世界优秀速滑运动员起跑技术的生物力学研究

程磊 温朝晖 乔静

摘  要：对世界优秀速滑运动员的起跑技术进行生物力学研究，从而对我国优秀运动员的起跑技术进行动作技术诊断。以参加2012～2013赛季国际滑联速滑世界杯（哈尔滨站）500 m比赛的10名世界级女子速滑优秀运动员起跑技术为研究对象，其中包括我国优秀速滑运动员于静、王北星、张虹。所选运动员中欧美选手占了4名，亚洲选手占了6名，基本上代表了当今世界女子短距离速滑项目最高的水平。采用2台Panasonic数码摄像机，在比赛现场对运动员完成的起跑技术按照三维DLT法的要求进行拍摄，比赛结束后，采用三维空间框架进行标定。运用英国产Quintic Biomechanics视频解析软件，对所拍摄的运动图像进行数字化处理，截断频率为8 Hz。研究结果表明，与身高相近的亚洲选手相比，我国运动员起跑时重心高度相对偏高，亚洲选手的髋关节角度与膝关节角度值较欧美选手普遍偏低。我国三名优秀运动员身体重心垂直速度和水平速度都处于一个较低的位置，运动员起动阶段的动作效果并不佳。结论：在预备姿势阶段，亚洲选手重心高度普遍较低，但躯干角度较欧美选手大;起动阶段，运动员技术特点是成绩较好的选手起动时间通常相对较短，爆发式蹬冰效果明显，起动时身体前倾角度都有了显著性增大;在疾跑加速阶段，运动员通过高步频来快速启动，而不是利用步长的优势。

关键词：速滑运动员;起跑技术;生物力学

中图分类号：G862.1            G804.6            文献标识码：A            文章编号：1002–3488（2014）05–0001–08

Biomechanical Study on Start of International Excellent Speed Skaters

CHENG Lei1， WEN Chao-hui1， QIAO Jing2

（1.Jilin Research Institute of Sports Science， Changchun 130022， China; 2.Jilin Provincial Winter Sports Administration Center）

Abstract： Biomechanical study on start of international excellent speed skaters， technical diagnosis for start of Chinese excellent skaters. The start of ten international excellent female speed skaters who participated in ISU World Cup（Harbin） 2012-2013 Season as research subjects， including Chinese excellent speed skaters Yu Jing， Wang Beixing， Zhang Hong.Four skaters of Europe and America， six skaters of Asia， basically represent the highest level of female short track  speed skating in the world. Using two Panasonic digital cameras， the start of skaters in the competition site for shoot according to three-dimensional DLT method， after the game， use three-dimensional space frame to demarcate. By using the video analysis software Quintic Biomechanics which is made in England， digitize motion images， cut frequency is eight hz. The research results show， compared with similar height Asian skaters， the height of center of gravity of Chinese skaters start is relatively high， the hip angle and knee joint angle of Asian skaters are generally low. The vertical velocity and horizontal velocity of three Chinese excellent skaters center of gravity are at a lower position. Conclusion： In the preparatory stage， the height of center of gravity of Asian skaters is generally low， but the trunk angle is higher than Europe and American skaters; In the start stage， technical characteristics of skaters is start of the skaters who have better performance is relatively short， the effect of explosive pedal ice is obviously， the body anteversion angle has a significance increase while starting; In acceleration stage， skaters quickly start by high stride frequency， not using the stride length advantage.

starting stage， the athletes technical characteristics are better swimmers start time is usually relatively short， explosive pedal ice effect obviously， starting when the body anteversion angle degree have significant increase in acceleration stage; sprint athletes start， fast through the high step frequency， rather than the use of step size advantage.

Key words： speed skaters; start; biomechanics

1    引言

在速滑短距离项目中，起跑技术主要是使运动员能够快速打破平衡，由静止状态向运动状态进行快速位移的过程。这个阶段，要求运动员以最短的时间内获得最大的移动速度，因此，快捷的反应能力、强大的下肢爆发力以及优异的动作技术，是运动员完成起跑动作的关键。当今世界速滑运动成绩的高度前所未有，任何一次微小的进步都有赖于创新改革，创新是速滑不断前进的核心动力[1]，所以对起跑技术的创新更是重中之重。在早期的文献研究中，学者们往往忽视对起跑技术的研究，而将重点放在弯道技术上，但随着速滑比赛竞争越来越激烈，优秀运动员之间比赛成绩往往只相差零点几秒，因此良好的起跑技术对随后的直道加速起到了决定性的作用。科学的监控手段是保证运动员良性循环的重要保障，保证运动员训练与恢复形成良好的循环关系，从而使运动员具备良好的体能能力[2]，对起跑技术的发挥也起着关键性的作用。严力等人对运动员多年的一线服务表明，优秀速滑运动员具有个人鲜明的体能、技能和心理方面的特点，这一点是其他选手们所不可复制的，认识每个优秀运动员的特点，采用因人而异、有针对性的训练方法[3]是取得优异的运动成绩必要条件和保障。寻找速度滑冰项目的制胜规律，并且在训练理念、方法、手段上产生突破与创新，是提高我国速度滑冰项目国际竞争力、促进我国速度滑冰项目可持续性发展的关键[4]。还有很多学者和相关科研人员从不同方向上对速滑运动做了各类研究，黄达[5]等人对王北星进行了专项肌肉用力的研究;王红[6]等人对速滑短距离项目与冰刀的特性进行了分析;南相华[7]等人对速滑短距离弯道技术的创新进行了研究;刘晋[8]等人对器材创新与教学方面进行了探讨;张青[9]等着眼于2014年冬奥会展开了思考;谭虹[10]对黑龙江省的冰雪运动发展进行了探讨;张连涛[11]等放眼于冬季项目发展的世界格局;沈艳[12]研究了中国速度滑冰项目冬奥会之路评析与启示;朱静华[13]等从表面肌点的方向研究了对速滑运动的应用。但到目前，分析探究其起跑技术相关的研究仍旧较少，并且研究也不系统，对影响起跑技术关节点的生物力学要素归纳总结也不够。本研究着力点在于利用世界杯比赛的机会，对世界优秀速滑运动员的起跑技术进行生物力学研究，力求在理论上探讨起跑技术的生物力学规律，并对我国优秀运动员的起跑技术进行动作技术诊断，为提高我国速滑短距离速滑项目的运动水平提供理论借鉴和实际指导。

2    研究对象与方法

2.1   研究对象

以参加2012～2013赛季国际滑联速滑世界杯（哈尔滨站）500 m比赛的10名世界级女子速滑优秀运动员为研究对象，其中包括我国优秀速滑运动员于静、王北星、张虹。所选运动员中欧美选手占了4名，亚洲选手占了6名，她们基本上代表了当今世界女子短距离速滑项目最高的水平，分析探究其起跑技术。所选运动员自然情况见表1。

2.2    研究对象

采用2台panasonic数码摄像机，在比赛现场对运动员完成的起跑技术按照三维DLT法的要求进行拍摄，摄像机机高1 m，取景范围8 m，拍摄频率为50 Hz，两台摄像机定点、定焦拍摄，比赛结束后，采用三维空间框架进行标定。拍摄现场的设置见图1。采用英国产Quintic Biomechanics视频解析软件，对所拍摄的运动图像进行数字化处理，截断频率为8 Hz。

数据资料处理主要通过SPSS12.0统计分析软件对所采集的运动学数据进行量化分析，结果用平均数±标准差表示。

3    结果与分析

3.1    预备阶段生物力学参数

3.1.1    重心位置

表2表明，世界优秀速滑运动员的身体重心的高度平均为0.65±0.06 m，观察我国选手，张虹的重心高度最高为0.69 m，在亚洲选手中最高，其他两名选手于静和王北星的重心高度均高于日韩选手，这表明和身高相近的亚洲选手相比，我国运动员起跑时重心高度相对偏高。运动员身体重心的相对高度越低，越有利于控制身体的稳定。

表2    运动员预备阶段身体重心相关参数       （m）

Table 2     Body Center of Gravity of Skaters in Preparatory

Stage                                                              （m）

姓名 重心高度 重心距离

Sang-Hwa Lee 0.57 0.38

Jenny Wolf 0.76 0.42

于静 0.63 0.38

Nao Kodaira 0.62 0.38

Margot Boer 0.68 0.40

王北星 0.65 0.37

Laurine van Riessen 0.67 0.39

Maki Tsuji 0.58 0.38

Olga Fatkulina 0.71 0.41

张虹 0.69 0.39

平均值 0.65±0.06 0.39±0.02

在重心距离这个指标上，运动员表现出一定的规律性，即身体重心相对较高的运动员，重心距起跑线的距离也相对较远。重心距离越小，表明运动员越容易打破平衡进入到加速阶段，但对运动员的身体控制提出了更高的要求，如果身体平衡控制不好，容易导致运动员摔倒或者抢跑的情况发生。

3.1.2     下肢关节角度

下肢的关节角度大小决定了运动员的身体姿势是否能够处于一个较佳的发力状态。从预备阶段运动员的关节角度上看（表3），亚洲选手的髋关节角度与膝关节角度值较欧美选手普遍偏低。下肢关节角度较低，会有利于运动员降低身体的重心，增大身体的平衡性。同时髋关节角度较小，运动员能够有效利用髋关节相关肌群的  “牵张反射”作用，使髋部产生更大的力量，也有利于运动员蹬冰腿向后的蹬冰力量的发挥;而膝关节角度较小，会使运动员股四头肌被充分伸展拉长，运动员可以利用拉长缩短周期，从而增大膝关节的蹬伸力量。

3.2    起动阶段生物力学参数

3.2.1    起动时间

起动从鸣枪开始，蹬冰腿用力蹬冰，其髋、膝、踝在蹬伸中充分伸展，这是起跑的第一反应动作，主要目的是使身体快速摆脱静止平衡，并获得足够的起跑加速度[14]。从运动员起动时间上看，多数运动员在0.2～0.3 s之间。尽管选手们在起动时间上表现为各自不同，但我们也可以发现一定的规律性，即成绩较好的选手起动时间通常相对较短，而成绩较差的选手的起动时间相对较长。

起动时间的长短对运动员的起跑成绩具有重要的意义。有研究表明，启动时间与运动员的运动成绩呈显著性的正相关，即起动时间越短，越有利于提高运动员的比赛成绩[15]。其主要原因是由于在起动单支撑阶段，运动员蹬冰腿采用爆发式蹬冰，前腿冰刀迅速抬转着冰，形成身体的最佳运动状态，为疾跑做准备。在此并不需要下肢过度地充分伸展增大步长，而是快速地加大蹬冰频率来提高身体的移动速度。因此，缩短起动时间对优秀选手来说是重要的。我国优秀运动员于静的起动时间较短，而张虹的起动时间则相对较长（图2），对快速疾跑是不利的。

3.2.2    重心变化情况

起动阶段身体重心的变化主要包括重心速度变化以及重心高度变化。重心的移动幅度可以反映出蹬冰过程中重心的动态变化特点[16]。从表4中可以看出，在起动阶段，运动员的重心垂直速度平均为0.423±0.03 m/s，而水平速度平均为1.879±0.07 m/s。从速度变化范围上看，世界优秀运动员表现出不同的动作速度变化趋势。但我国三名优秀运动员身体重心垂直速度和水平速度都处于一个较低的位置，这表明我国优秀运动员起动阶段的动作效果并不佳，在起动时刻身体的重心并没有达到一个较高的水平，反映了运动员的蹬地力可能相对较弱或者蹬冰角度不合适。

从重心高度上看，以往的研究认为与运动员启动阶段重心波动幅度越小，越有利于运动员的蹬冰动作发挥[17]。但在本研究中，多数运动员在起动阶段，都有一个明显的动作即上体上抬的动作，躯干角度的增大，提高了运动员身体的重心，导致重心在垂直方向上有一个明显的波动。

3.2.3    下肢关节角度

起动阶段下肢关节角度变化主要体现在蹬冰腿上，在此时，蹬冰腿主要是通过髋、膝、踝关节的快速伸展，使身体获得向前的速度。因此，蹬冰腿的伸展幅度和关节角速度决定了起动阶段的蹬冰效果[18]。从表5中可以看出，速滑运动员蹬冰腿髋关节伸展幅度平均为61.9o±8.3o，运动员膝关节伸展幅度平均为55.3o±10.5o。髋关节和膝关节伸展幅度表明了运动员起动阶段蹬冰腿的伸展效果，较大的髋、膝关节伸展幅度意味着蹬冰腿能够得到充分的伸展。从髋关节和膝关节的伸展角速度上看，世界优秀速滑运动员的髋关节伸展角速度平均为397.9±22.6o/s，膝关节伸展角速度为322.2±14.5o/s。由于蹬冰腿髋关节角速度和膝关节角速度更能说明运动员加速用力和爆发式蹬冰的特点，因此在有效的蹬冰范围内，髋、膝关节的蹬冰角速度值越大，表明爆发式蹬冰效果越明显。我国速滑运动员与欧美选手相比具有一定差距，与其他亚洲选手相比也处于劣势，表明运动员蹬冰效果不够，建议在今后训练中应加强下肢肌肉力量及爆发力的训练。

3.3    疾跑加速阶段生物力学参数

3.3.1    步长、步频变化情况

步长与步频是决定步速的重要因素[19]。比较国内外优秀运动员的步长值可以发现（表6），无论是欧美身材高大的选手，还是亚洲选手，其起跑后的步长值并没有显著性的差异。从步频的变化上看，在第一步，运动员之间就表现出了显著性的差异。在第二步和第三步，运动员的步频大幅度下降并相对趋于稳定，平均值分别为3.81±0.22步/ s和3.82±0.3步/s。

可见，在疾跑阶段，运动员滑跑采用的策略是，通过高步频来快速启动，而不是利用步长的优势。随后，继续保持高频滑跑的姿势，步频逐渐增大，使身体重心的速度得以提高。观察运动员的技术动作发现，在此阶段，几乎没有双支撑蹬地时间，蹬冰腿离地后就快速前摆着地，整个身体体现快速  “跑动”而不是   “滑行”的姿势。运动员这种滑跑技术的采用，主要是人体在低速向高速运动中，步频对速度的提高效果更为明显。另外新式冰刀有了铰链装置，刀尖不能切入冰面而增大摩擦力，只能用刀刃整个着冰面，不利于运动员前冲力的发挥[20]，运动员只有用高频率滑跑来快速完成疾跑阶段而转入滑行阶段。

3.3.2    重心水平速度变化

从速度变化上看（图3），起跑后的疾跑阶段是运动员身体重心处于快速变化的状态之中，重心速度变化的趋势是逐渐加快，速度不断增大，这样的运动趋势，符合疾跑阶段的技术特点。但个别运动员如lee和kodaira的重心速度并不是持续上升的，而是在一个上升期后有一个短暂的下降期，接着又是一个上升期。这表明运动员的重心波动略大。我国运动员于静、王北星和张虹重心速度都是持续增加的过程，但到了第三步重心速度值并不处于领先，尤其是张虹，前三步的重心速度值比国外优秀选手略低，表明运动员的起跑技术还有待改进。

4    结论

1.在预备姿势阶段，亚洲选手重心高度普遍较低，髋关节、膝关节角度更小，但躯干角度较欧美选手大。身体重心越高的运动员，重心距起跑线距离越远。

2.在起动阶段，运动员技术特点是成绩较好的选手起动时间通常相对较短;髋、膝关节没有充分伸展即快速前摆，爆发式蹬冰效果明显;起动时身体前倾角度都有了显著性增大。我国运动员起动时身体重心垂直速度和水平速度都处于一个较低的位置，动作效果不佳。

3.在疾跑加速阶段，运动员滑跑采用的策略是，通过高步频来快速启动，而不是利用步长的优势。随后，继续保持高频滑跑的姿势，步频逐渐增大，使身体重心的速度得以提高。从速度变化上看，起跑后的疾跑阶段是运动员重心速度变化的趋势是逐渐加快，速度不断增大。

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