2.2 自由式滑雪空中技巧動作的結構的內(nèi)在力學規(guī)律探討

2.2.1 助滑階段的生物力學原理

觀察國內(nèi)外優(yōu)秀運動員的助滑距離可以發(fā)現(xiàn):自由式滑雪空中技巧動作運動員會根據(jù)不同的跳臺高度、不同的雪質、不同的風向風速、不同的室外溫度選擇不同的助滑高度,探究原因是上述諸多因素會對運動員的出臺速度產(chǎn)生影響,而只有助滑高度可進行人為控制,運動員會通過助滑高度的改變彌補其他因素對出臺速度產(chǎn)生的影響,保證在完成空中動作時需要的合適出臺速度。例如在氣溫較高、雪質較粘時運動員的助滑高度應適當增加或進行打蠟減少雪板和地面的摩擦。因此運動員應在平時的訓練中注意積累該方面的經(jīng)驗,進行速度的測試,并根據(jù)當時的場地及環(huán)境條件選擇合理的助滑高度。

2.2.2 起跳階段生物力學原理

自由式滑雪空中技巧的起跳動作是在特定的弧形跳臺上進行的,規(guī)則對起跳出臺瞬時的動作要求是:運動員離開跳臺之前瞬間,身體必須充分伸展,雙臂須引導運動,無論什么動作都要以髖、膝關節(jié)伸直,兩臂適當上擺,身體縱軸要與臺端點切線垂直的姿態(tài)出臺,在保證這種出臺姿勢之后再去完成各種類型和難度的動作。標準姿態(tài)見圖 2。此時反作用力基本通過人體重心,重力使人體產(chǎn)生向后旋轉力矩。

圖2 符合規(guī)則要求的起跳出臺瞬時動作

2.2.2.1 伸髖、伸膝的生物力學原理 事實上起跳出臺瞬時動作結束,就意味著人體獲得外動力過程的結束,出臺瞬時能否為后續(xù)的空中動作創(chuàng)設適宜的時空條件,是空中動作得以完成的保證,因此出臺動作至關重要。運動員在出臺瞬時如果伸膝不充分,在導致上體后仰的同時還會減小對臺面的作用力,使臺面產(chǎn)生的反作用力減小的同時,臺面的反作用力在身體重心上方通過并遠離身體 (圖 3)。地面反作用力的減小,將導致拋射角度小,重心拋物線軌跡相對低緩,騰空時間相對縮短;另外出臺瞬時獲得的翻轉動量矩增加,使人體繞橫軸的翻轉速度加快,會導致空中動作界限不清,從動作完成的結果看,運動員在相對短的時間完成動作,將影響動作的完成質量和動作的美感而被扣分。所以出臺瞬間要求身體充分伸展,髖、膝關節(jié)伸直,使人體獲得合理的拋物線,且滿足動作的美度要求。

圖3 不符合規(guī)則要求的起跳出臺瞬時動作

2.2.2.2 擺臂技術生物力學原理 從能量守恒的角度出發(fā),運動員為完成動作所需的能量主要由助滑起點的高低來決定。然而在實際完成動作時,影響這種能量變化的因素又是多方面的,諸如風速、摩擦等因素?！皫П凼健睌[臂技術通過合理的擺臂以及身體其他部位各動作環(huán)節(jié)匹配合理,動作協(xié)調(diào)、自然,手臂加速揮擺產(chǎn)生的慣性力,能增大起跳的力量(圖 2),使運動員在垂直起跳速度相對不足的情況下,獲得額外的垂直速度,進而獲得較大的拋射角度,使身體騰得更高,有利于增加滯空時間獲得足夠的騰空時間,以更好地完成空中技巧動作。所以運動員應充分認識擺臂的重要性。

以 dF類動作開始的動作組合是第一周人體要完成繞橫軸約 270°(360°減助滑區(qū)曲線 90°)繞縱軸 720°的空翻轉體動作,既橫軸一周配縱軸兩周的空中動作,要求繞縱軸具有較快的轉速,因此該動作起跳技術應為單臂式擺動。因為單臂式擺動使人體單側肢體產(chǎn)生加速度,導致地面對人體的反力不通過人體質心,人體獲得了初始的繞人體縱軸的動量矩,再疊加上的質量分布不對稱產(chǎn)生轉動效應,人體獲得較大的初始動量矩,能提高繞縱軸轉動的速度。因此建議 dF類動作在起跳時采用單臂式擺動技術起跳,以增加繞人體縱軸初始動量矩,增加人體繞縱軸的轉動速度,并且上體要前跟,減小繞橫軸的翻轉,使 dF階段結束在合理的時向。

2.2.2.3 出臺速度的分布與動作質量的關系 適宜的出臺速度是空中動作得以完成的保證。從運動學的觀點分析,空中技巧動作的騰空階段由兩個運動合成,一個是人體的拋物運動,一個是人體的翻轉運動。人體拋物運動的時空存在及人體出臺瞬時獲得的動量矩,構成人體在騰空階段完成翻轉動作的條件。實踐證明,騰空階段完成動作的條件及翻騰動作的技術水平?jīng)Q定著騰空階段的動作質量。事實上起跳出臺瞬時動作結束,就意味著人體獲得外動力過程的結束,出臺瞬時能否為后續(xù)的空中動作創(chuàng)設適宜的時空條件,決定后續(xù)動作的質量,因此出臺動作至關重要,是空中動作得以完成的保證。根據(jù)反饋數(shù)據(jù)統(tǒng)計的結果,二周臺速度大小分布范圍 11～13m/s,速度角度分布范圍為 61～69°;三周臺速度大小為 13～15m/s,角度為 67～71°。不論二周還是三周,速度和角度偏大的動作完成的質量相對較好。

2.2.3 騰空階段生物力學原理

2.2.3.1 騰空階段轉體動作的生物力學原理 所謂空翻轉體動作是指人體在繞額狀軸翻動的同時還繞垂直軸轉動的復合翻轉動作。空中技巧規(guī)則規(guī)定,運動員在空中完成動作時要有動作間的規(guī)定界限。具體要求是:在出臺瞬間不能有明顯的轉體動作,一個橫軸翻轉結束時要能判明運動員已經(jīng)完成了什么動作,然后才能進入下一個動作的翻轉。規(guī)則規(guī)定,橫軸翻轉至頭向上,身體縱軸呈垂直位時的前后 30°范圍開始的轉體動作視為合乎要求,在此范圍之外開始的轉體動作視為技術錯誤;頭向上身體呈垂直位時的后 30°之前結束的轉體動作視為合乎要求,否則視為技術錯誤[7]。如圖 4所示:

圖4 運動員騰空相鄰動作裁判得分要求

在一個動作組合完成后,運動員如果處于圖 4的 a到 c的位置之間,視為合乎要求的動作,相應的該動作將得到高分,否則將被扣分。由于參賽動作的空中技術多分為 F、dF類組合,在空中動作中人體繞橫軸與縱軸周數(shù)的匹配不同,因此在完成空中動作時要改變?nèi)梭w繞橫軸與縱軸的速度。人體在空中總動量矩近似守衡,所以運動員必須通過身體質量的分布改變達到動量矩的重新分配,進而實現(xiàn)人體繞橫軸與縱軸速度的重新分配。動量矩重新分配的原則應根據(jù)動量矩守衡原理:I1W1=I2W2,(I為轉動慣量,W為人體轉動角速度)根據(jù)公式可知,無論人體是繞橫軸翻轉,還是繞縱軸旋轉,均可通過改變轉動慣量達到改變轉動角速度的目的。如果要增加轉速應盡量減小身體的轉動慣量,轉動慣量的減小通過身體質量分布的改變來實現(xiàn),轉動半徑的減小來實現(xiàn),反之應增加身體轉動半徑。運動員通常通過上臂的擺動來實現(xiàn)。

通過大量的圖片分析可以看到,運動員在完成 dF類動作時,均在出臺瞬時有早轉現(xiàn)象,出臺時右腳的雪板比左腳的略靠前。為了避免早轉現(xiàn)象的發(fā)生,應從提高運動員空中轉體能力入手,因此應該增加身體力量的訓練,增加手臂的回轉速度,增加核心區(qū)域的力量訓練,減少軀體的彎曲,達到提高身體繞縱軸的轉體速度。

2.2.3.2 騰空階段速度的分布規(guī)律 根據(jù)大量的測量結果分析發(fā)現(xiàn)無論是哪類動作,騰空階段的速度在水平方向上和垂直方向上均呈現(xiàn)有規(guī)律的變化,見表 2,其變化趨勢如圖5、6所示。圖 5、6是韓曉鵬在做 dFFF動作時空中飛行時的速度——時間曲線。其他動作如 FdFF、dFF、FdF、LdFF、LTF等速度——時間圖形均有此特征。通過圖 5可知,運動員在空中飛行時水平速度為非勻速過程,速度的變化在一定的區(qū)間內(nèi)波動,同時垂直速度的變化也是一非勻變速的過程,觀察垂直速度與水平速度的變化,在無風的水池比賽中速度與人體的方位有密切的關系,測量結果見表 2。這說明運動員在空中的運動軌跡近似為拋物線,但有自身的運動規(guī)律,合速度在最高點出現(xiàn)最小值。在身體縱軸與大地垂直軸的角度成近 45°有趨勢性的變化發(fā)生。

表2 韓曉鵬 dFFF空中身體縱軸與大地垂直軸的夾角與速度的關系

圖5 人體重心VX、VY——時間曲線

圖6 人體重心合速度——時間曲線

2.2.4 運動員安全著陸時人體受沖擊力探討

落地穩(wěn)定性是決定勝負的十分重要的動作組成部分,穩(wěn)定的著陸技術是運動員成功完成動作的標志,也是運動訓練追求的最高目標。但運動員在完成難度動作時其成功率多半在 50%～70%的水平,優(yōu)秀選手可達到 80%左右的水平。影響運動員成功著陸的因素很多,如果從動作結構逆向循序找原因,其順序是:著陸動作本身——準備著陸動作——空中翻轉——起跳出臺——助滑上臺——出發(fā)點的選擇助滑為運動員提供適宜的出臺速度,空中動作的完成需要出臺速度提供時空保證,因此出臺速度是非常重要的因素?？罩腥绻^早完成翻轉動作會導致翻轉過度,在著陸瞬間會產(chǎn)生臀部或背部著陸而影響成績;如果出臺速度和空中翻轉速度不夠,會導致落地時上體過分前傾,剩余的動量矩會導致上體向前速度過大。適宜的出臺速度可以為運動員提供適宜的落地時的體位角,減小人體剩余動量矩,并使重力矩、反作用力力矩的總和最小,使下肢的關節(jié)角度易于控制,達到平穩(wěn)著陸順利滑出的效果。反之會導致運動員落地時的體位角過大或過小 (體位角是人體的軀干與著陸坡面的垂線的夾角),人體剩余動量矩增加,且 bF類動作落地時身體仍在轉動,此時運動員要想平穩(wěn)著陸需要由重力矩及下肢的肌肉力矩來克服人體剩余動量矩。尤其是當落地時人體的軀干與著陸坡面的垂線的夾角較大時,要通過髖膝關節(jié)的屈伸來調(diào)控重心的位置使其落在著陸坡面的垂線的上方。所以運動員的下肢肌群的抗沖擊能力、制動髖、膝肌群快速收縮力,對落地穩(wěn)定性的實現(xiàn)是有重要意義的。通過對成功動作的沖擊力計算,三周臺的分布范圍為體重的 6～7倍,為正常人體能承受的安全范圍。

除受上述技術因素影響之外,場地及天氣 (風向、風速)、以及教練員指揮上等非技術因素也并直接決定著陸的成功率。

3 動作結構的優(yōu)化探討

自由式滑雪空中技巧運動最終的評分原則為出臺動作20%,空中動作 50%,著陸 30%。裁判員根據(jù) FIS自由式滑雪裁判手冊 6004款確立的標準獨立評定運動員的技術表現(xiàn),每跳的分數(shù)乘以難度系數(shù)決定該跳的總分。運動員兩次跳躍的最終得分由每跳總分相加決定。因此最終以運動員穩(wěn)定的著陸動作宣告動作的成功。所以自由式滑雪空中技巧運動項目的目標要求運動員完成事先選定的動作,空中動作要求完成得高飄舒展,著陸時要求無手臂、臀及背部觸雪并平穩(wěn)滑下著陸坡。級別較高的運動員往往在落地穩(wěn)定性上出問題,這就是影響運動項目指標的因素,這一因素和落地動作的具體情況有關。對后空翻的空中動作,如果是落地前傾失穩(wěn),說明空翻速度不夠;如果落地是手在體后觸雪或臀觸雪則說明空翻轉動速度較快。影響空翻轉速的因素在起跳,影響起跳空翻速度的因素有立腰穩(wěn)度、擺臂、腿蹬伸強度、滑行速度等因素。在諸多因素中要施加生物力學因素來減少影響因素。如起跳時對頸頭、立腰、伸膝、屈踝等動作的對抗肌群進行同時施力控制,使這些運動偶角度不變就可減少控制因素,使控制變得簡單易實現(xiàn);滑行速度可用助滑高度來控制,可使控制因素變?yōu)橹挥袛[臂和腿蹬伸強度。出臺起跳腿蹬伸時有展髖動作會增大后空翻轉速,蹬伸時有收髖動作會減少后空翻轉速。這是因為展髖能增加支撐力的力臂從而增加支撐力對人體重心的力矩,使后空翻轉速加快,反之減慢。因此出臺動作至關重要,出臺動作的質量關系到后續(xù)動作的成功與否。這樣就給出了運動技術的生物力學原理,同時也給出了技術優(yōu)化的方法。

4 結論與建議

4.1 結論

1)出臺動作至關重要,出臺動作的質量關系到后續(xù)動作的成功與否。

2)出臺動作的速度是整套動作成功的關鍵,二周臺速度大小分布范圍 11～13m/s,速度角度分布范圍為 61～69°;三周臺速度大小為 13～15m/s,角度為 67～71°。不論二周還是三周,速度和角度偏大時動作完成的質量相對較好。

3)“帶臂式”擺臂方式,能增加人體與跳臺臺面之間的相互作用,從而使人體進入騰空狀態(tài)時具備相應量的動量矩;單臂式擺動使人體得較 (大的初始動量矩;人體進入騰空狀態(tài)后的翻轉形式和翻轉速度變化將通過肢體運動改變轉動慣量及完成總動量矩對不同軸的交換來實現(xiàn)。

4)運動員空中動作的水平和垂直速度呈規(guī)律性的波動,合速度總體分布呈拋物線形,但受水平和垂直速度波動的影響。

5)落地穩(wěn)定性受出臺和空中動作的制約,在轉體到位成功著陸時人體受到的沖擊力約是人體的 6～8倍,因此女子運動員有能力完成 3周臺動作。

4.2 建議

1)建議增加髖、膝關節(jié)伸肌力量的訓練,增加手臂的回轉速度的訓練,增加核心力量的訓練,以減少軀體的彎曲,達到提高身體繞縱軸轉動的目的。

2)建議 dF類動作在起跳時采用單臂式擺動技術起跳。3)建議增加下肢肌群的抗沖擊能力、制動髖、膝肌群快速收縮力的訓練,并在落地瞬間適度地屈髖,以減小地面的沖擊力,這對提高落地穩(wěn)定性具有重要意義。

[1]閆紅光.自由式滑雪空中技巧運動員歐曉濤、邱森 bdFFF動作的時空特征分析[J].沈陽體育學院學報,2005(2):49-51.

[2]孫立平.1998年全國自由式滑雪空中技術水池賽 bdF動作完成情況分析[J].冰雪運動,1999(4):41.

[3]郝慶威等.季曉鷗自由式滑雪空中技巧 bLFF水池動作的運動學研究[J].沈陽體育學院學報,2003(4):18-33.

[4]張永和,王永濤.淺談自由式滑雪空中技巧起跳環(huán)節(jié)中的擺臂技術[J].冰雪運動,2001(2):22.

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[6]戈炳珠.自由式滑雪空中技巧探究[M].北京:人民體育出版社, 2003.

Analysis on SportsM echan ics Principle of Freestyle Skiing Aerials

YAN Hongguang,LOU Yantao,WU Songlin
(D ept.of Hum an Sports Science,Shenyang Sport U niversity,Shenyang110102,L iaoning,China)

The authors of this paper used the m ethods of observation,photograph analysis and theoretical analysis,in the summ ary of the19th and20th W inter O lympic of technologies and services in the form of technical feedback the basis of the report,not only on the structure of the m echanicalm echanism and m oves the relationship betw een the law of the internal constraints in the elaborated stage of helping slides,releasing,airborne and the landing m ovem ent,but also gived action to opt im ize the structure of the theoretical basis for preparing for the21stW inter O lympics sports training to enhance the scientific and technological content,high-quality completion of action to provide theoretical support and technical safeguard.

freestyle skiing aerials;action structure;m echanics principle

G863.12

A

1004-0560(2010)01-00012-05

2009-12-06;

2010-02-26

國家體育總局奧運攻關課題:國家隊自由式滑雪空中技巧運動員出臺技術、下肢肌肉力量與落地穩(wěn)定性關系的研究,項目編號為07135。

閆紅光(1963-),女,教授,碩士,主要研究方向為人體運動力學分析與肌肉工作性質的評價。

責任編輯:喬艷春

?體育人文社會學