女子跳马过程中运动员与器械垂直反作用力研究

吴成亮，郝卫亚（.重庆三峡学院体育学院； .国家体育总局体育科学研究所）

女子跳马过程中运动员与器械垂直反作用力研究

吴成亮1，郝卫亚2（1.重庆三峡学院体育学院； 2.国家体育总局体育科学研究所）

跳马；器械；垂直作用力

1 研究目的

通过运动学分析方法和生物力学建模与仿真方法，揭示这类技术动作的动力学规律与技术特点，为我国运动员发展该类型动作提供理论依据和技术参考。

2 研究对象与方法

2.1 研究对象

（1）程菲，中国女子体操运动员，1988年5月出生，身高1.52 m，体重41 kg。

（2）洪淑贞，朝鲜女子体操运动员，1986年3月出生，身高1.54 m，体重42 kg。

2.2 研究方法

（1）对程菲和洪淑贞完成的“踺子转体180°前手翻接直体前空翻转体180°”(简称“R180”)，进行三维高速摄影拍摄（拍摄频率为250帧/s），运动学分析后获得人体三维运动坐标。

（2）根据多体动力学原理，利用MSC.ADAMS/ LifeMod软件建立19环节的人体模型，将运动学解析得到的“R180”两个动作中人体三维坐标赋予三维人体模型，并建立与人体相接触的踏跳板、跳跃平台（马）和体操落地垫的跳马环境，再对“R180”跳马动作进行计算机仿真，然后进行结果处理。

3 结果

对“程菲R180”、“洪淑贞R180”两跳马动作进行动力学分析，获得两人与体操器械接触时的垂直反作用力及其冲量特征如下。

图1 “程菲R 1 8 0”踏板阶段垂直反作用力Figure 1 Vertical Reaction Force at the Stepping Stage of "Cheng Fei R180"

图2 “洪淑贞R 1 8 0”踏板阶段垂直反作用力Figure 2 Vertical Reaction Force at the Stepping Stage of "Hong Sujong R180"

图3 “程菲R 1 8 0”推马阶段垂直反作用力Figure 3 Vertical Reaction Force at the Horse-Pushing Stage of "Cheng Fei R180"

图4 “洪淑贞R 1 8 0”推马阶段垂直反作用力Figure 4 Vertical Reaction Force at the Horse-Pushing Stage of "Hong Sujong R180"

图5 “程菲R 1 8 0”落地阶段垂直反作用力Figure 5 Vertical Reaction Force at the Landing Stage of "Cheng Fei R180"

图6 “洪淑贞R 1 8 0”落地阶段垂直反作用力Figure 6 Vertical Reaction Force at the Landing Stage of "Hong Sujong R180"

图1～6是程菲和洪淑贞两人在完成跳马“踺子转体180°前手翻接直体前空翻转体180°”时，踏板、推手、落地3个阶段中，人体与助跳板、马、体操落地垫的接触时垂直反作用力，实线表示各阶段垂直作用力的大小，中间阴影面积表示其各阶段的冲量值。引入体重倍数（BW）将垂直反作用力峰值归一化处理，可以观察到，程菲和洪淑贞两人在踏跳和落地阶段垂直反作用力峰值分别为7.5 BW、7.3 BW和8.9 BW、9.4 BW，数值大小非常接近，而在推马阶段，两人垂直反作用力峰值分别为1.7 BW、2.4 BW，洪淑贞的要高出程菲的40%。

4 分析讨论

4.1 踏板阶段

如图1、图2，程菲、洪淑贞踏板阶段垂直反作用力峰值分别为7.5 BW、7.3 BW，在运动学分析中，知道两人踏板阶段时间分别0.108 s、0.124 s，冲量，两人冲量分别为121.6 N·s，162.5 N·s，洪淑贞的冲量比程菲的多出34%，根据动量定理：，洪淑贞的冲量大，说明洪淑贞踏板阶段垂直速度变化量大，离板后的动量也大，又因为此阶段踏板前后垂直速度方向相反，所以，洪淑贞在离板后有比程菲更大的垂直速度，这和运动学得出来的结果是相一致的。

另外，程菲垂直反作用力在踏板阶段出现了一个短暂的小平台期，结合高速录像分析，程菲在踏板瞬间，身体已经完成一定转体，又由于程菲双脚是斜着踏上板的，笔者推测在踏板的某一阶段身体出现了一个小的调整，所以才会出现图1中垂直反作用力小平台期。

4.2 推马阶段

如图3，程菲垂直反作用力呈双峰型，峰值分别为553 N、556 N，两值相近。前一个垂直反作用力峰值是在左手撑马时出现，其峰值全部由左手贡献；整个推马阶段，右手最大垂直反作用力为316.7 N，仅为左手峰值的57%，但右手在向上撑马的同时，能防止身体绕其横轴翻腾过度。

如图4，洪淑贞垂直反作用力呈单峰型，峰值为846 N，出现在双手撑马时，垂直反作用力峰值大小约为程菲的1.5倍；程菲和洪淑贞在此阶段的垂直冲量分别为72.8 N·s，75.3 N·s，根据动量定理，洪淑贞和程菲在推马阶段垂直速度损失也相近，但是由于洪淑贞第一腾空阶段垂直速度减小得比较多，所以程菲在离马瞬间的垂直速度要高于洪淑贞的，所以程菲的第二腾空高度也大于洪淑贞的。

仔细观察图3、图4，洪淑贞推马阶段的双手用力顺序为：左右手依次撑马，过渡到双手撑马，再双手离马过程，为通常说的“晚旋”（指运动员在脱离器械或地面后，先只有绕身体横轴翻转，而没有绕身体纵轴旋转）；而程菲推马阶段的用力顺序为：左手撑马、右手撑马、双手撑马、左手离马、右手离马，近似一种“滚动式”撑马技术，且根据高速录像分析，程菲在推马过程中，有绕身体纵轴旋转迹象，即“早旋”，这种“滚动式”撑马，它有利于在推马阶段就完成一定量的转体，这样既可以为第二腾空转体做好充分的准备，同时也可以分担一部分第二腾空的转体圈数，这一技术对于完成高难度、多圈数的转体动作具有一定意义，但是，这种“早旋”现象的发生，撑马时就产生了一个旋转力矩，势必会牺牲一部分向上撑马的力，“早旋”现象的出现可能会导致向上推马动力不足，影响第二腾空高度；而且国际体操联合会在体操跳马专项完成扣分上规定：推马阶段，规定的纵轴转体开始过早，B组裁判会扣0.1～0.5分，这是值得我们注意和深思的。

4.3 落地阶段

如图5、图6，实线表示双脚在落地阶段，跳马落地垫对人的垂直反作用力，阴影面积代表落地阶段0.134 s内总冲量（拍摄“洪淑贞R180”动作时，只有落地后0.134 s被采集到，所以都只计算两人落地后0.134 s内的冲量）。

表1 不同体育项目落地垂直反作用力峰值比较TableⅠ Peak Vertical Reaction Force at the Landing Stage ofthe Different Sports

如表1所示，本文研究结果与英国Chris Mills、Yeadon对跳马落地仿真研究结果非常接近，他们的研究对象为身高1.77 m，体重75 kg男子体操运动员，落地垂直反作用力峰值约为10 BW，在落地后0.05～0.06 s达到峰值。

另外，Mcnitt-Gray使用测力台的方法，对部分运动项目的落地反作用力进行了研究，如体操空翻落地垂直反作用力峰值为6.5～7.5 BW，排球拦网落地垂直反作用力为3～4 BW。以上数据表明，本文采用的计算机仿真方法，所获得的落地垂直反作用力具有很好的可靠性。

5 结论

5.1 程菲跳马在推马阶段，存在纵轴转体开始过早现象，这可能导致其向上推马动力不足，影响第二腾空高度，完善推马阶段技术动作，是程菲练习踺子转体180°前手翻接直体前空翻类跳马动作，包括“程菲跳”的关键所在。

5.2 本研究建立了适合应用于跳马训练实践的、基于三维影像运动学分析的跳马技术动作动力学分析的计算机仿真方法，该方法具有可靠性。

Vertical Reaction Force of Gymnasts and Apparatus in Women's Vault

WU Cheng-liang (Chongqing Three Gorges University)

vault; apparatus; vertical reaction force

G 804.6

A

1006-1207(2010)06-0019-02