裘 藝,王 飏,周美芳,程其練,魏文儀

靜水皮艇項(xiàng)目是水上運(yùn)動(dòng)強(qiáng)國(guó)在奧運(yùn)會(huì)上激烈爭(zhēng)奪的重要領(lǐng)域,也一直是我國(guó)水上運(yùn)動(dòng)發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié),國(guó)內(nèi)皮艇運(yùn)動(dòng)員歷史上從來(lái)沒(méi)有獲取過(guò)奧運(yùn)會(huì)金牌；深化在此項(xiàng)目上的科學(xué)研究,可以促進(jìn)對(duì)皮艇運(yùn)動(dòng)的專項(xiàng)特征與規(guī)律的了解,對(duì)訓(xùn)練和比賽起到積極的指導(dǎo)作用,并有益于國(guó)內(nèi)運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技水平的提高。

靜水皮艇屬于靠器械產(chǎn)生位移的分道競(jìng)速項(xiàng)目,運(yùn)動(dòng)員周期性劃槳并推動(dòng)船艇向前行進(jìn)是此類(lèi)項(xiàng)目的動(dòng)作特征。除了戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用、比賽策略安排以及體能因素外,周期性項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員專項(xiàng)競(jìng)速能力以動(dòng)作周期中平均速度為基礎(chǔ),如果比賽全程中所有動(dòng)作周期都能保持較高的平均速度,那么,無(wú)疑將會(huì)提高專項(xiàng)成績(jī),以比對(duì)手更快的速度和更短的時(shí)間通過(guò)賽場(chǎng)終點(diǎn)。皮艇運(yùn)動(dòng)員劃槳周期包括了水中劃槳和空中回槳兩個(gè)時(shí)相階段,水中劃槳階段中運(yùn)動(dòng)員的推進(jìn)做功無(wú)疑是推動(dòng)人艇前進(jìn)的動(dòng)力學(xué)因素,運(yùn)動(dòng)員劃槳時(shí)的推進(jìn)做功,除了克服水和空氣的阻力功(負(fù)功）外,還可增加或保持人艇的動(dòng)能、增加或維持艇速；而在空中回槳階段,人艇只是受到水和空氣阻力,阻力功將使動(dòng)能減少,艇速下降,因此,在艇槳器械以及運(yùn)動(dòng)員形體指標(biāo)固定條件下,皮艇在劃槳周期中的平均艇速取決于運(yùn)動(dòng)員的4個(gè)指標(biāo)：1）劃槳周期時(shí)間；2）水中劃槳階段時(shí)間；3）推進(jìn)功率波形,即劃槳階段推進(jìn)功率隨時(shí)間變化的曲線形狀；4）推進(jìn)總功,即劃槳階段推進(jìn)功率—時(shí)間曲線下的面積,這4個(gè)指標(biāo)復(fù)合了運(yùn)動(dòng)員的技能和體能特征,構(gòu)成了劃槳周期中的推進(jìn)功率模式,它們也是影響專項(xiàng)成績(jī)的訓(xùn)練可控因素。

任何宏觀物體在低速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律都符合牛頓定律并取決于其運(yùn)動(dòng)的初始狀態(tài),因而可通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型,從理論上探討皮艇運(yùn)動(dòng)員劃槳周期中的推進(jìn)功率模式與平均艇速的關(guān)系以及對(duì)專項(xiàng)成績(jī)的影響,而這種研究目前還沒(méi)有文獻(xiàn)報(bào)道。通過(guò)對(duì)已有文獻(xiàn)資料的審視發(fā)現(xiàn),國(guó)內(nèi)外對(duì)皮艇項(xiàng)目的研究多數(shù)停留在以因素還原分析為基礎(chǔ)的分解科研思路上,即將競(jìng)速能力進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析,研究運(yùn)動(dòng)員的形態(tài)、機(jī)能、素質(zhì)、技術(shù)等因素指標(biāo)對(duì)專項(xiàng)成績(jī)的影響,它們是在大量的統(tǒng)計(jì)學(xué)資料分析的基礎(chǔ)上,建立這些分立的指標(biāo)間的相關(guān)模型或回歸模型,或者用統(tǒng)計(jì)方法分析評(píng)價(jià)各種因素指標(biāo)與專項(xiàng)成績(jī)的關(guān)系,嘗試在不同指標(biāo)層面上建立競(jìng)速能力結(jié)構(gòu)模型[1,2,13,14]。然而,用統(tǒng)計(jì)方法建立的模型本質(zhì)上還是一種非機(jī)理模型,沒(méi)有觸及到皮艇運(yùn)動(dòng)的物理規(guī)律和直接影響艇速的動(dòng)力學(xué)作用,因此,本研究在一定的簡(jiǎn)化和假設(shè)條件下,利用皮艇的動(dòng)力學(xué)方程,用數(shù)值仿真方法來(lái)定量地分析影響運(yùn)動(dòng)員專項(xiàng)成績(jī)的劃槳?jiǎng)恿W(xué)因素,這對(duì)認(rèn)識(shí)皮艇運(yùn)動(dòng)的專項(xiàng)特征和規(guī)律是一種有益的探索。

單人艇1 000 m是奧運(yùn)會(huì)靜水皮艇比賽的標(biāo)志性項(xiàng)目,類(lèi)似于田徑中的100 m跑,在大賽中受到廣泛關(guān)注。與其他分道競(jìng)速項(xiàng)目一樣,單人艇1 000 m比賽中的競(jìng)速行為方式表現(xiàn)為速度結(jié)構(gòu),運(yùn)動(dòng)實(shí)踐中通常是用全程中艇的分段平均速度、分段時(shí)間或運(yùn)動(dòng)員的槳頻變化來(lái)刻畫(huà)和控制訓(xùn)練比賽中的速度結(jié)構(gòu)[7]。有文獻(xiàn)研究指出,勻速劃是單人艇1 000 m較經(jīng)濟(jì)的劃法,優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員大賽中多采用勻速劃,即分段平均速度變異較小,主觀調(diào)控速度或戰(zhàn)術(shù)安排的意圖并不明顯[12,15]。這些研究結(jié)果為本研究提供了方法上的思路：?jiǎn)稳送? 000 m比賽中去除起航加速段這一較短距離上的速度變化外,全程其余賽段每一個(gè)劃槳周期的動(dòng)作都近似為一種復(fù)制,在數(shù)值仿真分析中可將每個(gè)劃槳周期中的推進(jìn)功率模式保持一致,這種設(shè)定不僅為本研究帶來(lái)了方便,也和皮艇訓(xùn)練比賽中的勻速劃實(shí)踐較為吻合,這也是本研究分析推進(jìn)功率模式對(duì)單人艇1 000 m勻速劃成績(jī)產(chǎn)生影響的出發(fā)點(diǎn)。數(shù)值仿真分析不僅可以定量地了解推進(jìn)功率模式中參數(shù)的變化對(duì)專項(xiàng)成績(jī)的影響,而且,獲得的理想推進(jìn)功率模式可用來(lái)與運(yùn)動(dòng)員劃槳中實(shí)際的推進(jìn)功率模式進(jìn)行比較,為完善和提高運(yùn)動(dòng)員的技能與體能水平做參考。

1 研究?jī)?nèi)容

圖1顯示了構(gòu)成皮艇運(yùn)動(dòng)員劃槳周期中推進(jìn)功率模式的4個(gè)指標(biāo),從應(yīng)用的實(shí)際出發(fā),這4個(gè)指標(biāo)在皮艇運(yùn)動(dòng)實(shí)踐中通常轉(zhuǎn)換為以下4個(gè)等價(jià)的指標(biāo)：

1.槳頻(stroke/min）=60/劃槳周期時(shí)間(s）。

2.推進(jìn)功率波形。

3.平均推進(jìn)功率(W）=推進(jìn)總功(J）/劃槳周期時(shí)間(s）。

4.劃槳節(jié)奏(％）=[水中劃槳階段時(shí)間(s）/劃槳周期時(shí)間(s）]×100％。

上述指標(biāo)中的單位符號(hào)含義為：stroke—槳數(shù),min—分鐘；s—秒；J—焦耳；W—瓦特。

對(duì)劃槳周期的推進(jìn)功率模式而言,槳頻和劃槳節(jié)奏是最重要的時(shí)間特征。運(yùn)動(dòng)員在相同的槳頻和相同的劃槳階段推進(jìn)總功下,亦即在劃槳周期中平均推進(jìn)功率相同的情況下動(dòng)作特征具有多種變異,如劃槳階段時(shí)間相同,但推進(jìn)功率波形不同；或者相似的功率波形下劃槳階段時(shí)間不同,這兩點(diǎn)可從數(shù)學(xué)上進(jìn)行理解,亦即一定區(qū)間內(nèi)曲線下的面積,可以相等,但曲線形狀可以不同；或者不同曲線下的面積相同,但區(qū)間可以不同,這些數(shù)學(xué)概念衍生出皮艇運(yùn)動(dòng)實(shí)踐中需要理清的一些重要問(wèn)題,即對(duì)單人艇1 000 m項(xiàng)目而言：

1.平均推進(jìn)功率、槳頻、劃槳節(jié)奏一定時(shí),推進(jìn)功率波形變化對(duì)成績(jī)的影響?

2.平均推進(jìn)功率、推進(jìn)功率波形、劃槳節(jié)奏一定時(shí),槳頻變化對(duì)成績(jī)的影響?

3.平均推進(jìn)功率、推進(jìn)功率波形、槳頻一定時(shí),劃槳節(jié)奏變化對(duì)成績(jī)的影響?

4.推進(jìn)功率波形、槳頻、劃槳節(jié)奏一定時(shí),平均推進(jìn)功率變化對(duì)成績(jī)的影響?

5.平均推進(jìn)功率、推進(jìn)功率波形、槳頻、劃槳節(jié)奏的組合變化對(duì)成績(jī)的整體影響?

對(duì)上述問(wèn)題的分析就是本研究的主要內(nèi)容；另外,本研究中,還對(duì)賽場(chǎng)上實(shí)測(cè)獲得的我國(guó)優(yōu)秀男子皮艇運(yùn)動(dòng)員劃槳中實(shí)際的推進(jìn)功率模式和數(shù)值仿真分析獲得的理想

圖1 劃槳周期中推進(jìn)功率模式示意圖

2 研究方法

2.1 皮艇動(dòng)力學(xué)方程的確立

由于運(yùn)動(dòng)員劃槳時(shí)的推進(jìn)做功指標(biāo)與專項(xiàng)體能素質(zhì)相聯(lián)系，皮艇前進(jìn)方向上的動(dòng)力學(xué)方程選用動(dòng)能定律的微分形式來(lái)表示：

式（1）中V為艇速；M為人、艇、槳總質(zhì)量；PD為劃槳階段推進(jìn)功率；P1為艇行時(shí)水阻力的功率；P2為艇行時(shí)在航行方向風(fēng)力作用于坐立槳手和艇的功率，P1和P2都是V的函數(shù)。本研究采用 Matlab/Simulink仿真模型和數(shù)值方法來(lái)求解這一非線性微分方程，當(dāng)方程中P1和P2與V的函數(shù)關(guān)系以及有關(guān)質(zhì)量參數(shù)確定后，給定PD的時(shí)間曲線便可求解V的時(shí)間變化規(guī)律，而PD的時(shí)間曲線由推進(jìn)功率模式中的4個(gè)指標(biāo)參數(shù)來(lái)構(gòu)造。由式（1）可分析推進(jìn)功率模式4個(gè)指標(biāo)參數(shù)的改變對(duì)劃槳周期中平均艇速以及單人艇1 000 m成績(jī)的影響。

方程的確立以及計(jì)算分析中的簡(jiǎn)化與假設(shè)包括：1）忽略了艇行時(shí)槳手劃槳中身體重心相對(duì)于艇的前后運(yùn)動(dòng)所引起的槳手和艇間的往復(fù)式動(dòng)量傳遞；2）艇作無(wú)擺動(dòng)的直線前移運(yùn)動(dòng)；3）計(jì)算艇前進(jìn)中的空氣阻力時(shí)，沒(méi)有計(jì)及艇在水線以上部分的迎風(fēng)面積。

2.1.1 風(fēng)力功率P2和艇速V的函數(shù)關(guān)系

只考慮在艇行方向上風(fēng)速的影響，P2表達(dá)式如下：

式（2）中Ck是坐立身體的正面空氣阻力系數(shù)，為無(wú)量綱量；ρ是空氣密度；V1和V分別是風(fēng)和艇的絕對(duì)速度； Sign函數(shù)為符號(hào)函數(shù)，它的正負(fù)號(hào)與風(fēng)相對(duì)于艇的速度符號(hào)一致，即Sign=+1（當(dāng)V1-V＞0）,或Sign=-1（當(dāng)V1-V＜0）,它反映風(fēng)力作功的正負(fù)與否；S是槳手坐立身體的正面迎風(fēng)面積，根據(jù)文獻(xiàn)[5],中國(guó)人的數(shù)據(jù)建立的回歸方程為：

m為運(yùn)動(dòng)員質(zhì)量。

2.1.2 水阻力功率P1和艇速V的函數(shù)關(guān)系

國(guó)內(nèi)使用波蘭Plastex艇的皮艇運(yùn)動(dòng)員較多，本研究直接引用波蘭Plastex公司的單人皮艇水阻力功率和艇速關(guān)系公式[18]：

此公式由廠家根據(jù)水中拖曳試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)擬合建立，其中m為運(yùn)動(dòng)員的質(zhì)量，V為艇速。理論上水阻力應(yīng)和人、艇、槳總質(zhì)量M有關(guān)，因?yàn)橥?、槳質(zhì)量都近似為常數(shù)，所以，公式簡(jiǎn)化后水阻力功率只涉及到運(yùn)動(dòng)員質(zhì)量m。

2.1.3 推進(jìn)功率PD的確定

推進(jìn)功率PD的時(shí)間曲線由推進(jìn)功率模式中的4個(gè)指標(biāo)決定：

2.1.3.1 推進(jìn)功率波形設(shè)置

在仿真分析中設(shè)置了15種推進(jìn)功率波形(圖2）,這些波形都為梯形特例,仿真計(jì)算中由程序來(lái)改變梯形的兩個(gè)頂點(diǎn)相對(duì)于底邊的位置來(lái)獲得。這些推進(jìn)功率波形并不真實(shí)存在于劃槳過(guò)程中,只是理論上模擬推進(jìn)功率曲線形狀,實(shí)際上運(yùn)動(dòng)員劃槳中的推進(jìn)功率曲線可認(rèn)為是介于這15種信號(hào)波形之間的漸變和過(guò)渡,用這些極端特殊的曲線波形進(jìn)行的仿真計(jì)算結(jié)果,可以給出實(shí)際推進(jìn)功率曲線下專項(xiàng)成績(jī)的理論邊界值。推進(jìn)功率模式進(jìn)行比較,分析兩者間的差異,探討診斷和評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技能力水平的有效手段和方法。

2.1.3.2 槳頻、平均推進(jìn)功率、劃槳節(jié)奏指標(biāo)的設(shè)置

3個(gè)指標(biāo)的設(shè)置需要和訓(xùn)練比賽的實(shí)際情況相符,因此參考了相應(yīng)的研究文獻(xiàn)進(jìn)行指標(biāo)的設(shè)置,數(shù)值見(jiàn)表1。

2.1.4 方程中其他參數(shù)的設(shè)置

由公式(1）、(2）、(3）、(4）可知,要對(duì)皮艇運(yùn)動(dòng)的方程進(jìn)行數(shù)值求解,還需要確定運(yùn)動(dòng)員體重、艇重和槳重、風(fēng)速、空氣阻力系數(shù)Ck、空氣密度ρ等參數(shù),這些參數(shù)同樣需要設(shè)定在訓(xùn)練比賽的實(shí)際情況范圍內(nèi),數(shù)值見(jiàn)表2。

表2 仿真數(shù)值計(jì)算中其他參數(shù)的設(shè)置一覽表

2.2 皮艇動(dòng)力學(xué)方程的數(shù)值仿真求解

2.2.1 計(jì)算方法

全程勻速劃中只需考慮劃槳周期中艇的運(yùn)動(dòng)情況，如果在劃槳周期的起始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻艇速一致，也就是Vb=Va(圖3）,則全程必為勻速劃，即它是勻速劃的充分條件。給定了推進(jìn)功率的時(shí)間曲線，要數(shù)值求解劃槳周期中艇速變化過(guò)程，需要給定初始速度Va,并在理論上滿足限制性條件Vb=Va；為滿足此條件，在算法中先設(shè)置Va為較小的初始值，由皮艇動(dòng)力學(xué)方程的 Matlab/Simulink仿真模型計(jì)算出Vb,如果|Vb-Va|＞C(精度要求）,則把Vb賦予Va重新進(jìn)行計(jì)算，直到找到，Va使得劃槳周期結(jié)束時(shí)的Vb在滿足一定精度要求下近似等于Va,并計(jì)算以Va為初始速度下的劃槳周期中的艇速變化過(guò)程，這時(shí)的劃槳周期已成為穩(wěn)態(tài)周期過(guò)程，理論上可以證明[2]，因?yàn)楣剑?）等價(jià)于狀態(tài)方程V＆=f(V,PD）表示的自治系統(tǒng)，而PD為周期信號(hào)，V最終必收斂于穩(wěn)態(tài)的周期運(yùn)行過(guò)程，亦即一定有Va和Vb相等的劃槳周期出現(xiàn)；對(duì)任意的Va初值，算法必收斂于同一個(gè)穩(wěn)態(tài)周期運(yùn)行過(guò)程。

圖3 劃槳周期中艇速和推進(jìn)功率示意圖

2.2.2 仿真建模

Matlab/Simulink建模比一般的程序建模更為方便和直觀,用戶需做的工作只是根據(jù)工程問(wèn)題正確建立系統(tǒng)的微分方程模型,而后利用Simulink工具箱所提供的各種模塊庫(kù)來(lái)搭建這一數(shù)學(xué)模型,再進(jìn)行仿真計(jì)算即可[1]。皮艇動(dòng)力學(xué)方程的Matlab/Simulink仿真模型見(jiàn)圖4,共有11個(gè)模塊完成對(duì)應(yīng)的功能,模塊名稱和功能見(jiàn)表3。仿真計(jì)算前在Power Resistant模塊、Air Power模塊以及Gain模塊輸入了與人、艇、槳有關(guān)的質(zhì)量參數(shù)；在Air Power模塊中還預(yù)先設(shè)置風(fēng)速V1、空氣阻力系數(shù)Ck、空氣密度ρ等指標(biāo)值以及調(diào)用Sign符號(hào)函數(shù)。

構(gòu)造仿真模型時(shí),從Simulink的信號(hào)庫(kù)中選取信號(hào)源模塊(Signal Builder）,并按內(nèi)部編制的程序自動(dòng)生成15種推進(jìn)功率PD的時(shí)間信號(hào),信號(hào)源模塊的外部控制參數(shù)用來(lái)確定平均推進(jìn)功率、推進(jìn)功率信號(hào)波形兩頂點(diǎn)的位置a和b、槳頻、劃槳節(jié)奏等參數(shù)值。當(dāng)平均推進(jìn)功率、推進(jìn)功率信號(hào)波形、槳頻和劃槳節(jié)奏這4個(gè)指標(biāo)確定時(shí),為確保每種波形中推進(jìn)功率PD信號(hào)曲線下的面積為確定的推進(jìn)總功值,采取的方法是在信號(hào)源模塊內(nèi)部編制的程序中,使每個(gè)推進(jìn)功率梯形信號(hào)的高度為可調(diào)參數(shù),以確保平均推進(jìn)功率、推進(jìn)功率波形、槳頻和劃槳節(jié)奏確定下,推進(jìn)功率PD信號(hào)曲線下的面積為確定的推進(jìn)總功值。

圖4 皮艇動(dòng)力學(xué)方程的Matlab/Simulink仿真模型圖

仿真模型數(shù)值積分方法設(shè)定為定步長(zhǎng)4～5階龍格庫(kù)塔-芬爾格算法(ode45）,解算步長(zhǎng)設(shè)定為0.001 s,與實(shí)際比賽的計(jì)時(shí)精度一致。

2.2.3 數(shù)值求解程序框圖

用Matlab編寫(xiě)了計(jì)算程序,求數(shù)值解時(shí)直接調(diào)用Matlab/Simulink的仿真模型,仿真計(jì)算結(jié)束時(shí)模型可輸出劃槳周期中與皮艇運(yùn)行有關(guān)的數(shù)據(jù)并顯示相應(yīng)的圖形,圖5(a）為程序框圖；圖5(b）演示了Va的求解過(guò)程,圖中Va初值設(shè)為零,程序運(yùn)行中通過(guò)不斷迭代調(diào)整Va,最終使Va和Vb間的誤差達(dá)到預(yù)定的精度要求,也即達(dá)到了皮艇的穩(wěn)態(tài)周期運(yùn)行狀態(tài),此時(shí),通過(guò)數(shù)值求解獲得劃槳周期中的艇速變化數(shù)據(jù),再通過(guò)積分后的位移信號(hào)S,計(jì)算劃槳周期的平均艇速并轉(zhuǎn)換為1 000 m對(duì)應(yīng)的成績(jī)。

圖5 程序框圖及Va迭代收斂過(guò)程示意圖

表3 皮艇動(dòng)力學(xué)方程的Matlab/Simulink仿真模型所使用的模塊一覽表

3 結(jié)果與分析

3.1 皮艇穩(wěn)態(tài)周期運(yùn)行中的有關(guān)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)

雖然圖5(b）演示了程序內(nèi)部迭代求解Va的過(guò)程,但也真實(shí)地仿真了皮艇運(yùn)動(dòng)的一種實(shí)際情況,即在皮艇運(yùn)動(dòng)的全程中,如果所有的劃槳周期都采用相同的推進(jìn)功率模式,那么皮艇從靜止開(kāi)始,在起航加速段速度上升之后終會(huì)達(dá)到穩(wěn)態(tài)周期運(yùn)行過(guò)程,此后每個(gè)劃槳周期都表現(xiàn)為：艇速、水阻力功率和空氣作用力功率在劃槳周期的起始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻數(shù)值相同；艇的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)變化過(guò)程相同,平均速度相同,除去起航加速段外皮艇運(yùn)動(dòng)的全程都處于勻速劃階段。

以無(wú)風(fēng)、體重85 kg、平均推進(jìn)功率340 W、推進(jìn)功率波形8、槳頻100 stroke/min、劃槳節(jié)奏70％情況為例,仿真求解所得的皮艇穩(wěn)態(tài)周期運(yùn)行中動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)變化過(guò)程見(jiàn)圖6,其中推進(jìn)力數(shù)據(jù)由推進(jìn)功率數(shù)據(jù)除艇速數(shù)據(jù)所得,推進(jìn)功率信號(hào)則是由程序控制的確定的時(shí)間信號(hào)。圖中相應(yīng)的數(shù)據(jù)為：峰值推進(jìn)功率為647.62 W、最高艇速4.77 m/s、入水時(shí)刻艇速為4.61 m/s、峰值力為140.38 N、一槳的劃距為2.82 m/stroke、水阻力最大功率(負(fù)功）為340 W,無(wú)風(fēng)時(shí)由相對(duì)風(fēng)速造成的空氣阻力功率(負(fù)功）較小,其最大功率為19.2 W,不到水阻力最大功率的6％。

圖6 皮艇穩(wěn)態(tài)周期運(yùn)行中動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)變化過(guò)程示意圖

3.2 平均推進(jìn)功率、推進(jìn)功率波形、槳頻、劃槳節(jié)奏對(duì)單人艇1 000 m成績(jī)的影響

3.2.1 平均推進(jìn)功率、槳頻、劃槳節(jié)奏一定時(shí),推進(jìn)功率波形變化對(duì)成績(jī)的影響

圖7為無(wú)風(fēng)、體重85 kg、平均推進(jìn)功率340 W、槳頻100 stroke/min、劃槳節(jié)奏70％情況下,根據(jù)15種推進(jìn)功率波形仿真計(jì)算的單人艇1 000 m成績(jī)。圖中顯示,仿真成績(jī)呈5個(gè)水平等級(jí),成績(jī)從好到差依次為：1）波形5；2）波形9和波形4；3）波形12、波形8和波形3；4）波形15、波形14、波形2、波形1；5）波形13、波形11、波形10、波形7、波形6。圖8為15種推進(jìn)功率波形對(duì)單人艇1 000 m成績(jī)影響的程度分布,很明顯推進(jìn)功率波形的影響效應(yīng)具有對(duì)偶性。波形5有最好的成績(jī),其特點(diǎn)是在劃槳過(guò)程中入水時(shí)推進(jìn)功率快速提高,然后,盡量保持均勻的持續(xù)性推進(jìn)功率輸出,出水時(shí)推進(jìn)功率快速衰減。波形6、波形10、波形13、波形7、波形11的成績(jī)較差,它們的特點(diǎn)都是在劃槳中段附近采用奇峰突起的功率輸出方式。從推進(jìn)功率波形對(duì)成績(jī)影響的漸變過(guò)程可以得出一個(gè)重要結(jié)論：推進(jìn)功率波形中,從槳入水到出水時(shí),越是接近平穩(wěn)的功率輸出,成績(jī)?cè)胶?；劃槳中段附近的爆發(fā)式的功率輸出是不合適的。對(duì)其他指標(biāo)參數(shù)取值組合的仿真分析也有同樣的結(jié)論。

數(shù)值仿真結(jié)果說(shuō)明,劃槳中持續(xù)均勻地推進(jìn)功率輸出曲線是較為理想的推進(jìn)功率波形,這一點(diǎn)可作為判斷運(yùn)動(dòng)員劃槳技術(shù)合理與否的依據(jù)。為了了解國(guó)內(nèi)優(yōu)秀皮艇運(yùn)動(dòng)員實(shí)際的劃槳推進(jìn)功率變化曲線,本研究還特別對(duì)2009年全國(guó)皮劃艇錦標(biāo)賽男子單人皮艇1 000 m A、B兩組決賽進(jìn)行了多個(gè)攝像機(jī)的定點(diǎn)定焦的二維運(yùn)動(dòng)技術(shù)錄像,由艇長(zhǎng)作標(biāo)尺并用SIM I運(yùn)動(dòng)分析軟件解析了12名決賽運(yùn)動(dòng)員比賽中途(約500 m處）的一個(gè)完整劃槳周期的動(dòng)態(tài)艇速數(shù)值,然后,根據(jù)運(yùn)動(dòng)員的體重和賽場(chǎng)的風(fēng)力數(shù)據(jù)由公式(1）、(2）、(3）、(4）反算出運(yùn)動(dòng)員在比賽中途的一個(gè)完整劃槳周期的推進(jìn)功率動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)。

圖9顯示了這次錄像解析和計(jì)算的結(jié)果,可以看出,所有12名運(yùn)動(dòng)員的推進(jìn)功率波形曲線都是奇峰突起的型式,而且,有的運(yùn)動(dòng)員推進(jìn)功率波形曲線呈現(xiàn)雙峰型,一方面說(shuō)明,這些運(yùn)動(dòng)員劃槳中都是爆發(fā)式功率輸出,無(wú)論是在劃槳初始段或中段達(dá)到功率峰值,還是在臨近出水段達(dá)到峰值,功率峰值平臺(tái)時(shí)間都很短,持續(xù)的劃槳功率不足,這種現(xiàn)象有可能是劃槳中槳水有效作用的欠缺所造成,運(yùn)動(dòng)員沒(méi)有形成穩(wěn)定的抓水支撐點(diǎn),也有可能是運(yùn)動(dòng)員本身上肢力量素質(zhì)的不均衡造成的,上方推槳手和下方拉槳手不能形成穩(wěn)固的杠桿作用；另一方面,雙峰型功率曲線反映出運(yùn)動(dòng)員劃槳中的二次用力現(xiàn)象,劃槳?jiǎng)幼鞑贿B貫流暢,可能是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)員沒(méi)有靠軀干轉(zhuǎn)體的大力量帶動(dòng)劃槳,而只是機(jī)械地用上肢劃槳而造成了動(dòng)作的停頓和間歇,要具體分析造成上述兩方面問(wèn)題的原因,需要進(jìn)一步對(duì)運(yùn)動(dòng)員做生物力學(xué)研究。國(guó)內(nèi)優(yōu)秀男子皮艇運(yùn)動(dòng)員劃槳中的這些技術(shù)和體能素質(zhì)特征與理想推進(jìn)功率波形中均勻平穩(wěn)的功率輸出要求有很大差距；運(yùn)動(dòng)員欠合理的劃槳方式,需要在訓(xùn)練實(shí)踐中加以改進(jìn),包括完善劃槳?jiǎng)幼骷夹g(shù)和提高相應(yīng)的力量素質(zhì)。

圖7 15種推進(jìn)功率波形下仿真計(jì)算的單人艇1 000 m成績(jī)曲線圖

3.2.2 平均推進(jìn)功率、推進(jìn)功率波形、劃槳節(jié)奏一定時(shí),槳頻變化對(duì)成績(jī)的影響

皮艇運(yùn)動(dòng)員的槳頻涉及到劃槳?jiǎng)幼鞯霓D(zhuǎn)換速度,是訓(xùn)練比賽中控制強(qiáng)度和艇速的常用指標(biāo)。對(duì)應(yīng)于一定的風(fēng)力和平均推進(jìn)功率情況下,仿真分析中共有15種推進(jìn)功率波形和6個(gè)劃槳節(jié)奏設(shè)置,兩者共有90個(gè)組合。以無(wú)風(fēng)、體重85 kg、平均推進(jìn)功率340 W、劃槳節(jié)奏70％為例,圖10顯示了15種推進(jìn)功率波形下不同槳頻時(shí)單人艇1 000 m的成績(jī),很明顯在任何推進(jìn)功率波形下成績(jī)都隨槳頻的提高而提高。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示,當(dāng)槳頻從80槳/分提高到120槳/分時(shí),波形5成績(jī)提高的幅度最小,波形6和波形13成績(jī)提高的幅度最大,這種推進(jìn)功率波形與槳頻間對(duì)成績(jī)的交互作用還需進(jìn)一步分析。

注：Δ個(gè)數(shù)相同,影響程度相同圖8 15種推進(jìn)功率波形對(duì)單人艇1 000 m成績(jī)影響的程度分布示意圖

圖9 12名國(guó)內(nèi)優(yōu)秀男子皮艇運(yùn)動(dòng)員單人艇1 000 m比賽中途一個(gè)劃槳周期的推進(jìn)功率曲線圖

圖10 不同槳頻時(shí)仿真計(jì)算的單人艇1 000 m成績(jī)直方圖

雖然,推進(jìn)功率波形不同導(dǎo)致槳頻的提高對(duì)成績(jī)提高的幅度存在差異,但趨勢(shì)是一致的,即無(wú)論在何種推進(jìn)功率波形下,槳頻的提高對(duì)成績(jī)的提高都有正面的作用,因此,在其他的模式指標(biāo)不變以及體能允許的前提下,運(yùn)動(dòng)員應(yīng)盡可能保持高槳頻劃槳。對(duì)其他指標(biāo)參數(shù)取值組合的仿真分析結(jié)果也是一樣的,本研究中省略了對(duì)這些組合的數(shù)據(jù)分析。

3.2.3 平均推進(jìn)功率、推進(jìn)功率波形、槳頻一定時(shí),劃槳節(jié)奏變化對(duì)成績(jī)的影響

皮艇運(yùn)動(dòng)員的劃槳節(jié)奏涉及到技術(shù)動(dòng)作的時(shí)間結(jié)構(gòu),這也是周期性運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目共有的技術(shù)特征,即在動(dòng)作周期中存在動(dòng)力時(shí)相和非動(dòng)力時(shí)相的時(shí)間比例,皮艇運(yùn)動(dòng)員的劃槳節(jié)奏與水中劃槳時(shí)間和空中回槳時(shí)間的比例有關(guān)。圖11顯示,平均推進(jìn)功率、推進(jìn)功率模式、槳頻一定時(shí),增大劃槳節(jié)奏對(duì)成績(jī)提高有正面作用。圖中的推進(jìn)功率波形5和波形10的數(shù)據(jù)構(gòu)成了圖中曲線的上界和下界,其余推進(jìn)功率波形的數(shù)據(jù)曲線在這兩者之間,圖中已省略,但變化規(guī)律是一樣的,即劃槳節(jié)奏增大,成績(jī)提高。從理論上分析,當(dāng)劃槳節(jié)奏增大時(shí),劃槳周期中劃槳時(shí)間延長(zhǎng),同時(shí)要保持推進(jìn)功率曲線下的面積,也就是每槳推進(jìn)做功值不變,這就使得同一種推進(jìn)功率波形下功率曲線更為扁平,艇速波動(dòng)更小,劃槳周期中的平均艇速更高。

圖11 不同劃槳節(jié)奏時(shí)仿真計(jì)算的單人艇1 000 m成績(jī)曲線圖

3.2.4 推進(jìn)功率波形、槳頻、劃槳節(jié)奏一定時(shí),平均推進(jìn)功率變化對(duì)成績(jī)的影響

本研究的仿真分析中,平均推進(jìn)功率有3個(gè)取值、推進(jìn)功率波形有15種、槳頻有3個(gè)取值、劃槳節(jié)奏有6個(gè)取值；推進(jìn)功率波形、槳頻和劃槳節(jié)奏這3個(gè)指標(biāo)取值共有270種組合,在風(fēng)速和平均推進(jìn)功率固定下,對(duì)全部270種組合進(jìn)行仿真計(jì)算,可以找出這些組合中1 000 m最快與最慢成績(jī)。圖12顯示了在無(wú)風(fēng)、對(duì)應(yīng)于3個(gè)平均推進(jìn)功率值下而分別進(jìn)行的所有270種組合仿真計(jì)算后的1 000 m最快與最慢成績(jī),很明顯,平均推進(jìn)功率對(duì)成績(jī)的影響是非線性的,平均推進(jìn)功率從180 W提高到340 W時(shí),成績(jī)大約提高51 s,平均推進(jìn)功率從340 W提高到500 W時(shí),成績(jī)大約提高26 s,這種非線性意味著平均推進(jìn)功率較低時(shí),一定的功率增長(zhǎng)幅度能導(dǎo)致成績(jī)的較大提高,平均推進(jìn)功率較高時(shí),同樣的功率增長(zhǎng)幅度下成績(jī)的提高幅度較小,在訓(xùn)練實(shí)踐中的指導(dǎo)意義,就是能力水平較低的運(yùn)動(dòng)員,能力的稍微增長(zhǎng)都能使成績(jī)提高明顯,而高水平的運(yùn)動(dòng)員要提高同樣的成績(jī),需要付出更多的能量消耗和做功。從仿真計(jì)算的結(jié)果來(lái)看,可以說(shuō)提高平均推進(jìn)功率是皮艇運(yùn)動(dòng)員專項(xiàng)體能素質(zhì)訓(xùn)練的最終要求；平均推進(jìn)功率復(fù)合了皮艇運(yùn)動(dòng)員的力量、速度、耐力等基本運(yùn)動(dòng)素質(zhì),可作為表述運(yùn)動(dòng)員專項(xiàng)體能水平的指標(biāo)和專項(xiàng)體能素質(zhì)打造的目標(biāo)指針。

圖12 無(wú)風(fēng)下不同平均推進(jìn)功率時(shí)仿真計(jì)算的單人艇1 000 m成績(jī)直方圖

3.2.5 平均推進(jìn)功率、推進(jìn)功率波形、槳頻、劃槳節(jié)奏的組合變化對(duì)成績(jī)的整體影響

以上分別討論了平均推進(jìn)功率、推進(jìn)功率波形、劃槳節(jié)奏、槳頻4個(gè)指標(biāo)中固定3個(gè)時(shí),另一個(gè)指標(biāo)單獨(dú)變化對(duì)1 000 m成績(jī)所造成的影響,實(shí)際上訓(xùn)練比賽中這4個(gè)指標(biāo)往往都是同時(shí)變化,也存在著指標(biāo)間的交互作用,為了考察4個(gè)指標(biāo)變化對(duì)成績(jī)的整體影響,本研究對(duì)表1、表2中的指標(biāo)和參數(shù)取值與15種推進(jìn)功率波形的所有組合都進(jìn)行了仿真計(jì)算,這其中也包括了3個(gè)風(fēng)速的取值,結(jié)果發(fā)現(xiàn),任何風(fēng)速下平均推進(jìn)功率都是影響單人艇1 000 m成績(jī)的決定性因素,平均推進(jìn)功率不同將導(dǎo)致成績(jī)的巨大差異；而在風(fēng)速、平均推進(jìn)功率一定時(shí),推進(jìn)功率波形、劃槳節(jié)奏、槳頻3指標(biāo)的變化也會(huì)導(dǎo)致成績(jī)的細(xì)微差異,最慢成績(jī)和最快成績(jī)之差就是三者變化導(dǎo)致的成績(jī)差異的邊際值。在本研究設(shè)定的指標(biāo)和參數(shù)取值范圍內(nèi),無(wú)論有風(fēng)還是無(wú)風(fēng)狀態(tài)下,平均推進(jìn)功率一定時(shí),由推進(jìn)功率波形、槳頻、劃槳節(jié)奏3指標(biāo)的變化對(duì)1 000 m仿真計(jì)算成績(jī)帶來(lái)的影響可接近0.2 s,在比賽的終點(diǎn)處可導(dǎo)致至少0.5 m以上的距離差距(仿真計(jì)算數(shù)據(jù)此處省略）。

4 討論

皮艇運(yùn)動(dòng)員的推進(jìn)功率模式與做功水平、劃槳中的動(dòng)力方式、動(dòng)作速度以及時(shí)相結(jié)構(gòu)有關(guān),是體能和技能特征的復(fù)合指標(biāo),是皮艇運(yùn)動(dòng)員專項(xiàng)能力的一個(gè)整體表述,這種復(fù)合特征的確定和描述符合現(xiàn)代訓(xùn)練理論與實(shí)踐中運(yùn)動(dòng)員各種素質(zhì)和能力的系統(tǒng)和整體的作用趨勢(shì)[13]。目前的文獻(xiàn)中對(duì)皮艇項(xiàng)目的研究還沒(méi)有涉及到推進(jìn)功率模式對(duì)成績(jī)影響的機(jī)理分析,本研究采用數(shù)值仿真進(jìn)行機(jī)理模擬,可以從理論上對(duì)有關(guān)推進(jìn)功率模式的影響進(jìn)行量化比較,有益于認(rèn)識(shí)皮艇運(yùn)動(dòng)的專項(xiàng)特征和規(guī)律。

本研究以推進(jìn)功率模式在全程都保持持續(xù)不變?yōu)榧僭O(shè),來(lái)研究推進(jìn)功率模式中的指標(biāo)變化對(duì)單人艇1 000 m成績(jī)的影響,這是為研究的方便所做的簡(jiǎn)化。仿真分析結(jié)果說(shuō)明,在單人皮艇的全程運(yùn)動(dòng)中,如果所有的劃槳周期都采用相同的推進(jìn)功率模式,那么,皮艇從靜止開(kāi)始,在起航加速段速度上升之后終會(huì)達(dá)到穩(wěn)態(tài)周期運(yùn)行過(guò)程,此后每個(gè)劃槳周期都表現(xiàn)為：艇速、水阻力功率和空氣作用力功率在劃槳周期的起始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻數(shù)值相同；艇的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)變化過(guò)程相同；平均速度相同；除去起航加速段外皮艇運(yùn)動(dòng)的全程都處于勻速劃階段,也即任何分段的平均艇速都相同,可以說(shuō)這種假設(shè)是對(duì)勻速劃法的最直接最直觀的模擬。皮艇訓(xùn)練比賽中實(shí)現(xiàn)1 000 m項(xiàng)目勻速劃通常是要求減少槳頻和每槳效果的波動(dòng),用恒定的槳頻來(lái)控制艇速和強(qiáng)度,這些要求直觀上是從訓(xùn)練比賽的可控性和可操作性角度來(lái)考慮,然而,本研究證明,這些要求確實(shí)有它的理論基礎(chǔ)。

劃槳周期中的平均推進(jìn)功率和單人艇1 000 m成績(jī)呈非線性關(guān)系,這與空氣阻力和水阻力與艇速的非線性關(guān)系有關(guān)。在推進(jìn)功率模式的4個(gè)指標(biāo)中,平均推進(jìn)功率對(duì)成績(jī)起決定性作用,這也要求皮艇運(yùn)動(dòng)員的競(jìng)速能力培養(yǎng)要以提高平均推進(jìn)功率為核心。長(zhǎng)期以來(lái),國(guó)內(nèi)水上界對(duì)皮艇動(dòng)力學(xué)作用沒(méi)有明確的認(rèn)識(shí),業(yè)內(nèi)人士早已提出,要重視“一槳效果”、“一槳工程”等訓(xùn)練理念,但是,對(duì)其內(nèi)涵有不同的解讀,包括訓(xùn)練中提倡要提高“一槳?jiǎng)澗?、一槳力量、一槳做功、一槳幅度”等[6]。從理論上說(shuō)一槳做功較為接近問(wèn)題的本質(zhì),根據(jù)本研究的結(jié)果可以得到一個(gè)較為清晰的概念,即提高“一漿效果”的核心是：提高劃槳周期的平均推進(jìn)功率并將推進(jìn)功率以合理的劃槳方式輸出；提高劃槳周期的平均推進(jìn)功率就是“一槳工程”的具體鑒標(biāo),也是皮艇競(jìng)技制勝的基礎(chǔ)工程。

皮艇作為體能主導(dǎo)類(lèi)的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目,運(yùn)動(dòng)員的競(jìng)速能力依賴于比賽全程持續(xù)高強(qiáng)度的推進(jìn)功率輸出,正因?yàn)橥七M(jìn)做功是推動(dòng)皮艇前進(jìn)的直接動(dòng)力學(xué)因素,本研究選擇分析推進(jìn)功率模式對(duì)專項(xiàng)成績(jī)的影響有它的理論價(jià)值和實(shí)際意義；然而,對(duì)皮艇運(yùn)動(dòng)員的劃槳而言,存在著生理供能、肌肉做功、劃槳做功、推進(jìn)做功幾個(gè)能量的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),生理供能水平和幾個(gè)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的效率關(guān)系到最終的推進(jìn)功率的大小。要提高劃槳中的推進(jìn)功率,除了提高生理供能水平外,還需要提高各個(gè)環(huán)節(jié)能量轉(zhuǎn)換的效率,這方面的問(wèn)題屬于對(duì)體能和技能的訓(xùn)練學(xué)要求,不在本研究的范圍之列。

在已有的文獻(xiàn)中,評(píng)價(jià)個(gè)體技術(shù)方案的優(yōu)劣是通過(guò)對(duì)單個(gè)周期動(dòng)作的外在技術(shù)特征進(jìn)行描述,或采用比較法對(duì)普通和優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員技術(shù)特征加以分析對(duì)比[3],這種在有限方案中進(jìn)行技術(shù)評(píng)判的方法缺乏通用的標(biāo)準(zhǔn)。由本研究的仿真分析發(fā)現(xiàn),推進(jìn)功率波形5是較為合理的推進(jìn)功率輸出方式,其動(dòng)作特征表現(xiàn)為,入水時(shí)刻快速插槳,瞬間使功率輸出增長(zhǎng),在最高功率下維持均勻持續(xù)性功率輸出,延長(zhǎng)功率輸出的平臺(tái)期,到出水時(shí)刻迅速提槳出水,這種方式成績(jī)較好；而在劃槳段任何奇峰突起式的推進(jìn)功率輸出方式都是失策的,應(yīng)該避免。

通過(guò)將國(guó)內(nèi)優(yōu)秀男子皮艇運(yùn)動(dòng)員實(shí)測(cè)的劃槳推進(jìn)功率波形與理想推進(jìn)功率波形相對(duì)比,明顯反映出這些運(yùn)動(dòng)員的技能和體能素質(zhì)存在缺陷,需要克服；雖然,這種比較的方法可用來(lái)評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)員劃槳方式的優(yōu)劣,然而,實(shí)踐運(yùn)用中卻較為繁雜,需要計(jì)算劃槳中實(shí)際的推進(jìn)功率數(shù)值,為了更好地對(duì)運(yùn)動(dòng)員劃槳過(guò)程中所采用的推進(jìn)功率波形做出可操作性的評(píng)價(jià),有3個(gè)十分有用和有效的運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)需要進(jìn)行特別的強(qiáng)調(diào),這就是插槳時(shí)期艇的加速性能、一槳周期中最大艇速出現(xiàn)的時(shí)刻、一槳周期中艇速的波動(dòng)。插槳時(shí)期艇的加速性能好,沒(méi)有發(fā)生短暫的減速現(xiàn)象,說(shuō)明插槳抓水技術(shù)好,推進(jìn)功率即刻生效；最大速度出現(xiàn)時(shí)刻越靠近槳的出水時(shí)刻,說(shuō)明運(yùn)動(dòng)員提槳出水迅速并技術(shù)優(yōu)良,使推進(jìn)功率發(fā)揮極致；速度波動(dòng)越小說(shuō)明推進(jìn)功率“準(zhǔn)平臺(tái)期”相對(duì)較長(zhǎng)(說(shuō)明：之所以稱之謂“準(zhǔn)平臺(tái)期”,是因?yàn)樵趯?shí)際劃槳過(guò)程中,不可能真正出現(xiàn)模型所采用的等功率平臺(tái),只能是一種接近或近似）。這3個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)能夠判斷運(yùn)動(dòng)員劃槳推進(jìn)功率波形與本研究所得最佳功率波形5接近的程度；而操作應(yīng)用中可通過(guò)生物力學(xué)影像分析方法獲得訓(xùn)練比賽中槳手劃槳時(shí)的艇速變化數(shù)據(jù)并按3個(gè)以上指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià),這種方法可以初步診斷運(yùn)動(dòng)員的推進(jìn)功率輸出波形。

本研究結(jié)果說(shuō)明,提高槳頻有助于成績(jī)的提高,然而,在訓(xùn)練實(shí)踐中槳頻的提高或者伴隨劃槳技術(shù)的某些改變,或者需要更換為與之相適應(yīng)的槳,更主要的是應(yīng)與運(yùn)動(dòng)員肌肉類(lèi)型相適應(yīng)。高槳頻要求人體運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)鏈的快速運(yùn)動(dòng),因而在訓(xùn)練中應(yīng)該注重快速力量的練習(xí),在對(duì)皮艇運(yùn)動(dòng)員選材時(shí),應(yīng)該把具備良好的快速力量素質(zhì)列為一項(xiàng)重要的選材指標(biāo)；另外,增大劃槳節(jié)奏對(duì)成績(jī)的提高也有正面的作用,但是,有文獻(xiàn)報(bào)道優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員在不同槳頻下的劃槳節(jié)奏具有相對(duì)一致性,變異系數(shù)較小[19,16],提示無(wú)論槳頻多少,高水平運(yùn)動(dòng)員拉槳和回槳時(shí)間比例相對(duì)穩(wěn)定,這可能與皮艇運(yùn)動(dòng)員長(zhǎng)期專項(xiàng)訓(xùn)練形成的適應(yīng)性有關(guān),在神經(jīng)肌肉系統(tǒng)高度協(xié)調(diào)的情況下,運(yùn)動(dòng)員劃槳周期中的緊張與放松、恢復(fù)和發(fā)力都具有專項(xiàng)特征,具有穩(wěn)定和自動(dòng)化的動(dòng)作方式,要增大劃槳節(jié)奏可能需要神經(jīng)肌肉系統(tǒng)專項(xiàng)適應(yīng)性改變。

本研究結(jié)果顯示,推進(jìn)功率波形、槳頻、劃槳節(jié)奏的變化只對(duì)成績(jī)產(chǎn)生細(xì)微的影響,然而,這些微小的時(shí)間差在比賽終點(diǎn)將產(chǎn)生可判見(jiàn)的距離差距,影響運(yùn)動(dòng)員比賽的名次。當(dāng)今國(guó)內(nèi)外大賽競(jìng)爭(zhēng)異常激烈,皮艇高水平運(yùn)動(dòng)員比賽的勝負(fù)往往決定于毫厘之間,終點(diǎn)處0.5 m以上的距離差距在大賽中已能決定名次的歸屬。從以往的成績(jī)來(lái)看,在奧運(yùn)會(huì)和全運(yùn)會(huì)上皮艇運(yùn)動(dòng)員決賽時(shí)的成績(jī)有的相差不到0.1 s,充分說(shuō)明了高水平比賽的激烈程度,因此,推進(jìn)功率波形、槳頻、劃槳節(jié)奏變化導(dǎo)致的成績(jī)上的細(xì)微差異,需要在運(yùn)動(dòng)員競(jìng)速能力培養(yǎng)的過(guò)程中,引起關(guān)注和重視。

在本研究的仿真分析中,槳頻和劃槳節(jié)奏的指標(biāo)取值參考了訓(xùn)練比賽的實(shí)際數(shù)據(jù),至于在此范圍以外的取值對(duì)成績(jī)的影響不在本研究的考慮范圍,因?yàn)?其他的指標(biāo)取值很難在運(yùn)動(dòng)實(shí)踐中發(fā)生,如超低和超高的槳頻、極低和極高的劃槳節(jié)奏,這些研究沒(méi)有實(shí)際的意義。根據(jù)文獻(xiàn)[8]的數(shù)據(jù),世界錦標(biāo)賽和世界杯決賽中單人艇1 000 m途中劃的槳頻指標(biāo)為86～117 stroke/min,劃槳節(jié)奏為59％～74％,而仿真分析中這兩個(gè)指標(biāo)的高低取值涵蓋了它們的范圍,另外,風(fēng)力指標(biāo)的設(shè)定也涵蓋了日常訓(xùn)練比賽中的一般情況,因而,本研究的結(jié)果針對(duì)訓(xùn)練比賽具有普適參考意義。

實(shí)際上,在單人皮艇1 000 m訓(xùn)練比賽中,由于受多種因素的影響,運(yùn)動(dòng)員推進(jìn)功率模式的指標(biāo)在全程中是動(dòng)態(tài)變化的,運(yùn)動(dòng)員成績(jī)不僅由單一周期推進(jìn)功率模式的指標(biāo)特征決定,還與耐力水平、戰(zhàn)術(shù)水平和比賽策略布置有關(guān)；心理素質(zhì)和意志品質(zhì)也會(huì)影響劃槳?jiǎng)幼鞣绞降某志眯院鸵恢滦?。相?duì)于1 000 m全程約300次的劃槳而言,本研究以一個(gè)劃槳周期的推進(jìn)功率模式為基礎(chǔ),來(lái)研究模式指標(biāo)變化對(duì)成績(jī)的影響,是一種以局部近似整體、以微觀替代全程的分析方法,采用這種理想方式進(jìn)行的研究是探索皮艇運(yùn)動(dòng)的專項(xiàng)特征和規(guī)律的基礎(chǔ)性工作,所獲得的研究結(jié)果仍然具有參考作用。通過(guò)本研究可以得出,提高單人艇1 000 m成績(jī)的一般性規(guī)律：平均推進(jìn)功率越大越好、推進(jìn)功率波形越是均勻型越好、槳頻越快越好、劃槳節(jié)奏越大越好,這些單個(gè)劃槳周期的動(dòng)作特征結(jié)合運(yùn)動(dòng)員良好的耐力,使得皮艇全程以微幅波動(dòng)的艇速高速前行。

訓(xùn)練比賽中勻速劃只存在全程大部分階段,仿真分析演示了這一點(diǎn)；從艇實(shí)際運(yùn)動(dòng)的速度結(jié)構(gòu)來(lái)看,勻速劃也是在起航加速后才能達(dá)到,有研究發(fā)現(xiàn),單人皮艇起航出發(fā)后通常在50～100 m間達(dá)到最高艇速,也就是出發(fā)加速段不超過(guò)100 m[4],如本研究中的圖5(b）所示,起航出發(fā)距離不超過(guò)專項(xiàng)距離1 000 m的10％,所以,本研究中選擇途中勻速劃階段來(lái)代表1 000 m專項(xiàng)距離并進(jìn)行仿真分析有一定的合理性；至于平均推進(jìn)功率、推進(jìn)功率模式、槳頻、劃槳節(jié)奏對(duì)幾十米的起航出發(fā)階段艇速的影響,則需要進(jìn)行另外的研究,畢竟任何的速度結(jié)構(gòu)方式都回避不了起航出發(fā)階段,而且,這一階段對(duì)總成績(jī)也會(huì)有影響。對(duì)起航出發(fā)階段進(jìn)行研究的難點(diǎn)在于不像途中勻速劃階段每槳的動(dòng)力學(xué)參數(shù)可近似為穩(wěn)定一致,實(shí)際運(yùn)動(dòng)中起航出發(fā)時(shí)運(yùn)動(dòng)員每槳的參數(shù)是動(dòng)態(tài)變化的,甚至每槳的平均推進(jìn)功率、推進(jìn)功率波形、槳頻、劃槳節(jié)奏都不同,運(yùn)動(dòng)員實(shí)踐中的體會(huì)是,出發(fā)階段槳頻從高到低、劃槳時(shí)間從短到長(zhǎng)、用力從大到小時(shí)艇加速效果較好,但是,這種觀點(diǎn)只是實(shí)踐認(rèn)知,合理與否還有待理論上進(jìn)行驗(yàn)證。

5 結(jié)論

對(duì)單人皮艇1 000 m項(xiàng)目而言：

1.運(yùn)動(dòng)員用穩(wěn)定的推進(jìn)功率模式劃槳必然在起航加速段后導(dǎo)致勻速劃的出現(xiàn)。

2.提高劃槳周期中的平均推進(jìn)功率是提高運(yùn)動(dòng)員競(jìng)速能力的根本。

3.運(yùn)動(dòng)員劃槳中推進(jìn)功率越是接近平坦均勻地輸出,成績(jī)?cè)胶茫粍潣卸胃浇谋l(fā)式的推進(jìn)功率輸出是不合適的。

4.運(yùn)動(dòng)員劃槳中提高槳頻和增大劃槳節(jié)奏有利于成績(jī)的提高。

5.我國(guó)優(yōu)秀男子皮艇運(yùn)動(dòng)員劃槳中的推進(jìn)功率波形與仿真分析獲得的理想推進(jìn)功率波形存在差距,運(yùn)動(dòng)員的劃槳技術(shù)和體能素質(zhì)有待完善提高。

[1]黃永安,馬路,劉慧敏.MA TLAB 7.0/simulink 6.0建模仿真開(kāi)發(fā)與高級(jí)工程應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,2005.

[2]韓茂安,顧圣士.非線性系統(tǒng)的理論和方法[M].北京：科學(xué)出版社,2001.

[3]李曉浦,魏文儀,裘藝.國(guó)內(nèi)男子優(yōu)秀皮艇運(yùn)動(dòng)員途中劃劃槳技術(shù)與效果的研究-兼談雙機(jī)同步二維攝像法和皮艇專項(xiàng)分析系統(tǒng)[J].體育科學(xué),2006,26(11）：62-66.

[4]李曉浦,魏文儀,裘藝.優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員皮艇k1-500m加速階段的速度構(gòu)成研究[J].中國(guó)體育科技,2006,42(1）：119-121.

[5]劉愛(ài)杰,李艷翎,宋廣禮,等.皮艇靜水競(jìng)賽手冊(cè)[M].長(zhǎng)沙：湖南文藝出版社,2004.

[6]劉愛(ài)杰,袁守龍,曹景偉,等.我國(guó)皮劃艇科學(xué)訓(xùn)練的探索[J].北京體育大學(xué)學(xué)報(bào),2002,25(6）：831-833.

[7]羅旭,管繼春,張強(qiáng),等.中國(guó)優(yōu)秀皮劃艇W K1、M K1和MC1選手1 000 m競(jìng)速結(jié)構(gòu)[J].北京體育大學(xué)學(xué)報(bào),2004,27(11）： 1496-1497.

[8]裘藝,魏文儀,劉愛(ài)杰,等.國(guó)際大賽中男女皮艇運(yùn)動(dòng)員劃槳節(jié)奏的比較研究[J].上海體育學(xué)院學(xué)報(bào),2005,29(3）：54-59.

[9]沈國(guó)琴.浙江省男子皮艇運(yùn)動(dòng)員無(wú)氧運(yùn)動(dòng)能力各項(xiàng)指標(biāo)與運(yùn)動(dòng)成績(jī)的相關(guān)性研究[J].中國(guó)體育科技,2000,36(9）：44-46.

[10]吳昊,徐菊生.中國(guó)優(yōu)秀皮劃艇運(yùn)動(dòng)員身體形態(tài)特征的研究[J].武漢體育學(xué)院學(xué)報(bào),2004,38(1）：73-74.

[11]葉國(guó)雄,葛新發(fā),韓久瑞,等.劃船運(yùn)動(dòng)概論[M].北京：人民體育出版社,2000.

[12]周學(xué)軍.勻速劃戰(zhàn)術(shù)在皮劃艇訓(xùn)練及比賽中的應(yīng)用[J].武漢體育學(xué)院學(xué)報(bào),2000,34(3）：85-87.

[13]ACKLAND T R,ONG KB,KERR D A,etal.Morphological characteristics of Olympic sp rint canoe and kayak paddlers[J]. J Sci Med Sport,2003,6(3）：285-294.

[14]BISHOP D.Physiological p redictors of flat-water kayak performance in women[J].Eur J Appl Physiol,2000,82(1-2）：91-97.

[15]BISHOPD,BONETTID,DAWSON B.The influence of pacing strategy onO2and sup ramaximal kayak performance[J].Med Sci Sport Exe,2002,34(6）：1041-1047.

[16]JAM ES G HA Y.Cycle rate,length and speed of p rogression in human locomotion[J].J App l Biomechan,2002,18(4）：257-270.

[17]OL IV IER SC,COETSEEM F.Tests for p redicting endurance kayak perfo rmance[J].S A J Res Spo rt,Phy Edu Recreation, 2002,24(2）：45-53.

[18]PENDERGAST D,MOLLENDORF J,ZAMPARO P,etal. The influence of drag on human locomotion in water[J].Undersea Hyperb Med,2005,32(1）：45-57.

[19]QIU YI,WEIWENYI,L IU A I-JIE,etal.Comparative research on the stroke rhythm of men and women kayakers in the international competition[C].WANG QING.Proceed ISBS.Beijing：China Institute Sport Sci,2005：943-946.

[20]SITKOWSKID.Some indices distinguishing Olympic o r wo rld championship medallists in sp rint kayaking[J].Biology Sport, 2002,19(2）：133-147.

[21]VAN SOM EREN K A,PH ILL IPS G R,PALM ER G S.Comparison of physiological responses to open w ater kayaking and kayak ergometry[J].Int J Sports Med,2000,21(3）：200-204.