跳台滑雪助滑道结构对助滑姿态的动力学影响机制

王韵博，刘伯强

跳台滑雪运动技巧性含量较高，比较适合在我国开展，可以作为我国冬奥会潜优势项目发展。跳台滑雪运动一般包括助滑、起跳、空中飞行、着陆、终止区滑行等技术环节。除了考虑到上述基本环节各自蕴含的技术要求和动作特点［1］，还需关注助滑速度，它是起跳技术和空中飞行动作的动力学基础，直接关系到飞行距离，在跳台滑雪中具有至关重要的作用。运动员利用助滑起点座位前的横杆，在出发时用双臂用力推横杆，使身体产生初始前冲力。此后，人体在重力加速度作用下，沿助滑道斜坡获得越来越快的助滑速度。根据国内外跳台滑雪比赛的实际情况，各个运动员的最大助滑速度千差万别，即使个人的最大助滑速度也难以保持一致，这种情况表明助滑速度的变化存在主体与客观影响因素。对于这种影响因素的进一步认识，将有助于改善跳台滑雪运动员助滑技术动作与专项能力训练水平，从而获得更理想的最大起跳初速度。有关人员在跳台滑雪运动员竞技能力、起跳技术、空中飞行动作、生理特征等方面开展了大量研究［2－5］，但对于助滑速度特征及助滑道结构对助滑姿态影响机制的研究较少。为此，本文初步分析助滑道结构对助滑姿态的动力学影响机制，为改善我国跳台滑雪运动员技战术训练水平提供科学依据。

1 助滑道物理结构参数

由于受气候条件、雪情条件、场地条件等因素的限制，跳台滑雪运动员在不同地点、不同场地、不同自然条件下的不同场次的比赛成绩缺乏可比性。这种项目特殊性造成只有具体场次比赛和特定赛事的世界冠军，没有绝对的世界冠军和世界记录保持者。但是跳台滑雪场地结构是固定的，从这个意义上来看，场地结构尤其是助滑道结构对助滑姿态具有相对稳定的影响。助滑过程中，跳台滑雪运动员集中精力，最大化助滑速度，最小化雪板与雪面之间摩擦力，最小化空气阻力［6］。因此，跳台滑雪运动员在助滑阶段的主要任务是维持滑行的动态平衡和加速稳定性，利用助滑道物理特性获得最大的起跳初速度。为了研究助滑道物理结构对助滑姿态的动力学影响机制，首先剖析助滑道物理结构特点。跳台滑雪比赛场地一般包括出发区、助滑道、起跳台、着陆坡、停止区等组成部分。其中助滑道结构主要由直线坡度区和弧线坡度区构成。本文所采用的助滑道物理结构参数如下:直线坡度区θ=35°坡度角，弧线坡度区弯曲半径R=70m。

2 助滑道人体动力学受力分析

2.1 人体重力作用分析

图1 跳台滑雪助滑道直线区人体质心重力作用

参见图1，人体重力作用简化为人体质心重力作用，其中

2.2 外界作用力分析

图2 跳台滑雪助滑道直线区外界作用力

图3 跳台滑雪助滑道弧线区向心力

参见图2和图3，助滑道作用于人体的主要外界作用力包括

其中，A是与速度v相垂直的表面面积，ρ是空气密度，η是空气阻力系数。如果假设取值为η =0.3，ρ=1.3 Kg·m－3，A=0.25m2，则 Wd ≈ v2/10.

根据空气阻力公式(4)中的影响因素，为了能达到更大的助滑速度，要求跳台滑雪运动员身体前倾，与滑雪板尽量平行，使身体呈现符合空气动力学的流线型，减少空气阻力。在空气动力学作用于身体形态条件方面，优秀运动员的体质量普遍较轻［3］，除了发展必需的下肢(主要是膝关节周围)肌肉力量外，几乎不增长上肢和躯干肌肉的质量。

作用于身体质心CoM前上方的有雪面支撑力Fnc和空气升力Wl，形成反向力矩。作用于身体质心CoM下后方的有雪面摩擦力Ff和空气阻力Wd，形成正向力矩。由于反向力矩和正向力矩随着速度、场地位置变化而变化，需要下肢各环节肌群变负荷协调作用，控制各旋转力矩的力臂变化，从而影响反向力矩与正向力矩的相互作用，减小各关节角度变化，尽量保持一定的助滑姿态。

2.3 全脚支撑反作用力分析

参见图4，全脚支撑反作用力在0.77～1.88G之间。例如，运动员体重50Kg，则助滑道对其全脚支撑反作用力在38～94Kg之间。在助滑姿态保持绝对静止不变的情况下，人体各环节肌肉群静力性做功变化范围达到1.11G，而实际上人体很难保持绝对静止不变的助滑姿态，因此人体各环节肌肉群静力性做功变化范围可能会超过1.2G，增加了相关肌肉静力性控制难度。

图4 跳台滑雪助滑过程全脚支撑力变化特征

3 助滑道对助滑姿态动力学影响机制分析

3.1 直线区

助滑道起始直线区，由于坡度重力Go的加速度作用，使人体加速向下滑行。随着速度增加，空气阻力和升力增大。因此，Fn略有减小。可以近似认为雪面摩擦系数μ保持不变，则Ff略有减小，使Ma形成非均匀的加速作用。这时的全脚支撑反作用力在0.8G左右，下肢各环节肌肉群处于低负荷控制能力作用范畴。直线区保持静态姿势，是反向力矩与正向力矩之间动态平衡的结果。

3.2 弧线区入口

进入弧线区滑行后，在弧线区入口转换处，身体质心速度变化突然形成Fc向心力作用，导致雪面支撑反作用力Fnc急剧增加，虽然雪面摩擦力随之增加，但空气阻力没有相应的急剧变化，最终形成较大的反向力矩，迫使运动员调整各关节肌肉控制力，加强正向力矩。在弧线区入口瞬间，全脚支撑反作用力从前向后大幅度增加，达到1.2G左右，导致全脚压力重心偏移波动，一般情况是全脚压力重心瞬间前移［7－9］，然后向后偏移。为了保持助滑静态姿势不变，进入弧线区入口处时，身体质心与踝关节的相对法向位置不变，雪板前端向上略有弯曲，导致全脚压力重心前移，全脚支撑力相对身体质心的力臂增加，同时出现向心力作用，全脚支撑反作用力迅速增大，使反向力矩突然增大。需要加强肌肉力量控制，补偿正向力矩。这时主要依靠下肢各环节肌肉群快速反应，迅速进入高负荷控制能力作用范畴，减小全脚压力重心偏移波动，保持助滑姿态稳定性。在专项能力训练方面，需要加强踝关节的跖屈静力性控制能力训练。

3.3 弧线区途中

在弧线区滑行过程中，Fc向心力随着速度增加而逐渐增大，助滑道坡度角逐渐减小，使重力坡度法向分力Gn逐渐增大，重力坡度平行分力Go逐渐减小，空气升力逐渐减小。上述综合作用导致Fnc全脚支撑力逐渐增大，在弧线区出口附近甚至接近1.9G，使反向力矩逐渐增加，需要运动员连续平稳增加下肢各环节肌肉群高负荷控制能力。

3.4 弧线区出口

弧线区出口转换处，Fc向心力作用迅速消失，导致雪面支撑反作用力由Fnc大幅度减小转变为Fn，导致全脚压力重心偏移波动，一般情况是全脚压力重心瞬间后移，然后向前偏移。与弧线区入口处情况相反，弧线区出口处，雪板前端向下略有弯曲，导致全脚压力重心后移，全脚支撑力相对身体质心力臂缩短，同时向心力作用消失，全脚支撑反作用力迅速降低，使反向力矩减小，需要适时减少肌肉对正向力矩的控制作用。由于接近起跳台水平方向，需要从助滑姿态逐渐过渡到起跳动作，空气升力作用相对很小，可以忽略不计。运动员既要控制下肢各环节肌肉群从高负荷迅速转接低负荷适应性作用，又要推起身体，完成起飞技术转换动作，因此需要运动员在变负荷条件下下肢各环节肌肉群具有很强的动作控制能力。

综上所述，优秀的跳台滑雪运动员在助滑道获取最大起跳初速度过程中，要具有迅速、准确的神经肌肉调控能力，具有熟练高超的应变技巧和平顺稳定的身体姿态控制水平。

4 结语

跳台滑雪运动员的助滑技术是其随后一系列技术的基础，其重要地位不言而喻。本文对助滑道场地结构对助滑姿态的动力学影响机制进行了初步分析。跳台滑雪运动员沿着35°左右坡度的助滑道下滑加速，为了减少空气阻力，身体尽量成流线型。弧线区入口和出口是两个关键的助滑姿态技术动作控制点，需要各关节肌群具有高度灵敏协调与快速变负荷控制能力。

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［3］张桂珍，宋吉连，朴雪俐.评定跳台滑雪比赛成绩的因素及优秀滑雪运动员竞技能力剖析［J］.冰雪运动，2003(3):29－30.

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