自由泳短周期内速度特征的三维运动学分析

郝凤霞，刘 铮，刘平清，史东林

自由泳短周期内速度特征的三维运动学分析

郝凤霞1，刘 铮1，刘平清1，史东林2

目的：描述游泳运动员在200m自由泳中，短周期内速度波动（Vfluc）的特征和变化，及身体质心速度的最大值（Vmax）和最小值（Vmin），并分析其与运动员运动表现的相关性。方法：选现役河北省游泳队国家一级以上自由泳男运动员共11名为研究对象。用4台水下和2台水上摄像机同步记录他们的游泳表现。将200m自游泳分为4段（每段50m：SC1、SC2、SC3、SC4）分析，采用椭圆区域的方法对人体数据进行计算。结果：测试发现，200m自游泳中Vmean总体在下降；Vmax和Vmin与运动员的表现呈正相关，且SC1段比另外三段的相关性更高；Vmax和Vmin的相关性显著且一致，但与游泳表现并无相关性。结论：各个方向速度波动特征与运动表现没有相关性，且在整个运动过程中也并不呈现显著性的变化。

运动学；自由泳；质心；速度特征

目前对于运动员游泳速度的计算，学界多采用两维摄像或者使用专用设备，安装在游泳运动员腰部或颈部，通过计算其身体某个部位（通常是臀部）来获取其游泳速度［1］。然而近期大量研究表明，采用以上方法，并不能准确表示人体质心运动学参数在短周期内的变化［2－3］。国外学者Craig和Pendergast认为，专门制作的这种装置并不一定能较为准确的反应人体质心活动。因为，在游泳过程中运动员四肢往复交替，部分技术动作可能被遮挡，从而导致臀部垂直运动的测量误差［4］。目前虽然有研究试图通过运用二维运动学方法以及人体左右对称特征，计算人体质心的速度［5］，然而近期运动员游泳技术动作往往不对称的观点，又使此研究方法的准确性受到一定质疑［6］。

基于以上本文运用三维运动学分析方法，确定男子200m自由泳身体质心的速度波动大小及最大值和最小值。同时还要验证游泳方向上速度的最大值和最小值，以及其他各个方向的速度波动的大小是否与运动表现呈线性的关系，水平速度均值（Vmean）是否决定着运动表现。通过对这些变量及其相对值进行分析，以期能更完全和清晰地显示速度波动及其最大值和最小值对游泳运动的影响。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象选现役河北省游泳队国家一级以上（包括国家级及国家一级运动员）自由泳男运动员共11名为研究对象。基本信息见表1。

表1 研究对象基本情况

1.2 实验实施 身体19个部位（头顶点，肩，眉毛，腰，臀部，膝盖，脚踝和中间趾骨关节，中指末端及大脚趾），以50帧／秒使用Ariel运动分析系统（APAS）解析，三维坐标的获得运用直接线性转换（DLT）的方法计算（Abdel－Aziz＆Karara）。由于运用了4台摄像机，最大限度的加强了水下标志点的准确性。这意味着每个部位至少在不同的两台机器中可以清晰的看见，使人工“猜测”在DLT计算中最小化。水上和水下的视频分别被记录和解析。相同的标定框架用于水上和水下，不同的视频被合并到一个文件，不需要对数据做任何的调整。使用截断频率6HZ对数据进行过滤和平滑处理。

1.3 测试指标使用6台JVC KY32 CCD（采样频率50 Hz，快门速度1／120 s）摄像机，其中4台安置在水下，2台安置在水上。用一个6.75立方米框架标定，此框架一半在水上，一半在水下，X轴为游泳方向，Y轴和Z轴分别为垂直方向和左右方向，每台摄像机拍摄6.5米长，框架向两边各延长一米，具体见图1。定点同步拍摄（实验的同步拍摄是利用运动员蹬壁出发时，触发安装在池壁的触发式传感器，触发传感并同步闪光，来实现的）每个运动员的表现。另外，考虑到框架标定可能带来的误差，研究采用大范围标定来尽可能减小这种误差，以增加测量的准确性。

图1 三维运动学分析中摄像机和标定框架摆放位置

1.4 实验控制测试选择在长25m的室内游泳池进行，首先受试者同意参与本研究并签署实验知情同意书。为了避免过度训练对测试的干扰，在测试前一天，避免对运动员进行大强度训练。其次为了消除呼吸可能对变量的影响，要求所有运动员在通过6.5m的标准空间时应避免换气。为了确保测试水平与竞赛水平相似，要求每个运动员测试成绩达到其最好成绩的95%，经过第一次测试，运动员实际表现为117.3±2.8 s，均比他们的个人最好成绩慢3.0±1.5%。

1.5 数据处理实验将200m的自由泳分为四个阶段，每50米为一个SC并做一次记录，因此所有运动员19个部位的相关参数值都进行了分段记录（经过了四次计算SC1，2，3和4），并且通过视频记录获得每个SC（s）所持续时间。此外，研究通过运动员每个环节质心的位移（X，Y和Z坐标）表示人体质心的位移；通过人体质心（CM）位移的一阶微分计算显示CM的速度；通过SC段X方向位移除以经过该段的时间得到每段SC的平均速度（Vmean）。同时，将一个周期内速度的最大值与最小值设定为最大及最小速度；通过平均速度的百分比来计算相对最大和最小速度；采用人体质心在每个SC中速度最大值减去速度最小值来确定每个方向的速度波动（Vfluc）；而每个方向的相对速度波动是以平均速度的百分比进行计算的。数据采集的可靠性：通过六台摄像机3次记录同一名运动员一个完整SC内相关变量，并进行方差计算及整个人体质量变化系数来确保指标的可靠性。

1.6 统计分析对于实验所得人体测量学数据计算采用椭圆区域方法（Jensen，1978），经过Deffeyes和Sanders（2005）研发的PC软件计算得出，并通过对同一名运动员3次反复测试，采用方差计算及分析其质量变化系数来确保椭圆区域方法的准确性［7］。运用SPSS 19.0统计软件包和Excel 2003软件对所得数据进行分析处理。均采用重复方差分析的方法，统计结果以“¯x±s”表示，显著水平为P＜0.05，高度显著为P＜0.01。

2 结果

2.1 计算的准确性和可靠性表2显示了测试指标的高度可信性。根据椭圆区域方法的可靠性计算出本研究估计值和真实值之间的平均误差为0.2－0.9kg或者0.3% －1.3%（以人体质量百分比表示）。误差均方根值RMS分别为0.9kg和1.3%。实验结果显示：标准差SD（0.04kg）和变异系数（0. 08%）较低，证实了本研究数据的可靠性。

2.2 最大和最小瞬时速度测试结果图2显示：相对最大速度大于最大速度、平均速度及最小速度（最大速度＞平均速度＞最小速度），但最大速度与平均速度却大于相对最小速度，相对最小速度与最小速度有交叉但总体前者稍大于后者。相对最大、最小速度较最大、最小及平均速度平缓。

图2 人体质心相关速度特征

表3显示：运动员平均速度（Vmean）、最大速度（Vmax）、最小速度（Vmin）、相对最大速度（Relative Vmax）和相对最小速度（Relative Vmin）四个SC阶段两两比值，结果显示运动员的平均速度除了SC4无变化（P＞0.05）外，其余每个SC都在下降（P＜0.05）。SC1中的最大和最小速度明显要高于其他三个SC，而SC2中的最大速度比SC4的明显要高，SC3与SC4最小速度相同。然而，相对最大和最小速度却无明显的变化（P＞0.05）且它们在整个测试中都很相似，其200m的平均速度值分别为110.8± 1.6%和 88.6±1.7%。运动员在 SC1（27.38± 0.13s）用时比SC2（28.04±0.32s）、SC3（28.04± 0.32s）、SC4（27.81±0.20s）要少（P＜0.05）。除此之外，无其它变化。具体如图2与表2：

表3 人体质心相关速度特征的方差分析

表4 人体质心相关速度特征的相关性分析

结果显示：平均速度（Vmean）与最大（Vmax）、最小速度（Vmin）具有高度相关性同时具有显著性差异（P＜0.01）；然而平均速度与相对最大、最小速度的相关性很小且无显著性差异（P＞0.05）除平均相对最大速度有显著性（P＜0.05）外。

2.3 速度波动测试结果 表5显示：四个阶段中，水平、垂直及侧向速度波动呈阶梯状分布，同时相对水平、垂直及侧向速度波动也具有阶梯状分布特点。侧向速度波动均大于水平速度波动与垂直速度波动，第2个与第4个阶段尤为明显，与此同时相对侧向速度波动出现结果与上面完全一致，整个测试中的各个方向速度波动与相对速度波动的变化基本一致，但参数值变化较小且各方向上速度波动或相对速度波动均无显著变化。

表5 人体质心的速度波动值与相对速度波动百分比（%）

表6 平均速度与速度波动、相对速度波动相关性分析

表6显示出三个方向速度波动与平均速度之间的相关性。除了垂直速度波动及相对垂直速度波动在SC1阶段呈高度相关性且分别具有高度显著性差异（P＜0.01）和显著性差异（P＜0.05）外，三阶段其它方向的相关性较小且多数无显著性差异（P＞0.05），另外平均速度与水平速度波动较其它具有高度相关性且具有高度显著性差异（P＜0.01）。

3 讨论

3.1 最大和最小瞬间速度结果分析经分析，测试中实验对象的平均速度逐渐下降，第一阶段（SC1）用时明显少于其他三阶段（SCs），第一阶段最大和最小速度值均高于其它三阶段。此结果也与受试者本人预期基本一致。分析其原因：笔者认为，在游泳过程中由于乳酸不断堆积等因素导致机体疲劳产生从而致使其技术动作的稳定性逐渐下降进而导致游泳过程中的阻力逐渐增大、推进力随之减小。

在200m比赛中，游泳表现（如平均速度）与最大和最小速度呈很强的线性关系，然而这些变量的相对值在测试中表现出较好地一致性，且与游泳表现无关。可见，无论运动员竞技水平如何，其相对最大、最小速度分别与平均速度相比均在11%的范围内，此研究结果与目前其它相关研究数据相比，则更佳接近于平均值。基于以上笔者认为，运动员在游泳方向上最大速度、最小速度和速度波动具有一定一致性，且与游泳表现无关。值得一提的是本研究所选取的自由泳运动员水平十分接近，如选取游泳水平相差较大运动员参加测试，是否影响以上参数与运动表现的关系，有待于今后进一步研究。同时，对不同水平的运动员的研究，将会进一步验证这些结论。

3.2 速度波动结果分析研究中，在一个SC阶段由于水的波动以及其方向上合力的变化具有的一定规律性，所以游泳方向上水平速度波动是可以预料的。但对于垂直与侧向速度波动来说，虽然最近研究表明“垂直和侧向的速度波动可能由某种沿水平方向力造成的［8］。”也不能排除垂直速度波动由重力与浮力相对变化造成的可能。在试验中虽然侧向和垂直方向的速度波动比游泳方向上的相对和绝对值都大，且在大多数SC中，与运动员游泳表现无显著相关性，但是对于侧向和垂直方向的速度波动与运动员游泳表现，尤其是垂直活动幅度较大的泳姿，如蝶泳和蛙泳等是否具有相关性，仍有必要进行进一步探讨。此外，鉴于测试中SC时间的变化，诸如时间，持续时间和游泳方向的推力和阻力等因素可能已经改变。建议今后研究采用能够通过用一种详细的变量，例如模式，数量和周期速度V和最大和最小加速来分析推力和阻力之间关系，以此提高在一个SC中对速度波动的理解。

本研究显示，各个方向的速度波动与运动表现并无关联性，此观点恰与国外学Alberty等人结论“速度波动和运动表现不具有相关性”相契合［9］。但就该结论的得出，目前学界还存在一定争议。有少数学者提出速度波动与游泳表现具有显著相关性且速度快的运动员比速度慢的有更大的波动。由于运动员所承受的较大的阻力，更高的平均速度可能与更大的速度波动有关。然而学者Craig和Pendergast研究发现，速度波动往往会随着速度增加而增长，但通过相对速度波动的分析，却没有发现任何的差异。以上不同结论的得出显然与不同研究人员采用不同方法来计算速度波动造成的。因此笔者建议今后，在速度波动和运动表现之间关系的相关研究中除了考虑方法差异与局限性外，研究者应充分考虑到计算方法的有效性。虽然本研究中速度波动和运动表现无相关性，但有一点是不可否认的，那就是在游泳速度保持不变的情况下，减小速度波动会减少能量消耗，使游泳更加经济。

以上观点为教练员在训练过程中，通过指导运动员改善技术动作从而减少速度波动，来降低其能量消耗方面提供有力的理论支撑。另外，我们对速度波动的进一步深入研究，可能对运动员协调能力的评价及相关协同训练的设计提供一些参考，例如：游泳过程中，不同SC阶段速度波动的变化与游泳运动员协调能力的相关性问题等都极具研究价值。最后，值得一提的是本研究没有考虑到不同游段过程中的换气问题，但有研究显示换气对游泳表现有影响。因此对运动员在比赛过程中换气时间的确定、游段中是否换气及一侧换气还是异侧换气有待于更深一步研究。

4 结论

目前的研究主要建立在二维运动学分析和单个SC的基础上。除了这些发现外，所报道的数据在涉及速度波动、最大速度及最小速度和运动表现关系时都不确定。而本研究运用的三维运动学分析并结合人体测量方法，总结如下：

（1）最大和最小速度是反映运动表现的很好的指标，它们的变化和平均速度的变化相似。然而，相对最大和最小速度值显著相关，且与运动表现没有关联。

（2）各个方向的速度波动和相对速度波动与运动表现无关，且在测试中没有明显的改变。值得注意的是，侧向和垂直方向的速度波动比游泳方向的速度波动要大。今后研究要进一步寻找其中原因和影响，尤其是垂直活动幅度较大的泳姿，如蝶泳和蛙泳，还需研究速度波动和运动表现可能存在关系。

（3）可以通过进一步详细分析SC的不同阶段，以及换气和不换气对SCs的速度波动的影响，会加深我们对于运动表现和速度波动关系的理解。

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3－D Kinematic Analysis of the Speed Characteristics Freestyle Swimming Within a Shjort Cycle

HAO Fengxia1，LIU Zheng1，LIU Pingqing1，SHI Donglin2

Objective：This study aims at describing the swimmers’features and changes of a short－cycle speed fluctuation in the 200m freestyle（Vfluc），and analyzing their correlation with the swimmers’performance.Methods：11 male swimmers in active service from Hubei are selected as the research subjects.4 underwater and 2 overwater video cameras are used to synchronously record their swimming performance.The 200m freestyle swimming is divided into 4 segments（SC1，SC2，SC3，SC4）and oval region method is adopted to calculate human body data.Results：the findings indicate an overall decline in the Vmean and a positive correlation between the swimmers’Vmax／Vmin and their performance with the correlation of segment 1 much higher than the other three sections.Vmax and Vmin demonstrate significant correlation，but no correlation to the swimming performance.Conclusion：there is no correlation between the velocity fluctuation characteristics in all directions and performance with no significant changes during the whole process.

kinematics；freestyle；centroid；velocity features

G861.1 Document code：A Article ID：1001－9154（2015）03－0082－05

10.15942／j.jcsu.2015.03.16

G861.1

A

1001－9154（2015）03－0082－05

2014年国家体育总局重点研究领域项目（2014B036）；2013年重庆市教委人文社科一般项目（13SKM03）。

郝凤霞，硕士，副教授，研究方向：运动人体科学，E－mail：haofengxia29＠163.com。

1.重庆三峡学院，重庆404100；2.河北体育科学研究所，河北石家庄050024

1.Chongqing Three Gorges University，Chongqing 404100；2. Hebei Institute of Sport Science，Shijiazhuang Hebei 050024

2014－12－12