龔 睿紀(jì)仲秋李 林王雪燕于立強(qiáng)

（1.北京師范大學(xué)體育與運(yùn)動(dòng)學(xué)院，北京 100875；2.吉林體育學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

中外優(yōu)秀花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員難度跳躍動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究*

龔 睿1紀(jì)仲秋1李 林1王雪燕1于立強(qiáng)2

（1.北京師范大學(xué)體育與運(yùn)動(dòng)學(xué)院，北京 100875；2.吉林體育學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

花樣滑冰跳躍動(dòng)作過(guò)程可分為以下五個(gè)階段：助滑、緩沖、起跳、騰空和落冰。采用三維錄像DLT分析法，對(duì)參加世界花樣滑冰大獎(jiǎng)賽的我國(guó)運(yùn)動(dòng)員及世界優(yōu)秀選手的跳躍動(dòng)作進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)分析，得出運(yùn)動(dòng)員起跳后在垂直方向的騰空高度和速度、水平方向的速度、轉(zhuǎn)體角速度、騰空時(shí)間、環(huán)節(jié)角度等運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)；肌電數(shù)據(jù)使用Noraxon 8通道無(wú)線遙測(cè)表面肌電測(cè)試儀進(jìn)行采集并進(jìn)行了科學(xué)的分析。本研究得出的結(jié)論認(rèn)為，高質(zhì)量的跳躍動(dòng)作是助滑速度最快化、支撐腿肌力最大化和上下肢收緊展開(kāi)最優(yōu)化所組成的，助滑最快化是前提，肌力最大化是基礎(chǔ)，肢體收展最優(yōu)化是保障。

花樣滑冰；世界花樣滑冰大獎(jiǎng)賽；難度跳躍動(dòng)作；積分肌電；運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)

1 前言

花樣滑冰作為冬季奧運(yùn)會(huì)的冰上比賽項(xiàng)目之一，結(jié)合了體育運(yùn)動(dòng)的力量與技巧、藝術(shù)表演的音樂(lè)與舞蹈[1]。跳躍動(dòng)作作為花樣滑冰比賽中得分最高的動(dòng)作類(lèi)型，其難度的高低以及完成的質(zhì)量直接影響運(yùn)動(dòng)員的最終成績(jī)。要完成一個(gè)指定的跳躍動(dòng)作，其中有3個(gè)重要的因素：垂直方向的起跳速度、相對(duì)身體縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的控制以及上下肢的伸展節(jié)奏[2]。

近年來(lái)隨著花樣滑冰技術(shù)水平的不斷提高，高水平運(yùn)動(dòng)員在保證其他組合動(dòng)作不失誤的情況下，都在努力運(yùn)用高難度的跳躍動(dòng)作獲取較高加分[3]。我國(guó)花樣滑冰選手從九十年代開(kāi)始成長(zhǎng)迅速，在優(yōu)勢(shì)項(xiàng)目雙人滑新實(shí)現(xiàn)老交替的同時(shí)著重提高單人滑運(yùn)動(dòng)員技術(shù)，逐步培養(yǎng)運(yùn)動(dòng)員的藝術(shù)底蘊(yùn)，實(shí)現(xiàn)整體競(jìng)技水平的提升[4]。國(guó)內(nèi)花樣滑冰的運(yùn)動(dòng)專(zhuān)項(xiàng)研究明顯不足，特別是主要得分點(diǎn)——難度跳躍動(dòng)作，這在很大程度上制約了此項(xiàng)運(yùn)動(dòng)的進(jìn)一步發(fā)展和高難度動(dòng)作的創(chuàng)新。從項(xiàng)目發(fā)展的角度出發(fā)，加大相應(yīng)的科學(xué)研究，提高國(guó)際賽場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力，才能最終提升花樣滑冰項(xiàng)目的知名度，得到大眾的關(guān)注和參與[5]。

2 研究對(duì)象及方法

2.1 研究對(duì)象

世界花樣滑冰大獎(jiǎng)賽中的10名運(yùn)動(dòng)員，以及競(jìng)技狀態(tài)良好的2名現(xiàn)役國(guó)家隊(duì)男子運(yùn)動(dòng)員。

2.2 研究方法

三維標(biāo)定：將拍攝的范圍規(guī)定在約10m×20m的范圍內(nèi)。按左、右依次用PEAK三維框架進(jìn)行了標(biāo)定。有實(shí)驗(yàn)對(duì)該標(biāo)定精度進(jìn)行測(cè)量，精度誤差不超過(guò)3%，能夠滿足本研究的需要。于比賽前和后，在不移動(dòng)攝像機(jī)的情況下，對(duì)框架進(jìn)行拍攝。

現(xiàn)場(chǎng)拍攝：在比賽過(guò)程中，使用兩臺(tái)日本JVC

GR-DVI9800sH 攝像機(jī)2臺(tái)在比賽現(xiàn)場(chǎng)從冰場(chǎng)兩側(cè)定點(diǎn)同步拍攝運(yùn)動(dòng)員跳躍動(dòng)作技術(shù)的三維錄像，拍攝頻率為50Hz。

影像解析：通過(guò)艾立爾軟件處理分析運(yùn)動(dòng)員技術(shù)動(dòng)作錄像。根據(jù)艾立爾模型構(gòu)造人體16個(gè)主要的模型參數(shù)，對(duì)整個(gè)跳躍動(dòng)作過(guò)程進(jìn)行解析。然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行DLT法處理，將二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維數(shù)據(jù)，用數(shù)值濾波法進(jìn)行平滑，并計(jì)算輸出相關(guān)的數(shù)據(jù)資料。根據(jù)技術(shù)動(dòng)作的數(shù)據(jù)資料結(jié)合花樣滑冰跳躍動(dòng)作基本原理進(jìn)行分析研究。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試法：肌電數(shù)據(jù)使用NORAXON 8通道無(wú)線遙測(cè)表面肌電測(cè)試儀進(jìn)行采集，使用MRXP Master 1.07肌電分析軟件對(duì)原始肌電信號(hào)進(jìn)行處理，原始肌電信號(hào)經(jīng)帶通濾波(截止頻率20－500Hz)，全波整流，RMS（300ms）平滑處理。

數(shù)理統(tǒng)計(jì)：使用SPSS18.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析檢驗(yàn)。所有測(cè)試指標(biāo)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示。以P ＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，應(yīng)用配對(duì)樣本T檢驗(yàn)分析各指標(biāo)間的差異。

3 結(jié)果與分析

3.1 跳躍動(dòng)作肌肉電信號(hào)

對(duì)國(guó)家花樣滑冰隊(duì)兩名王姓優(yōu)秀男子運(yùn)動(dòng)員（以下分別由運(yùn)動(dòng)員1、運(yùn)動(dòng)員2表示）從起跳蹬伸到落地時(shí)下肢肌電分析，選取肌肉均為支撐腿的脛骨前肌(Tibialis anterior)、腓腸肌內(nèi)側(cè)頭(Medial gastrocnemius)、股直肌( Rectus femoris)、股二頭肌長(zhǎng)頭(Biceps femoris)，其中運(yùn)動(dòng)員1為后內(nèi)點(diǎn)冰三周跳，運(yùn)動(dòng)員2為后外點(diǎn)冰三周跳。

根據(jù)對(duì)圖1和圖2波峰出現(xiàn)的時(shí)間分析，運(yùn)動(dòng)員1和運(yùn)動(dòng)員2都是支撐腿的脛骨前肌和股直肌最先發(fā)力，這兩塊主動(dòng)肌在起跳階段為蹬伸提供主要?jiǎng)恿?。此時(shí)作為拮抗肌的腓腸肌和股二頭肌則都在后期開(kāi)始發(fā)力，但兩位運(yùn)動(dòng)員仍有較大區(qū)別。運(yùn)動(dòng)員1在起跳階段拮抗肌均處于極低的發(fā)力狀態(tài)，幾乎完全放松直到在落地時(shí)轉(zhuǎn)換成主動(dòng)肌群，而運(yùn)動(dòng)員2的四塊肌肉在起跳階段都有較大放電，說(shuō)明下肢處于非常緊張及不協(xié)調(diào)的狀態(tài)[6]

圖1 運(yùn)動(dòng)員1下肢各肌肉肌電值

圖2 運(yùn)動(dòng)員2下肢各肌肉肌電值

通過(guò)對(duì)原始肌電信號(hào)進(jìn)行分析處理，運(yùn)動(dòng)員1起跳過(guò)程中發(fā)力最大的肌肉是脛骨前肌和股直肌，腓腸肌內(nèi)側(cè)頭和股二頭肌長(zhǎng)頭的發(fā)力較小。運(yùn)動(dòng)員2在起跳過(guò)程中腓腸肌內(nèi)側(cè)頭和股直肌的發(fā)力最大，其次是脛骨前肌也有較大發(fā)力，最小的是股二頭肌長(zhǎng)頭。運(yùn)動(dòng)員1的支撐腿肌肉力量充分且協(xié)調(diào)，在視頻中針對(duì)動(dòng)作分析后發(fā)現(xiàn)其跳躍動(dòng)作緩沖合理，起跳蹬伸流暢有力。運(yùn)動(dòng)員2在起跳前有一個(gè)明顯的停頓，整體起跳節(jié)奏把握得并不理想，支撐腿肌肉的過(guò)于緊張是導(dǎo)致起跳效果不佳的主要原因之一[7-8]。

表2 下肢各肌肉IEMG肌電值/μv·s

股直肌 201 372股二頭肌長(zhǎng)頭 132 151

3.2 質(zhì)心速度參數(shù)分析

對(duì)男子運(yùn)動(dòng)員閆某和科夫頓的后內(nèi)點(diǎn)冰三周跳以及女子運(yùn)動(dòng)員李某、安娜的后內(nèi)點(diǎn)冰三周跳進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

運(yùn)動(dòng)員起跳分為下擺和上擺兩個(gè)階段。①下擺期：身體依然保持緩沖時(shí)的直立姿勢(shì)，無(wú)任何轉(zhuǎn)體動(dòng)作。兩臂和浮足的下擺要連續(xù)快速，鞭打動(dòng)作要快速有力，擺動(dòng)要緊靠身體。避免出現(xiàn)追求高周數(shù)而出現(xiàn)提前預(yù)轉(zhuǎn)和浮足側(cè)擺情況。②上擺期：滑腿由深曲轉(zhuǎn)為快速蹬直，要做到果斷迅速。在蹬直腿的過(guò)程中，兩臂和浮足要沿起跳弧線的切線方向的前上方擺出，為了盡早進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)期，提高平均的旋轉(zhuǎn)速度，要采用邊擺邊收和小擺早收的技術(shù)，同時(shí)也有利于保持跳躍時(shí)的穩(wěn)定性。運(yùn)動(dòng)員起跳時(shí)施加動(dòng)力，可進(jìn)一步提高其質(zhì)心速度和旋轉(zhuǎn)的角動(dòng)量。起跳必須在瞬間內(nèi)完成，才能保證整個(gè)動(dòng)作的流暢和成功[9]。

運(yùn)動(dòng)員的主運(yùn)動(dòng)方向與空間坐標(biāo)的關(guān)系如圖3所示，X軸與運(yùn)動(dòng)員前進(jìn)主方向平行，Y軸表示左右兩側(cè)方向，Z軸表示垂直方向。

圖3 運(yùn)動(dòng)方向坐標(biāo)系

閆某在起跳過(guò)程的參數(shù)如圖4，起跳蹬伸過(guò)程用了0.32s；由X、Y軸計(jì)算的水平方向質(zhì)心速度從5.62 m·s-1下降至2.91 m·s-1，減少量為2.71 m·s-1；Z軸垂直方向質(zhì)心速度達(dá)到3.08 m·s-1，離冰后身體的騰起角度為31.0°?？品蝾D在起跳過(guò)程的參數(shù)如圖5所示，起跳蹬伸過(guò)程用了0.24s，由X、Y軸計(jì)算的水平方向質(zhì)心速度從5.68 m·s-1下降至2.61 m·s-1，減少量為3.07 m·s-1；Z軸垂直方向質(zhì)心速度增加到2.84 m·s-1。由此獲得的離冰后身體的騰起角度為29.8°。

在兩人Y軸方向質(zhì)心速度相近的情況下，閆某X軸方向的質(zhì)心速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于科夫頓，從而使得質(zhì)心三維合速度要明顯高于對(duì)手。在垂直和水平方向質(zhì)心速度均占有優(yōu)勢(shì)的情況之下，閆某的后內(nèi)點(diǎn)冰三周跳擁有足夠的騰空高度和跳躍遠(yuǎn)度，動(dòng)作完成的質(zhì)量非常高，空中滑行做到即飄又遠(yuǎn)[10]。閆某Z軸方向質(zhì)心速度并非平穩(wěn)上升，而是在0.12s時(shí)出現(xiàn)了下降，原因是閆某支撐腿的膝關(guān)節(jié)角度僅為101.8°，而科夫頓的膝關(guān)節(jié)角度為127.7°，導(dǎo)致大腿主要伸肌群未能處于最大發(fā)力狀態(tài)[11]。同時(shí)，快速起跳時(shí)膝關(guān)節(jié)角度過(guò)低，也會(huì)對(duì)關(guān)節(jié)造成巨大的負(fù)擔(dān)，如果運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練中長(zhǎng)此以往，導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)損傷的概率也會(huì)大大提升。隨后膝關(guān)節(jié)角度的逐漸增加，閆某的Z軸方向質(zhì)心速度曲線也開(kāi)始明顯上升，最大速度甚至超越科夫頓。相關(guān)研究表明，起跳蹬伸的最大峰值力矩隨著膝關(guān)節(jié)角度的增加而增大，并且在135°到150°之間達(dá)到最大值[12-13]。

圖4 閆某質(zhì)心速度

圖5 科夫頓質(zhì)心速度

3.3 質(zhì)心位移參數(shù)分析

表1 國(guó)內(nèi)外男子運(yùn)動(dòng)員點(diǎn)冰跳空中質(zhì)心位移/m及騰空時(shí)間/s

如表1所示，完成三周跳的運(yùn)動(dòng)員騰空時(shí)間均在0.60s以上，完成四周跳的高松和張民兩位運(yùn)動(dòng)員其騰空時(shí)間均在0.7s以上，Z軸垂直方向的位移均在0.6m以上。值得注意的是同樣嘗試四周跳的科利木肯在落冰時(shí)出現(xiàn)了失誤并未完成預(yù)定動(dòng)作，在分析他的騰空時(shí)間和Z軸位移時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)值為0.68s和0.57m，兩項(xiàng)數(shù)據(jù)都要低于成功完成四周跳的高松和張民兩位運(yùn)動(dòng)員。在對(duì)Z軸方向的位移與相應(yīng)騰空時(shí)間進(jìn)行對(duì)比時(shí)，國(guó)內(nèi)男子運(yùn)動(dòng)員要顯著高于國(guó)外男子運(yùn)動(dòng)員，說(shuō)明我國(guó)男子單人項(xiàng)目成績(jī)正在逐漸提高，并在一些國(guó)際賽事中有優(yōu)異的表現(xiàn)。

騰空時(shí)人體受到的外力只有重力（空氣阻力忽略不計(jì)），從自由落體公式再根據(jù)機(jī)械能守恒定律，進(jìn)一步證實(shí)Z軸位移是由起跳時(shí)所給予的Z軸方向的初速度決定，即起跳時(shí)垂直方向速度越大，騰空高度越大，騰空時(shí)間越長(zhǎng)。運(yùn)動(dòng)員在直線滑行時(shí)所積累的水平方向速度是起跳時(shí)速度的基礎(chǔ)，而在蹬伸階段充分運(yùn)用快速力量，使身體獲得最大限度向上的速度則是關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)[14-15]。

4 結(jié)論

4.1 要完成高質(zhì)量的跳躍動(dòng)作，必須以起跳瞬間較快的水平速度與垂直速度作為前提，水平速度越大，空中滑行距離越遠(yuǎn)；垂直速度越大，則騰空時(shí)間越長(zhǎng)，垂直騰空距離越大；4.2花樣滑冰跳躍動(dòng)作的最主要力量來(lái)自下肢支撐腿的肌肉力量，因此要特別重視肌肉最大力量訓(xùn)練。不僅如此，動(dòng)作的流暢和協(xié)調(diào)歸結(jié)于肌肉發(fā)力的協(xié)調(diào)，在發(fā)展力量的同時(shí)也要結(jié)合協(xié)調(diào)性練習(xí)，掌握合理的膝關(guān)節(jié)屈伸角度，以達(dá)到肌力最大化；

4.3 在點(diǎn)冰類(lèi)跳躍動(dòng)作的起跳過(guò)程中，最先發(fā)力的肌肉是脛骨前肌和股直肌，腓腸肌與股二頭肌發(fā)力在后。起跳時(shí)肌肉過(guò)于緊張，導(dǎo)致發(fā)力順序不合理，會(huì)直接影響蹬伸過(guò)程的流暢性，動(dòng)作質(zhì)量大打折扣；

4.4 騰空時(shí)高度不足和身體旋轉(zhuǎn)角速度過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致無(wú)法完成指定周數(shù)，甚至影響落冰前上肢和下肢展開(kāi)的合理性和充分性，因此保證足夠的騰空高度和旋轉(zhuǎn)角速度直接關(guān)系到運(yùn)動(dòng)員跳躍動(dòng)作的完成質(zhì)量。

[1]金季春.運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)高級(jí)教程[M].北京:北京體育大學(xué)出版社,2007:37.

[2]Lockwood K L, Gervais P J, Mccreary D RLanding for success: a biomechanical and perceptual analysis of on-ice jumps in figure skating[J]. Sports Biomechanics, 2006, 5 (2):231-241.

[3]紀(jì)仲秋,姜桂萍,袁利紅.花樣滑冰內(nèi)結(jié)環(huán)跳躍動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究[J].沈陽(yáng)體育學(xué)院學(xué)報(bào),2008,27(4):15-18.

[4]尹大利.中國(guó)花樣滑冰隊(duì)競(jìng)技實(shí)力分析[J].體育文化導(dǎo)刊,2012,2(2):49-56.

[5]崔愛(ài)博.對(duì)我國(guó)冬季運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目發(fā)展戰(zhàn)略的思考[J].冰雪運(yùn)動(dòng),2006,10(5):42-44.

[6]前嶼孝,梁歸夫.肌肉與滑冰[J].體育科技,1979,Z2:33 -35.

[7]盧鼎厚,韓世真.提高淺蹲縱跳起跳力的肌肉工作分析──蹲起和淺蹲縱跳時(shí)某些下肢肌的積分肌電圖研究[J].北京體育大學(xué)學(xué)報(bào),1995,18(2):20-25.

[8]Jackie L Hudson. Coordination of segments in the vertical jump[J]. Medicine and Science in Sports and Exercise,1986,18:242-251.

[9]King D L, Arnold A S,Smith S.A Kinematic Comparison of Single, Double, and Triple Axels. Journal of Applied Biomechanics, 1994(10):51-60

[10]姜桂萍,紀(jì)仲秋,王凱.花樣滑冰點(diǎn)冰跳的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究[J].北京體育大學(xué)學(xué)報(bào),2006,29(3):343-345.

[11] Marianne H, Pierre L, Karine M Monteil. Influence of figure skating skates on vertical jumping performance[J]. Journal of Biomechanics, 2006, 39:699-707.

[12]孟站領(lǐng),張慶來(lái).膝關(guān)節(jié)屈伸肌力矩、關(guān)節(jié)角度對(duì)下蹲跳高度影響程度的實(shí)驗(yàn)研究[J].浙江體育科學(xué), 2004, 26(3):100-103.

[13]盧德明,王云德等.膝關(guān)節(jié)不同起始角與結(jié)束角運(yùn)動(dòng)肌力的生物力學(xué)研究[J].體育科學(xué),1999,19(3):84-88.

[14]Maarten F B，Han H，Jos J de K，Gert de G.From a one-legged vertical jump to the speed skating push-off: a simulation study[J]. Journal of Applied Biomechanics ,2002,18,28-45.

[15] Deborah K, Sarah S, Brian H, Barry M,Gary S.Characteristics of triple and quadruple toe‐loops performed during the salt lake city 2002 winter Olympics[J].Sports Biomechanics, 2004,3(1):109-123.

Sports Biomechanics Research on the Difficulty Movement of Chinese and Foreign Outstanding Figure Skaters

GONG Rui, etal.
(Institute of PE and sports, Beijing normal university, Beijing 100875, China)

Jumps of the figure skating skil can be divided into the following five stages: slip, buffer, jump, fly, and ice. Using the three-dimensional DLT video analysis, this paper carries out the biomechanics analysis of the jumps of Chinese and the foreign athletes attending the world figure skating grand prix. The kinematical parameters of athletes in the vertical direction after the jump ,such as the height and suspension speed, speed of the horizontal direction, spin angular velocity, hang time, link angles are gained; The electrical data is collected by Noraxon 8 channel ireless remote sensing electric tester and scientificaly analyzed. This study concludes that high quality jumps consist of fastest slip, the maximum support leg muscle strength, the optimization of upper and lower limbs tightening on; slip the fastest is the premise, premise of maximum strength is the the base, the optimization of limb tightening on is the guarantee.

figure skating; the world figure skating grand prix; difficulty of jumps; integral muscle electricity; sports biomechanics

教育部人文社科課題（11YJA880037）；國(guó)家體育總局索契冬奧會(huì)奧運(yùn)攻關(guān)課題（2012A020）；北京師范大學(xué)課題基金資助項(xiàng)目（12-01-13）。

龔睿（1991-），湖南邵陽(yáng)人，研究生，研究方向：運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)。