裘 藝， 程其練， 周美芳， 魏文儀

(1.江西省體育科學研究所，江西南昌330006；2.江西師范大學體育學院，江西南昌330046；3.上海體育學院運動科學學院，上海200438)

皮艇運動員劃槳功率指標與專項成績的關系及訓練學應用
——以單人艇1 000 m為例

裘 藝1， 程其練2， 周美芳2， 魏文儀3

(1.江西省體育科學研究所，江西南昌330006；2.江西師范大學體育學院，江西南昌330046；3.上海體育學院運動科學學院，上海200438)

利用動力學模型,研究皮艇運動員劃槳功率指標與專項成績的關系,并探討其在訓練實踐中的應用途徑。發(fā)現(xiàn)：①發(fā)展運動員劃槳周期中的平均功率是提高單人皮艇1 000 m成績的關鍵,1 000 m專項成績和平均功率之間是非線性關系,運動員體重和風向、風力對專項成績也有一定的影響；②以劃槳功率指標與專項成績的關系為基礎,等功率校正方法可用于不同風向、風力下的成績比較和訓練水平檢驗；③利用劃槳功率指標與專項成績的關系可打造不同成績水平下的運動員個體能力目標,并和皮艇測功儀做功指標進行比較可以反映現(xiàn)實體能差距；④由劃槳功率指標與專項成績的關系可以明確運動員體重和功率指標變化的適配準則,為形態(tài)體格的專項適應性改造提供依據(jù)。

皮艇運動員；劃槳功率；專項成績；訓練學；單人艇1 000 m

Author’s address1.Jiangxi Research Institute of Sports Science，Nanchang 330006，Jiangxi，China；2.Schoolof Physical Education，Jiangxi Normal University，Nanchang 330046，Jiangxi，China；3.School of Sport Science，Shanghai University of Sport，Shanghai200438，China

目前國內(nèi)外對皮艇項目的科研工作集中在運動員運動素質(zhì)的訓練水平［1］、身體機能的發(fā)展水平［2］、形態(tài)發(fā)育水平［3］、身體健康水平［4］、技戰(zhàn)術訓練水平［5］以及艇槳器械等領域［6-7］。這些研究涵蓋了皮艇項目競技能力構成因素的多個方面，然而研究方法多停留在以因素還原分析為基礎的分解科研思路上。即將競技能力進行結(jié)構解析，分析各指標與指標、指標與專項成績間的相互影響，在統(tǒng)計學資料分析的基礎上，建立形態(tài)、機能、素質(zhì)、技戰(zhàn)術等指標的相關和回歸模型，或者用統(tǒng)計方法分析、評價各種因素類指標與成績的關系［8-9］，這種將競技能力水平進行因素分解的研究方法有其局限性。

在訓練實踐中經(jīng)常遇到的問題是皮艇運動員各基本素質(zhì)具有很高的水平，但競技水平并不高，顯然，運動員應具備的能力不等于各個因素水平的簡單相加，而是各構成因素綜合發(fā)揮作用的整體身體能力。皮艇項目的競速性決定了運動員具備持續(xù)高強度下的功率輸出能力，因此，從功率這一衡量專項體能的重要物理指標出發(fā)，從理論上研究運動員劃槳功率和專項成績的關系，是認識皮艇項目運動特征和規(guī)律的關鍵，同時這種關系在專項訓練學領域也有一定的應用價值。基于這種關系可探討皮艇項目訓練實踐中的風力校正與訓練效果評估、運動員體重優(yōu)化等問題的解決方法，而類似的研究成果在國內(nèi)外還很缺乏，這也是本文對男子單人皮艇運動員的功率成績關系及訓練學應用進行研究的出發(fā)點。

1 研究方法

1.1 動力學模型研究法 運動員劃槳中的輸出功率與生理耗能及專項體能相關，因此，采用動能定律微分形式建立皮艇運動的動力學方程，在此基礎上研究皮艇運動員水上劃槳功率指標和單人艇1 000 m專項成績的關系，并分析運動員體重、風力等因素對專項成績的影響。

1.2 個案研究法 結(jié)合國家隊皮艇運動員數(shù)據(jù)資料，將劃槳功率、體重、風力對單人艇1 000 m專項成績影響的分析結(jié)果應用于訓練實踐，為國內(nèi)優(yōu)秀男子皮艇運動員的科學訓練提供參考。

2 結(jié)果與分析

2.1 劃槳功率指標和單人艇1 000 m專項成績的關系任何宏觀物體在低速運動狀態(tài)下的運動規(guī)律均符合牛頓定律并取決于其運動的初始狀態(tài)。在合理的簡化假設條件下，利用皮艇運動的動力學方程可從機理上探討專項成績的各種影響因素。

皮艇是運動員左右交替劃槳推動艇前進的周期性競速運動項目，運動員劃槳功率曲線和艇速變化曲線如圖1所示。

圖1 劃槳周期中劃槳功率和艇速變化示意Figure 1. Diagrammatic Sketch of Variation of Paddling Power and Velocity during a Stroke Period

從運動員一側(cè)槳入水(圖1a點)到對側(cè)槳入水(圖1b點)的時相階段為劃槳的周期T，它包括水中的劃槳段和空中的回槳段。設Pd為劃槳周期中運動員的劃槳功率、P1為作用于艇的水阻力功率、P2為作用于人艇的風作用力功率、v和v1分別為艇速和風速、m為運動員質(zhì)量。根據(jù)文獻報道的船池拖曳實驗獲得的擬合數(shù)據(jù)以及坐立人體迎風面積的計算方法［10-11］，單人皮艇P1、P2和艇速v的關系分別為：

式中，sign為符號函數(shù)，它的正負號與風相對于艇的速度有關，當sign=+1(v1-v＜0)時，風作用力為阻力；sign=-1(v1-v＞0)時，風作用力為推力，即sign函數(shù)反映風力作功的正負。式(1)、(2)說明P1與艇速和運動員體重有關，P2與風向風力、艇速、運動員體重(間接反映迎風面積)有關。由于國際比賽規(guī)則規(guī)定單人皮艇的槳質(zhì)量為0.25 kg，單人皮艇質(zhì)量為12 kg，均為常數(shù)［12］，故式(1)、(2)中沒有艇和槳的質(zhì)量參數(shù)。

理論上可以證明［13-14］，只要不同的劃槳周期中運動員的劃槳功率Pd保持相同，則皮艇必然呈穩(wěn)態(tài)下的周期運動，即劃槳周期中槳入水時刻的艇速va=vb，因此，根據(jù)動能定理可得：

式中，M為人、艇、槳的總質(zhì)量。

式(4)、(5)是單人皮艇運動員劃槳周期中的平均功率與平均艇速、風速、運動員體重之間的數(shù)學關系，它也是本研究的基礎；對單人艇1 000 m項目而言，設專項成績?yōu)镈，則平均艇速=1 000/D，因此，式(4)、(5)可轉(zhuǎn)化為單人艇1 000 m項目上劃槳周期中的運動員平均功率與專項成績、風速、體重之間的數(shù)學關系；反之，根據(jù)式(4)、(5)，已知劃槳周期中的平均功率、運動員體重和風力情況則可計算專項成績D。圖2為計算獲得的不同風速、不同運動員體重情況下平均功率和單人艇1 000 m專項成績間的關系。反映了運動員劃槳周期中的平均功率和單人艇1 000 m專項成績存在非線性關系，顯示出不同水平運動員要提高相同的成績幅度，功率增長需求是不一樣的，在相同的成績提高幅度時高水平運動員需要付出更多的能量消耗和功率輸出。

圖2 運動員體重為85 kg時平均功率和單人艇1 000 m成績間的關系Figure 2. Relationships between Average Power and the k1-1 000 m Performance for the Kayaker w ith 85 kg

運動員的體重和劃槳周期中的平均功率確定時能達到的成績，或者說體重一定的運動員要達到一定的成績，劃槳周期中的平均功率要求多大，這是訓練實踐中應解決的正反兩方面的問題。在實際應用中可根據(jù)式(4)、(5)建立不同體重運動員平均功率和專項成績關系的對應數(shù)據(jù)表(表1)。對應各種有風的情況，也可制作類似的數(shù)據(jù)表，方便教練員和運動員在訓練中查找。

2.2 劃槳功率指標和專項成績關系的應用

2.2.1 風力校正與訓練效果評估 皮艇訓練和比賽均在室外水域進行，因此，運動員的競技能力表現(xiàn)除了決定于運動訓練水平，也受制于場地、氣候、環(huán)境等因素。不同的風向和風速會使人艇受到的空氣作用力發(fā)生變化，對艇速產(chǎn)生影響，直接影響著運動成績和對訓練效果的評估，也使得在不同的環(huán)境條件下，皮艇訓練和比賽成績的可比性較差，這也是皮艇比賽成績沒有世界和國內(nèi)紀錄而只有每次大賽的成績紀錄和名次的原因。受上述因素的影響很難以比賽或測驗成績對國內(nèi)外皮艇運動員競技能力水平進行縱向和橫向的對比。

表1 不同體重運動員在平均功率下的單人艇1 000 m成績（無風）Table 1 The 1 000 m Performance for Various Kayakersw ith Different Bodyweight under Average Power（No W ind）s

皮艇比賽由于不同的地區(qū)、航道走向、氣候，風力作用有巨大的差異，頂風、側(cè)頂風、側(cè)風、順風、側(cè)順風在比賽中都是運動員經(jīng)常面對的氣候條件，因此要評估運動員階段性訓練效果和真實的競技能力水平，不同風力狀況下的成績比較在比賽和日常訓練中均是需要的，風力較正是所有水上運動項目中的共性問題。

按競賽規(guī)則，水上項目比賽中的風向和風力是成績冊上必須標明的數(shù)據(jù)，因此任何比賽中風速在艇前進方向上的投影分量均可獲得。訓練中也可測量風向和風力獲取風速在艇前進方向上的投影分量。由于皮艇運動的動力學方程中忽略了風力的側(cè)向作用，故對某一確定體重的運動員來說，根據(jù)在艇行方向不同的風速作用下平均功率和成績的關系，由比賽或訓練成績可推出相應風力作用下需要的平均功率，再按照等功率原理由無風狀態(tài)下的平均功率和成績的關系，計算出無風時的相應成績，這便是不同風力作用下的成績校正方法。圖3顯示了這種校正方法的應用實例：中間、上方和下方曲線分別顯示無風、頂風和順風時的平均功率和成績關系。如一名體重為85 kg的運動員，在頂風6 m/s的風速下劃出246.5 s的成績，相對應的每槳平均功率為288 W，在無風情況下此運動員的成績對應為227.5 s，比實測的成績快19 s。

圖3 運動員（體重85 kg）在不同風速下成績校正示意Figure 3. The Performance Correction of the Kayakers（85 kg）under DifferentWindforces

圖3反映出頂風時的影響程度較順風時大，因為頂風時人體在空氣中受到的相對風速是艇速和風速之和，順風時相對風速是兩者之差，而空氣作用力是和相對風速的平方成正比，所以同樣的艇速和相同的風速時頂風的空氣阻力比順風的空氣作用力要大；另外式(1)描述的水阻力功率和艇速關系曲線也意味著速度較小時曲線的斜率較小，速度較大時曲線的斜率較大，說明同樣的功率變化下較小的速度范圍內(nèi)艇速變化較大，反之較大的速度范圍內(nèi)艇速變化較??；而順風是使艇速朝增加的方向變化，所以順風風力的變化導致艇速變化較小。

在訓練和比賽中可能出現(xiàn)任意的風速情況，式(4)、(5)為等功率校正提供了計算工具。對已知體重的運動員，根據(jù)風向和風力以及成績數(shù)據(jù)可計算出平均功率，然后由計算出的平均功率再反過來求無風情況下的成績。以國家男子皮艇隊主力隊員周×(體重83 kg)為例，其在第12屆全運會決賽上的成績?yōu)?18.599 s，風速為頂風4.24 m/s，其相應的平均功率為369.91W，這一功率在無風情況下可劃出209.069 s的成績。

2.2.2 模式訓練的發(fā)展指標與目標確定 利用劃槳功率指標和專項成績的關系，可以構建國家隊隊員分別達到世界水平的平均功率的二階段梯度訓練目標。假如以2012年倫敦奧運會男子單人皮艇1 000 m決賽成績作為趕超目標，二階段梯度計劃為：①進入奧運會前3名，獲取獎牌，達到第3名(加拿大運動員van KOEVERDEN Adam)成績208.218 s；②獲得奧運會冠軍，達到第1名(挪威運動員LARSENEirik Veraas)成績205.897 s。這2個成績是在單人艇1 000m決賽日側(cè)頂風的條件下創(chuàng)造的，無風下的成績可能略高于此比賽成績。如以上述2個成績?yōu)槟繕?，國家隊男子皮艇運動員無風狀態(tài)下的個體化平均功率和總功目標見表2，總功為平均功率乘以專項成績。

由于體重不同，運動員達到預定成績所需的平均功率和總功是不同的，體重越重，所需的平均功率和總功越大。體重為85 kg的運動員要達到倫敦奧運會男子單人艇1 000 m冠軍水平，劃槳周期中的平均功率需要387 W，全程劃槳的總功需要80 kJ；體重為90 kg時，相應的平均功率和全程劃槳的總功分別需要400W和82 kJ。因此，當運動員的體重動態(tài)變化時，達到目標成績所需的平均功率和總功也需動態(tài)調(diào)整。

表2 無風條件下國家隊男子皮艇運動員單人艇1 000 m趕超世界先進水平的專項做功目標Table 2 Work Goals for M en Kayakers in Chinese National Team to Pursue the International Advanced Level in Kayaker 1 000 m w ithout W indforce

制定個體化的做功目標的另一個作用是可以和皮艇測功儀測試數(shù)據(jù)進行比較，以反映運動員與目標間的現(xiàn)實體能差距。目前皮艇測功儀測試已作為一種常規(guī)的評價運動員體能狀況的輔助手段，在運動員最大運動能力和有氧無氧能力測定、專項素質(zhì)評定等方面得到廣泛應用［15-16］。精密的皮艇測功儀可顯示運動員每槳的功率、每槳做功、劃槳總功等技術指標。表2顯示了國內(nèi)8名優(yōu)秀男子皮艇運動員在國家隊皮艇測功儀1 000 m測試中的平均功率數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)和個體目標數(shù)據(jù)相比均呈現(xiàn)了不同運動員能力打造的不同需要。

2.2.3 體重和功率輸出能力的適配性 運動員體重和功率輸出能力對艇速的影響互為制約。肌肉發(fā)達導致力量增大，從而使功率輸出增加，但體重的增加會導致水阻力增加，體重增加的負面影響被專項做功能力增加的正面影響抵消時，力量增長才有意義。訓練實踐中遇到的問題是體重增加時，平均功率要增加多大才能抵消這種負作用影響；或者說以減體重來降低水阻力時，平均功率降低不超過多大幅度才不會使成績下降，因此，運動員體重的合適增減需要考慮體重和平均功率的關系。

體重、平均功率、專項成績?nèi)哧P系的一個重要實際應用是對影響專項成績因素的敏感性分析，它可以量化各種因素對專項成績的影響尺度。設專項成績D、平均功率P、體重m的關系可用以下函數(shù)表示：

由D的全微分公式得出：

在體重為75～95 kg和平均功率為180～500 W的范圍內(nèi)，A值在0.18～0.21，平均值為0.20，B值在-0.29～-0.32，平均值為-0.31；因此，在上述體重和平均功率取值范圍內(nèi)，平均功率不變，體重每增加1%，成績至少慢0.18%；反之，如體重不變，平均功率每增加1%，成績至少快0.29%。

圖4 敏感系數(shù)（B，A）構成的向量場Figure 4. Vector Fields Consisted of Sensitive Coefficient（B，A）

根據(jù)式(7)，要使專項成績提高，理論上必須滿足以下條件：

式中，C=-A/B為(B，A)向量的斜率，在體重和平均功率的上述取值范圍內(nèi)，C值在0.6～0.7，平均值為0.64，亦即體重每增加1%，平均功率增加0.7%能確保抵消體重增加帶來的負面影響，不使成績下降。因此，訓練實踐中成績提高時有幾種情況相對應：①平均功率提高，體重不變；②平均功率不變，體重下降；③平均功率提高，體重下降；④平均功率提高和體重增加，但體重每增加1%，平均功率應提高0.7%以上；⑤平均功率降低和體重減少，但體重每減少1%，平均功率下降不超過0.6%。

對應于上述5種情況，階段性訓練的形態(tài)組織學效應可能包括以下幾種：第1種為了增加瘦體重，減少了皮脂重量，瘦體重增加的幅度等于皮脂重量減少的幅度，即骨骼肌發(fā)達和力量素質(zhì)增長；第2種為瘦體重不變，皮脂重量減少；第3種為瘦體重增加，骨骼肌增長和力量素質(zhì)提高，皮脂重量減少，瘦體重增加的幅度小于皮脂重量減少的幅度；第4種為瘦體重增加，骨骼肌增長和力量素質(zhì)提高，皮脂重量不變或增加，還有可能皮脂重量減少，但減少的幅度未超過瘦體重的增加值，如滿足平均功率和體重的限制條件，成績也提高；上述4種情況中第1、3、4種情況均可通過骨骼肌增長和相應的力量素質(zhì)提高實現(xiàn)。第5種為瘦體重減少，皮脂重量不變或減少，或者皮脂重量增加，增加的幅度不超過瘦體重下降的幅度，如滿足平均功率和體重的限制條件，也能提高成績。上述情況易出現(xiàn)于運動員長期大負荷訓練后的疲勞累積以及進行性健康水平下降和身體狀況劣化的狀態(tài)下，應通過合理、科學地安排訓練計劃或健康檢查避免。

3 討論

采用等功率原理探討了不同風力情況下皮艇成績比較的方法，這對劃艇、賽艇等其他水上運動項目也有借鑒作用。風力校正方法以劃槳功率指標和專項成績關系為基礎，在實際比賽中風向、風力可能隨時變化，大賽中成績冊上只記錄出發(fā)時的風向、風力情況數(shù)據(jù)，不一定代表了比賽途中的情況，因此，嚴謹做法是在比賽或測驗中不斷地監(jiān)測和記錄風向、風力情況并作為時間的變量考慮，這種方法能提高校正的可靠性，也是實際應用過程中須完善的工作。

模式訓練法是運動訓練控制方法之一，訓練模式提供的發(fā)展指標是一系列未來訓練過程需要實現(xiàn)的訓練目標。在模式訓練中不斷地判斷現(xiàn)實訓練狀態(tài)和訓練目標間的差異，以便對訓練過程進行反饋控制和調(diào)整，使訓練過程朝著預定的目標方向前進，發(fā)展指標與目標確定是模式訓練的2個基本點。

國內(nèi)水上訓練實踐中很大的困惑是對個體發(fā)展指標和目標不明確，如體能訓練中不知道何種素質(zhì)需要練到何種程度，以致在訓練的計劃和實施中缺乏針對性，指標和目標不明確往往導致訓練內(nèi)容和方法上的誤區(qū)。目前訓練中常用的做法是根據(jù)對專項成績具有指標意義的評價體系確立素質(zhì)指標，這種評價體系建立在專家學者的認知、實踐經(jīng)驗和統(tǒng)計學的分析基礎上，所確立的素質(zhì)指標雖有一定的指導意義但未解決量的問題，通常的做法是將國外優(yōu)秀運動員的力量、速度、耐力素質(zhì)指標數(shù)據(jù)作為訓練目標的參照。訓練實踐中經(jīng)常出現(xiàn)的情況是運動員達到了這些指標目標卻未能達到預定的專項成績，部分原因應歸咎于這些指標能力并未整合成競技水平表達的核心能力即專項做功能力。

皮艇測功儀可以在陸上近似模擬專項運動和能量代謝的方式，是一種重要的專項訓練和測試工具。皮艇測功儀的做功水平體現(xiàn)了和專項運動相近的一種專項能力，而由劃槳功率指標和專項成績關系所計算的專項做功目標可以和現(xiàn)實的皮艇測功儀的做功水平進行比較，它與外在的單純成績比較更能反映運動員的體能差距。在這種比較中，因為皮艇運動的動力學方程作了適當?shù)暮喕绮豢紤]艇其他方向的運動所增加的水阻力，實際的平均功率或總功的目標需求要大于計算值。以劃槳功率指標和專項成績關系為基礎的模式目標制定方法，除了可規(guī)劃多年訓練計劃外，還可應用于任何訓練階段，有利于訓練的量化控制和有效實施。

適應運動特征的專項肌肉發(fā)達是皮艇運動員外形體態(tài)的標志，訓練水平的提高和專項力量素質(zhì)的發(fā)展導致了運動員形態(tài)體格和肌肉組織學的優(yōu)化改造。對皮艇運動員而言，專項力量增加對專項做功能力增強有積極的效果，但是肌肉的專項改造和發(fā)達程度提高有可能使總體重增加，導致艇的水阻力增大，這種情況較多地出現(xiàn)在運動員發(fā)育成才階段；因此，專項成績的提高需要體重的變化和平均功率的變化相匹配。訓練實踐中理想的效果是增大專項力量同時又控制體重，從神經(jīng)調(diào)節(jié)的角度發(fā)展力量有2種取得相同效果的途徑：一是改善肌肉內(nèi)和肌肉間的協(xié)調(diào)能力，在不增加肌肉體積的情況下提高力量水平；二是依靠肌肉體積增大，工作肌蛋白質(zhì)合成加強，使肌肉橫截面積增大，力量得到發(fā)展，此種方法也會導致瘦體重增加。如果體脂重量未下降，必然使總體重增加，導致艇的水阻力增大，因此，通過增大肌肉體積增加力量的同時需要控制好體脂重量。

降低體脂重量與機體的形態(tài)體格專項改造相關，國內(nèi)優(yōu)秀男子皮艇運動員的平均皮脂率為11.72%［17］，而國外優(yōu)秀男子皮艇運動員為6%～10%。匈牙利是世界皮艇運動強國，一流的匈牙利男子皮艇運動員的平均皮脂率為9.3%［18］，說明我國優(yōu)秀男子皮艇運動員體脂率和國外相比偏高，反映出國內(nèi)運動員還未產(chǎn)生國外優(yōu)秀運動員那種高度的專項形態(tài)體格適應，體脂重量還有下降的空間。

4 結(jié)論

發(fā)展劃槳周期中的平均功率是提高單人皮艇1 000 m成績的關鍵，皮艇運動員競技能力的培養(yǎng)要以提高平均功率為核心。專項成績和平均功率之間是非線性關系，高水平運動員的功率增長需求大于低水平運動員。

體重和風向、風力是影響皮艇成績的重要因素。以劃槳功率指標和專項成績的關系為基礎的等功率校正方法可用于不同風速下的成績比較和訓練水平檢驗。

利用劃槳功率指標和專項成績的關系可構造不同成績水平下的個體能力打造目標，這一目標和測功儀做功指標進行比較可以反映運動員現(xiàn)實體能差距。

單人皮艇中體重和功率輸出的適配原則為：如平均功率不變，體重每增加1%成績至少慢0.18%；如體重不變，平均功率每增加1%成績至少快0.29%。體重每增加1%，平均功率需增加0.7%才能確保抵消體重增加帶來的負面影響從而維持成績。

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Relations between Padd ling Power and Specific Performance for Kayakers and Its Training Application—Taking Kayaker 1 000m as an Examp le

∥QIU Yi1，CHEN Qilian2，ZHOU Meifang2，WEIWenyi3

The study elaborates the relations between paddling power and specific performance of kayakers on the basis of dynam ic model，and the application in training is also explored. The findings show that：①The development in average power w ithin a stroke period is the key factor to elevate kayakers’performance in 1 000 m，and the relationship between average power and specific performance shows nonlinear features；the kayakers’body mass and wind force have a definite influence on the performance.②Themethodswith equal power correctionmay be applied in the performance comparison and training state testing.③On different performance levels，it may establish the training target in specific work capacities which may be used tocompare with the power index of ergometer to reflect the realistic gap in individual physical power for kayakers.④The adaptation principle for concurrent variation of kayakers’body mass and specific work capacities is firmed in order to provide the reference for the specific reformation of the kayakers’physiques.

kayaker；paddling power；specific performance；training；kayak 1 000 m

G861.4

A

1000 -5498（2015）03 -0062 -06

2014 -09 -22；

2014 -12 -01

江西省科技支撐計劃資助項目(2009BSA12600)

裘藝(1966 -)，男，江西新建人，江西省體育科學研究所副研究員，博士；Tel.：(0791)86294717，E- mail：1585451772@qq.com