我国优秀女子标枪运动员刘诗颖投掷技术的生物力学分析

赵 爽，刘 卉，郭庆仙，于 冰

ZHAO Shuang1，LIU Hui1，GUO Qing-xian2，YU Bing3

我国优秀女子标枪运动员刘诗颖投掷技术的生物力学分析

赵 爽1，刘 卉1，郭庆仙2，于 冰3

ZHAO Shuang1，LIU Hui1，GUO Qing-xian2，YU Bing3

目的：对我国优秀女子青年标枪运动员刘诗颖多次试投的技术数据进行分析，并与美国优秀选手数据进行对比，了解刘诗颖技术特点和影响她成绩的技术因素，希望能够为她的训练提供针对性建议。方法：通过三维拍摄方法，获得刘诗颖2013～2016年19次试投技术数据，同时收集美国女子标枪记录保持者Patterson近8次试投技术数据（60 m以上）进行分析比较。结果：相关性分析结果显示，刘诗颖的成绩与标枪的实际飞行距离（r=0.997，P＜0.001）以及真空飞行距离（r=0.828，P＜0.001）呈显著正相关。刘诗颖的成绩与出手水平速度（r=0.700，P＝0.001）和出手垂直速度（r=0.472，P＝0.041）呈显著正相关。出手水平速度与右脚着地时重心前移速度（r=0.558，P＝0.013）和左脚着地时刻髋-肩扭转角呈显著正相关（r=0.457，P＝0.049），与单支撑期重心前移损失速度（r=-0.579，P＝0.009）呈显著负相关。而且以上指标都与Patterson有显著差距。结论：刘诗颖的成绩主要决定于真空飞行距离，目前刘诗颖应进一步提高助跑速度，另外，左脚着地时躯干仍要保持良好的后倾状态，以加长力作用于标枪的距离，并尽量增加肩髋扭转的幅度，增加“超越器械”的效果。在保持出手时刻标枪姿位的同时注重发展纵轴用力，提高出手时向前向上的速度，避免侧向拉枪。

女子运动员；标枪；投掷技术；三维运动学；刘诗颖

近年来，我国女子标枪运动员刘诗颖的成绩不断提 高，在2016年全国田径大奖赛绍兴站，投出了65.64 m的成绩。在2017年世界田径挑战赛上，刘诗颖以66.47 m的成绩打破了亚洲记录。但是，刘诗颖在里约奥运会中仅投出了57.16 m的成绩，无缘决赛。不稳定的成绩可能是由于不稳定的心理状态，但更在于她的技术发挥不稳定，技术动作尚存在问题。

本文应用运动生物力学的测试方法，获得刘诗颖2013—2016年的19次试投技术数据，同时收集美国女子标枪记录保持者Patterson近年8次试投的技术数据（成绩在60 m以上），并应用相关分析、独立样本t检验等统计方法，了解刘诗颖的技术特点，分析影响她投掷成绩的生物力学因素，希望能够为她的训练提供针对性的建议，使其成绩稳步提高。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本研究对象为我国优秀女子标枪运动员刘诗颖（1993年出生，身高1.79 m，体重70 kg），美国优秀女子标枪运动员、美国女子标枪记录保持者Kara Patterson（1986年出生，身高1.82 m，体重81 kg）。

1.2 数据采集

通过三维拍摄的方式获取刘诗颖2013—2016年在全国田径锦标赛，全国田径投掷项目项群赛以及在烟台、北京体育大学、北京先农坛体校进行的测试赛中，共计19次试投的技术录像。19次试投中，最好成绩为63.33 m，最低成绩为52.26 m，平均成绩58.38±3.57m。

采用两台常速高清摄像机对刘诗颖比赛过程中最后两步投掷技术进行拍摄。拍摄频率为50帧/s，快门速度1/1000 s。一台摄像机置于投掷方向的侧后方，另一台摄像机置于投掷方向的右侧，两台摄像机主光轴的夹角在60°～120°的范围内。拍摄范围是出手前最后两步至犯规线。应用PEAK辐射型三维标定框架对拍摄空间进行标定。另设4个地坐标以建立大地坐标系。X轴指向前，Y轴指向左，Z轴指向上。标定框架在原点以及原点前后各拍一次。解析时视运动员完成动作位置决定使用哪次标定文件。摄像机摆放、标定空间及大地坐标设置如图 1所示。

图1 摄像机、标定空间及大地坐标设置Figure 1. Camera and Calibration Set-up for Data Collection

1.3 数据处理

本研究解析了从最后一步右脚落地前5～6幅到标枪出手后至少5幅画面。应用视讯运动图像解析系统（北京体育大学）获得运动员身体和标枪共24个解析点的坐标。根据右脚落地、左脚落地或标枪出手时刻对两台摄像机拍摄的解析坐标进行同步，并应用DLT法计算解析点在大地坐标系下的三维坐标。采用Butterworth低通滤波法对坐标数据进行平滑，截断频率为10 Hz。

本研究主要分析运动员投掷技术，即最后一个交叉步右脚落地到左脚落地的单支撑阶段和从左脚落地到标枪出手的最后用力阶段。

本研究分析的指标主要有距离参数、出手参数和技术指标3部分。距离参数主要包括成绩、实际飞行距离、真空飞行距离、空气动力学距离和损失距离。实际飞行距离为裁判测量距离与出手损失距离的和。损失距离为运动员出手点到犯规线的水平距离。真空飞行距离（dF，图2）为不考虑空气作用的情况下，根据出手速度（Vr）、出手高度（Zi）、出手角度（θ）数据和斜上抛运动学公式（公式1）计算得到的飞行距离。空气动力学距离为实际飞行距离和真空飞行距离的差。距离参数各指标间的关系如图2。出手参数包括出手速度合速度、出手水平速度、出手向前速度、出手侧向速度、出手垂直速度、出手角度、出手高度和攻角。出手速度合速度为标枪质心相对于地面的速度，其余出手速度为出手速度合速度在各方向上的分量。出手角度是出手速度方向与地面的夹角，出手高度是标枪出手瞬间，持枪手与地面的垂直距离。攻角是标枪长轴与出手速度方向的夹角。技术指标包括单支撑时间、最后用力时间、最后一步长还有左脚着地时刻、右脚着地时刻以及标枪出手时刻重心前移速度、左膝角、右膝角、躯干角、髋-肩扭转角、及其在单支撑阶段和最后用力阶段的变化。

注：dF为真空飞行距离，Vr为出手速度，θ为出手角度，g=9.8 m/s2为重力加速度，Zi为出手高度于2009—2015年间，在美国田径锦标赛中成绩在60 m以上（最好成绩为66.67 m，最差成绩为60.92 m，平均成绩为63.14±1.85 m）的8次试投数据，其中包括其在2010年创造的美国女子标枪记录（66.67 m）的技术数据，数据的采集和处理方法与本研究基本一致。

图2 各距离参数间关系示意图Figure 2. The Relationship between Distance Parameter

1.4 数据分析

应用皮尔森相关系数分析方法分析刘诗颖各生物力学参数与成绩之间的相关关系，以探究影响刘诗颖标枪投掷成绩的技术因素。应用独立样本t检验分析刘诗颖与Patterson动作技术之间的差异。所有统计分析应用SPSS 17.0软件完成，显著性水平定为一类误差不大于0.05。

2 结果

2.1 距离参数和出手参数

刘诗颖19次试投、Patterson 8次试投的最终成绩和出手参数如表1所示。相关性分析结果显示，刘诗颖的成绩与标枪的实际飞行距离（r=0.997，P＜0.001）以及真空飞行距离（r=0.828，P＜0.001）呈显著正相关，与空气动力学距离（r=0.311，P＝0.195）、损失距离（r=-0.310，P＝0.197）的相关性不显著。实际飞行距离与真空飞行距离呈显著正相关（r=0.816，P＜0.001），与空气动力学距离（r=0.336，P＝0.160）、损失距离的相关性不显著（r=-0.232，P＝0.339）。刘诗颖的成绩与出手水平速度（r=0.700，P＝0.001）和出手垂直速度（r=0.472，P＝0.041）均有显著性正相关关系，与其他出手参数的相关性均不显著（P＞0.05）。其实际飞行距离也与出手水平速度（r=0.686，P＝0.001）、出手垂直速度呈显著正相关（r=0.475，P＝0.040），与其他出手参数均不存在显著相关性（P＞0.05）。刘诗颖的真空飞行距离与出手水平速度（r=0.743，P＜0.001）、出手向前速度（r=0.553，P＝0.014）以及出手垂直速度（ r=0.573，P＝0.01）呈显著正相关，与其余出手参数的相关关系均不显著（P＞0.05）。其空气动力学距离与各出手参数均不存在显著相关性（P＞0.05），但损失距离只与出手高度呈显著负相关（r=-0.640，P＝0.003），与其余出手参数的相关性均不显著（P＞0.05）。

独立样本t检验结果显示，刘诗颖的成绩（P＜0.001）、实际飞行距离（P＜0.001）、真空飞行距离（P＝0.021）以及损失距离（P＝0.002）均显著小于Patterson，二者的空气动力学距离不存在显著性差异（P＝0.078）。在出手参数方面，刘诗颖的出手速度合速度（P＜0.001）、出手水平速度（P＜0.001）、出手向前速度（P＜0.001）以及攻角（P＜0.001）均显著小于Patterson，出手侧向速度（P＝0.018）、出手垂直速度（P＝0.001）以及出手角度（P＜0.001）均显著大于Patterson，二者的出手高度无显著性差异（P＝0.143）。

表1 刘诗颖和Patterson试投距离参数和出手参数Table 1 The Distance Parameter and Release Variables of LIU Shi-ying and Patterson

2.2 技术指标

刘诗颖与Patterson在单支撑阶段的技术参数的比较如表2所示。相关性分析结果显示，刘诗颖的成绩与其左脚着地时刻左腿角呈显著负相关（r=-0.502，P＝0.028），与单支撑阶段其余参数均无显著性相关关系（P＞0.05）。刘诗颖出手水平速度与右脚着地时刻重心前移速度（r=0.558，P＝0.013）和左脚着地时刻髋-肩扭转角呈显著正相关（r=0.457，P＝0.049），与单支撑期重心前移损失速度（r=-0.579，P＝ 0.009）呈显著负相关，与单支撑阶段其余参数相关性不显著（P＞0.05）。垂直出手速度、向前出手速度与单支撑阶段各参数的相关性均不显著（P＞0.05）。

独立样本t检验结果显示，在单支撑阶段，刘诗颖的相对单支撑时间显著小于Patterson（P＝0.002）。其左脚着地时刻躯干角（P＝0.014）、左脚着地时刻左、右髋角（P＝0.002，P＝0.018）以及左脚着地时刻左膝角（P＝0.042）均显著大于Patterson。二者在右脚着地时刻重心前移速度、单支撑期重心前移损失速度、左脚着地时刻髋-肩扭转角和左脚着地时刻左腿角无显著性差异（P＞0.05）。

表2 刘诗颖和Patterson单支撑阶段主要技术参数Table 2 The Technical Parameter of LIU Shi-ying and Patterson during Single Support Phase

刘诗颖与Patterson在最后用力阶段技术参数的比较如表3所示。相关性分析结果显示，刘诗颖的成绩与最后用力阶段其余参数无显著相关性（P＞0.05）。刘诗颖的水平出手速度与标枪出手时刻标枪倾角（r=0.471，P＝0.042）呈显著正相关，与最后用力阶段其余参数的相关性不明显（P＞0.05）。垂直出手速度、向前出手速度与最后用力阶段各参数的相关性均不显著（P＞0.05）。

独立样本t检验结果显示，在最后用力阶段，刘诗颖的相对双支撑时间（P＝0.002）和出手时刻左髋角（P＜0.001）均显著大于Patterson。其出手时刻重心向前速度（P＝0.027）躯干屈伸角（P＜0.001）和右膝角均显著小于Patterson（P＜0.001）。二者在左脚着地时刻重心向前速度、标枪出手时刻左腿角上无显著性差异（P＞0.05）。

表3 刘诗颖和Patterson最后用力阶段主要技术参数Table 3 The Technical Parameter of LIU Shi-ying and Patterson during Delivery Stage

3 分析与讨论

3.1 距离参数和出手参数结果分析

标枪的实际飞行距离与损失距离的差值为标枪比赛中裁判测量的最终成绩。实际飞行距离分为真空飞行距离和空气动力学距离两部分。真空飞行距离实际上反映了运动员的投掷能力，而空气动力学距离反映出运动员对标枪出手时刻的位置的控制能力。在本研究中，刘诗颖的成绩与实际飞行距离和真空飞行距离均呈显著正相关，且实际飞行距离与真空飞行距离也呈显著正相关，而实际飞行距离与空气动力学距离的相关性并不显著。这表明影响刘诗颖成绩的主要因素在于个人投掷能力，而她在出手时对标枪姿态的控制能力并不是影响她这19次投掷成绩的主要因素。

标枪成绩由出手参数决定，而最重要的出手参数是出手速度［10，14，17，25］。本研究刘诗颖19次试投的平均出手速度为22.80 m/s，小于Patterson，也小于以往研究［12，23，29］中女子运动员的出手速度。以往多数研究均发现，标枪成绩和出手速度间有显著的正相关关系，相关系数r在0.56～0.94之间［18，23，24，27，28］。但也有研究发现，女子运动员的出手速度与最终投掷成绩不存在有统计学意义的相关性［26］。在Komi［18］等研究中，女子运动员的出手速度范围（20.73 m/s～23.63 m/s）与投掷距离范围（55.88 m～69.56 m）之比相对较小，因此，认为女子标枪运动员在投掷过程中还受到风速、出手角度等因素的影响，而这些因素对最终成绩的影响可能会更大。本研究的结果表明，刘诗颖的成绩、实际飞行距离与出手时向前和向上两个分速度呈显著正相关，而出手瞬间的合速度与成绩的相关性不显著，而且刘诗颖出手时的侧向速度的平均值和标准差均较大。这说明刘诗颖应在出手时进一步发展纵轴用力效果，提高出手时向前向上的速度，降低标枪侧向的速度，避免侧向拉枪。

刘诗颖的出手角度虽显著大于国外优秀女子运动员，但出手角度与其成绩的相关性并不大，说明出手角度不是影响刘诗颖成绩的主要因素。攻角是重要的出手参数之一，有研究认为，保持攻角在零度左右有重要的意义［9］。也有研究表明，出手速度在23～35 m/s之间的试投，0°～2.5°的攻角为最优的出手条件之一［17］。在本研究中，刘诗颖19次试投的平均攻角为1.71°，小于Viitasalo研究中的9.2°，并且也小于 Best［12］等和Mero［23］等研究中的5.6°和6°。Best［13］等认为，最佳的投掷参数因运动员而异。因此，目前刘诗颖出手时刻的攻角可能已达到最优化。刘诗颖的出手高度与Patterson之间无明显差异，并与成绩相关性不显著。理论上，出手高度越高，投掷距离越远，一流女子标枪运动员的平均出手高度约为身高的105%［9］。刘诗颖目前的出手高度已经达到身高的105%。因此，刘诗颖目前的出手高度也已接近最优化。

3.2 技术指标结果分析

躯干的后倾背弓和肩髋的扭转是为了标枪在出手前获得更多的肌肉弹性势能，直接影响超越器械动作和助跑速度的发挥利用，合理的躯干后倾角度会增加最后用力的工作距离［6］，提高标枪的出手速度［4］。如果后倾角过小，会导致躯干过早前移，缩短最后用力的有效工作距离，同时使已经扭紧的肌群松弛，降低最后用力的效果。后倾角过大，则单支撑时间就会相应延长，在某种程度上会影响动作的连贯性，也会使速度受到限制。刘诗颖躯干角与最终成绩的相关性较低，但与Patterson的技术差异显著。有研究认为，左脚着地瞬间躯干后倾角在20°～25°内比较合理［7］。刘诗颖的躯干后倾角低于这个范围，并且其左脚着地时刻躯干角显著小于Patterson，而出手时刻显著大于Patterson。另外，在以往的研究中认为，最后用力开始时髋-肩扭转角越大，投掷成绩越好［1］。这与本研究的结果基本一致，刘诗颖左脚着地时的肩髋扭转角显著影响出手时的水平速度。因此在今后的训练和比赛中，刘诗颖应进一步提高腰背部肌肉力量和控制能力，在最后用力前保持合理的身体后倾和更大的肩髋扭转幅度。

损失距离的大小与运动员最后一步的速度控制能力有关。刘诗颖的损失距离显著小于Patterson。从两人最后用力阶段重心速度数据可以看出，左脚着地时刻Patterson的重心速度与刘诗颖无显著差异，而出手时刻Patterson的重心速度显著大于刘诗颖。刘诗颖在最后用力阶段重心向前速度的损失率为46.14%，而Patterson损失率为42.07%。这说明，刘诗颖在最后用力阶段将身体动量更多地传递到了标枪，重心速度下降，因此更有信心控制身体向前速度，从而损失距离较小。但是，刘诗颖右脚着地时刻重心速度与出手时标枪水平速度有显著的相关关系，这说明刘诗颖还应进一步提高助跑速度。

左脚着地时刻，刘诗颖左膝角显著大于Patterson。在最后用力阶段，人体的动作大部分以左腿为支点，投掷标枪成绩的好坏很大程度上取决于最后用力阶段左腿的技术。许多研究认为，左膝最大弯曲角是运动员在最后用力时左侧支撑制动效果的一个重要参数［2，3，5，8］，投掷出好成绩的运动员制动腿着地时膝关节趋向于伸直［9］。本研究中刘诗颖左脚着地时刻左膝角在其中一次试投中达到了178.02°，膝关节趋向于伸直。虽然传统标枪技术建议，在左脚落地时刻保持左膝趋近伸直［11］，但有研究表明，左脚落地时刻左膝伸直容易导致膝关节前交叉韧带损伤［15］。因此，在标枪出手时刻，刘诗颖左膝角显著大于国外女子优秀运动员，而其在最后用力阶段左膝角的变化显著小于Patterson，也有可能是二者在最后用力阶段左脚着地时刻的技术不同造成的。

本研究对刘诗颖技术录像的采集频率为50 Hz。50～60帧/s是投掷项目生物力学研究常用的采样频率［16，19，20，22］。Leigh［21］比较了采用不同采样频率计算的标枪投掷技术的运动学和动力学参数，结果表明，采用60帧/s的采样频率计算出的运动学和动力学数据与采用300帧/s的采样频率计算的参数无显著性差异。

4 结论

刘诗颖的成绩主要取决于真空飞行距离，与空气动力学距离关系不显著，出手高度和角度等标枪姿位参数也接近最佳，因此，刘诗颖提高成绩的关键是在保持出手时刻标枪姿位的同时发展出手速度。刘诗颖应进一步提高助跑速度，在左腿着地的同时，躯干仍要保持良好的后倾状态，以加长力作用于标枪的距离，并尽量增加肩髋扭转的幅度，增加“超越器械”的效果。在出手时进一步发展纵轴用力效果，提高出手时向前向上的速度，避免侧向拉枪。另外，刘诗颖左脚着地时膝关节可略微屈曲，以避免损伤。

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A Biomechanical Analysis on the Throwing Technique of Chinese Elite Female Javelin Athlete LIU Shi-ying

Objective：Technical data of multiple trials for elite young Chinese women’s javelin athlete LIU Shi-ying is analyzed，and the data is compared with elite American athletes，the main purpose is to analyze her technical character and the factors that correlated to her performance，provide some target suggestions in training. Methods：Three-dimensional kinematic data were collected in the 19 trials made by LIU Shi-ying from 2013 to 2016. And 8 trails made by Patterson which over 60m were also collected in the same way. Results：This research found a significant positive correlation between LIU Shi-ying’s official distance and actual distance （r=0.997，P＜0.001）. The result also showed a significant positive correlation between the official distance and vacuum flight distance（r=0.828，P＜0.001）. And her official distance also have a significant positive correlation with horizontal release velocity （r=0.700，P＝0.001） and vertical release velocity （r=0.472，P＝0.041）. The horizontal release velocity have a positive correlation with the forward velocity of the center of mass at right foot touchdown （r=0.558，P＝0.013），and the hip-shoulder separation at left foot touchdown（r=0.457，P＝0.049）. The horizontal release velocity also have a negative correlation with lose in forward velocity of center of mass （r=-0.579，P＝0.009）. And all the parameters mentioned above have significant difference with Patterson. Conclusions：The results showed that LIU Shi-ying’s performance mainly depends on the vacuum flight distance. LIU Shi-ying needs to improve her runup speed at present. Besides she also needs to keep a good trunk backward state to lengthen the distance of force that attached to the javelin at left foot touch down and at the same time increasing the hip-shoulder separation as she could increase the effect of ”ahead of apparatus”. While keeping the javelin in a right position，LIU Shi-ying also needs to focus on the development of the force on the axis of bank to improve the upward velocity at release time and increasing the lateral velocity.

javelin；stroking technique；three-dimensional kinematic

1002-9826（2017）04-0065-06

10. 16470/j. csst. 201704009

G804.6

A

2016-12-07；

2017-06-08

国家体育总局科研课题（2013B033）。

赵爽，女，在读硕士研究生，研究方向为运动生物力学，E-mail：jasmine 0258@hotmail.com。

1.北京体育大学 北京100084；2.烟台体育运动学校山东 烟台264005；3.美国北卡罗来纳大学教堂山分校 美国 北卡罗来纳27599

1. Beijing Sports University，Beijing 100084，China；2. Yantai Sports School，Yantai 264005，China；3. University of North Carolina at Chapel Hill，North Carolina 27599，USA.

美国优秀标枪运动员Kara Patterson 的技术数据由美国田径协会投掷项目科研专家于冰教授提供，为Patterson