吳成亮,向家俊,徐 波,李旭鴻,肖曉飛,劉建宇,劉 錚,史東林
體操是我國(guó)的優(yōu)勢(shì)項(xiàng)目,但從倫敦奧運(yùn)會(huì)和近幾屆世錦賽成績(jī)來(lái)看,這個(gè)優(yōu)勢(shì)在逐漸縮小,與世界強(qiáng)隊(duì)的差距正在擴(kuò)大。體操落地技術(shù)是影響比賽成績(jī)的關(guān)鍵因素,它不同于其他項(xiàng)目(如跳高、跳遠(yuǎn))的落地動(dòng)作,它要求落地站穩(wěn)不動(dòng)。國(guó)際體聯(lián)會(huì)(FIG)在2009年體操落地的評(píng)分規(guī)則[1]中規(guī)定:落地時(shí)腳移動(dòng)一步將導(dǎo)致0.1~0.5的扣分;落地摔倒直接扣1分,而且還存在難度分認(rèn)定不全風(fēng)險(xiǎn)。在當(dāng)今的重大國(guó)際比賽中,運(yùn)動(dòng)員落地能否站穩(wěn)不動(dòng),已成為能否奪冠和取得好成績(jī)的決定性因素之一。跳馬落地難度較大,也具有典型性;因此,研究跳馬落地穩(wěn)定性是體育科學(xué)工作者們關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題,并受到廣大教練員和運(yùn)動(dòng)員的重視。跳馬一般由8個(gè)動(dòng)作階段組成,包括助跑、趨步、踺子、踺子踏跳、第一騰空、推馬、第二騰空和落地[2]。如今跳馬不斷地朝多軸的復(fù)合翻轉(zhuǎn)方向發(fā)展,這無(wú)疑加大了落地穩(wěn)定性的難度。黃強(qiáng)等[3]對(duì)27屆奧運(yùn)會(huì)我國(guó)男子體操選手落地穩(wěn)定性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析,結(jié)果表明落地動(dòng)作完成較差,落地穩(wěn)定的僅占43.19%。北京奧運(yùn)會(huì)女子跳馬落地穩(wěn)定性也不樂(lè)觀,在決賽16次試跳中,無(wú)一人能站穩(wěn),大部分選手落地會(huì)有一小步或中步移動(dòng),有4名運(yùn)動(dòng)員落地失敗??梢?jiàn),跳馬落地穩(wěn)定與否成為制約跳馬成績(jī)的關(guān)鍵因素。
目前,對(duì)跳馬落地穩(wěn)定性影響的研究主要集中在跳馬落地技術(shù)與落地方式、肌肉組織的剛度和力量、心理調(diào)控能力等。嚴(yán)波濤等[4]對(duì)30人次的跳馬落地進(jìn)行分析,建立跳馬落地的運(yùn)動(dòng)方程,指出落地的穩(wěn)定性需要高質(zhì)量的空中動(dòng)作,旋翻轉(zhuǎn)體周數(shù)盡量提前完成,留有充足的空間和時(shí)間展體收臂準(zhǔn)備著地。姚吉慶[5]對(duì)體操跳馬落地技術(shù)穩(wěn)定性中分析指出:第2騰空階段技術(shù)好壞直接影響著落地技術(shù)的穩(wěn)定性;良好的空間、時(shí)間知覺(jué)和訓(xùn)練比賽中情緒變化也會(huì)影響到落地技術(shù)的穩(wěn)定性。現(xiàn)有大多數(shù)研究是運(yùn)用生物力學(xué)原理對(duì)落地穩(wěn)定性進(jìn)行定性分析,鮮有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支撐,且推理過(guò)程往往較為繁瑣;所以,本文在不考慮其他因素的前提下,旨在通過(guò)計(jì)算機(jī)建模與仿真技術(shù),從速度和角度2個(gè)方面來(lái)分析跳馬落地的穩(wěn)定性。
程某,中國(guó)體操跳馬前世界冠軍,1988年出生,身高1.52 m,體重41kg。
洪某,朝鮮體操跳馬前奧運(yùn)冠軍,1986年出生,身高1.54 m,體重42kg。
1.2.1 三維運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
對(duì)程某和洪某完成的“踺子轉(zhuǎn)體180°前手翻接直體前空翻轉(zhuǎn)體180°”跳馬動(dòng)作,進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。使用Troubleshooter高速攝像機(jī)拍攝,2臺(tái)攝像機(jī)同在跑道一側(cè),夾角約70°,拍攝頻率為250幀/s。采用SIMI Motion軟件進(jìn)行解析,獲得人體運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)、速度等運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。
1.2.2 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)
基于MSC.ADAMS/LifeMod運(yùn)動(dòng)仿真軟件,輸入受試對(duì)象的性別、年齡、身高和體重等人體形態(tài)參數(shù),根據(jù)人體模型數(shù)據(jù)庫(kù)GEBOD(Generator of Body Data)中的回歸方程計(jì)算得到環(huán)節(jié)長(zhǎng)度、圍度和人體慣性參數(shù)等,建立19環(huán)節(jié)的人體模型,各環(huán)節(jié)之間由不同自由度的鉸鏈連接,共有52個(gè)自由度[6]。在此人體模型基礎(chǔ)上,對(duì)各環(huán)節(jié)的關(guān)節(jié)鉸鏈賦予約束,并調(diào)整人體模型的初始姿態(tài),使它更接近實(shí)際的運(yùn)動(dòng)狀態(tài);然后進(jìn)行平衡分析,即將運(yùn)動(dòng)學(xué)解析得到的2人跳馬動(dòng)作中人體各個(gè)關(guān)節(jié)的三維坐標(biāo)賦予三維人體模型,其目的是使人體模型的關(guān)節(jié)中心和實(shí)際人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)點(diǎn)相匹配。再按GB/T 23124—2008建立跳馬的落地環(huán)境,即與人體相接觸的體操落地墊,并完成與人體模型的接觸。通過(guò)逆向動(dòng)力學(xué)分析,記錄人體運(yùn)動(dòng)軌跡和各個(gè)關(guān)節(jié)力及力矩,再進(jìn)行正向動(dòng)力學(xué)分析,在關(guān)節(jié)力及力矩的驅(qū)動(dòng)下,實(shí)現(xiàn)跳馬運(yùn)動(dòng)員落地過(guò)程中的人體運(yùn)動(dòng)仿真。最后將人在推離馬瞬間,身體重心的水平速度(vx)和垂直速度(vz)作為輸入條件變量,改變?cè)撟兞恐?,?00%、105%及110%人體重心vx和vz組合輸入,進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),如圖1所示。
圖1 跳馬落地建模與仿真實(shí)驗(yàn)流程
計(jì)算機(jī)仿真軟件MSC.ADAMS/LifeMod基于帶乘子的拉格朗日方程,并根據(jù)人體模型最終建立如下方程[8]:
其中:M為廣義質(zhì)量矩陣;Q為廣義外力矩陣;r、p為廣義位移矩陣;Γ為廣義角動(dòng)量矩陣。最后需要輸出的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果是:落地瞬間人體的姿態(tài)角和人體重心的水平速度,如圖2所示。
圖2 跳馬落地示意(a)和跳馬落地動(dòng)作的計(jì)算機(jī)仿真(b)
表1為在推離馬時(shí)將人體重心的水平速度vx和垂直速度vz作為變量輸入仿真模型,通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)后,得到落地瞬間人體的姿態(tài)角和人體重心的水平速度。從表1可以看出,當(dāng)只增加推離馬的水平速度vx時(shí),落地時(shí)的水平速度也相應(yīng)增加,但是人體落地姿態(tài)角是先增加后下降的。當(dāng)只增加推離馬的垂直速度vz時(shí),落地時(shí)的水平速度沒(méi)有增加,人體落地姿態(tài)角變化暫不顯示規(guī)律性。當(dāng)推離馬的水平速度vx和垂直速度vz同時(shí)增加時(shí),落地時(shí)的水平速度和人體落地姿態(tài)角都相應(yīng)增加了。
表1 程某、洪某在推離馬時(shí)不同水平速度和垂直速度下,落地瞬間身體姿態(tài)角和水平速度
如圖3所示,僅改變程某推離馬時(shí)身體重心垂直速度,左圖的實(shí)線表示該動(dòng)作的實(shí)際速度(2.64m/s,高速攝影解析得到的速度在這里稱(chēng)為實(shí)際速度),虛線“--”表示105%實(shí)際速度(2.80m/s),隔 點(diǎn) 虛 線 “-·-”表 示 110% 的 實(shí) 際 速 度 (2.94 m/s)。右圖黑色方塊和斜線方塊分別代表在這3種重心垂直速度下第2騰空所用時(shí)間和人體重心水平位移,3條曲線可以明顯地看到程某第2騰空階段盆骨中心的高度隨時(shí)間的變化情況,身體重心垂直速度越大,人體盆骨中心越高;從柱形圖來(lái)看,身體重心垂直速度的增加,也帶來(lái)人體的水平位移和第2騰空所用時(shí)間的增加。
圖3 程某推離馬時(shí)重心不同垂直速度,人體盆骨中心高度-時(shí)間變化曲線(左),身體水平位移及第二騰空時(shí)間(右)
如圖4所示,僅改變程某推離馬時(shí)身體重心水平速度,左圖實(shí)線表示該動(dòng)作的實(shí)際速度(3.17m/s),虛線表示105%的實(shí)際速度(3.33m/s)。右圖黑色方塊和斜線方塊分別代表在這2種重心水平速度下第2騰空所用時(shí)間和人體重心水平位移。從曲線圖可以看到,2條實(shí)線和虛線完全重合,看起來(lái)只有1條曲線;所以,身體重心水平速度的改變,對(duì)于骨盆中心高度沒(méi)有變化。從柱形圖上看,當(dāng)身體重心水平速度增加了,人體的水平位移也會(huì)增加,但第2騰空所用時(shí)間沒(méi)有增加。圖5為程某(左)和洪某(右)跳馬第2騰空及落地動(dòng)作仿真圖。
據(jù)統(tǒng)計(jì),2013年,湖南累計(jì)投入抗旱資金24.2億元,抗旱機(jī)電井25.5萬(wàn)眼、抗旱泵站3.86萬(wàn)處、機(jī)動(dòng)抗旱設(shè)備83.8萬(wàn)套、運(yùn)水車(chē)輛1.75萬(wàn)輛,完成抗旱灌溉面積1958萬(wàn)畝,挽回糧食損失300多萬(wàn)t,減少經(jīng)濟(jì)作物損失60億元,臨時(shí)解決了314萬(wàn)人的飲水困難,有效保障了群眾生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全。
體操技術(shù)發(fā)展迅速,跳馬空中動(dòng)作越來(lái)越驚險(xiǎn)、復(fù)雜,它既要表現(xiàn)出“高飄”,又要表現(xiàn)出舒展大方,最后落地要穩(wěn)定,給人以美的享受。跳馬落地瞬間,通常是決定成敗的關(guān)鍵。隨著跳馬難度增加,落地的穩(wěn)定性相對(duì)下降,如果不注意落地中的技術(shù)問(wèn)題,還容易造成關(guān)節(jié)損傷,尤其是膝、踝關(guān)節(jié)[9]。人體運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)仿真是運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)理論方法中較高層次的研究?jī)?nèi)容[10],它可以實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果的可視化[11],為揭示運(yùn)動(dòng)技術(shù)特點(diǎn)提供直觀的素材,為教練員指導(dǎo)跳馬訓(xùn)練提供科學(xué)的理論依據(jù)。
落地技術(shù)是指跳馬動(dòng)作技術(shù)環(huán)節(jié)中,從腳接觸體操落地墊,再經(jīng)過(guò)緩沖到身體起立站穩(wěn)階段的技術(shù)[12]。落地技術(shù)穩(wěn)定性實(shí)際上是指運(yùn)動(dòng)員根據(jù)不同的下法動(dòng)作充分調(diào)整身體姿勢(shì),抵消傾倒力矩能力的穩(wěn)定性。落地技術(shù)它包括相互聯(lián)系的2個(gè)階段:準(zhǔn)備階段、落地緩沖階段。
準(zhǔn)備階段中,人體在空中完成各種動(dòng)作難度后,兩腳在還未觸墊前,身體處于準(zhǔn)備落地姿態(tài)。這一階段對(duì)落地的穩(wěn)定性有直接影響,跳馬第2騰空動(dòng)作一般以繞人體橫軸較多。根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量原理:I=mR2(其中m為人體的質(zhì)量,R為人體的回轉(zhuǎn)半徑)。m不變,I與R2成正比,即R增大到原來(lái)的2倍,I就增大到原來(lái)的4倍。此外,I與角速度ω成反比(人在騰空之后,只受重力作用,根據(jù)動(dòng)量矩守恒:Iω=常量),所以當(dāng)R增大時(shí),I隨增大,而ω減小,即當(dāng)人體轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑增大時(shí),其轉(zhuǎn)動(dòng)速度相應(yīng)減小。因此,在人體完成空翻動(dòng)作后,身體要做一定的伸展,以減小落地時(shí)的角速度,增加落地的穩(wěn)定性。另外,這樣做同時(shí)增加肌肉的初長(zhǎng)度,使落地時(shí)肌肉發(fā)揮更大的力量,有助于落地站穩(wěn)。
圖4 程某推離馬時(shí)重心不同水平速度,人體盆骨中心高度-時(shí)間變化曲線(左),身體水平位移及第二騰空時(shí)間(右)
圖5 程某(左),洪某(右)跳馬第二騰空及落地仿真
落地緩沖階段,此階段又包括一個(gè)較短的沖擊階段和一個(gè)較長(zhǎng)的平衡穩(wěn)定階段[13]。在沖擊階段,腳-落地墊間存在較大的地面反作用力(GRF),其峰值隨著推離馬高度(第2騰空高度)增加而增大,大約是運(yùn)動(dòng)員自身體重的8~14倍,而在較長(zhǎng)的平衡穩(wěn)定階段,GRF大致為其體重[14]。落地緩沖技術(shù)是穩(wěn)定的關(guān)鍵,其生物力學(xué)特點(diǎn)是落地瞬間的水平分力及翻轉(zhuǎn)力矩,通過(guò)合理緩沖使之消失,垂直分力逐漸趨近體重,即人體所受的合外力、合外力矩為零。在緩沖制動(dòng)過(guò)程中,動(dòng)力矩M主動(dòng)必須始終大于破壞平衡的傾倒力矩M傾倒。當(dāng)制動(dòng)結(jié)束時(shí)M主動(dòng)=M傾倒,此時(shí)人體站立不動(dòng);所以人體受到的合外力、合外力矩為零,是站穩(wěn)不動(dòng)的必要和充分的條件。沖擊階段雙腿肌肉用力特點(diǎn)是由積極主動(dòng)的退讓性工作過(guò)渡到克制性工作;落地方式由腳尖落地過(guò)渡到全腳掌,原因在于足尖落地時(shí)足弓等部位較好的變形和緩沖、踝關(guān)節(jié)處肌肉的預(yù)激活等大大降低了腳跟的負(fù)荷。雙臂需要適度擺動(dòng),以保持平衡。
其中F為沖力(即地面給人體作用力的合力),m為人體質(zhì)量,vt為瞬時(shí)末速度,v0為瞬時(shí)初速度,Δt為人體接觸地面緩沖時(shí)間。人體質(zhì)量m一般短時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變,人體接觸地面緩沖時(shí)間Δt越長(zhǎng),F(xiàn)會(huì)越小,落地會(huì)越穩(wěn)定;但Δt與落地高度、動(dòng)作控制、下肢神經(jīng)肌內(nèi)的控制和協(xié)調(diào)能力、肌肉組織的剛度和力量、落地方式和落地墊的力學(xué)特性等因素都有關(guān)[18],相互關(guān)系較為復(fù)雜,不做詳細(xì)討論。本文假定Δt不變,只探討落地的速度和角度對(duì)跳馬落地穩(wěn)定性的影響。落地瞬時(shí)末速度vt一般為零,所以當(dāng)落地瞬時(shí)初速度v0越大時(shí),F(xiàn)越大,人要落地站穩(wěn)越難。落地垂直速度是由落地高度決定的,落地高度越高,第2騰空的時(shí)間越長(zhǎng),運(yùn)動(dòng)員有足夠的時(shí)間完成翻騰和/或轉(zhuǎn)體動(dòng)作,這就越有利于跳馬動(dòng)作的完成;所以不應(yīng)該以犧牲落地垂直速度為代價(jià),影響落地高度。因此,減小落地時(shí)的水平速度,是增加落地穩(wěn)定性的很好選擇,但是過(guò)小的水平速度,可能引起落地階段的遠(yuǎn)度不足,造成完成分(E分)被扣[1]。所以,在跳馬的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)中,為了不影響落地穩(wěn)定性,在不減小落地水平速度的情況下,應(yīng)增加推離馬的垂直速度,來(lái)增加第2騰空高度,這有利于跳馬動(dòng)作的完成。
本研究通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn),只增加推離馬的垂直速度,對(duì)于落地姿態(tài)角影響不大,在53°~76°內(nèi)呈不規(guī)則變化(見(jiàn)表1)。只增加推離馬的水平速度時(shí),落地姿態(tài)角先增加后減小,姿態(tài)角的減小是為了降低水平速度的增加對(duì)落地穩(wěn)定性的影響。設(shè)人體落地時(shí)主矢和主矩不為零,主矢量與地面有夾角為α(如圖2所示),則相對(duì)A點(diǎn)產(chǎn)生動(dòng)量矩MA,其大小MA=mvrsin(θ-α)(順時(shí)針?lè)较颍?,其中v為O點(diǎn)瞬間線速度(以A為支點(diǎn),OA為半徑r的轉(zhuǎn)動(dòng));重力相對(duì)A點(diǎn)產(chǎn)生重力矩M重=mgrcosθ(逆時(shí)針?lè)较颍.?dāng)MA=M重,人體落地站立不動(dòng),這是理想結(jié)果。當(dāng)MA>M重或MA<M重時(shí),則人體前倒或后倒。
若MA=M重,即mvrsin(θ-α)=mgrcosθ,那么 在不考慮跳馬落地失敗的情況下,由表1可知,人體落地姿態(tài)角θ范圍在53°~76°,為銳角,又因?yàn)棣痢堞?,則
假設(shè)當(dāng)角α=0,即v正好等于人體落地水平速度,則
假設(shè)當(dāng)α=90°,v為人體落地垂直速度,此時(shí)落地?zé)o水平速度,落地的穩(wěn)定性更多與人體落地緩沖能力有關(guān)。
通常情況下,運(yùn)動(dòng)員跳馬落地是既有水平速度又有垂直速度。人體垂直速度給落地帶來(lái)的不穩(wěn)定因素更多與運(yùn)動(dòng)員的緩沖能力有關(guān),本文不做討論。而對(duì)于跳馬中人體落地水平速度與落地姿態(tài)角應(yīng)更多地考慮v=gcotθ的函數(shù)關(guān)系,通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真獲知,人體落地姿態(tài)角θ范圍在53°~76°,函數(shù)在該區(qū)間為減函數(shù);所以,人體水平速度與落地姿態(tài)角應(yīng)該呈負(fù)相關(guān),即當(dāng)水平速度增加時(shí),落地姿態(tài)角必須減小才能滿足落地的穩(wěn)定性。但是落地姿態(tài)角減少,將使人在落地時(shí)控制平衡的難度增大,使落地穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)增加。當(dāng)推離馬的水平速度和垂直速度同時(shí)增加時(shí),落地姿態(tài)角和水平速度都會(huì)增加,MA將進(jìn)一步增加,人體向后傾倒趨勢(shì)增加,造成落地穩(wěn)定的難度更大。
本文還對(duì)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)行了理論驗(yàn)證。根據(jù)拋物線運(yùn)動(dòng)原理,跳馬第2騰空到落地過(guò)程,屬于落地點(diǎn)在拋出點(diǎn)下的拋物線運(yùn)動(dòng)。設(shè)v0為推離馬瞬間身體重心速度,φ為v0與水平夾角,則有,推離馬瞬間身體重心水平速度vx=v0cosφ,垂直速度vz=v0sinφ。
所以,式(5)和(6)式分別說(shuō)明在拋物線運(yùn)動(dòng)中,物體飛行時(shí)間和高度由初速度的垂直分量決定,而不受初速度水平分量的影響(不計(jì)空氣阻力)。如圖3所示,身體重心的垂直速度增加了,第2騰空高度和所用時(shí)間都會(huì)增加,有更多的時(shí)間和空間完成第2騰空動(dòng)作,提高伸展身體,增加落地的穩(wěn)定性。而在圖4中,只改變了身體重心的水平速度,垂直速度沒(méi)有改變,所以第2騰空高度和所用時(shí)間都沒(méi)有發(fā)生改變,而落地的水平距離增加,這樣就增加了落地穩(wěn)定的難度。以上采用計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)所得出的仿真結(jié)果,與拋物線運(yùn)動(dòng)原理相吻合,這就從拋物線運(yùn)動(dòng)原理對(duì)本研究中計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論驗(yàn)證。
本文利用高速攝影這一運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)較為成熟的技術(shù)手段,獲得人體運(yùn)動(dòng)三維坐標(biāo),再基于MSC.ADAMS/LifeMod多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件,對(duì)跳馬落地進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。以跳馬推離馬時(shí)的水平速度和垂直速度作為變量,獲得不同條件下的落地水平速度和落地姿態(tài)角,并分析它們對(duì)落地穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明:在跳馬落地的最佳策略為,在保持推離馬時(shí)人體重心水平速度不減小的情況下,增加其垂直速度,能產(chǎn)生更多的時(shí)間和空間完成第2騰空動(dòng)作,并為落地作積極準(zhǔn)備;而在即將落地前,身體要做一定的伸展,以減小落地時(shí)的角速度,增大落地時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,從而增加落地的穩(wěn)定性。
誠(chéng)然,本研究?jī)H從落地速度和角度來(lái)評(píng)判落地穩(wěn)定性,不可避免地存在一些局限性。本文將人體簡(jiǎn)化為多剛體模型,忽略了肌肉和軟組織對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響,本身會(huì)帶來(lái)一定誤差。盡管如此,但我們可以通過(guò)模型評(píng)估出很難在人體上測(cè)量的結(jié)果,從而確定最佳的運(yùn)動(dòng)模式。今后的研究方向需要將模型的效度不斷提高,將肌肉和軟組織引入。綜上所述,計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)也必將在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練指導(dǎo)及運(yùn)動(dòng)損傷預(yù)防上擁有廣泛的應(yīng)用前景。
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首都體育學(xué)院學(xué)報(bào)2015年5期