健美操转体180°直体屈曲成俯撑动作的生物力学分析

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  健美操运动是我国体育运动的一个新兴项目。

  它来自于生活,来自于人类对人体健与美的追求。

  难度动作的编排和完成情况是影响竞技健美操水平的重要因素。国际体联 FIG,2001-2004 年( 2003 年版) 难度评分规则中共有 4 组 342 个难度动作。其 中 C 组 跳 跃 类 难 度 动 作 185 个,占54. 09% ,且有不断递增之势。这足以表明 C 组难度动作的完成情况对整套动作的评定具有至关重要的作用。世界竞技健美操诸强的套路编排中也以大量高分值的 C 组难度动作的编排作为得分利器。笔者从运动生物力学的研究角度切入,运用有关运动学理论对竞技健美操 C 组难度中 0. 6 分值的转体 180°直体屈曲成俯撑( C546) 难度动作进行研究与分析,对该动作的力学基础理论进行综合分析,希望能给广大健美操工作者以帮助。

  1 研究对象与方法
  
  1. 1 研究对象以武汉体育学院健美操队三名不同运动等级的男性运动员为测试对象,基本情况见表 1.【1】

  1. 2 研究方法利用两台日产松下 NV-MD9000 摄像机采用定点、定焦、定距的方式进行同步( 外同步) 拍摄,曝光时间为1/500s,频率为 50f/s; 采用美国 ARIEL 三维图像解析系统对运动员的技术动作进行解析。

  2 结果与分析
  
  2. 1 三名运动员身体重心速度特征分析李智在 X 方向上的速度最大为 1. 739m/s; 严跃辉在 Y 方向上的速度最大为 0. 782m/s; 刘号在身体下降触地时最大速度为 3. 397m/s.从图 1 曲线可见,三名被试对象在助跑起跳阶段水平运动速度均呈快速上升波形。这是由于 C546 难度动作要求运动员一步助跑的原因。严跃辉在一步蹬伸时,身体重心随即在垂直方向完成起跳,而另外两名运动员则有一个向前、向上运动的过程。

  身体重心速度在 Y 轴左右方向上的特征,直观反映了运动员在完成前进式转体类动作时,肢体平衡控制能力的强弱。三名测试对象在助跑、蹬伸过程中,均保持了良好的平衡性,即没有出现幅度过大的左右晃动现象。李智最大的 Y 轴重心速度0. 717m / s 出现在 1. 420s 处,为转体阶段; 严跃辉也于 转 体 阶 段 出 现 了 最 大 Y 轴 重 心 速 度0. 782m / s; 而刘号则在 2. 0s 时,出现 0. 938m / s 的Y 轴重心速度。其中刘号在转体接卧撑时,身体左右移动幅度较大( 见图 2) .身体重心速度位于 Z 轴垂直方向的变化情况是反映该难度动作腾空高度、质量好坏、观赏性如何的直接评价标准。踏跳阶段,李智、严跃辉重心速度呈加速上升过程,严跃辉达到 2. 144m/s,大于李智的 1. 896m/s; 而刘号的起跳准备时间过长,其速度只有 1. 621m/s,是影响其蹬伸垂直速度的因素之一。严跃辉在蹬伸转体过程中重心速率最快,与其身高较高有一定的关系。在起跳高度相差不大的前提下,需要提高转体速率,来减少完成动作所要消耗的时间。这也符合运动生物力学中增大转动速度从而来减少转动惯量的相关理论。

  2. 2 三名运动员身体重心位移特征分析李智、严跃辉、刘号三人在完成该动作过程中,身体在 Y( 左右) 方向的位移偏转幅度均较小。在 X( 水平) 方向上,李智重心位移运动了 0. 696m; 严跃辉重心位移运动了 0. 809m; 刘号则为 0. 771m.

  C546 难度动作决定了运动员在保持水平方向运动的同时,其左右方向不产生较大的运动幅度,而在垂直方向,由于伴随助跑起跳与蹬伸腾空会出现重心垂直位移现象。Y 轴方向上,李智的身体平衡控制力最突出,由其曲线的近似水平,即反映其身体空中姿态较好,未出现左右晃动现象; 严跃辉、刘号则在动作结束时,身体出现左右方向上的位移移动,其中刘号最为明显。这与以上所述的 Y 轴重心速度变化也是呈对应关系的。因为此时肌肉做退让性工作来更好地使拉长的肌肉进行后继性收缩,将弹性势能转化为动能,从而产生控制肢体稳定的必要能量。

  这些来自于腰背等核心肌群的收缩。递增的双波峰图形反映了运动员在 Z 轴方向上两次起跳中重心垂直位移的变化情况。在助跑起跳时刻,李智、严跃辉的起跳高度相差不大,基本达到 0. 8m; 而当第二次蹬伸起跳时,李智的重心则达到最高为 1. 048m,其余二者均低于此高度。其中刘号的两次起跳高度均低于前两名运动员。此差异除了应考虑训练水平、技术动作、力量差异外,还应考虑运动员的身高、体重等影响因素。

  2. 3 三名运动员完成 C546 难度动作的时间特征三名运动员在完成此动作时,刘号的起跳蹬伸准备时间较长,为0.8s; 严跃辉空中转体上挺的用时最短,仅用时 0. 48s 完成。因此严跃辉完成整个动作所用总时间只有 2. 580s; 李智完成该动作所用总时间为2.66s; 刘号用时2.72s 完成该动作( 见表2) 【2】

  
  运动生物力学肌肉学说强调肌肉的松弛原理。

  缓冲时间过长不利于肌肉弹性势能的利用[44],因此,起跳缓冲阶段应在最大拉长肌肉初长度的情况下,减少用时。刘号的助跑用时 0. 800s 就显得过长。但这并不是一味的要求缩短起跳助跑时间,而是要求在有效的时间内使关节、肌肉充分牵拉、伸展至可以获得更大的反作用力的前提下,以达到身体获得更大冲量的目的。如若只以单纯的减少启动时间为目的,而下肢各肌肉、关节没有得到牵拉到位,就不足以产生较大的冲量。

  在上升阶段完成转体 180°并屈曲躯干,压低重心,躯干和腿部都要进行快速收缩,两腿伸展与躯干接近成平行直线。这就对在有限的空间内完成复杂肢体动作的难度提出了要求。身材适中、力量素质优秀、腾空高度出色的运动员就可以顺利地达到完成此动作的相关要求。严跃辉在蹬伸起跳过程中用时最短,其实就是由该运动员的身高所决定的。严跃辉身材较高的特点决定了其必须通过提高转动速度来完成减小转动惯量的要求,否则就无法完成该动作的空中转体上挺要求; 而提高转动速度则相应要求肌肉的爆发力提高,这就在时间上有所体现。

  2. 4 三名运动员完成 C546 难度动作的髋、膝关节速度特征分析李智助跑踏跳至重心第一个低点时,右膝最大屈曲 角 度 为 136. 29°,左 膝 最 大 屈 曲 角 度 为122. 14°,腾空转体时刻,右膝最大屈曲角度为77. 99°,左膝在同等状态下的屈曲角度为 70. 94°;严跃辉在腾空转体前,左右膝关节屈曲角度较接近,达到 96°左右,而踏跳时刻,重心最低点处,右膝屈曲只有 159. 16°,左膝屈曲则有 121. 43°; 刘号在踏 跳 时 刻,重 心 最 低 点 处,右 膝 屈 曲 只 有142. 70°,左膝屈曲则有 122. 29°。

  此外,三名运动员在两腿落地缓冲时,左右两腿膝关节速度相差都很小,说明此刻两腿动作幅度已基本同步。此后左右膝关节速度均呈下降趋势,关节速度达到第一波谷时,是为两腿落地缓冲最大后开始蹬伸腾空动作。至腾空转体至重心最高点时,李智左膝关节速度为 4. 731m/s,右膝关节速度为 4. 520m/s; 严 跃 辉 左 膝 4. 920m/s,右 膝4. 322m / s; 刘号左膝 4. 300m / s,右膝 4. 331m / s.

  随后肢体屈曲,两腿抬伸与躯干呈水平近似,膝关节速度开始迅速增大,至躯干下压时,双腿打开,两膝速度开始减小。左腿膝关节运动速度明显比右腿要快,结合动作视频分析,在腿部蹬离地面后,人体要做向左后转体 180°,所以左膝腿会较右膝腿先摆动,为了带动身体的向上腾空转体,左腿的速度要比右腿速度要快。在两腿蹬离地面后进入腾空阶段,两腿膝关节速度先迅速增大,至最大值后又迅速减小,左右腿膝关节向躯干收缩。随后,躯干要进行下压动作,故两膝速度开始减小。在下降过程中,两腿同时伸展与躯干成直线,两腿膝关节又开始加速,在身体成俯撑落地瞬间,两腿膝关节速度基本一致。在最后落地缓冲过程中,两腿膝关节速度变化基本一致。

  2. 5 三名运动员完成 C546 难度动作的髋、膝关节角度特征分析健美操评分规则中对于各个动作一大考量标准就是观察其空中的身体姿态,而各动作的关节角度则直接反映身体姿态的优劣。髋、膝关节角度的变化情况,不仅与运动员髋、膝关节角的发力状况对应,也与整个动作连贯性、完成程度息息相关。

  在助跑起跳后的缓冲阶段,三名运动员随着身体重心的下降,膝关节夹角均出现了减小。这符合肌肉工作原理中拉长下肢肌群初长度的要求,即提高肌肉与肌腱的弹性势能,增大下肢肌群的收缩力[47].运动生物力学肌肉松弛原理告诉我们,膝关节屈曲135°为最佳起跳角度,因此若要获得良好的起跳效果,膝关节不能过度屈曲,也不能屈膝不足,否则肌肉会出现应力松弛现象,或产生主动力不足,导致其肌力下降。另外,膝关节的弯曲度增大也会导致起跳时间的延长,这对于爆发式蹬伸动作极为不利。因此,蹬伸缓冲过程应在一定范围内保持较合理的膝关节屈曲角度,以达到缩减缓冲时间、增大起跳腿蹬地力量、提高起跳速度的目的。

  在起跳蹬伸阶段,两髋角度呈明显递增趋势,在蹬离地面瞬间,左、右髋角变化最大的为李智,其分别达到157.29°和 129. 45°左右,左右髋角速度为右髋2.29m/s,左髋 1. 82 m/s; 在腾空上升期,刘号的髋角角度于速度都处于最小值,其左髋角是 54°左右、右髋角是 46°左右,髋角速度为右髋0.4 m/s,左髋0.5 m/s; 严跃辉在空中转体过程中,当重心处于最高点处,左右髋角分别为136.90°与 142. 20°,此时对应的髋角速度分别为1.3 m/s 与1.15 m/s.

  3 结论
  
  ( 1) 三名运动员均能较好地完成 C546 的难度动作,其关节用力顺序基本符合运动生物力学的规律。其中李智、严跃辉动作稳定性较好,刘号落地稳定性欠佳,且在 Y 轴方向晃动幅度较大。

  ( 2) 严跃辉在蹬踏腾空前的重心速度较快,与其身高较高存在一定的关系,但其并未产生最大的垂直方向的重心位移。

  ( 3) 三名运动员腾空起跳阶段的膝关节屈曲角度较小,不利于产生较大的腾空高度。

  ( 4) 刘号的助跑准备时间过长,直接影响到其起跳高度与起跳速度。

  参考文献:

  [1] 杨锋。 对竞技健美操 C 组跳与跃类 0. 9 分值难度动作的运动学分析[J]. 山东体育学院学报,2006,22( 3) : .
  [2] 黄璐,王金福。 竞技健美操跳跃类难度动作的生物力学概析[J]. 河北体育学院学报,2005,9( 19) : 73 ~74.
  [3] 国际体操联合会。 健美操竞赛规则[R]. 2001 ~2004.
  [4] 运动生物力学讲义[Z]. 成都体育学院,1984.

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