竞技健美操屈体分腿跳成俯撑动作的运动学分析

李世明，高金栋

竞技健美操屈体分腿跳成俯撑动作的运动学分析

李世明1，高金栋2

采用影像分析法、数理统计法等方法，对优秀竞技健美操运动员屈体分腿跳成俯撑动作的运动学规律进行研究探讨，运用T检验方法对受试者的动作进行对比分析，以期把握其动作结构、关节角度及速度的变化特征。研究表明：运动员起跳效果较好，但是在重心上升阶段对小关节的姿态控制欠佳；动作结构呈现重心首先上升至最高点，其次出现最小髋角，继而分腿角最大的特点；另外，上肢与下肢的落地缓冲不同步。

竞技健美操；屈体分腿跳成俯撑；运动学

决定竞技健美操比赛成绩的因素包括技术水平、心理因素、环境因素、裁判因素，其中，运动员技术水平的高低对运动成绩起到关键作用。一般在竞技健美操比赛中，运动员使用的难度动作大多集中在0.4～0.7的分值段，高难动作也在编排之列，但比重相对较小。依据《2005—2008竞技健美操规则》，屈体分腿跳成俯撑动作（C425）是竞技健美操C组跳跃成俯撑动作中的难度动作之一，是难度动作中编排比重较高的动作，也是竞技健美操男、女单人二级套路中的规定动作，分值为0.5。因此，从生物力学的角度对优秀竞技健美操运动员屈体分腿跳成俯撑动作的技术进行研究，可以为运动员的训练和教练员的教学提供有价值的运动学参数和动作特征规律，为进一步完善竞技健美操动作技术的理论体系提供一定参考。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

以体育学院竞技健美操队6名运动员作为研究对象，年龄（20±0.6）岁，身高（1.70±0.62）m，体重（60±2.56）kg。其中一级运动员3名，曾参加过全省和全国健美操比赛，并获得优异成绩，有一定的比赛经验，身体素质良好，熟悉实验方法和要求。

1.2 研究方法

1.2.1 三维运动学分析法采用三维摄像和录像解析方法，用4台索尼HCIE型号的摄像机，拍摄频率为25帧，拍摄速度为50场/s，机身高度1.2 m，夹角为90°，拍摄距离10 m，选用H-24型HX0708三维辐射框架进行空间坐标标定，对动作进行拍摄。测试前，要求运动员首先进行20 min左右准备活动，准备活动包括热身运动、拉伸肌肉运动和要求测试的动作。运动员准备活动结束后，开始进行规定动作的测试，每人完成动作6次。通过德国的SIMI°Motion7.3进行三维解析，模型采用汉纳范（Hanavan）人体模型，使用DLT法计算得到解析点的三维空间坐标（见图1），对所得每个标志点的三维坐标，使用巴特沃兹二阶低通滤波法进行平滑处理，截断频率为6。

图1 直角坐标系的三维运动学分析Figure 1 3-D kinematics analysis of the right Angle coordinate system

1.2.2 三维标定误差在进行运动录像解析前，采用SIMI°Motion7.3系统提供的三维标定精度验证功能，可对计算得到的控制点的坐标与实际坐标的一致性进行检验，控制点通过计算得到的坐标相对于实际坐标平均相对误差≤0.11，三维标定的精度可以满足分析的需要。

1.2.3 数据的统计学处理主要运用SPSS11.5和EXCEL2003统计学软件，根据研究的需要，采用几种常用数据检验方法对数据进行分析并绘制相关数据曲线。

2 结果与分析

2.1 动作的时相划分

时相的划分是研究动作技术的关键环节。由于研究目的、研究对象、研究手段以及研究侧重点的不同，时相的划分依据也不尽相同。通常我们划分时相依据的客观标准是既能反映动作结构，又便于实际的测量[1]。结合运动技术录像中重现的人体运动或某些关键数据（如重心速度）找出特征画面，进而进行时相划分[2]。

屈体分腿跳成俯撑主要包括两个部分的动作：屈体分腿跳和落地成俯撑。因此，我们又可以根据动作的技术特点划分为：起跳阶段、屈体分腿阶段、下落阶段、落地成俯撑阶段。起跳阶段又可以划分为缓冲和蹬伸两个阶段，重心速度负向增大到零再正向增大；屈体分腿阶段是运动员在空中形成屈体分腿位，分腿角最大，髋关节角最小，重心速度减小，屈体分腿位时刻重心速度为零；下落阶段是从运动员重心最高点到双手着地瞬间，重心速度开始由正向负方向变化；落地成俯撑阶段是指从双手着地开始到动作结束，包括落地缓冲和撑起两个阶段，重心速度先负向增大到零再正向增大，时相划分见图2。

图2 时相划分示意图Figure 2 Phase division schematic diagram

2.2 起跳阶段的运动学特征分析

起跳是以远端环节为固定的一种爆发性肌肉用力的过程，目的是获得腾空，通过人体动作关节的屈和伸做预蹲动作，然后踝、膝、髋关节依次迅速弯曲，通过牵引关节的肌肉用力，带动关节角度变化，从而获得一定的速度，使身体克服重力获得腾空。

起跳包含了缓冲和蹬伸两个时相的技术特征。缓冲是指运动员双脚齐肩宽，做下摆预蹲的动作，髋、膝、踝三关节依次弯曲，双臂加速下摆的过程；蹬伸则通过各个关节的合理屈伸以及上下肢的协调配合来完成的起跳动作（见表1、表2）。

表1 缓冲阶段关节角度参数（n=24）Chart 1 Parameter of joint angle in buffer phase（n=24）

表2 蹬伸阶段关节角度和速度峰值变化（n=24）Chart 2 Joint angle and PHRR of extension phase（n=24）

由于在比赛中竞技健美操的每个动作不是单一完成的，前后都会有连接动作。因此，屈体分腿跳成俯撑动作的起跳动作不属于原地起跳。从起跳的膝关节角度来看，平均值在103°～104°之间，符合上步纵跳的膝关节最适宜缓冲角度100°～110°的要求[3]。

缓冲角度的大小决定了肌肉被牵拉的长度，肌肉被牵拉到一定长度时，肌肉中的串联弹性成分才能被充分拉伸从而储存大量弹性势能，提高肌肉的收缩效果。因此，我们说，在肌肉所能承受的一定负荷范围内，牵拉速度越快，拉伸长度越适宜，弹性利用率越高，起跳效果越好。除此以外，三关节在蹬伸过程中的活动顺序也极大程度地影响起跳效果。根据Kreighbaum等人的讨论[4]，赫德森（Hudson）的动作协调性理论：运动目标重或是封闭链，关节运动应表现为同步性，并把动作协调性描述为链条模式图（见图3）。

图3 Hudson动作协调性链条模式图Figure 3 Hudson the action coordination chain of patterning

运动目标轻或是开放运动链时动作协调性应表现为环节运动的顺序性，例如投掷类项目中的鞭打动作。运动目标重或者封闭运动链时则应表现为环节的同步性，例如举重下蹲动作。并且动作协调性在链条上的位置受动作速度和准确度的影响，动作速度重要，人体环节运动协调就趋近顺序性；准确度重要，则趋近于同步性。按照这一理论，运动员在起跳时，人体属于重目标、封闭运动链，因此，下肢三关节髋、膝、踝关节应该表现为同步性较好，从表2关节运动速度峰值来看，两个动作三关节几乎同时达到速度峰值，活动顺序相对同步，起跳效果较好[5]。

2.3 屈体分腿阶段的运动学特征分析

起跳结束后，双脚离地动作进入屈体分腿阶段，屈体分腿阶段作为过渡阶段，其动作完成质量的好坏直接影响动作的整体评分。在这个阶段中，包含了重心上升阶段和重心上升至最高点成屈体分腿位两个部分。在重心上升阶段即双腿上举过程中，关节角度的控制是影响身体姿态的关键因素，尤其是下肢膝、踝关节角度的控制。因此，我们对重心上升过程中的踝、膝关节角度变化进行了运动学的对比分析（见图4、图5）。

20世纪90年代以来，西方学者主要通过两种方法来研究城市之间的关系：一是通过城市属性来寻找城市关系；一是通过获取城市间的关系性数据。国内有学者构筑了基于网络视角下的城市竞争力模型[15],认为城市作为节点嵌入于网络之中，其竞争力强弱由内生竞争力和外生竞争力及其关联效应共同决定。城市竞争优势的来源又是城市内部行动者的行为及战略，城市的行为主体主要包括企业、政府、第三方组织以及居民个体，城市中的政治、经济和社会活动所产生的人流、物流、资金流、知识流在城市间的流动使得城市网络得以形成。

图4 重心上升阶段左右踝角变化趋势Figure 4 Angle variation trend about ankle on center upward

图5 重心上升阶段左右膝角变化趋势Figure 5 Angle variation trend about knees on center upward

2.3.1 重心上升阶段踝、膝关节角度变化特征在重心上升过程中，正确的下肢姿态要求双腿和脚尖处于绷直状态，然后将双腿举至最高点。从图4、图5可以看出，运动员的踝、膝关节并未完全伸展，并且角度的控制相对不稳定，踝关节角度基本控制在156°左右，变化差值约21°。膝关节相对踝关节的角度控制较为稳定，约165°左右，变化差值15°。普遍的原因是，运动员发展的下肢力量较好，尤其是大腿前侧股四头肌（股直肌、股中肌、股外肌和股内肌）在近固定收缩时，更容易使膝关节伸。当运动员双腿举至空中时，由于同时大腿前侧肌肉的胫骨前肌、趾长屈肌、拇长屈肌在股四头肌的作用下很容易发生近固定收缩，致使踝关节伸（勾脚尖），此时，运动员应注意控制小腿前侧肌肉而主动收缩小腿三头肌、胫骨后肌等小腿后侧肌肉群做近固定收缩，使踝关节屈（绷脚尖），从而使姿态更稳定。因此，在健美操动作的姿态控制中，运动员在注意大关节姿态控制的同时，更应该注重小关节控制的稳定性。

另外，从左右两侧关节角度的变化来看，左右两侧膝、踝关节的同步性相对较差，说明运动员对左右两侧下肢肌肉的控制不够稳定。

2.3.2 屈体分腿位姿态控制变化和动作结构特征《2005—2008竞技健美操竞赛规则》中“整组难度动作必须最大极限的展示爆发力和最大的动作幅度，身体在空中的姿态必须清晰可辨”。“屈体分腿姿态：双腿举至空中成分腿屈体位置（夹角90°），双腿平行或高于水平位置，躯干与双腿的夹角不大于60°”。

根据《规则》要求运动员在起跳至空中最高点，也就是重心速度为零时刻成屈体分腿位，此时要达到双腿分腿角大于90°，双腿平行，膝关节尽量伸展，髋关节角度小于60°的最低要求。有研究指出，高水平运动员在完成屈体分腿跳动作（分值0.3）时分腿角能达到138.4°，左腿与水平面夹角12.76°，右腿与水平面夹角4.69°[6]。所以，我们对在屈体分腿跳基础上增加难度的动作C425的空中姿态控制规律和动作结构进行了分析（见表3）。

表3 屈体分腿位空中姿态控制Table 3 Posture control in air on Straddle Position

从表3屈体分腿位的姿态控制来看，运动员的动作基本上都远远超过了《规则》的最低要求，但也存在下肢两侧关节角度的不一致，造成这种现象的原因：一是起跳阶段双腿用力不同步，因此造成双腿起跳速度不一致，从而导致在屈体分腿位时两侧关节角度出现差异；另外一点就是下肢两侧肌肉力量的不均衡，往往右侧肌肉力量要优于左侧肌肉，因此，出现了左腿与水平面的夹角＜右腿，差值2.38°；左髋角＞右髋角，差值2.66°；左膝角＜右膝角，差值2.92°。

从图6和图7分析，运动员的重心最高点出现在屈体分腿阶段的第0.26 s，而左右髋关节角度的最小值出现在第0.32 s，分腿角最大出现在0.40 s。屈体分腿位要求运动员处于中心最高点，此时的髋关节最小，双腿伸直，分腿角最大。而从以上数据来看，重心最高点与最小髋角和最大分腿角出现的时间并不一致，重心最高点与最小髋角出现的时间差值为0.06 s，与最大分腿角出现的时间差值为0.14 s。也就是说，运动员的动作结构顺序为：首先重心上升至最高点，然后出现最小髋角，继而形成最大分腿角。这显然是动作不合理的表现，即使时间差值较小。从以上数据和三维录像分析可知，运动员出现上述动作结构不合理性的原因可能有两种：一是双腿的上举与躯干的前屈动作顺序不合理；二是支持双腿上举的主动肌力量不足，尤其是股四头肌。当运动员的重心上升到最高点时，双腿迅速向两侧和向前上方伸展的同时，躯干主动前屈，动作迅速时间短暂。但是，由于支持双腿向前上方和向两侧伸展的主动肌力量相对不足，运动员为了达到《规则》的要求，形成较小的髋角，就会尽力使躯干前屈，致使双腿在未达到上举高度时，躯干已经开始前屈，躯干的过早前屈导致双腿上举的幅度相对减弱。因此造成髋关节的最小值与分腿角的最大值未能够出现在重心最高点，使各关节角度的最佳值出现在重心下降的阶段。

图6 屈体分腿阶段重心速度变化曲线Figure 6 Center speed changing curves on Straddle Position

图7 屈体分腿阶段各关节角度变化曲线Figure 7 Angle of each joint change curves on Straddle Position

2.4 下落阶段的运动学特征分析

下落阶段是屈体分腿动作与俯撑动作的过渡部分，在下落阶段肘关节应主动前伸接触地面，双腿在成最大分腿角以后迅速向下和向两侧侧后方滑动，以便合理迅速地形成并腿姿态，同时伸展髋关节使身体形成一条直线，然后双脚双手同时落地缓冲。

图8 三种落地姿态Figure 8 Three landing stance

双手先落地的原因是：由于在空中形成屈体分腿位时，躯干的前倾角度较大，在下落阶段躯干部分的下落会早于下肢，加之双手的主动前伸致使双手先落地缓冲，双腿随即落地不参与下落的缓冲作用，整个身体的重量和落地的冲击力全部加载于上肢，极容易对上肢尤其是腕关节造成损伤。因此，运动员在空中形成屈体分腿位时要注意保持适当的躯干前倾角，前倾角度过大、前倾过早都会造成双手先落地的现象。

而双脚先落地的原因是：身体姿态成屈体分腿位后，在下落阶段双腿向下向侧后方滑动速度较慢，尤其是向下方滑动幅度较大，髋关节未能够完全伸展，整个身体以髋关节为顶点形成的角度较大，双脚的水平位置低于双手位置，致使双脚先落地缓冲。另外，形成并腿姿态的过程中，臀大肌、臀中肌以及股后肌群迅速做近固定收缩，髋关节伸展。如果肌肉力量不足，同样会使髋关节伸展不充分，导致上述现象的出现。双脚过早地落地缓冲，不仅是错误的动作表现，影响动作姿态，而且极容易使趾关节和踝关节受伤，使落地不稳定。因此，运动员在认真体会动作结构的同时，还要注意发展主动肌力量。

2.5 落地成俯撑阶段的运动学特征分析

屈体分腿跳成俯撑动作的落地成俯撑阶段是整个动作的结束部分，是运动员由动态到短时静态的过程。动作结束后，运动员能否保持良好的静态姿态和空间位置，对落地成俯撑阶段的完成质量都起到极为重要的作用。

这个阶段是从双手双脚同时着地时刻开始，到上肢的主要缓冲结束成俯撑状态结束。虽然双脚也参与落地缓冲作用，但起到主要缓冲作用的是上肢，因此，上肢的缓冲与最后撑起成短时静态的连接就很重要。所以，我们对上肢的缓冲和撑起的部分参数（主要是肘关节）进行了分析（见表4）。

表4 落地成俯撑阶段左右肘关节的参数特征（n=24）Table 4 Parameter character around elbow into prone support（n=24）

在缓冲阶段重心速度的变化受肘关节角度的变化影响最大，缓冲是从双手着地起到重心最低点结束。此时，控制肘关节角度变化主要发力肌肉为肱三头肌，在这个过程中，肱三头肌首先做离心收缩，肘关节屈，肱三头肌被动拉长，做退让性工作，为撑起阶段储存最大的弹性形变。在撑起阶段，肱三头肌远固定做向心收缩，使肘关节伸，形成俯撑状态。整个过程，肌肉用力从大到小，肌肉按照拉长—等长—缩短的顺序收缩。缓冲与撑起动作的衔接，取决于主动肌超等长收缩的能力，主动肌的退让工作能力越差，缓冲时的关节角度屈曲越大，肌肉被拉伸的长度越大，则收缩遇到的负荷也就越大。因此，肱三头肌超等长收缩的能力是这个阶段动作高质量完成的关键。

从表4我们可以看出，运动员的左右肘关节在缓冲和撑起的角度和时间上不存在差异，说明运动员的上肢左右侧肌肉收缩同步性较好，左右两侧的肌肉的工作能力相对均衡。但从缓冲时间和撑起时间来看，两者还是有很大不同，撑起时间是缓冲时间的2倍左右，其原因可能是运动员的上肢肌肉力量较差，无法支撑落地时地面对上体甚至全身的冲击力。尤其是肱三头肌，缓冲时肌肉做退让工作的能力差，肌肉被拉伸的长度增加，肘关节屈曲角度过大，致使收缩速度大幅度减慢。

因此，在练习和完成此类动作时，运动员应该重点发展上肢肱三头肌的力量和超等长收缩的能力，从而使动作更加迅速有力、干净利落，进而提高整体动作的完成质量。

3 结论

（1）重心上升阶段，膝关节和踝关节的关节控制不够，出现了角度的小幅度变化；屈体分腿阶位关节角度的控制基本都能高质量完成，身体姿态保持较好，但是动作结构相对不合理，出现了重心高度、分腿角度、髋关节角度的最佳值不能同步出现的问题；下落阶段出现膝关节角度变化不稳定，双手和双脚落地不能同步的情况。不论是哪一部分先落地都会极大程度地对运动员造成损伤；落地俯撑阶段表现为缓冲时间和撑起时间的差异性，其最主要的原因可能是主动肌力量欠佳，超等长收缩能力较差。

（2）竞技健美操是一项对身体综合素质要求很高的运动，并且要求运动员在完成动作的同时保持身体的完美姿态。所以，肌肉力量的发展是保证高难动作完成的前提，因此，注意上肢与下肢、肢体左右侧力量的均衡性发展是运动员完成高质量动作的保证。

[1]李世明.运动生物力学[M].北京：科学出版社，2006.

[2]Jindong Gao.The kinematical analysis of straddle jump of sports aerobics[J].Joint International Pre-Olympic Conference of Sports Science and Sports Enginee，2008，8：212-215.

[3]刘北湘.对排球运动员弹跳力的运动生物力学研究[J].成都体育学院报，1992（1）：51-60.

[4]Kreighbaum E.Biomechanics：a qualitative approach for studying human movement[M].Minneapolis：burgess，1981：337-413.

[5]单信海，戴玉生，蔡国钧，等.不同弹跳能力的3名运动员原地纵跳的运动生物力学指标的比较[J].体育与科学，1997（4）：22-26.

[6]谭吟月.竞技健美操运动技术运动学分析[D].苏州：苏州大学，2006

Kinematics Analysis of Straddle Jump to Push up of Sports Aerobics

LI Shiming1，GAO Jindong2
（1.School of PE，Ludong University，Yantai 264025，China；2.Education Administration of Economic Technical Development Area of Yantai，Yantai 264006，China）

The methods of video analysis，documentary analysis and statistics analysis were used in this study.This paper use T-test for subjects'movements and analyzed the action law of straddle jump to push up of sports aerobics so that we can find the technology structure and character.The results showed the effect was better of takeoff，but the posture of small joints was not good enough in the air；the structure was that the center of gravity was the highest firstly，secondly，the hip angle was the smallest and then divided legs angle was the biggest；the upper and lower limbs were buffering synchronization.

sports aerobics；straddle jump to push up；kinematics

G 831.3；G 804.62

A

1005-0000（2011）01-0037-05

2009-12-28；

2010-12-01；录用日期：2010-12-10

山东省研究生教育创新计划项目（项目编号：SDYY08078）

李世明（1969-），男，山东栖霞人，教授，博士，研究方向为运动生物力学。E-mail：leesm0503@sohu.com

1.鲁东大学体育学院，山东烟台264025；2.山东省烟台市经济技术开发区教育局，山东烟台264006。