游泳运动员体型三维扫描数据与流线型体型研究

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(1.上海游泳队,上海 201317; 2.上海体育科学研究所,上海 200030)

根据流体力学基本理论,在水中只有减少运动时的阻力,提高前进时的推进力,身体才能获得更大的速度。基于这一原理,培养一名优秀游泳运动员必须具备良好的流线型体型。如此才可以在游泳时减少阻力,获得更大的游进速度。流线型体型的获得与选材、育才直接关联。在以往研究中,一般认为游泳运动员的流线型体型大多要求肩宽、髋窄,这样的体型有利于专项水平的提高。传统的测量肩宽、髂宽和髋宽表型及其派生指数进行数据分析的居多,运动员选材时大多使用比肩宽和比髂宽派生指数的二维评价指标。随着流体力学技术的发展,要使物体在流体中获得更大的速度,对物体的形态结构和功能提出了较高的匹配要求。只有那些符合或接近流线型体型的人,才能在游泳时最大限度地减少阻力,获得更大的游进速度。本文通过人体形态长度、宽度及厚度的三维扫描数据,建立“筒式躯干”更符合生物学流体力学特征,进一步分析游泳运动员流线型体型的数据,为科学选材和训练提供参考。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

上海游泳队一线运动员 60 名,其中包括国际健将8人、国家健将28人、一级运动员 24人,平均年龄18.68±1.52岁。男运动员占比49.2%。

1.2 研究方法

1.2.1 测试仪器

对运动员进行身体形态测试。为了测试准确,要求女运动员穿泳衣,男运动员穿泳裤。所有测试全部由上海体育科学研究所选材研究中心组织选材技术人员完成。身体形态表型测量采用Vitus Smart XXL三维人体扫描仪(德国,HumanSolutions),所有受检运动员赤足自然站立,目视前方,手臂置于身体两侧,掌心向前,四肢并拢,拇指展开[1]。身体成分表型采用Inbody720获得体脂百分比、体重和瘦体重,受试者空腹,赤足站立,男运动员穿泳裤,女运动员穿泳衣,目视前方,双手握住手柄,双臂自然下垂。

1.2.2 测量指标

通过VitusSmart XXL三维人体扫描仪,根据流线型体型表型要求,确定如下表型指标。身体形态高度表型:身高及派生指数;身体形态宽度表型:肩宽、髋宽、髂宽以及派生指数;身体形态围度表型:头围、胸围、腰围、臀围及派生指数。身高对流线型体型的高度至关重要,身高也同时关联宽度和围度表型。在20世纪80年代的游泳年龄组训练大纲中提出,流线型指数公式为:流线型指数=(肩宽+骨盆宽)/(2×身高)。由于公式推行后存在一定异议,经过一段时间的运用,改进为:流线型指数=[(肩宽+髋宽)/(2×身高)]×100%,体型指数=(肩宽-髋宽)/髋宽×身高。需要说明的是,体脂百分比反映运动员体内脂肪含量及身体成分变化,对生长发育水平,尤其是女运动员的生理机能有明显影响,对运动员的成绩也会产生一定的影响。所以,增加了体脂百分比这个评价指标。

1.2.3 数理统计法

将VitusSmart XXL三维人体扫描仪测量所得的数据使用SPSS 13.0和Excel 2010进行数据分析,测试数据以平均数±标准差表示,并对数据进行t检验。

2 研究结果

游泳运动员的体型变化既受先天遗传影响,也受后天环境的影响,身体长度指标的遗传度最大,为82.0%～84.5%,身体宽度指标的遗传度为71%～85.5%,身体围度指标的遗传度为54.5%～81%。运动实践证明,运动训练对体型的塑造与改变较大。分析不同运动等级游泳运动员的体型变化特点,对游泳运动员的选材和育才具有重要意义。

2.1 不同等级游泳运动员三维扫描宽度数据分析

从表1可以看出,游泳运动员身高呈现随运动等级的升高而增长的趋势,且在国际健将、国家健将、一级运动员3个运动等级间的差异均有统计学意义(P<0.05)。肩宽、髋宽表型方面,国际健将和国家健将的指标整体好于一级运动员,且与一级运动员相比差异具有统计学意义(P<0.05),国际健将和国家健将相比差异无统计学意义。髂宽表型随运动等级的升高而增长,但并无统计学意义。反映游泳运动员流线型体型的复合指数随运动等级的降低而逐渐减小的趋势,且国际健将、国家健将、一级运动员3个运动等级之间均有统计学意义(P<0.05);体型指标均值国家健将最大,且国际健将、国家健将、一级运动员3个运动等级之间均有统计学意义(P<0.05)。优秀游泳运动员具有良好的三角形身材,与流线型体型相一致。

表1 不同等级游泳运动员三维扫描宽度表型数据

2.2 不同等级游泳运动员三维扫描围度数据分析

从表2中发现,在三维扫描数据中,国际健将和国家健将的头围表型整体大于一级运动员,且与一级运动员相比具有统计学意义(P<0.05),国际健将和国家健将相比无统计学意义。胸围、臀围表型均存在差异。国际健将、国家健将、一级运动员的胸围表型均值呈现逐渐减小趋势,并且国际健将、国家健将、一级运动员三者相比均有统计学意义(P<0.01)。臀围表型属国际健将最小,国家健将最大。三者相比均有统计学意义(P<0.01),这与小骨盆选材要求相一致。

2.3 不同等级游泳运动员体脂百分比测量数据分析

从表3可以看出,受检运动员的体脂量为国家健将最高,国际健将与国家健将的体脂量相比具有统计学意义(P<0.01)。体脂百分比随运动等级的降低而升高,国际健将与国家健将、一级运动员相比具有统计学意义(P<0.01)。优秀游泳运动员的体脂百分比在发育中晚期趋向稳定,随着运动训练水平的提高而逐渐降低,高水平游泳运动员都具备瘦体重大、脂体重轻的身体成分比例。总体而言,游泳运动员体脂率低于同龄人,而略高于田径等项目运动员。

表2 不同等级游泳运动员三维扫描围度表型数据

表3 不同等级游泳运动员体脂百分比测量数据

3 分析与讨论

3.1 游泳运动员的体型解读

体型是人体骨骼、肌肉、体脂、身材的综合反映,是运动个体当前的形态表型,是可以观察到的外在形态结构,对个体的生理机能、运动素质都有内在的影响[2]。已有研究表明,体育运动对体型的变化有很大的影响,长期的专业训练可以改变一个人的体型,还可以对运动员的运动能力造成影响。游泳项目除了需要身材高大、四肢修长、腰长腿稍短、手宽脚大、体脂适中、体型指数较高、躯干形态呈倒三角体型,还需要良好的机能。Heath研究发现,内胚型者体重大、骨盆宽、皮下脂肪多、发育也较早,在机能方面并没有太多的优势;中胚型者肩膀宽、骨骼粗、肌肉健壮,在背肌和握力方面有相当大的优势;外胚型者身材瘦小,下肢长、体积小,肩膀窄,机能(尤其是肌力)方面表现较差。优秀游泳运动员需要良好的肌力和心肺功能,所以,内胚型和中胚型者更适合进行游泳项目[2]。资料表明,游泳运动员内胚层体型居多,高比例内胚层体型也是形成流线型体型的基础。皮尤等人采用体型来评定12名横渡海峡赛的游泳运动员的身体形态条件,发现这些游泳运动员全都是内胚层体型。居里顿等注意到,在世界级短距离游泳运动员中,内胚层体型者较多,长距离游泳运动员较短距离游泳运动员比重小,水中浮力使人体更接近水面线。流线型体型的要求越来越被游泳教练员所重视。

3.2 游泳运动员的流线型体型

研究认为,原有的比肩宽派生指数属于二维指标,其更多的是对躯干宽度的解读。从比肩宽数据中可以看出,随着游泳运动员级别的提高,躯干形态改善,肩宽增加,主要是运动员需要上肢发力获得更大的速度。比髋宽派生指数在国际健将中占较小比例,这样更符合流线型的形态要求。当水流经过躯干时,髋宽太大易造成反向涡流,产生更大的阻力,影响游进速度。所以,优秀游泳运动员躯干宽度方面更趋于肩宽、髋窄。流线型指数随运动等级的降低而呈逐渐减小趋势,且国际健将、国家健将与一级运动员相比均有统计学意义(P<0.05)。表1显示,体型指数均值,国家健将最大,国际健将最小,且国际健将、国家健将与一级运动员相比均有统计学意义(P<0.05)。

经过长期的专业训练,游泳运动员为了提高游速,其身体形态就要符合或尽可能符合流线型体型,以减少人体在水中行进时所受到的阻力,因此,流线型体型是长期训练的结果。鱼儿在水中游得快,不仅仅具备长度和宽度的良好形态,还在于其围度,以及躯干摆动,尾巴甩动。高水平竞技游泳运动员具有良好的流线型体型,它源自于多指标、多维度的三维数据。众多数据分析优于单个数据,派生指数分析优于个体指标表型,多维数据分析优于单维数据,三维“筒式躯干”更符合游泳项目流线型体型这一生物学特征,利用三维扫描数据对游泳运动员进行流线型体型的评价更为准确科学。本研究发现,胸围、臀围数据在不同等级之间存在差异,国际健将、国家健将、一级运动员的胸围指标均值均呈逐渐减小的趋势,并且国际健将、国家健将、一级运动员三者相比均有统计学意义。首先,胸围数据逐渐增大,表明胸大肌和背部肌群肌肉体积的增大。游泳不仅需要两臂的力量,更需要胸大肌带动双臂向前、向内划动,胸大肌力量的增强,有利于划水质量的提高。背部肌群主要是稳定肩胛骨。每次手臂上举时,如果这部分肌群发力较小,就无法较好固定肩胛骨,将会导致肩关节在不正确的姿势下做出划水动作,如此千百次的练习就可能造成旋转肌群或滑液囊夹挤,发生疼痛或者伤害。随着肌肉发育水平的提高,划水的效果大大增强。其次,臀围数据的比例逐渐变小,国际健将的数据明显小于国家健将和一级运动员。这说明现代游泳运动员不仅骨盆小而窄,更要求臀部扁平形态,这样不会造成前进过程中在臀部形成一个漩涡,继而对躯体前进造成阻力,影响游进的速度。从躯干宽度表型可以看出,随着运动等级的提高,游泳运动员的躯干部形态得到改善,更符合在水中的运动模式,有效减少了不良形态的阻力。研究认为,围度表型不仅表明运动员的躯干宽度表型,也包含了游泳运动员的三维方向的肌肉发育水平。人体在水中游动,原有的二维数据更偏向于躯干的宽度,三维“筒式躯干”的数据才是对流线型体型的更好解读。

3.3 游泳运动员的体脂含量

身体成分总处在一个相对合理与稳定的比例,皮褶厚度、脂肪总量、体脂重、去脂体重、体脂百分比等表型亦然。体内脂肪组织过高或者过低,都会对运动员的训练和成绩造成不小的影响。沈艳梅等指出,男子游泳运动员体脂百分比应保持在9%左右,女子游泳运动员的体脂百分比应保持在15%左右[3]。研究还发现,目前世界顶级游泳运动员体脂百分比普遍较低。曾凡辉的“红皮书”报导,我国优秀男游泳运动员体脂百分比为12.06±2.10%,女运动员为18.53±3.23%。我们分析发现,运动员的体脂百分比随运动级别的降低而升高,且运动员的体脂百分比和运动成绩存在一定的线性关系[4]。如果运动员体脂百分比较高,身体的横向宽度增加,在水中运动时,形成涡流较大,所受到的阻力也就相对较大,所以,多余的脂肪不利于运动员在水中运动。如果运动员体脂百分比过高,每分钟的耗氧量将大大增加,同时还会增大运动员的心脏负担,对运动员的身体健康造成影响。Sinning认为长距离游泳作为一种耐力性项目,运动员具有较高的脂肪含量反而有利于运动,这是因为脂肪具有维持体温和提高浮力的作用[5]。

4 小结

优秀游泳运动员呈现肩宽、髋窄的体型,比肩宽和比髋宽派生指数构成“倒三角”,国际健将、国家健将与一级运动员相比均有统计学意义(P<0.05)。流线型体型还应包括胸围、腰围、躯干长和体脂百分比等表型,呈现“筒式”三维体型。高水平竞技游泳运动员具有良好的流线型体型,它源自于多指标、多维度的三维数据。众多数据分析优于单个数据,派生指数分析优于个体指标表型,多维数据分析优于单维数据,三维“筒式躯干”更符合游泳项目流线型体型这一生物学特征,利用三维扫描数据对游泳运动员进行流线型体型的评价更为准确科学。

胸围表型随生长发育、运动等级及训练水平的提高而增大,具备强大的心肺功能。国际健将的臀围表型较小,呈现明显的三角形躯体与小骨盆形体,流线型体型显著。国际健将、国家健将与一级运动员相比均有统计学意义(P<0.05)。

体型特征只能看作人体外形的一个特征,对运动员的评价还需要从生理机能、专项能力、心理心智等方面进行综合考虑,才能更加准确地预判。