优秀运动员两种跳马动作落地的运动学分析

张宇宬，郝卫亚，李建设，顾耀东，何 卫，吴成亮，山松俊杰，高飞燕

(1.宁波大学 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)

0 前 言

体操，作为奥运会的比赛项目之一，一直都是我们国家非常重视的一项竞技运动，在各大比赛中取得了许多不错的成绩。我国现代竞技体操已经经历了50多年，历经了无数次技术上和评分规则的修改，我们国家的体操成绩在世界范围内依然处于领先地位。这其中就包括了跳马这个优势项目。跳马是体操中一项动作技巧非常复杂的项目，它包括了助跑、踏跳、第一腾空、推马、第二腾空、落地这几个阶段。而且目前跳马的技术动作慢慢的偏向于多种方向和多种翻转动作相结合的方向进行发展[1]。在体操项目中，落地往往是关键的而且非常复杂的一个过程[2]。通常我们把落地定义为从接触垫子的一瞬间到重心达到最低点这一阶段[3]。落地阶段固然重要，但落地阶段运动员受伤的风险是非常高的，其中下肢各关节的伤病占到了全身伤病的一半以上。因为在落地时，运动员的下肢各关节要承受巨大的冲击，所承受的冲击力大约相当于自身体重的8～14倍[4]。肖晓飞等[5]对体操落地冲击负荷机制的研究发现，影响冲击负荷机制的主要因素有落地的高度、下肢的运动学特征、冲击表面的力学特征以及性别上的差异等等[6]。李旭鸿等[6]对体操落地阶段冲击引起的下肢的损伤进行了相关的研究发现，引起下肢损伤的因素有多种，例如下肢神经肌肉的控制能力和协调能力、膝关节所承受的冲击负荷或者落地技术、落地高度等等。并且，在落地时不同的落地技术也会产生不同的生物力学特征。郝卫亚[7]对运动损伤的相关生物力学研究发现，在体操中，自由操和跳马等更容易引起下肢的损伤，其中踝关节的急性损伤又是跳马项目中最常见的。

纵观近几年的比赛，男子跳马的技术动作主要集中在“前手翻类、侧手翻类、毽子类”这三大类动作，其中“前手翻类”和“侧手翻类”占据了绝大部分。此外，通过对第13届全运会男子跳马单项决赛的跟踪拍摄发现，所有运动员均选择了“前手翻类”和“侧手翻类”这两大类动作。这两类动作又包含了多种动作，其中，“前手翻接直体前空翻转体900°(动作编号176)和直体笠松转体720°(动作编号276)”这两个动作是运动员经常选用的，两个动作的难度系数均为5.6，属于中高难度动作，通过观看近几年的大型体操比赛录像，这两个动作的出现频率也很高。因此，对于这两个动作的相关技术特点的研究和分析是很有价值的。

本文主要的研究目的是分析“前手翻接直体前空翻转体900°和直体笠松转体720°”这两个高频率使用动作的相关运动学指标和动作特点，着重对落地阶段，下肢各关节角度、运动员落地缓冲时间、重心高度变化等相关运动学参数进行对比和分析，探讨运动员在落地缓冲阶段对下肢可能造成损伤的影响因素有哪些?为今后运动员应用此类动作的相关技术，以及伤病的预防等提供一定的科学理论依据和参考建议。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

研究对象分别来自2017年武汉全国体操锦标赛、2017年第13届全运会以及2018年肇庆全国体操锦标赛的参赛运动员2名，他们均在国内外取得过优异的比赛成绩，其中一名运动员代表国家队参加过多项国外赛事，另一名为省队主力队员。

1.2 研究方法

1.2.1 文献资料调研法。查找并阅读国内外相关文献若干篇，了解近些年来我们国家和国外关于体操落地方面的研究进展。

1.2.2 观察和了解。通过观看2008届北京奥运会、2004年的雅典奥运会、历届世锦赛、全国锦标赛、全运会等各大赛事的体操跳马视频，对跳马比赛的比赛流程、评分规则等有一个大致的了解。其次，重点观察跳马运动员在落地阶段身体的姿态、身体各关节大致运动轨迹等。此外，对我国近些年来跳马项目的发展有一个大体的认识。

1.2.3 动作采集。使用两台日本生产,型号为“CASIO EX-F1”高速摄像机对运动员在2017年第13届天津全运会、2017年武汉全国体操锦标赛和2018年肇庆全国体操锦标赛中男子跳马单项决赛进行拍摄，拍摄频率为250Hz。一台相机位于跳马跑道的左侧，另外一台相机位于跑道的右侧，两台相机的主光轴夹角约为100°。三次高速拍摄均采用peak框架进行三维立体标定。

1.2.4 动作的解析。对所拍到的高速视频进行整理归纳，使用三维运动解析软件“SIMI MOTION”进行解析，将解析后所得到的数据使用低通滤波进行平滑处理，截断频率为8Hz,将平滑处理后的数据进行分类整理、筛选和分析等，可以得到多种运动学数据。其中包括重心高度、落地缓冲时间、各个关节角度、各个关节位移、水平和垂直速度等。

2 研究结果

2.1 总体动作变化趋势和特征

完整的一套跳马动作包括助跑、踏跳、第一腾空、推马、第二腾空、落地这几个阶段。运动员在助跑阶段全力加速以便获得较大的水平速度，让身体获得较大的动能，为接下来的踏跳做准备。踏跳质量完成的好坏也直接决定了第一腾空完成质量，因为第一腾空需要保持较快的水平速度和垂直速度[8],来为下一步推马做准备。运动员在完成推马动作之后重心一直上升，到达最高点后开始快速下降，当双脚刚接触地时，第二腾空完成。重心变化趋势呈现为抛物线。当双脚触地后，身体重心持续下降达到最低点，下肢做屈曲进行缓冲，随后身体重心向上运动直至身体各关节伸展身体直立后站稳，完成动作。

图1 运动员张义嘉不同动作重心变化曲线

对两名运动员进行三维解析，可以得到相关重心变化曲线。运动员张义嘉在完成编号为176号动作即“前手翻接直体前空翻转体900°”(以下简称为“动作176”)时比完成动作编号为276号动作即“直体笠松转体720°”(以下简称“动作276”)，重心最大高度低于完成动作276的重心最大高度；同时动作176的中重心最低点也要低于动作276(图1)。运动员屈瑞阳完成动作176时重心最大高度要低于完成动作276；同样，重心达到最低点的高度动作176低于动作276(图2)。由图可知，两人重心变化趋势基本相似。

图2 运动员屈瑞阳不同动作重心变化曲线

图3 运动员张义嘉不同动作部分运动学指标

注：图中所示重心高度变化为实际重心高度变化的10倍

图4 运动员屈瑞阳不同动作部分运动学指标

注：图中所示重心高度变化为实际重心高度变化的10倍

2.2 不同动作之间的运动学指标对比

对两名运动员进行三维运动解析，提取部分运动学数据，对176号和276号动作进行分类，分别为“落地缓冲时间、重心高度变化、重心最大高度等。比较两名运动员可以发现，对于176号动作，运动员张义嘉落地阶段的缓冲时间要明显长于运动员屈瑞阳，与此同时重心高度变化也要大于运动员屈瑞阳。对于276号动作，运动员屈瑞阳的落地缓冲时间要明显长于张义嘉，同样重心高度变化也高于张义嘉。反观二人的重心最大高度，对于176号动作，张义嘉略低于屈瑞阳；对于276号动作，屈瑞阳的最大重心高度要略高于张义嘉。对比同一名运动员完成两个动作可以发现，两名运动员在完成176号动作时落地缓冲时间要明显高于276号动作，同样，在重心高度变化上，动作176也要明显高于动作276。但是，通过对比重心最大高度，完成176号动作的重心最大高度均略低于276号动作(图3、图4)。

2.3 下肢各关节角度分析比较

在落地阶段，对比176号动作，运动员张义嘉的髋关节和膝关节的角度变化均大于屈瑞阳，踝关节略小于屈瑞阳；对比动作276号动作，张义嘉的髋关节和踝关节角度变化小于屈瑞阳，但是膝关节角度变化大于屈瑞阳。同一名运动员在分别完成两个动作时对比可知，张义嘉在完成176号动作时，髋关节和膝关节角度变化大于完成276号动作，髋关节尤为明显，但是踝关节角度变化小于276号动作；屈瑞阳在完成176号动作时，髋关节和膝关节角度变化均大于动作276(除右髋关节略小于276，但基本相同)，踝关节角度变化明显小于276号动作(表1)。

表1 两名运动员落地阶段下肢各关节角度变化(°)

图5 运动员张义嘉触地瞬间下肢各关节角度示意图

图6 运动员屈瑞阳触地瞬间下肢各关节角度示意图

利用Simi motion软件解析得到运动员下肢各关节运动学数据，提取两名运动员触底瞬间下肢各关节角度。整理可知，两名运动员在触地瞬间下肢三关节(髋、膝、踝)的角度除踝关节左右两侧差别略微偏大，髋关节和膝关节左右两侧角度差别不大。其中运动员屈瑞阳在完成两种动作时的左右踝关节角度大小差别稍大，运动员张义嘉左右踝关节角度大小差别较小。此外，运动员屈瑞阳在完成176号动作时下肢各关节角度和在完成276号动作时相比，大小接近，左右两侧关节角度差值也基本相同，图形趋势十分相似；反观运动员张义嘉，完成176号动作和完成276号动作时相比，下肢各关节角度大小差别较大，但同样左右两侧关节角度差值基本相同。(图5、图6)

当两名运动员重心达到最低点时，提取下肢各关节角度，观察可得，两名运动员在完成276号动作时，髋关节和膝关节角度均要高于完成176号动作时的角度(屈瑞阳右髋关节角度在完成两个动作时大致相同)，而踝关节角度，则是176号动作大于276号动作，与触地瞬间时一致。(图7、图8)

图7 运动员张义嘉重心达到最低点下肢各关节角度示意图

图8 运动员屈瑞阳重心达到最低点下肢各关节角度示意图

3 讨 论

“前手翻接直体前空翻转体900°”和“直体笠松转体720°”都是难度较高的跳马动作，在各个大型体操赛事中使用频率很高。运动员张义嘉和屈瑞阳都是我国高水平男子跳马运动员，多次代表国家和地方队参加国内外重大赛事。在所采集的三次跳马比赛中，这两名运动员均获得了前八名的好成绩，其中，运动员屈瑞阳在2017武汉全国跳马锦标赛上更是获得了冠军。所以，对二人的比赛进行研究分析，是具有一定代表性的。

3.1 落地缓冲时间与重心变化之间的分析

由图3、图4可以看出，两名运动员在落地阶段的缓冲时间存在一定关系，运动员张义嘉和屈瑞阳在完成176号动作时落地缓冲时间明显长于完成276号动作，同时二人在重心高度变化上，完成176号动作也要明显大于完成276号动作。分别对比二人同时完成176和276号动作时，也可以发现，落地缓冲时间越长，重心高度变化也就越大。但比较重心最大高度这一运动学指标时，可以发现，二人在完成176号动作要低于完成276号动作，这可能是因为176为前手翻动作，而276为侧手翻动作，前手翻动作在推马时双手处于水平，而侧手翻类动作双手不在一个水平高度，存在一定高度差，因此在离马瞬间，运动员做276号时重心高度高于176号动作。分别计算二人完成两种动作时重心最大高度的差值，发现二人差值几乎相同，因此可知二人在完成两种动作时的重心净高度(即运动员离马瞬间到重心达最高点时重心上升的高度)是几乎一样的。

3.2 缓冲时间和重心高度对下肢关节角度变化的影响

两名运动员在完成176号动作时的缓冲时间和重心变化均高于完成276号动作，同时在下肢髋关节和膝关节的角度变化中，176号动作基本大于276号动作(除运动员屈瑞阳在完成176号动作时，右髋关节变化略微小于完成276号动作，可近似为变化相同)。当运动员落地缓冲时，下肢各关节做屈曲，落地缓冲时间越长，屈曲程度越大。但是，踝关节角度变化与髋、膝关节相反。造成这方面的原因可能是由于跳马落地垫较厚，在解析时对运动员的脚部进行一定遮挡，对解析工作造成了一定困难。此外，踝关节角度是由股骨外上踝到腓骨外踝的连线与外踝到第二趾骨连线之间的夹角，标定的第二趾骨的位置是否精准对踝关节角度精准与否影响较大，而第二趾骨往往被较厚的落地垫所遮挡，因此踝关节角度数据可能存在一定误差，本文中仅作参考，不予着重考虑。

3.3 特殊位置时下肢关节角度的分析

由图6可知，图中所呈现趋势极为相似，表明在触地瞬间，屈瑞阳在完成两种动作时身体姿态基本相同，并且髋、膝关节左右两侧角度差别不大，说明其身体姿态左右基本对称。同样，由图5可知，张义嘉虽然完成两种动作时下肢关节角度不同，但其左右髋、膝关节角度差别并不大，说明其身体姿态同样左右基本对称。在重心达到最低点时，由图7、8可得，二人在完成276号动作时，髋关节和膝关节的角度均大于完成176号动作，说明在完成176号动作时，身体重心达到最低点的情况下髋膝关节做屈曲程度更大。

4 结 论

本研究得到了相同难度系数下两种动作类别(前手翻类与侧手翻类)中具有代表性的两个动作的相关运动学指标，为运动员今后发展该动作提供一定的科学依据。本文结论如下：4.1 同一名跳马运动员在完成动作“前手翻接直体前空翻转体900°”时的落地缓冲时间要明显高于完成动作“直体笠松转体720°”，与此同时其重心高度变化与下肢关节角度变化和落地缓冲时间存在一定关系，即落地缓冲时间越长，重心高度变化越大，髋关节与膝关节角度变化越大，屈曲程度越大，受伤风险越高。

4.2 高水平运动员在落地瞬间对身体控制能力较强，身体左右姿态基本对称，落地更加平稳，致使落地瞬间下肢左右两侧受到的冲击分布较为平均，大大降低了下肢各关节受伤的风险。

5 建 议

本文运用了三维运动解析软件“simi motion”对运动员进行了相关运动学分析，探讨了跳马项目中两类具有代表性动作的相关规律和运动学特征。但是，造成跳马运动员下肢损伤的机制和影响因素等有待进一步研究。由于本文仅进行了相关的运动学分析，因此依然存在一定局限性，若要进一步探究，建议结合相关动力学分析进行探讨。