三级跳远运动员支撑期间下肢动作的运动学分析

赫秋菊

三级跳远运动员支撑期间下肢动作的运动学分析

赫秋菊

(沈阳工程学院体育部,辽宁沈阳110136)

目的:主要探讨三级跳远运动员下肢起跳腿与摆动腿动作对运动成绩的影响。方法:使用5部每秒60张画面的摄像机(Canon ZR-60),以2010年全国青年田径锦标赛男女各8名运动员为受试者进行拍摄,采用Dempster(1955)建立的14个肢段、21个关节点的人体模型,通过爱捷运动解析系统实施二度空间的影片分析。结果与结论:①肌肉反应系数男女三个阶段均未达到相关意义;②女子起跳与跳跃阶段较小的腿部劲度可增加阶段距离表现(r=-0.716,r=-0.848,P＜0.05);③男子在起跳与女子在跨跳阶段较小的膝关节劲度将有利于阶段距离的获得(r=-0.715,r=-0.821,P＜0.05);④髋关节并不是运动员在支撑阶段缓冲垂直力量的关节;⑤摆动腿角速度仅女子在跳跃缓冲与蹬伸阶段与实跳距离达显著相关意义,快速地摆动角速度将有利于运动成绩提高(r=0.727,r=0.850,P＜0.05);⑥起跳腿与摆动腿夹角变化在三个阶段均未达到显著相关意义。建议:加强摆动腿训练将有利于垂直速度的获得,提高运动成绩。

下肢动作;腿部劲度;关节劲度;耦合角

三级跳远有三次着地与起跳,其三个阶段都是通过下肢腿部动作来完成着地与起跳动作,支撑阶段过程中由于下肢髋、膝、踝关节伸肌必需完成增强式的收缩,而摆动腿动作将有助于减少水平速度损失与获得较大的垂直速度[1-2],可知起跳腿的起跳与摆动腿的蹬摆能力对运动成绩有着非常重要的影响[3-4]。目前国内有关跳远的研究大部分都是针对运动员的起跳与空中动作进行运动学和生物力学分析[5-6],很少对运动员支撑阶段着地与起跳过程中下肢动作形态做相关性研究。因此本研究希望通过对下肢关节及摆动腿动作变化来探讨影响成绩的相关性,分析三级跳远运动员支撑阶段下肢动作技术的优缺点,为教练员的训练工作提供参考。

相关操作性定义:①腿部劲度:支撑阶段垂直最大力量与重心下降的垂直位移量的比值;②膝关节劲度:着地后最大地面反作用力与膝关节最大角位移的比值;③肌肉反应系数:支撑阶段期间单位时间内与垂直力量大小的比值;④摆动腿角速度:摆动腿单位时间内角度的变化;平均垂直力量:支撑阶段平均垂直力量,以冲量与动量的关系加以计算。本研究的局限:主要以摄像机拍摄运动员比赛情形,由于比赛场地无法埋设测力板装置,因此垂直力量的获得仅能以冲量与动量关系加以计算,所以无法获得垂直力的最大与最小值,只能以平均垂直力量代表。

1 实验步骤与方法

1.1 研究对象

以参加2010年全国青年田径锦标赛男女各8名运动员为受试者,并以运动员最佳一跳成绩做分析,其中男子平均身高(1.77±0.04)m,平均年龄(21.12±1.64)岁,分析成绩平均(15.01±0.0.43)m;女子平均身高(1.70±0.06)m,平均年龄(20.52±1.34)岁,分析成绩平均(12.24±0.50)m。

1.2 实验时间与地点

时间:2010年4月16—18日。

地点:河北石家庄市裕彤国际体育中心。

1.3 器材与设备

爱捷运动解析系统。Canon ZR-60摄像机5部。正方形比例板(1.0×1.0m)、脚架、皮尺等。

1.4 场地布置

摄像机架设在运动行进方向的右侧,摄像机镜头距离地面女子1.1m、男子1.2m,主光轴与跑道中线垂直,水平距离20m,以5部摄像机拍摄,分别位于起跳板后方7.5m、2.5m、起跳板前方3m、9m、15m。

1.5 资料搜集

第一部摄像机拍摄助跑最后6-10m,第二部摄像机拍摄助跑最后1-5m,第三部摄像机拍摄最后一步着地后起跳离地到跨跳着地动作过程,第四部摄像机则拍摄跨跳着地至跳跃着地,第五部摄像机拍摄跳跃着地至落于沙坑的过程。并于比赛前后分别在摄像机正前方助跑中线拍摄比例板。

1.6 资料处理和分析

影片资料的分析采用Dempster(1955)研究的人体模型所建立的14个肢段、21个关节点的人体模型,将各肢段质量百分比及肢段重心位置输入爱捷运动解析系统内,并对影片加以分析,获得各关节点的座标,利用系统中数位滤波法,选取最佳截断频率将资料修匀,计算相关的参数资料。由摄影机拍摄后通过Media Studio Pro6.5截取影像,并由爱捷运动解析系统获得运动员支撑阶段下肢动作的运动生物力学参数,以皮尔逊(Pearson)积差相关来探讨各阶段参数和距离之间的相关情况,其中显著水平设在α=0.05。

2 研究结果与讨论

2.1 肌肉反应系数

表1中男女三个阶段均以跨跳阶段垂直力量值为最大,与学者龙跃玉等研究[3]比较发现在跨跳阶段反应系数有所差异(表2)。由于尤跃玉等人研究的受试者为男子,且是体育学院学生,并非专项运动员,而且垂直力量的获得是以测力板测量,因此在技术层次与最大垂直力量获得上的差异,造成与本研究之间不同反应系数数值。与阶段距离及实跳距离的相关性上,龙跃玉等研究在跨跳阶段肌肉反应系数与成绩显著相关(r=0.804,P＜0.01),而本研究男女在三个阶段相关上则均未达显著水平。

2.2 腿部劲度

劲度为单位变形所产生的力量,在许多人体或动物研究中将肌肉、肌腱、韧带和骨骼视为一个复合弹性体,将产生或承受力量与长度变化称为肢体劲度[7]。表3显示,男女三个阶段由于跨跳阶段较大的垂直力量,造成该阶段有最大的腿部劲度。而研究指出腿部劲度与着地角度将对跳跃距离造成影响,所以当腿部劲度越大时重心下降距离变大,在缓冲时间较长的状态下,不利于肌肉离心收缩动作,因此造成水平速度损失增加,不利于动作表现。与阶段及实跳距离相关方面,仅女子在起跳与跳跃阶段的腿部劲度与阶段及实跳距离均显著负相关(r=-0.716,r=-0.848,r=-0.752),表明较大的腿部劲度并不会增加实跳距离。

表1 三个支撑阶段肌肉反应系数与阶段、实跳距离相关表

表2 肌肉反应系数比较表

表3 腿部劲度与阶段及实跳距离相关表

2.3 膝关节劲度

表4显示,膝关节劲度男女仍以跨跳阶段最大,主要也是因跨跳阶段较大的垂直力量,因此为了能有效缓冲垂直力量,以至于造成膝关节缓冲幅度增加。男子在起跳阶段与阶段距离达显著相关意义(r=-0.715,P＜0.05),女子则在起跳阶段与实跳距离及跨跳阶段与阶段距离达显著负相关意义(r=-0.729,r=-0.821,P＜0.05),可了解女子在两个阶段较小的关节劲度,将能够有效缓冲该阶段垂直力量,进而转换垂直冲量来获得较好的距离表现。

表4 膝关节劲度与阶段及实跳距离相关表

2.4 髋、膝、踝关节缓冲、蹬伸角度

表5、表6研究发现在三个阶段起跳腿着地至缓冲点髋关节角度并非呈现逐渐下降的情况,表明髋关节并不是脚着地时下肢关节缓冲垂直力量的主要关节,此结果与龙跃玉等人研究相同。而膝踝关节则呈现逐渐下降的情况,可知膝踝关节为主要缓冲垂直力量的关节,膝关节在三个支撑阶段以跨跳阶段缓冲幅度最大男子(15.23±3.35)°、女子(17.28±4.63)°,主要原因是运动员在跨跳阶段必须承受相当大的垂直力量[8],因此为了能够缓冲垂直力量以及弯曲更多角度来贮存弹性势能,造成缓冲幅度较大,本研究进一步深入了解踝膝关节与膝髋关节之间的协调性,以角对角之间的关系来描述两个关节间的偶联关系,而以角对角两点连线斜率定义的耦合角,其计算公式如下:coupling angle=tan-1[(yi+1-yi)/(xi+1-xi)]。其中yi为第i张影片踝或膝关节角度大小,xi为第i张影片膝或髋关节角度大小。耦合角为正值表示两个关节同时伸展或同时弯曲,负值表示其中一个关节伸展,另一个关节弯曲。由图1发现男女膝髋关节耦合角在缓冲阶段出现负值,表明髋关节并非主要的缓冲关节。男子踝关节在起跳阶段蹬伸期与阶段距离显著负相关(r=-0.896,P＜0.05),女子髋关节在跨跳阶段蹬伸期与阶段距离显著相关(r=0.730,P＜0.05),也就是说在跨跳阶段推髋动作对于阶段距离的获得将有所帮助。

表5 男子运动员髋膝踝关节着地、缓冲与蹬伸角度表

表6 女子运动员髋膝踝关节着地、缓冲与蹬伸角度表

图1 男女踝膝、膝髋关节耦合角变化图

2.5 摆动腿角速度

起跳缓冲与蹬伸阶段,摆动腿角速度变化越大,身体重心水平损失与垂直速度增加越大,成绩表现越好[4]。本研究三个支撑阶段男子以起跳阶段蹬伸期、女子则以跳跃阶段缓冲期摆动腿角速度最大,越快的摆动腿角速度,越可以加速通过缓冲期刹车阶段,减少缓冲时间,减少水平速度损失,而且当摆动腿达到与重力相等时,起跳腿负何所有的力量,能够促进起跳腿由离心收缩转换成向心收缩,有利于贮存肌肉的弹性势能,形成较好的起跳蹬伸动作。表7显示,仅女子跳跃阶段缓冲与蹬伸期与阶段及实跳距离显著相关(r=0.727,r=0.850,P＜0.05),也就是说跳跃阶段快速摆动腿动作将对成绩表现有所影响。

表7 支撑阶段摆动腿角速度与阶段及实跳关系表

表8 支撑阶段两腿夹角与阶段及实跳关系表

2.6 两腿角度变化

起跳腿缓冲与蹬伸阶段两腿夹角变化,不仅可以用来衡量摆动腿的积极程度,而且反映身体重心水平速度与垂直速度变化之间有着密切关系[1,4]。本研究男女三个支撑阶段两腿夹角均以蹬伸期角度变化大于缓冲期,且以起跳阶段为最大,表明运动员在起跳阶段蹬伸期为了提高起跳垂直速度所以加大两腿夹角以便获得较好的起跳角度。与阶段及实跳距离相关方面,男女在跨跳支撑阶段两腿夹角均与阶段距离高度相关(r=0.629,r=0.667,P＜0.05),也就是说在跨跳阶段增加两大腿夹角可增加两腿摆动幅度动作,因此提升垂直速度可增加距离表现。

3 结论

1)肌肉反应系数男女三个阶段均未达到相关意义。

2)女子起跳与跳跃阶段较小的腿部劲度,可增加阶段距离表现。

3)男子在起跳与女子在跨跳阶段较小的膝关节劲度将有利于阶段距离的获得。

4)髋关节并不是运动员在撑阶段缓冲垂直力量的关节。

5)摆动腿角速度仅女子在跳跃缓冲与蹬伸阶段与实跳距离显著相关,快速的摆动角速度将有利于成绩表现。

6)起跳腿与摆动腿夹角变化在三个阶段差异不显著。

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Influence of Lower Limb Motion of Triple Jumpers on Performance

HE Qiuju
(Sports Faculty Department,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning,China)

Purpose:The purpose of this study is to explore the influence of the motions of the takeoff leg and free leg on triple jump performance.Method:This study used five cameras with a speed of 60 frames per second to record the jumpers’performance in the 2010 National Youth Track and Field Championships.According the Dempster model(1955)to record 14-segments and 21-joint points on the jumpers’performance through the EIMG video analysis system to analyze the data.Result and Conclusion:The data of competitions were computed.According to the results,the conclusions are as follows:1)The muscle response coefficients in the three phases are not significantly correlated.2)The less leg stiffness during hop and jump phase,the longer the phase distance in females(r=-0.716,r=-0.848,P＜0.05).3)A lower degree of knee angular stiffness is beneficial to achieving greater phase distance during men jumpers’Hop phase and women jumpers’step phase(r=-0.715,r=-0.821,P＜0.05).4)The jumpers do not use the hip joint to alleviate the vertical force during support phase.5)The actual distance is significantly correlated with the speed of free legs only for females during the jump-buffer and pressing phases;in other words,a higher speed of the free legs results in better performance(r=0.727,r=0.850 P＜0.05).6)Changes in the intersection angle of the takeoff leg and free leg do not reach significance in all three phases.Suggestedion:It is suggested that strengthening the training of free leg will be good for acquirement of vertical speed to promote sport performance.

lower limb motion;leg stiffness;angular stiffness;coupling angle

G823.4

A

1004-0560(2013)03-0109-04

2013-04-05;

2013-05-15

赫秋菊(1963-),女,教授,主要研究方向为体育教学训练理论与方法。

责任编辑:郭长寿