基于游泳蹲踞式出发技术的生物力学研究分析

马保雷

（西安工程大学,西安,710068）

0 引言

近年来游泳出发技术发展十分迅速。游泳出发技术包括蹲踞式出发技术和抓台式出发技术。蹲踞式出发技术出现于上世纪80年代，该姿势具有稳定性好、离台快、产生的水平速度大等优点，被世界各国的运用员普遍采用。但是由于我国对蹲踞式游泳出发技术的研究较晚，所以我国的游泳运动员采用该技术的人数不多。游泳出发的特点就是运动员听到枪声之后，迅速进入水中同时速度值达到最大，在水中由于受到水的阻力作用，运动员的速度会逐渐减小。所以对游泳运动员技术的研究包括快速启动速度能力、起跳角度、空中身体运行轨迹、出发起跳三维力的大小、入水角度以及入水后相关技术环节进行研究。本文使用游泳出发技术的生物力学测试系统，对蹲踞式出发技术的生物力学进行了相关研究。采用这个系统可以得到准确确的力学和影像数据，反映出运动员蹲踞式出发技术的特点，对蹲踞式出发技术进行生物力学研究。

1 生物力学测试系统的组成

1.1 动力学测试

动力学测试采用三维测力平台，包括上平台、三维力传感器、基础平台、测量电路四部分，三维测力平台的模型如图1所示。其中三维力传感器由弹性体和应变片组成，弹性体由十字筋板、轮辐基座、中心销柱三部分组成。根据体系静力平衡，测力平台在三维载荷的作用下，不同的传感器将承受不同的电荷，并将电荷转成电压信号，通过测量电路，实现三维力的测量。应变片的作用就是形成测量电路，对X轴和Y轴方向的力进行测量，十字筋板实现Z轴方向力的测量。

图1 三维测力平台模型

根据三维测力台的结构，对游泳出发测力台进行合理安装，在实验开始之前对测力台进行校正。运动在测力出发台上做好预备知识之后，清零体重数值，采集运动员从出发信号到离台瞬间的力学参数，获取出发离台的动力学参数。生物力学测试系统如图2所示。

图2 生物力学测试系统结构图

1.2 运动学测试

该系统采用高速摄像机拍摄运动员在预备阶段、离台阶段、腾空阶段和入水阶段四个阶段的关节角度、时间、速度变化的情况，并采用影像解析软件对这些数据进行分析，得到蹲踞式出发技术各阶段的运动学测试参数。

在测力台数据采集按钮按动的同时，也发出了声音信号和光信号，声音信号为运动员动作的开始，光信号为摄像机拍摄运动员动作的开始。

2 游泳运动员测试数据的采集方法

2.1 运动员的选择

选取16名男子游泳运动员，并且他们以自由泳短距离为主项，其运动水平全部为一级运动员，他们的基本情况如下：年龄(20.28±1.26)岁，体重(74.55±7.26)kg，身高(1.82±0.04)m，训练年限(10.23±3.23)年。

2.2 蹲踞式游泳出发技术动力学测试

运动员完成蹲踞式出发技术过程中用力情况的分析，主要是通过三维测力台采集相关的力学参数。测力台的数据采集时间为3min/次，采用频率为600Hz，本研究只选取第1min内的600个力值数据进行分析。获得数据运用Excel表格进行分析，作成离台阶段f-t受力情况曲线图。

测定的动力学测试参数如下：水平方向力达峰值时间Ty2，垂直方向力达峰值时间Tz2，水平方向和垂直方向力的反应时间T1，水平方向和垂直方向作用力时间（Δt），水平方向力的最大值Fymax，垂直方向力的最大值Fzmax，离台瞬间水平冲量Py，垂直方向冲量Pz，离台瞬间重心角度、离合重心垂直速度、离台重心水平速度。

2.3 蹲踞式游泳出发技术运动学测试

如上图2所示，本系统采用一台JVC9800高速摄像机，图中的1号摄像机为高速摄像机，它的拍摄频率为100fps ，对运动员进行定点拍摄。摄像机的镜头比游泳池岸边高出1.25m，和出发台中心线的距离为19.25m，其主光轴对准出发台前1m。2号摄像机为常速摄像机，型号为索尼DCR-DVD 610，记录游泳运动员的整个过程进行拍摄，拍摄频率为25fps，拍摄运动员出发到头部入水10m的全过程。

2.4 运动员录像解析

采用Ariel三维影像解析系统，摄像机和电脑主机通过1394接口相连，使用Ulead Video Studio 5.0 DVD将图像文件转成Avi文件格式，并对它们进行编辑。根据系统的人体模型参数，将运动员的姿势进行解析，到运动员手触水结束解析。每幅取19个点，通过降低通数字滤波法对解析数据进行平滑处理，平滑系数为8。

3 蹲踞式出发技术测定结果分析

3.1 蹲踞式出发动力学结果

通过Excel对数据的整理，动力学数据结果如表1所示，运动员离台阶段f-t受力情况曲线图如图3所示。

表1 蹲踞式出发技术动力学结果

图3 蹲踞式出发案例F-t曲线图

水平方向和垂直方向的力值变化几乎是同时的，测定的过程还会存在一定的误差，所以出发反应时统一用T1表示。图3显示了从运动员出发到离台阶段的水平方向、左右方向和垂直方向受力的变化情况。由图3可知，左右方向的冲量也有细微的变化，这和蹲踞式技术的双脚前后支撑的技术特征相关联。水平方向的力值变化是一条相对平滑的曲线，可以说明运动员在离台过程中力值的增加比较缓慢，水平的力值和垂直的力值都达到了一个峰值，水平方向达峰值的时间为0.46s，垂直方向达峰值的时间为0.44s，达到峰值所用的时间越短，说明蹲踞式技术的发力越迅速，在动作完成过程中力量能够快速增加，利于获取较大的离台冲量和速度，水平方向的力值达到峰值后先增大后减小，然后最终消失，说明运动员在台上的用力时间相对比较长，水平方向力的峰值水平需要进一步提高。

3.2 蹲踞式出发运动学结果

游泳出发技术运动学参数包括5个技术阶段，21个运动学参数。该系统测定实验结果如表2所示。预备阶段就是指运动员就位之后到发出出发信号的时间；离台阶段就是指发出出发信号到运动员离台瞬间的时段；腾空阶段就是指运动员脚离台瞬间到手指触碰到水瞬间的时间段；入水阶段就是指运动员手指触水瞬间的动作时相。评价出发效果的重要指标是水下滑行阶段。离台阶段是影响蹲踞式出发效果的重要阶段，在此阶段蹲踞式出发技术产生的重心水平速度大于其垂直速度。在入水阶段，蹲踞式入水的重心垂直速度为3.17m/s大于其重心水平速度2.42m/s，会影响运动员的入水深度，滑行阶段减速的可能性增大。游泳运

动员入水后速度递减较小距离评定指标是5m，从入水阶段到水下滑行阶段运动员速度明显变化的距离评定指标是7m，运动员从入水速度慢慢过度到水中游进速度的距离评定指标是10m。在本研究中，运动员入水后到达5m所用的时间为1.5s，达到7m所用的时间为2.67s，达到10m所用的时间为4.37s。

表2 蹲踞式出发技术运动学测定结果

[1]吴强,俞志伟,吉爱红等.一种小型电阻应变式三维力传感器的仿真设计[J].中国机械工程2011,22(11):1288-1293。

[2]孙通.北京奥运会抓台式与蹲踞式出发反应时的比较[J].体育科学研究,2010,03:86-89.

[3]高磊.新型椎体撑开器的研制及生物力学测试[D].苏州大学,2013.