薛瑞婷，賈誼，魏亮

●運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)●

人體運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)形成過(guò)程中相關(guān)生物力學(xué)參數(shù)變化特征研究

薛瑞婷，賈誼，魏亮

通過(guò)SIMI錄像解析系統(tǒng)對(duì)受試者原地?cái)S標(biāo)槍動(dòng)作進(jìn)行生物力學(xué)分析，了解人體在擲標(biāo)槍過(guò)程中，上下肢的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)相關(guān)參數(shù)特征，并以此為例，分析人體在完成模式化動(dòng)作過(guò)程中，肢體各環(huán)節(jié)之間以及身體整體協(xié)調(diào)性的變化特征。研究發(fā)現(xiàn)，合理有效的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可以改變某些肢體的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性，通過(guò)擲標(biāo)槍訓(xùn)練，可以提高下肢向上肢傳遞能量的有效性。

運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)；運(yùn)動(dòng)學(xué)；擲標(biāo)槍；動(dòng)力學(xué)

肢體的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)能力是人類機(jī)體活動(dòng)的重要屬性，是運(yùn)動(dòng)能力好壞的重要表現(xiàn)，是動(dòng)作技術(shù)是否合理的重要標(biāo)準(zhǔn)。因此，運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)能力既是動(dòng)作技能的重要構(gòu)成要素，又是人類必需的運(yùn)動(dòng)素質(zhì)。其內(nèi)在機(jī)制與動(dòng)作目的、環(huán)境條件等外在因素密切相關(guān)，受個(gè)體的身體機(jī)能、運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷、認(rèn)知水平等多重因素影響和制約［1］。本文研究是建立在前人研究的基礎(chǔ)上，并實(shí)際考慮其在理論與實(shí)踐中的重要意義和作用，本文研究的主要目的是通過(guò)實(shí)驗(yàn)，采用跟蹤訓(xùn)練的方法對(duì)原地?cái)S標(biāo)槍動(dòng)作學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行分析研究，根據(jù)測(cè)試結(jié)果分別從運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩個(gè)方面來(lái)闡述運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)過(guò)程中產(chǎn)生的的規(guī)律，揭示其在動(dòng)作學(xué)習(xí)和技術(shù)掌握過(guò)程中的特征。

1 研究對(duì)象及方法

1.1 研究對(duì)象

本研究的受試對(duì)象為高校普通大學(xué)生10人以及高校田徑隊(duì)標(biāo)槍運(yùn)動(dòng)員3人。要求10名受試者在參加本實(shí)驗(yàn)研究前均沒(méi)有接觸過(guò)標(biāo)槍訓(xùn)練。受試人員基本信息如表1所示：

表1 受試隊(duì)員情況

1.2 研究方法

1.2.1 現(xiàn)場(chǎng)拍攝

使用PulinxTM-6710CL高速攝像機(jī)兩臺(tái)，拍攝頻率為60幀/s。愛(ài)捷三維標(biāo)定框架一套，標(biāo)定范圍為3m3。拍攝方法：采用兩臺(tái)高速攝像機(jī)同時(shí)進(jìn)行拍攝，攝像機(jī)機(jī)高1.5m，鏡頭距離被測(cè)試者約13.5m，攝像機(jī)主光軸之間的交角約為90°（圖1所示），使用同步器將攝像機(jī)與測(cè)力臺(tái)進(jìn)行同步，以保證得到的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)參數(shù)的一致性。

圖1 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)平面示意圖

數(shù)據(jù)處理：采用德國(guó)產(chǎn)SIMI三維動(dòng)作分析系統(tǒng)對(duì)拍攝得到的擲標(biāo)槍視頻進(jìn)行人工解析處理，并對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑，截止頻率為8Hz。采用21點(diǎn)的Dempster人體慣性參數(shù)模型計(jì)算人體重心點(diǎn)等慣性參數(shù)。采用DLT法（直接線性變換算法）對(duì)兩臺(tái)攝像機(jī)所得到的二維坐標(biāo)進(jìn)行三維合成計(jì)算，經(jīng)過(guò)平滑處理后計(jì)算相關(guān)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)，最后統(tǒng)計(jì)得出本文所需參數(shù)的各類數(shù)據(jù)。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，對(duì)平滑后的數(shù)據(jù)均在SPSS17.0軟件上完成統(tǒng)計(jì)處理和計(jì)算，用于后續(xù)的分析討論。

1.2.4 標(biāo)槍訓(xùn)練過(guò)程介紹

整個(gè)教學(xué)過(guò)程按照高校體育學(xué)院田徑教研室所制定的訓(xùn)練計(jì)劃進(jìn)行。從預(yù)試驗(yàn)到正式實(shí)驗(yàn)，整個(gè)訓(xùn)練過(guò)程持續(xù)時(shí)間為兩個(gè)月。訓(xùn)練過(guò)程中，為控制數(shù)據(jù)采集的有效性，每位受試者的教學(xué)和練習(xí)條件都相同，包括訓(xùn)練時(shí)間、訓(xùn)練強(qiáng)度和訓(xùn)練內(nèi)容等。且受試者在進(jìn)行標(biāo)槍訓(xùn)練的同時(shí)，不進(jìn)行任何其他項(xiàng)目的訓(xùn)練。

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)分析

2.1 學(xué)員與運(yùn)動(dòng)員關(guān)鍵時(shí)相角度參數(shù)特征及比較分析

原地投擲標(biāo)槍是通過(guò)下肢的蹬轉(zhuǎn)、軀干和上肢形成“反弓”以及最后“鞭打”動(dòng)作將器械投擲出。其中，下肢的蹬轉(zhuǎn)是投擲標(biāo)槍力量的主要來(lái)源之一，在動(dòng)作進(jìn)行過(guò)程中，各關(guān)節(jié)角度是反映各關(guān)節(jié)用力情況的參考指標(biāo)。圖2是上述指標(biāo)的研究結(jié)果。

圖2 開(kāi)始時(shí)刻角度參數(shù)情況

以上數(shù)據(jù)表明，右膝關(guān)節(jié)角度以及右肘關(guān)節(jié)角度在3次試驗(yàn)過(guò)程中的變化趨勢(shì)趨向于優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員，表明上述肢體的用力協(xié)調(diào)性在訓(xùn)練過(guò)程中得到了提高。而左膝關(guān)節(jié)角度和髖關(guān)節(jié)角度沒(méi)有出現(xiàn)趨向于優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的特點(diǎn)，表明訓(xùn)練效果不明顯。

轉(zhuǎn)換階段是將下肢的能量傳遞到軀干并進(jìn)一步完成“鞭打”動(dòng)作，轉(zhuǎn)換的效果是衡量技術(shù)的主要指標(biāo)，肢體關(guān)節(jié)角度是轉(zhuǎn)換效果的具體指標(biāo)，本研究結(jié)果如下圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)換階段角度參數(shù)情況

上述結(jié)果表明，除右肘關(guān)節(jié)角度在3次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中趨近于優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員外，其余3個(gè)關(guān)節(jié)角度指標(biāo)均沒(méi)有表現(xiàn)出趨近于優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的趨勢(shì)，說(shuō)明在轉(zhuǎn)換階段受試者的動(dòng)作協(xié)調(diào)性并沒(méi)有明顯改善，訓(xùn)練效果不明顯。

圖4 出手時(shí)刻角度參數(shù)情況

圖4表明，除右膝關(guān)節(jié)角度外，其余關(guān)節(jié)角度參數(shù)在3次試驗(yàn)過(guò)程中有趨向于優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的趨勢(shì)，表明通過(guò)教學(xué)訓(xùn)練和動(dòng)作學(xué)習(xí)過(guò)程，受試者在投擲標(biāo)槍出手時(shí)刻的動(dòng)作協(xié)調(diào)性得到改善，訓(xùn)練效果較好。

通過(guò)對(duì)人體3個(gè)時(shí)刻（開(kāi)始時(shí)刻、轉(zhuǎn)換時(shí)刻和出手時(shí)刻）的關(guān)節(jié)角度變化可以看出，右膝關(guān)節(jié)和右肘關(guān)節(jié)開(kāi)始時(shí)刻，左膝關(guān)節(jié)和右肘關(guān)節(jié)在轉(zhuǎn)換時(shí)刻，左膝關(guān)節(jié)和右髖關(guān)節(jié)在出手時(shí)刻趨向于優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員，其他關(guān)節(jié)在不同階段與優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員規(guī)律性不明顯，右下肢和上肢關(guān)節(jié)參數(shù)容易趨向于二級(jí)運(yùn)動(dòng)員關(guān)節(jié)參數(shù)，左膝關(guān)節(jié)和右髖關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)配合與優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員相比效果較差。

2.2 學(xué)員與運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作過(guò)程中關(guān)節(jié)點(diǎn)速度特征及比較分析

標(biāo)槍是以距離計(jì)算成績(jī)的項(xiàng)目，投擲的距離主要取決于標(biāo)槍的出手速度［2］。標(biāo)槍出手速度的變化情況是反映原地投擲標(biāo)槍動(dòng)作協(xié)調(diào)能力的具體體現(xiàn)。圖5是投擲過(guò)程中標(biāo)槍速度變化情況。

圖5 標(biāo)槍速度變化情況圖

從上圖可以看出，受試者3次的投擲速度呈逐漸上升的趨勢(shì)，表明隨著訓(xùn)練時(shí)間和次數(shù)的增加，受試者肌肉協(xié)調(diào)能力得到一定程度的提高。在準(zhǔn)備時(shí)刻第1次的速度最大，表明受試者在開(kāi)始做動(dòng)作之前急于將標(biāo)槍投擲出，而通過(guò)訓(xùn)練后此階段的標(biāo)槍速度呈下降趨勢(shì)。開(kāi)始時(shí)刻和轉(zhuǎn)換時(shí)刻，標(biāo)槍速度前后3次測(cè)試沒(méi)有表現(xiàn)出明顯趨勢(shì)。

圖6和圖7是受試者以及優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作過(guò)程中各關(guān)節(jié)點(diǎn)速度變化情況。

圖6 初學(xué)者第一和第二次測(cè)試中動(dòng)作過(guò)程中關(guān)節(jié)點(diǎn)速度變化圖

圖7 初學(xué)者第3次測(cè)試和優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作過(guò)程中關(guān)節(jié)點(diǎn)速度變化圖

從以上結(jié)果可以看出，通過(guò)教學(xué)訓(xùn)練，受試者各關(guān)節(jié)速度特征逐漸趨向于優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員，速度曲線由開(kāi)始起伏明顯逐漸趨向于平滑，說(shuō)明在動(dòng)作過(guò)程中，肌肉的用力穩(wěn)定性逐漸增加，協(xié)調(diào)性得到改善。

2.3 動(dòng)力學(xué)參數(shù)分析

2.3.1 下肢垂直方向（Z方向）用力情況分析

地面的反作用力是原地投擲標(biāo)槍的主要?jiǎng)恿?lái)源［3-4］，本研究設(shè)計(jì)讓受試者的雙腳分別位于兩個(gè)相鄰并聯(lián)的三維測(cè)力臺(tái)上，建立測(cè)力系統(tǒng)［5-7］。在此我們忽略肌肉之間的作用力，以整個(gè)人體為研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)力臺(tái)的測(cè)量值來(lái)體現(xiàn)人體對(duì)外界的用力情況，目的在于獲得原地投擲標(biāo)槍過(guò)程中的發(fā)力腿和支撐腿的力量變化情況。

發(fā)力順序是動(dòng)作協(xié)調(diào)的主要指標(biāo)之一［8］，與地面垂直的受力用Fz表示。研究結(jié)果表明，受試者通過(guò)教學(xué)和訓(xùn)練在一定程度上有明顯變化，具體情況如下圖8所示：

圖8 左右腳垂直用力情況示意圖

從上述結(jié)果可以看出，受試者左右腳用力順序趨向于優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員，左右腳受力曲線的交叉點(diǎn)是原地投擲標(biāo)槍的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，此時(shí)刻表明左右測(cè)力臺(tái)的受相等作用力。從優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的情況來(lái)看，此時(shí)刻出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換階段結(jié)束時(shí)刻和出手時(shí)刻之間。

從初學(xué)者第1次的受力情況分析，受力相等時(shí)刻明顯偏早，或者說(shuō)出手時(shí)刻偏晚，沒(méi)有將下肢的蹬轉(zhuǎn)力量及時(shí)傳遞到上肢，出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，影響了投擲效果，是肌肉用力不協(xié)調(diào)的體現(xiàn)。從第2次測(cè)試的情況來(lái)看，上述現(xiàn)象仍然存在，但較第一次有明顯改善。而第3次的測(cè)試結(jié)果表明，受試者下肢用力情況與優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員趨于一致，說(shuō)明隨著教學(xué)和訓(xùn)練時(shí)間及次數(shù)增加，受試者用力協(xié)調(diào)性得到了明顯改善。

2.3.2 下肢水平方向（X、Y方向）用力情況分析

標(biāo)槍的動(dòng)力主要來(lái)源于右下肢蹬伸動(dòng)作，右下肢在不同方向的受力情況會(huì)直接影響運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)成績(jī)。人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程是建立在一定的平衡基礎(chǔ)上，在前后、左右方向的受力情況表明運(yùn)動(dòng)員的平衡協(xié)調(diào)能力，測(cè)試結(jié)果如圖9所示：

圖9 右下肢水平面X、Y方向受力情況圖

Fx是與投擲方向垂直方向的受力情況。上圖表明，在3次實(shí)驗(yàn)中，受試者在Fx方向的分力隨訓(xùn)練次數(shù)的增加而下降，逐漸趨向于優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員，表明其X方向的平衡穩(wěn)定性得到提高。Fy是與投擲方向一致的受力情況。從圖9可以看出，隨著訓(xùn)練次數(shù)的增加，F(xiàn)y方向的分力逐漸穩(wěn)定，有開(kāi)始的雙峰曲線逐漸過(guò)渡為單峰曲線，用力情況趨向于優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員。

圖10 左下肢水平面X、Y方向受力情況圖

標(biāo)槍的動(dòng)力主要來(lái)源于右下肢蹬伸動(dòng)作，蹬伸的能量要更好的轉(zhuǎn)換到標(biāo)槍上，與左側(cè)的支撐是密不可分的，左側(cè)受力情況也會(huì)直接影響到最終的成績(jī)。建立好的左側(cè)支撐是取得好成績(jī)的又一主要因素。左支撐在前后、左右方向的受力情況表明運(yùn)動(dòng)員的維持身體平衡協(xié)調(diào)能力，測(cè)試結(jié)果如下。由圖10可知，受試者通過(guò)教學(xué)和訓(xùn)練，左下肢X、Y方向用力情況變化無(wú)明顯規(guī)律，不明顯。

3 結(jié)論

1）從對(duì)各關(guān)節(jié)角度參數(shù)變化情況的分析結(jié)果來(lái)看，通過(guò)擲標(biāo)槍訓(xùn)練，可以提高受試者右側(cè)肢體動(dòng)作的協(xié)調(diào)性，而對(duì)左側(cè)肢體動(dòng)作協(xié)調(diào)性的改善無(wú)明顯作用。2）通過(guò)對(duì)各關(guān)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的變化情況來(lái)看，通過(guò)訓(xùn)練，各關(guān)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度起伏波動(dòng)情況逐漸減少，關(guān)節(jié)點(diǎn)速度曲線逐漸平滑，表明各關(guān)節(jié)肌肉用力情況有逐漸平穩(wěn)的趨勢(shì)，肌肉協(xié)調(diào)性得到改善。3）從測(cè)力情況分析，受試者上下肢協(xié)調(diào)配合更為合理，隨訓(xùn)練次數(shù)的增加，下肢能量向上肢傳遞的效率逐漸提高。右側(cè)下肢水平X、Y方向分力逐漸趨向于優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員。而左側(cè)下肢無(wú)明顯趨勢(shì)。

［1］田麥久.運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練學(xué)［M］.北京:人民體育出版社，1990.

［2］李建英，謝威，劉生杰.中外優(yōu)秀標(biāo)槍運(yùn)動(dòng)員投擲步技術(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)比較［J］．成都體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（6）.

［3］肖佩琮，劉龍柱.左側(cè)支撐在標(biāo)槍投擲最后用力中的原理和技術(shù)分析［J］.南京體育學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006（3）.

［4］高衛(wèi)哲，金萍.我國(guó)優(yōu)秀標(biāo)槍運(yùn)動(dòng)員擲標(biāo)槍最后用力技術(shù)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析［J］.廣州體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2002（2）.

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［6］丁海曙，潘文葉，李云.三維測(cè)力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及應(yīng)用［J］.中國(guó)康復(fù)，1989（4）.

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Study on Biomechanical Parameters Characteristics During the Formation of Human Body Movement Coordination

XUE Ruiting，JIA Yi，WEI Liang

This study through the SIMI video analysis system for biomechanical analysis of subjects in javelin movement to understand the parameters of kinematics and dynamics of upper and lower limbs of human body in throwing process.This paper aims to explore the characteristics of human body movement coordination during the formation of the human body coordination.The result showed that effective exercise training can change the coordination of some limbs，for the javelin training，this exercise can improve the effectiveness of the energy transmission efficiency from the lower limb to the upper limb.

movement coordination；kinematic；javelin throw；dynamics

G804.6

A

1003-983X（2017）03-0221-05

2016-12-19

薛瑞婷（1992-），女，山西運(yùn)城人，碩士，研究方向：體育教育訓(xùn)練學(xué).

中北大學(xué)體育學(xué)院，山西太原030051

Physical Education Department，North University of China，Taiyuan Shanxi，030051