中外优秀花样滑冰运动员难度跳跃动作的运动生物力学研究*

龚 睿纪仲秋李 林王雪燕于立强

（1.北京师范大学体育与运动学院，北京 100875；2.吉林体育学院，吉林 长春 130022）

中外优秀花样滑冰运动员难度跳跃动作的运动生物力学研究*

龚 睿1纪仲秋1李 林1王雪燕1于立强2

（1.北京师范大学体育与运动学院，北京 100875；2.吉林体育学院，吉林 长春 130022）

花样滑冰跳跃动作过程可分为以下五个阶段：助滑、缓冲、起跳、腾空和落冰。采用三维录像DLT分析法，对参加世界花样滑冰大奖赛的我国运动员及世界优秀选手的跳跃动作进行了运动生物力学分析，得出运动员起跳后在垂直方向的腾空高度和速度、水平方向的速度、转体角速度、腾空时间、环节角度等运动学参数；肌电数据使用Noraxon 8通道无线遥测表面肌电测试仪进行采集并进行了科学的分析。本研究得出的结论认为，高质量的跳跃动作是助滑速度最快化、支撑腿肌力最大化和上下肢收紧展开最优化所组成的，助滑最快化是前提，肌力最大化是基础，肢体收展最优化是保障。

花样滑冰；世界花样滑冰大奖赛；难度跳跃动作；积分肌电；运动生物力学

1 前言

花样滑冰作为冬季奥运会的冰上比赛项目之一，结合了体育运动的力量与技巧、艺术表演的音乐与舞蹈[1]。跳跃动作作为花样滑冰比赛中得分最高的动作类型，其难度的高低以及完成的质量直接影响运动员的最终成绩。要完成一个指定的跳跃动作，其中有3个重要的因素：垂直方向的起跳速度、相对身体纵轴转动惯量的控制以及上下肢的伸展节奏[2]。

近年来随着花样滑冰技术水平的不断提高，高水平运动员在保证其他组合动作不失误的情况下，都在努力运用高难度的跳跃动作获取较高加分[3]。我国花样滑冰选手从九十年代开始成长迅速，在优势项目双人滑新实现老交替的同时着重提高单人滑运动员技术，逐步培养运动员的艺术底蕴，实现整体竞技水平的提升[4]。国内花样滑冰的运动专项研究明显不足，特别是主要得分点——难度跳跃动作，这在很大程度上制约了此项运动的进一步发展和高难度动作的创新。从项目发展的角度出发，加大相应的科学研究，提高国际赛场上的竞争力，才能最终提升花样滑冰项目的知名度，得到大众的关注和参与[5]。

2 研究对象及方法

2.1 研究对象

世界花样滑冰大奖赛中的10名运动员，以及竞技状态良好的2名现役国家队男子运动员。

2.2 研究方法

三维标定：将拍摄的范围规定在约10m×20m的范围内。按左、右依次用PEAK三维框架进行了标定。有实验对该标定精度进行测量，精度误差不超过3%，能够满足本研究的需要。于比赛前和后，在不移动摄像机的情况下，对框架进行拍摄。

现场拍摄：在比赛过程中，使用两台日本JVC

GR-DVI9800sH 摄像机2台在比赛现场从冰场两侧定点同步拍摄运动员跳跃动作技术的三维录像，拍摄频率为50Hz。

影像解析：通过艾立尔软件处理分析运动员技术动作录像。根据艾立尔模型构造人体16个主要的模型参数，对整个跳跃动作过程进行解析。然后对数据进行DLT法处理，将二维数据转换为三维数据，用数值滤波法进行平滑，并计算输出相关的数据资料。根据技术动作的数据资料结合花样滑冰跳跃动作基本原理进行分析研究。

实验测试法：肌电数据使用NORAXON 8通道无线遥测表面肌电测试仪进行采集，使用MRXP Master 1.07肌电分析软件对原始肌电信号进行处理，原始肌电信号经带通滤波(截止频率20－500Hz)，全波整流，RMS（300ms）平滑处理。

数理统计：使用SPSS18.0统计软件对实验数据进行分析检验。所有测试指标均以平均值±标准差的形式表示。以P ＜0.05表示差异有统计学意义，应用配对样本T检验分析各指标间的差异。

3 结果与分析

3.1 跳跃动作肌肉电信号

对国家花样滑冰队两名王姓优秀男子运动员（以下分别由运动员1、运动员2表示）从起跳蹬伸到落地时下肢肌电分析，选取肌肉均为支撑腿的胫骨前肌(Tibialis anterior)、腓肠肌内侧头(Medial gastrocnemius)、股直肌( Rectus femoris)、股二头肌长头(Biceps femoris)，其中运动员1为后内点冰三周跳，运动员2为后外点冰三周跳。

根据对图1和图2波峰出现的时间分析，运动员1和运动员2都是支撑腿的胫骨前肌和股直肌最先发力，这两块主动肌在起跳阶段为蹬伸提供主要动力。此时作为拮抗肌的腓肠肌和股二头肌则都在后期开始发力，但两位运动员仍有较大区别。运动员1在起跳阶段拮抗肌均处于极低的发力状态，几乎完全放松直到在落地时转换成主动肌群，而运动员2的四块肌肉在起跳阶段都有较大放电，说明下肢处于非常紧张及不协调的状态[6]

图1 运动员1下肢各肌肉肌电值

图2 运动员2下肢各肌肉肌电值

通过对原始肌电信号进行分析处理，运动员1起跳过程中发力最大的肌肉是胫骨前肌和股直肌，腓肠肌内侧头和股二头肌长头的发力较小。运动员2在起跳过程中腓肠肌内侧头和股直肌的发力最大，其次是胫骨前肌也有较大发力，最小的是股二头肌长头。运动员1的支撑腿肌肉力量充分且协调，在视频中针对动作分析后发现其跳跃动作缓冲合理，起跳蹬伸流畅有力。运动员2在起跳前有一个明显的停顿，整体起跳节奏把握得并不理想，支撑腿肌肉的过于紧张是导致起跳效果不佳的主要原因之一[7-8]。

表2 下肢各肌肉IEMG肌电值/μv·s

股直肌 201 372股二头肌长头 132 151

3.2 质心速度参数分析

对男子运动员闫某和科夫顿的后内点冰三周跳以及女子运动员李某、安娜的后内点冰三周跳进行运动学分析。

运动员起跳分为下摆和上摆两个阶段。①下摆期：身体依然保持缓冲时的直立姿势，无任何转体动作。两臂和浮足的下摆要连续快速，鞭打动作要快速有力，摆动要紧靠身体。避免出现追求高周数而出现提前预转和浮足侧摆情况。②上摆期：滑腿由深曲转为快速蹬直，要做到果断迅速。在蹬直腿的过程中，两臂和浮足要沿起跳弧线的切线方向的前上方摆出，为了尽早进入高速旋转期，提高平均的旋转速度，要采用边摆边收和小摆早收的技术，同时也有利于保持跳跃时的稳定性。运动员起跳时施加动力，可进一步提高其质心速度和旋转的角动量。起跳必须在瞬间内完成，才能保证整个动作的流畅和成功[9]。

运动员的主运动方向与空间坐标的关系如图3所示，X轴与运动员前进主方向平行，Y轴表示左右两侧方向，Z轴表示垂直方向。

图3 运动方向坐标系

闫某在起跳过程的参数如图4，起跳蹬伸过程用了0.32s；由X、Y轴计算的水平方向质心速度从5.62 m·s-1下降至2.91 m·s-1，减少量为2.71 m·s-1；Z轴垂直方向质心速度达到3.08 m·s-1，离冰后身体的腾起角度为31.0°。科夫顿在起跳过程的参数如图5所示，起跳蹬伸过程用了0.24s，由X、Y轴计算的水平方向质心速度从5.68 m·s-1下降至2.61 m·s-1，减少量为3.07 m·s-1；Z轴垂直方向质心速度增加到2.84 m·s-1。由此获得的离冰后身体的腾起角度为29.8°。

在两人Y轴方向质心速度相近的情况下，闫某X轴方向的质心速度远远大于科夫顿，从而使得质心三维合速度要明显高于对手。在垂直和水平方向质心速度均占有优势的情况之下，闫某的后内点冰三周跳拥有足够的腾空高度和跳跃远度，动作完成的质量非常高，空中滑行做到即飘又远[10]。闫某Z轴方向质心速度并非平稳上升，而是在0.12s时出现了下降，原因是闫某支撑腿的膝关节角度仅为101.8°，而科夫顿的膝关节角度为127.7°，导致大腿主要伸肌群未能处于最大发力状态[11]。同时，快速起跳时膝关节角度过低，也会对关节造成巨大的负担，如果运动员在训练中长此以往，导致膝关节损伤的概率也会大大提升。随后膝关节角度的逐渐增加，闫某的Z轴方向质心速度曲线也开始明显上升，最大速度甚至超越科夫顿。相关研究表明，起跳蹬伸的最大峰值力矩随着膝关节角度的增加而增大，并且在135°到150°之间达到最大值[12-13]。

图4 闫某质心速度

图5 科夫顿质心速度

3.3 质心位移参数分析

表1 国内外男子运动员点冰跳空中质心位移/m及腾空时间/s

如表1所示，完成三周跳的运动员腾空时间均在0.60s以上，完成四周跳的高松和张民两位运动员其腾空时间均在0.7s以上，Z轴垂直方向的位移均在0.6m以上。值得注意的是同样尝试四周跳的科利木肯在落冰时出现了失误并未完成预定动作，在分析他的腾空时间和Z轴位移时发现数值为0.68s和0.57m，两项数据都要低于成功完成四周跳的高松和张民两位运动员。在对Z轴方向的位移与相应腾空时间进行对比时，国内男子运动员要显著高于国外男子运动员，说明我国男子单人项目成绩正在逐渐提高，并在一些国际赛事中有优异的表现。

腾空时人体受到的外力只有重力（空气阻力忽略不计），从自由落体公式再根据机械能守恒定律，进一步证实Z轴位移是由起跳时所给予的Z轴方向的初速度决定，即起跳时垂直方向速度越大，腾空高度越大，腾空时间越长。运动员在直线滑行时所积累的水平方向速度是起跳时速度的基础，而在蹬伸阶段充分运用快速力量，使身体获得最大限度向上的速度则是关键的技术环节[14-15]。

4 结论

4.1 要完成高质量的跳跃动作，必须以起跳瞬间较快的水平速度与垂直速度作为前提，水平速度越大，空中滑行距离越远；垂直速度越大，则腾空时间越长，垂直腾空距离越大；4.2花样滑冰跳跃动作的最主要力量来自下肢支撑腿的肌肉力量，因此要特别重视肌肉最大力量训练。不仅如此，动作的流畅和协调归结于肌肉发力的协调，在发展力量的同时也要结合协调性练习，掌握合理的膝关节屈伸角度，以达到肌力最大化；

4.3 在点冰类跳跃动作的起跳过程中，最先发力的肌肉是胫骨前肌和股直肌，腓肠肌与股二头肌发力在后。起跳时肌肉过于紧张，导致发力顺序不合理，会直接影响蹬伸过程的流畅性，动作质量大打折扣；

4.4 腾空时高度不足和身体旋转角速度过低，会导致无法完成指定周数，甚至影响落冰前上肢和下肢展开的合理性和充分性，因此保证足够的腾空高度和旋转角速度直接关系到运动员跳跃动作的完成质量。

[1]金季春.运动生物力学高级教程[M].北京:北京体育大学出版社,2007:37.

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Sports Biomechanics Research on the Difficulty Movement of Chinese and Foreign Outstanding Figure Skaters

GONG Rui, etal.
(Institute of PE and sports, Beijing normal university, Beijing 100875, China)

Jumps of the figure skating skil can be divided into the following five stages: slip, buffer, jump, fly, and ice. Using the three-dimensional DLT video analysis, this paper carries out the biomechanics analysis of the jumps of Chinese and the foreign athletes attending the world figure skating grand prix. The kinematical parameters of athletes in the vertical direction after the jump ,such as the height and suspension speed, speed of the horizontal direction, spin angular velocity, hang time, link angles are gained; The electrical data is collected by Noraxon 8 channel ireless remote sensing electric tester and scientificaly analyzed. This study concludes that high quality jumps consist of fastest slip, the maximum support leg muscle strength, the optimization of upper and lower limbs tightening on; slip the fastest is the premise, premise of maximum strength is the the base, the optimization of limb tightening on is the guarantee.

figure skating; the world figure skating grand prix; difficulty of jumps; integral muscle electricity; sports biomechanics

教育部人文社科课题（11YJA880037）；国家体育总局索契冬奥会奥运攻关课题（2012A020）；北京师范大学课题基金资助项目（12-01-13）。

龚睿（1991-），湖南邵阳人，研究生，研究方向：运动人体科学。