李旭鴻 郝衛(wèi)亞

1杭州師范大學體育與健康學院（浙江杭州311121）2國家體育總局體育科學研究所

跳馬比賽中，運動員完成任何類型的技術動作都要包括助跑、上板、踏跳、第一騰空、推手、第二騰空和落地等技術環(huán)節(jié)，其中踺子類動作還要多一個踺子上板。而助跳板的有效利用或者較好的起跳效果可以幫助跳馬運動員成功地完成一些高難度動作，運動員通過快速有力的踏跳把助跑獲得的能量轉移到垂直和水平兩個方向上的動量和角動量，進而擁有完成后續(xù)翻騰及轉體技術動作的動力，這對于跳馬運動員來說至關重要[1，2]。但遺憾的是，前期的研究大多是圍繞踏跳技術與運動成績之間的相互關系[3-5]或者助跳板的力學特性[1-2，6]，很少有研究關注跳馬運動員在不同位置踏跳的力學性能[7]。量化跳馬運動員在不同位置踏跳后的起跳效果以及踏跳過程下肢承載的負荷情況，可以幫助我們深刻理解人-器械之間的動力學關系和優(yōu)化助跳板的力學特性。另外，在實際訓練中體操教練員一直都崇尚助跳板的“甜區(qū)”（sweet spots）功能，且起跳效果與踏跳的位置密切相關。鑒于上述，本研究針對實際跳馬過程中不同踏跳位置展開生物力學研究，旨在確定跳馬運動員在不同踏跳位置的起跳效果以及助跳板是否存在“甜區(qū)”，并探討不同踏跳位置跳馬運動員下肢所承載的內、外載負荷，為進一步根據運動員自身特點設計難、新技術動作提供理論支撐。

1 研究方法

1.1 研究對象

本研究選取2011年全國體操錦標賽女子跳馬冠軍（身高、年齡和體重分別為1.38 m、15歲和31 kg，運動等級為健將）完成的塚原后直轉體720°的踏跳階段（從雙腳觸板至雙腳離開助跳板結束）作為目標動作。

1.2 實驗流程

首先，利用2臺高速攝像機（CASIO EX-F1）和三維PEAK標定框架對目標動作進行錄像拍攝，拍攝頻率設定為300 Hz，快門速度為1/320，標定完成后不作任何調整和移動。由于場館的條件限制，僅能在運動方向的左側放置攝像機完成視頻采集，因此在人體運動分析系統(tǒng)SIMI Motion中也只對助跳板上板左側邊緣的中點（圖1中A處）、最前端（圖1中C處）以及踏跳階段的14個標志點（圖2）進行數字化分析。

利用二階Butterworth低通濾波對原始數據進行過濾（10 Hz），獲得跳馬運動員踏跳階段和助跳板上板A、C兩處的運動學參數。

其次，在人體運動仿真軟件LifeMoD中輸入受試者性別、年齡、身高和體重等信息，根據回歸方程計算其環(huán)節(jié)長度、圍度、人體慣性參數等。再結合Python腳本語言程序把踏跳階段的運動學數據引導至人體運動仿真軟件LifeMoD中，完成人體模型關節(jié)中心與其實際運動捕捉的關節(jié)點的匹配，實現19個環(huán)節(jié)人體模型的構建。

圖1 助跳板側面示意圖及尺寸（單位：cm）

圖2 人體關節(jié)點的選取示意圖

根據中華人民共和國體操器械的國家相關標準，在機械動力學軟件ADAMS環(huán)境下建立與體操運動員相接觸的助跳板模型（長1.2 m×寬0.6 m×高0.2 m），且其上板與下板是由軸承鉸鏈和彈簧連接（圖3）。完成人體模型與助跳板之間的接觸后，進行人體模型的空間位置和身體姿態(tài)調整，最后進行平衡分析以及逆向動力學和正向動力學分析。

圖3 助跳板的簡易模型

在此過程，調試助跳板面體和彈簧的剛度、阻尼系數，根據仿真和實際運動的接觸時間、重心速度及關節(jié)角度等指標完成對體操器械力學參數的簡易優(yōu)化[1，8，9]。隨后再進行系統(tǒng)模型的敏感性和可靠性分析，結果顯示所建立的人體-助跳板系統(tǒng)模型能較為真實地再現跳馬運動員的踏跳過程，具體詳見前期研究[1]。

最后，在系統(tǒng)模型優(yōu)化的基礎上，保持跳馬運動員觸板瞬間的水平和垂直速度、助跳板面體和彈簧的剛度、阻尼系數不變，僅改變助跳板的空間位置使之與跳馬運動員在不同的助跳板區(qū)域接觸，隨后完成不同位置踏跳的仿真研究。當然，仿真過程跳馬運動員的踏跳動作要保證在國際體聯的允許范圍之內，同時人體在運動過程中受到其運動軌跡的約束。

1.3 踏跳位置的定義和測試指標

定義：跳馬運動員在踏跳過程其左側踝關節(jié)標志點對應的踏跳位置為d（圖1），當d≤OA為后區(qū)，OA＜d≤OB為中區(qū)，OB＜d≤OC為前區(qū)。本研究跳馬運動員的踏跳位置分別在46.79 cm、67.14 cm、85.11 cm處。

測試指標：（1）助跳板上A、C兩處垂直方向上最大壓縮位移、最大回彈速度以及左側踝關節(jié)（圖2中mark點13）垂直方向上最大回彈速度（注：由于攝像機擺放在運動過程的左側，因此本研究以不同位置踏跳左側踝關節(jié)的回彈速度峰值代表人體在不同位置的起跳效果[7]）。（2）跳馬運動員在不同位置踏跳下肢所承載的踏板反作用力（board reaction force，BRF）、關節(jié)反作用力（joint reaction force，JRF）。上述動力學數據通過Butterworth進行低通濾波，其截止頻率為50 Hz。

2 結果

2.1 不同踏跳位置的起跳效果

跳馬運動員在后、中和前區(qū)三個位置上踏跳，助跳板上A和C兩點垂直方向上的最大壓縮位移和最大回彈速度以及左側踝關節(jié)點的回彈速度峰值如表1所示，結果發(fā)現跳馬運動員在后區(qū)踏跳除了C處的最大壓縮位移較低之外，其他的指標均高于中、前區(qū)踏跳。

表1 跳馬運動員在不同位置踏跳相應的起跳效果

2.2 不同踏跳位置下肢所承載的負荷情況

跳馬運動員在前、中和后區(qū)踏跳，其BRF峰值在水平和垂直方向上都逐漸增大，且踏跳時間逐漸減少（圖4a，b）。同時，跳馬運動員在中區(qū)和前區(qū)踏跳的BRF峰值在水平方向上分別比后區(qū)減少16.1%、39.4%，在垂直方向上分別減少13.8%、25.2%。

圖4 跳馬運動員在不同踏跳位置所承載的踏板反作用力

結果發(fā)現，不論跳馬運動員的踏跳位置如何，其下肢踝、膝和髖3個關節(jié)承載的反作用力峰值都逐漸減小，且下肢3個關節(jié)在前、中和后區(qū)的JRF峰值逐漸增大，同時踏跳時間也逐漸減少（圖5）。對于踝關節(jié)而言，中、前區(qū)的JRF峰值比后區(qū)減少13.9%、31.3%（圖5a）；膝關節(jié)則減少了14.9%、32.5%（圖5b）；髖關節(jié)減少17.9%、35.6%（圖5c）。

圖5 跳馬運動員在不同踏跳位置所承載的下肢關節(jié)反作用力

另外，上述研究僅針對后、中和前區(qū)中心位置進行研究，當雙腳與助跳板接觸的位置并非中心時，是否會出現截然不同的結果？本研究對踏跳的左右位置（在機械動力學軟件ADAMS環(huán)境下移動助跳板5 cm）進行調整再完成相應的仿真與分析，結果發(fā)現：不論踏跳的左右位置如何變化，助跳板上A、C點的最大壓縮位移和最大回彈速度以及左側踝關節(jié)點的回彈速度峰值都無明顯變化，同時不同位置踏跳過程中下肢所承載的BRF和JRF也無顯著變化（由于與相應的中心位置差值百分比不足3%，因此不再贅述）。

3 討論

在實際訓練和比賽中，很難采用常規(guī)的生物力學測試方法和手段對跳馬運動員展開不同位置踏跳的力學研究，畢竟每一名跳馬運動員都有自身喜歡的助跑距離和踏板位置，而人體運動仿真軟件的出現則提高了這種實驗測試與力學分析的可能性。本研究主要是針對助跳板的結構特征，在機械動力學軟件ADAMS環(huán)境下僅改變其空間位置，使跳馬運動員在不同的踏跳位置以相同的速度完成踏板動作，探討跳馬運動員在不同位置踏跳的起跳效果以及下肢所承載的內、外載負荷，旨在為優(yōu)化踏板技術和設計難、新技術提供理論支持。

通常，跳馬運動員雙腳上板后會有一定程度的緩沖，即通過膝、髖關節(jié)的屈曲和助跳板的下壓變形來完成。下肢大肌肉群的屈曲拉長有助于蹬離助跳板發(fā)揮出最大的肌肉爆發(fā)力，同時助跳板的變形也有利于跳馬運動員獲得較大的彈性勢能。從研究結果來看，跳馬運動員在后區(qū)踏跳擁有較好的起跳效果（表1），其原因可能是助跳板后區(qū)的剛度較大，且踏跳時間較短，能很好地避免助跳板彈性勢能的過多損耗，進而增加其踏板后獲得的回彈速度[10，11]。當然，不可否認優(yōu)秀運動員的踏板經驗和身體動作控制能力在踏跳過程中扮演的重要角色，Nelson等[10]就曾指出優(yōu)秀的跳馬運動員都有能力通過助跳板，不僅可以有效避免水平速度過多的損失，而且還能很好地提升垂直起跳速度。Pflughoeft[12]也建議跳馬運動員應積極配合助跳板的彈性，主動發(fā)力來獲取最大的彈性勢能。另外，研究結果并未出現教練員期望的“甜區(qū)”效應，也有悖于一些體操教練員的“甜區(qū)”認知，筆者認為主要的原因有兩點：首先，從助跳板的結構特性來講，后區(qū)由于弧度較大，跳馬運動員較容易抓板，同時接觸時間較短不會造成BRF過多的損耗；其次，跳馬運動員在后區(qū)更容易利用助跳板的彈性特征，有效地把獲得的彈性能量轉化成垂直方向上的動能來完成跳馬動作。當然，不同的體操運動員由于力量、身體等差異其下肢剛度也存在差異，Harwood[11]就曾指出體操運動員在踏跳的過程中，通常會通過自身的身體控制和調諧來補償助跳板的剛度變化。

跳馬運動員在后區(qū)完成踏跳與中、前區(qū)相比，下肢也將承載更大的BRF和JRF峰值（圖4，5所示），由于在后區(qū)踏跳的時間較短，更容易抓住肌肉快速釋放能量的生理特性，可以有效地減少彈性勢能的衰減速度以及保證能量轉化的最大化[7]。后區(qū)踏跳能獲得較好的起跳效果，但與中、前區(qū)的差異并不明顯，或許這微小的差異就決定著整套技術動作的成敗和完成質量[4]。與此同時，下肢承載較大的內、外載負荷也會增加跳馬運動員下肢損傷的風險，但提高踏板后的垂直起跳效果是體操教練員最為看重的。Coventry等[7]的研究指出跳馬運動員在后區(qū)踏板的垂直起跳速度較大，說明該區(qū)域的起跳效果較為理想，這對于高水平運動員完成最終的難度和動作質量都有很大的影響。近年來，國際體聯（FIG）在實際比賽中也允許跳馬運動員根據自身完成的技術動作和難度自主調節(jié)助跳板彈簧的個數和位置。因此，在滿足人體肌肉-骨骼系統(tǒng)需求的前提下，可以嘗試后區(qū)踏跳來提高踏板后的垂直起跳速度，進而幫助完成更高難度系數的技術動作。

本研究對踏跳的左右位置變化也進行了相應研究，發(fā)現不論踏跳的左右位置如何變化，BRF和JRF都沒有顯著變化。對此，筆者認為這與助跳板和地面固定在一起，助跳板模型的兩根彈簧位于左右邊緣、并與助跳板的上板形成一個有機整體有關，也從側面反映出當前使用的助跳板較寬的作用區(qū)域和穩(wěn)定性大大減少了體操運動員踏跳失誤的可能性，即減少了踏跳位置或區(qū)域對跳馬運動員踏板技術的影響。

4 結論與建議

4.1 跳馬運動員在助跳板的后區(qū)踏跳，可以有效地避免接觸力的衰減和損耗，有助于提高起跳效果。

4.2 不論踏板點是否在中心位置，跳馬運動員的起跳效果和下肢承載的負荷均無明顯變化，進而也表明當前的助跳板以其較寬的作用區(qū)域和穩(wěn)定性，大大減小了體操運動員踏跳失誤的可能性。

4.3 在滿足人體肌肉骨骼系統(tǒng)需求的前提下，跳馬運動員可以嘗試后區(qū)踏跳來提高踏板后的垂直起跳速度，進而幫助其完成更高難度系數的技術動作。