体操平衡木项目前空翻类动作技术的运动学分析

体操平衡木项目前空翻类动作技术的运动学分析

1 前言

平衡木作为女子体操的4个单项之一，是中国体操队的传统优势项目，在以往的国际大赛中涌现了邓琳琳、眭禄等一批世界冠军。但近年来，由于老运动员退役而年轻运动员实力欠缺，我国在该项目的优势地位并不如前。自2012年伦敦奥运会夺冠后，目前未再获得世界体操锦标赛、奥运会等世界性大赛冠军。体操项目的最终得分由动作难度分和完成分组成，动作难度是影响最终成绩的关键因素。纵观近几年的世界性大赛，平衡木冠军均由动作难度最高的选手获得。2012年伦敦奥运会，邓琳琳正是凭借一套全场最高难度的动作获得冠军。之后，中国运动员最接近冠军的比赛是2014年的世界体操锦标赛，白雅雯得到了全场最高的动作完成分，但由于动作难度分略低于最终获得冠军的美国运动员而遗憾获得亚军。因此，加强平衡木难度系数方面的训练，争取更高的难度分，是比赛取得优异成绩的重要保障。

平衡木成套动作计入最高8个难度动作的分值，其中最多5个技巧动作，最少3个舞蹈动作［3］。对近年国内、外的比赛统计结果表明，计入难度分的技巧类动作主要有4种类型，前空翻、后空翻、后跳转类和侧空翻，前空翻类动作在比赛中使用率最多，大约40%，且表现出增加趋势［8］。平衡木前空翻类技巧动作包括团身前空翻（以下简称“动作A”），屈体前空翻（以下简称“动作B”），团身前空翻转体180（以下简称“动作C”），屈体前空翻转体180°（以下简称“动作D”）等。上述4个动作难度依次增加，在比赛中价值分也依次增加。当然，能够完成这些动作的运动员数目也随着动作难度增加而减少。在国际比赛中能够完成动作C的运动员已经十分稀少，而完成动作D的运动员更加罕见［8］。

通过分析体育运动项目中运动员关键技术动作的运动学相关指标，获得成功关键技术动作的条件，可以加深人们对技术动作的理解，为运动员提高运动成绩进行安全有效的训练提供科学依据。目前，体操运动技术分析的研究大多集中在跳马［4］和单杠［13，14］的动作中，平衡木的动作技术分析十分有限。国外学者有关平衡木的研究主要从心理角度研究运动员训练比赛中的情感因素特征［9］、心理准备［10，11］、自我认知［15］对比赛成绩的影响，而国内平衡木技术分析的研究则都是对单个运动员的单一动作的分析研究。例如，竭晓安等［5］对我国著名运动员程菲完成的团身后空翻转体360°站木动作的技术特点和运动学特征进行了深入研究。程清清等［2］和王静等［7］对睢禄完成的团身前空翻转体180°站木动作的技术特征和运动学指标分析后提出，睢禄还应加快转体速度、提高落木稳定性，以提高技术水平。吴成亮等［6］采用计算机仿真方法，对睢禄完成的屈体前空翻转体180°站木进行研究，获得了运动员在完成动作过程中的下肢关节用力特征和杠体对运动员动态作用力。这些研究对深入了解平衡木动作的运动学、动力学特征和技术特点提供了重要的理论参考，但由于研究对象都是单个运动员的单一动作，因此，无法探讨不同难度动作以及不同水平运动员完成相同动作的运动学差异，进而无法为平衡木更高难度动作的训练以及运动员水平的提高提供有效的参考建议。

本研究旨在分析比赛中使用频率最高的前空翻类动作的运动学指标。通过对比4个不同难度动作和不同水平运动员完成相同动作时的运动学指标差异，探讨不同难度的前空翻动作在动作技术上的内在联系，并探讨高水平运动员完成前空翻动作时的技术特点，进而为运动员学习掌握前空翻类高难度动作提供科学依据。

2 研究对象与方法

2.1 研究对象

研究对象为我国14名体操运动员（身高1.47±0.06 m，体重37±4.68 kg），他们均在国内、外比赛中取得了优异成绩。其中，11名来自国家队，3名来自省队；国际健将6名，国家健将4名，国家一级运动员4名；奥运会冠军2名，世界冠军3名。

2.2 研究方法

采用两台高速摄像机（CASIO EX-F1，300 Hz）对运动员在两次全国体操锦标赛中成功完成的20个前空翻类动作（9个动作A，8个动作B和3个动作C）进行拍摄，采用Peak框架标定。动作D难度极高，是我国运动员眭禄首先完成，并成功向国际体操联合会（FIG）申报的创新动作。但眭禄在本研究涉及的在两次比赛中均未使用该动作。因此，1个动作D由睢禄在国家队训练馆中完成。

按照前空翻类动作特点，将所有动作划分为助跑、起跳、腾空和落木4个阶段（图1）。应用SIMI图像解析系统对采集动作图像进行解析，选用扎齐奥尔斯基人体模型，对解析所得人体三维坐标数据进行平滑处理（低通滤波截断频率8 Hz）处理，获得人体重心位移和速度，以及关键瞬时姿态角度等运动学指标。

采用SPSS 21.0对相关指标进行统计分析，采用单因素方差分析比较运动员完成动作A、动作B和动作C的各项指标差异，采用Bonferroni事后检验分析组间差异。采用单样本t检验（One sample T test）分别比较单个样本与一组之间的相关指标差异，如动作D分别与动作A、动作B的差异，以及1名顶尖平衡木运动员睢禄与一般优秀运动员分别在动作A、动作B的差异。

3 研究结果

3.1 动作的总体特征

平衡木前空翻类技巧动作的构成基本相同（图1）。运动员在助跑阶段快速加速获得较大水平速度，同时身体获得动能。在起跳阶段首先急速制动、积极下蹲缓冲、储备能量，之后用力蹬伸，获得垂直速度。在此阶段，运动员将部分水平方向上的冲量转化为垂直方向上的冲量，重心的水平速度降低，但垂直速度增加，为后续腾空做好准备。在腾空阶段，运动员完成相应的空中动作（动作A、B、C或D对应的空中动作）。在落木阶段，运动员需双足稳定站立在木上，下肢屈曲缓冲，充分耗散动能，之后再伸展直立站稳，完成整个动作。

以睢禄完成的屈体前空翻转体180°动作为例，助跑阶段重心向前、向上移动，起跳阶段重心首先下降、之后向上，翻腾阶段重心呈现抛物线运动，最后完成落木动作（图2）。在此动作过程中，重心向前移动2.28 m，用时1.12 s，助跑、起跳、腾空和落木分别约占总时间的27.2%、9.4%、51.8%和11.6%。在本研究全部4种前空翻动作（动作A、B、C、D）的21例动作中，平均助跑、起跳、腾空和落木分别约占总时间的26.6%、10.3%、50.1%和15.0%（图3）。单因素方差分析表明，动作A、B和C 3种动作中，起跳阶段存在显著性差异（P＜0.01），而助跑、空翻和落木阶段都没有统计学差异。单样本t检验表明，动作D与动作A和B的差异主要表现在起跳和落木阶段（P＜0.01），动作D相应的时间更小。不同动作起跳阶段差异幅度不超过2%，但落木阶段差异则达到5.4%。

3.2 不同动作间运动学指标比较

单因素方差分析表明，动作A、B和C 3种动作中，起跳阶段重心水平速度减少值△Vrx（P＜0.05），起跳阶段缓冲时间T1（P＜0.01），和腾空水平速度Vax（P＜0.05）都存在显著性差异（表1）。这些差异主要表现在动作C与动作A和B的相应指标的不同，动作C的助跑△Vrx和T1较大，但腾空Vax较小。

图2 屈体前空翻转体180°身体重心在垂直面内运动轨迹图Figure 2. Trajectory of Center of Mass （COM） in Vertical Plane When a Gymnast Performed the Salto Forward Piked with 1 /2 Twist Movement

采用单样本t检验比较动作D与动作A和B的对应指标表明，除了起跳阶段缓冲时间T1和腾空水平速度Vax无显著性差异（P＞0.05）外，其他指标都存在显著性差异（P＜0.01）（表2）。动作D与二者比较，助跑速度较高、起跳水平速度减少值较大、起跳蹬伸时间较短、起跳角较大（接近垂直90°）、垂直腾空速度较大、腾空高度较高，但落木角度较小、落木缓冲高度较低。

3.3 顶尖运动员与优秀运动员的比较

图3 不同动作 （动作A、B、C和D） 的助跑、起跳、腾空和落木时间阶段占比柱状图Figure 3. Phases Durations of Run-Up，Take-Off，Flight，Landing in Different Movements （A，B，C，D）

为分析不同水平运动员完成相同动作的主要运动学指标的差异，采用单样本t检验分别比较顶尖运动员（睢禄）完成的动作A和动作B与其他运动员的对应指标（表3）。统计结果表明，睢禄的助跑速度较高，起跳水平速度减少值较大、起跳蹬伸时间较短、起跳角较大（接近垂直90°）、垂直腾空速度较大、腾空高度较高。但落木缓冲高度较低。值得注意的是，腾空水平速度与其他运动员十分接近。

4 讨论

本研究主要有两个研究目标：1）对比不同难度前空翻动作的运动学指标差异；2）对比不同水平运动员，即顶尖运动员与一般优秀运动员在完成相同动作时的运动学指标差异。基于以上研究结果，尝试寻找完成高难度动作所需的关键运动学特征，以及顶尖运动员所具备的动作技术特点，以期为平衡木项目的训练提供参考。

表1 团身前空翻转体180°分别与团身前空翻、屈体前空翻主要运动学指标比较Table 1 Comparison of Kinematic Indicators between C Movement and A/B Movement

表2 屈体前空翻转体180°分别与团身前空翻、屈体前空翻主要运动学指标比较Table 2 Comparison of Kinematic Indicators between D Movement and A/B Movement

表3 不同水平运动员完成相同动作的主要运动学指标比较Table 3 Comparisons of Kinematic Indicators between Different Level Gymnasts

对比不同难度的前空翻动作的运动学指标后发现：动作A、B和C的差异主要在于起跳阶段水平速度的减少量△Vrx、起跳阶段缓冲时间T1、和腾空阶段水平速度Vax3个指标（图3，表1）。事后检验结果表明，难度较低的动作A和动作B在运动学指标上不存在显著性差异，难度较高的动作C和动作A、B都存在显著差异。动作C的起跳阶段缓冲时间更长，起跳前的水平速度减少量更大，腾空阶段的水平速度较小。另外，3个动作虽然在起跳阶段蹬伸时间、腾空阶段垂直速度这两个指标没有显著性差异，但动作C的起跳阶段蹬伸时间平均值（76 ms vs. 69 ms、68 ms）、腾空阶段垂直速度平均值（2.43 m/s vs. 2.19 m/s、2.11 m/s）大于动作A和动作B。这两个指标在统计学上没有显著性差异可能与动作C的样本量（3个）较少有关。如果扩大动作C样本量，那么，起跳阶段蹬伸时间、腾空阶段垂直速度也可能是不同难度动作的主要差异指标。以上研究结果表明，运动员在完成难度较高的前空翻动作时，通过增加起跳缓冲时间以及蹬伸时间将助跑积累的水平速度更多地转化为垂直速度，以顺利完成动作C 180°的转体动作。

难度最大的动作D与动作A和B主要运动学指标大都差异十分显著（表2）。动作D的助跑速度Vrx比难度最小的动作A高22%，起跳阶段水平速度减小量△Vrx高39%，起跳阶段蹬伸时间T2低14%，腾空垂直速度Vaz高18%；动作D几乎垂直向上（起跳角88.4°）腾起，但腾空的水平速度无差异（表2）。在同类动作中存在如此悬殊的差异，十分惊人。事实上，这也同时显示了顶尖运动员与一般优秀运动员之间的差异。完成高难度的动作D，需要运动员具有快速的加速能力达到更大的助跑速度和下肢巨大的弹跳力量将助跑速度转化为垂直速度。另外，由于平衡木长度有限，所以，运动员必须把腾空时的水平速度控制在适当范围内以保证落木时没有超出合理范围。顶尖运动员完成动作D时助跑水平速度更大，但腾空水平速度和低难度动作相当，这需要非常精准的姿态、速度控制能力。因为动作D只有睢禄完成的1例，动作C也只有3例，所以，本研究未对动作D和动作C进行统计学比较。

为进一步找出顶尖运动员完成平衡木前空翻类动作的技术特征，本研究还分别对比分析了睢禄（作为顶尖运动员）与其他优秀运动员完成较低难度动作（动作A、B）时相应的运动学指标（表3）。研究结果表明，睢禄完成较低难度动作时候，运动学指标也与其他优秀运动员存在极大的差异（表3）。例如，与其他运动员相比，睢禄完成动作A时助跑水平速度Vrx高18%，起跳前水平速度减小量△Vrx高24%，更加接近垂直起跳（起跳角87.9°比其他运动员高4.6°），腾空时垂直速度Vaz高36%，但腾空水平速度也与其他运动员无统计学差异。这样的结果也显示，顶尖运动员在完成前空翻类动作时，助跑速度快，起跳水平速度减少量大，起跳角极大，同时腾空垂直速度高，但水平速度必须控制在合理范围内，与其他运动员几乎没有差异。

通过以上分析讨论，本研究认为，运动员完成平衡木前空翻类高难度动作以及一名顶尖平衡木运动员需具备3个身体素质特征。1）运动员必须具备良好的下肢爆发力和与之对应的快速加速能力，以便助跑时在平衡木上有限长度内达到较高的水平速度。2）运动员应具备较好的下肢弹跳力量，以便运动员在起跳过程中将助跑积累的部分水平速度转化为垂直速度。水平速度显著降低并转化为垂直速度的现象在所有助跑起跳动作中都存在。Dapena［12］认为，跳高运动员如果没有在起跳制动阶段损失很大的水平速度，说明这个运动员没有很好地利用助跑速度。本研究也发现，顶尖运动员睢禄不仅助跑速度大，而且在起跳阶段水平速度减少量也很大，说明她很好地利用了助跑速度。3）运动员需要具备准确的速度和姿态控制能力。尽管高难度动作中助跑后水平速度很大，但运动员还要将起跳后腾空的水平速度控制在适当范围内，高难度动作与较低难度动作的腾空水平速度间几乎相同，只有这样才不会在落木时超出木上有限长度范围。此外，高难度动作起跳角非常接近垂直角度，这需要运动员具备很好的姿态控制能力。

本研究存在一定局限性。由于动作C和动作D难度较高，可以完成这两个动作的运动员凤毛麟角，导致本研究中这两个高难度动作的样本量较小，动作C只成功采集了3个样本，而动作D甚至只采集了1个样本。样本量的限制使得本研究在统计方法的选择上受到限制，并且某些指标没有显著性差异也可能与之有关。由于动作D只有1个样本，本研究在对不同难度动作进行统计分析时，并没有采用单因素方差分析探讨所有4个难度动作的差异，而只对动作A、B、C间的运动学差异进行了单因素方差分析。另外，则采用单样本t检验分析动作D分别与动作A、动作B的差异。同样，在分析顶尖运动员与一般优秀运动员完成相同动作时的运动学差异时，也存在样本量不足的问题。本研究仅有睢禄一名顶尖平衡木运动员，因此，只能采用单样本t检验分析睢禄和其他运动员在完成动作A、B时的运动学差异。样本量的限制导致本研究在统计方法的选择上存在一定局限性，这在一定程度上可能会影响对本研究结果的解释。

5 结论

1.本研究获得了不同难度平衡木前空翻类动作和不同水平运动员完成相同难度动作时的基本技术特征及相关的运动学指标，为运动员学习和发展这类动作和运动员水平的提高提供科学参考。

2.顶尖运动员完成高难度动作和低难度动作时均表现出：1）在有限距离内获得更大助跑水平速度的出色加速能力；2）将助跑积累的水平速度转化为垂直速度的优秀速度转化能力；3）将腾空时水平速度保持在适当范围的非常精准的速度控制能力；4）控制起跳角非常接近垂直角度的良好姿态控制能力。

6 训练建议

1.助跑时出色的加速能力需要运动员具备强大的下肢肌肉爆发力；起跳前优秀的速度转化能力则需要运动员具备良好的下肢弹跳力量。因此，在运动员学习完成高难度动作前，应先加强下肢爆发力和弹跳力量的训练，提高力量素质，为完成高难度动作提供身体基本素质保障。未来研究可采用无线肌电分析方法进一步研究顶尖运动员完成高难度动作时的下肢各肌肉的激活特性，为指导运动训练提供更为精准的建议。

2.训练中加强运动员速度感知和身体姿态控制能力的训练，以便将腾空时水平速度保持在适当范围以及控制起跳角度尽可能地接近垂直方向。

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Kinematic Analysis of Forward Somersault Movements in Gymnastics Balance Beam Event

于佳彬1，郝卫亚2，孙 捷2，顾耀东1，李建设1
YU Jia-bin1，HAO Wei-ya2，SUN Jie2，GU Yao-dong1，LI Jian-she1

目的：前空翻类动作在平衡木比赛中使用频率最高。通过对比4个不同难度前空翻动作和不同水平运动员完成相同难度动作时的运动学指标差异，探讨不同难度动作在动作技术上的内在联系和顶尖运动员的动作技术特点，为运动员学习掌握前空翻类高难度动作提供科学依据。方法：对两次全国体操锦标赛的20个前空翻类动作（9个A难度，8个B难度和3个C难度）和国家队训练时的1个D难度动作进行高速三维拍摄。应用SIMI进行图像解析，SPSS 21.0进行统计学分析。结果：运动员完成高难度动作时，助跑速度较高、起跳水平速度减少值较大、起跳蹬伸时间较短、起跳角较大（接近垂直90°）、垂直腾空速度较大，但水平腾空速度无差异。顶尖运动员完成较低难度动作时同样表现出以上运动学特征。结论：顶尖运动员完成高难度动作和低难度动作时，均表现出在有限距离内获得更大助跑水平速度的出色加速能力，将助跑积累的水平速度转化为垂直速度的优秀速度转化能力，将腾空时水平速度保持在适当范围的非常精准的速度控制能力，控制起跳角非常接近垂直角度的良好姿态控制能力。建议：运动员在学习高难度动作前应注重发展下肢力量素质以及速度和姿态控制能力。

平衡木；运动学分析；前空翻类动作；下肢力量；姿态控制能力

Objective：Forward somersault movements are most utilized in gymnastics balance beam event. This paper analyzed the kinematic indicators differences of different diff i culties movements and the same diff i culty movements completed by athletes with different levels，further to investigate the inner relationships in technique between movements of different diff i culties and technique feature of top athlete，f i nally to provide insights into learning high diff i culty forward somersault movements for gymnasts. Methods：The images of twenty forward somersault movements performed in National Gymnastics Champion Competition （nine movements of diff i culty A，eight movements of diff i culty B，three movements of diff i culty C） and one forward somersault movement of diff i culty D completed in the National Gymnastics Training Center were recorded by two high speed cameras. SIMI software was used to digitize the recorded images in 3D，and SPSS 21.0 was employed for statistical analysis. Results：When gymnasts performed high difficulty movement，run-up speed，horizontal speed reduction and vertical speed while take-off，take-off angle（nearly ninety degree in vertical direction）were signif i cantly larger，and push-off duration before take-off was signif i cantly short. However，the aerial horizontal speeds were not signif i cantly different between movements of different diff i culties. The same kinematic features were also observed when a top gymnast performed low diff i culty movements. Conclusions：The characters of top athlete completing movements of high and low diff i culties were the excellent acceleration ability to get a larger velocity at the end of runup，the excellent velocity transformation ability to transform horizontal velocity into vertical velocity，the precise speed control ability to limit the horizontal speed at take-off within a proper range，the precise posture control ability to control jumping angle nearly in the vertical direction. Suggestions：the athletes are strongly suggested to develop strength of lower extremities and the ability of controlling velocity and posture before learning movements of high diff i culty.

balance beam；kinematic analysis；forward somersault movement；strength of lower extremity；ability of posture control

G832.7

A

1002-9826（2017）05-0048-06

10. 16470/j. csst. 201705005

2017-03-21；

2017-06-29

国家自然科学基金资助项目（11672080）；国家体育总局体育科学研究所基本业务费课题（基本17-01）。

于佳彬，男，讲师，博士，主要研究方向为运动生物力学，Tel：（0574）87609376，Email：yujiabin@nbu. edu.cn。

1. 宁波大学 大健康研究院 体育学院，浙江 宁波315211；2. 国家体育总局体育科学研究所，北京100061

1. Ningbo University，Ningbo 315211，China；2. China Sports Information Institute，Beijing 100061，China.