郝鳳霞，劉 錚，劉平清，史東林

自由泳短周期內(nèi)速度特征的三維運動學分析

郝鳳霞1，劉 錚1，劉平清1，史東林2

目的：描述游泳運動員在200m自由泳中，短周期內(nèi)速度波動（Vfluc）的特征和變化，及身體質(zhì)心速度的最大值（Vmax）和最小值（Vmin），并分析其與運動員運動表現(xiàn)的相關性。方法：選現(xiàn)役河北省游泳隊國家一級以上自由泳男運動員共11名為研究對象。用4臺水下和2臺水上攝像機同步記錄他們的游泳表現(xiàn)。將200m自游泳分為4段（每段50m：SC1、SC2、SC3、SC4）分析，采用橢圓區(qū)域的方法對人體數(shù)據(jù)進行計算。結果：測試發(fā)現(xiàn)，200m自游泳中Vmean總體在下降；Vmax和Vmin與運動員的表現(xiàn)呈正相關，且SC1段比另外三段的相關性更高；Vmax和Vmin的相關性顯著且一致，但與游泳表現(xiàn)并無相關性。結論：各個方向速度波動特征與運動表現(xiàn)沒有相關性，且在整個運動過程中也并不呈現(xiàn)顯著性的變化。

運動學；自由泳；質(zhì)心；速度特征

目前對于運動員游泳速度的計算，學界多采用兩維攝像或者使用專用設備，安裝在游泳運動員腰部或頸部，通過計算其身體某個部位（通常是臀部）來獲取其游泳速度［1］。然而近期大量研究表明，采用以上方法，并不能準確表示人體質(zhì)心運動學參數(shù)在短周期內(nèi)的變化［2－3］。國外學者Craig和Pendergast認為，專門制作的這種裝置并不一定能較為準確的反應人體質(zhì)心活動。因為，在游泳過程中運動員四肢往復交替，部分技術動作可能被遮擋，從而導致臀部垂直運動的測量誤差［4］。目前雖然有研究試圖通過運用二維運動學方法以及人體左右對稱特征，計算人體質(zhì)心的速度［5］，然而近期運動員游泳技術動作往往不對稱的觀點，又使此研究方法的準確性受到一定質(zhì)疑［6］。

基于以上本文運用三維運動學分析方法，確定男子200m自由泳身體質(zhì)心的速度波動大小及最大值和最小值。同時還要驗證游泳方向上速度的最大值和最小值，以及其他各個方向的速度波動的大小是否與運動表現(xiàn)呈線性的關系，水平速度均值（Vmean）是否決定著運動表現(xiàn)。通過對這些變量及其相對值進行分析，以期能更完全和清晰地顯示速度波動及其最大值和最小值對游泳運動的影響。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象選現(xiàn)役河北省游泳隊國家一級以上（包括國家級及國家一級運動員）自由泳男運動員共11名為研究對象?；拘畔⒁姳?。

表1 研究對象基本情況

1.2 實驗實施 身體19個部位（頭頂點，肩，眉毛，腰，臀部，膝蓋，腳踝和中間趾骨關節(jié)，中指末端及大腳趾），以50幀／秒使用Ariel運動分析系統(tǒng)（APAS）解析，三維坐標的獲得運用直接線性轉換（DLT）的方法計算（Abdel－Aziz＆Karara）。由于運用了4臺攝像機，最大限度的加強了水下標志點的準確性。這意味著每個部位至少在不同的兩臺機器中可以清晰的看見，使人工“猜測”在DLT計算中最小化。水上和水下的視頻分別被記錄和解析。相同的標定框架用于水上和水下，不同的視頻被合并到一個文件，不需要對數(shù)據(jù)做任何的調(diào)整。使用截斷頻率6HZ對數(shù)據(jù)進行過濾和平滑處理。

1.3 測試指標使用6臺JVC KY32 CCD（采樣頻率50 Hz，快門速度1／120 s）攝像機，其中4臺安置在水下，2臺安置在水上。用一個6.75立方米框架標定，此框架一半在水上，一半在水下，X軸為游泳方向，Y軸和Z軸分別為垂直方向和左右方向，每臺攝像機拍攝6.5米長，框架向兩邊各延長一米，具體見圖1。定點同步拍攝（實驗的同步拍攝是利用運動員蹬壁出發(fā)時，觸發(fā)安裝在池壁的觸發(fā)式傳感器，觸發(fā)傳感并同步閃光，來實現(xiàn)的）每個運動員的表現(xiàn)。另外，考慮到框架標定可能帶來的誤差，研究采用大范圍標定來盡可能減小這種誤差，以增加測量的準確性。

圖1 三維運動學分析中攝像機和標定框架擺放位置

1.4 實驗控制測試選擇在長25m的室內(nèi)游泳池進行，首先受試者同意參與本研究并簽署實驗知情同意書。為了避免過度訓練對測試的干擾，在測試前一天，避免對運動員進行大強度訓練。其次為了消除呼吸可能對變量的影響，要求所有運動員在通過6.5m的標準空間時應避免換氣。為了確保測試水平與競賽水平相似，要求每個運動員測試成績達到其最好成績的95%，經(jīng)過第一次測試，運動員實際表現(xiàn)為117.3±2.8 s，均比他們的個人最好成績慢3.0±1.5%。

1.5 數(shù)據(jù)處理實驗將200m的自由泳分為四個階段，每50米為一個SC并做一次記錄，因此所有運動員19個部位的相關參數(shù)值都進行了分段記錄（經(jīng)過了四次計算SC1，2，3和4），并且通過視頻記錄獲得每個SC（s）所持續(xù)時間。此外，研究通過運動員每個環(huán)節(jié)質(zhì)心的位移（X，Y和Z坐標）表示人體質(zhì)心的位移；通過人體質(zhì)心（CM）位移的一階微分計算顯示CM的速度；通過SC段X方向位移除以經(jīng)過該段的時間得到每段SC的平均速度（Vmean）。同時，將一個周期內(nèi)速度的最大值與最小值設定為最大及最小速度；通過平均速度的百分比來計算相對最大和最小速度；采用人體質(zhì)心在每個SC中速度最大值減去速度最小值來確定每個方向的速度波動（Vfluc）；而每個方向的相對速度波動是以平均速度的百分比進行計算的。數(shù)據(jù)采集的可靠性：通過六臺攝像機3次記錄同一名運動員一個完整SC內(nèi)相關變量，并進行方差計算及整個人體質(zhì)量變化系數(shù)來確保指標的可靠性。

1.6 統(tǒng)計分析對于實驗所得人體測量學數(shù)據(jù)計算采用橢圓區(qū)域方法（Jensen，1978），經(jīng)過Deffeyes和Sanders（2005）研發(fā)的PC軟件計算得出，并通過對同一名運動員3次反復測試，采用方差計算及分析其質(zhì)量變化系數(shù)來確保橢圓區(qū)域方法的準確性［7］。運用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件包和Excel 2003軟件對所得數(shù)據(jù)進行分析處理。均采用重復方差分析的方法，統(tǒng)計結果以“ˉx±s”表示，顯著水平為P＜0.05，高度顯著為P＜0.01。

2 結果

2.1 計算的準確性和可靠性表2顯示了測試指標的高度可信性。根據(jù)橢圓區(qū)域方法的可靠性計算出本研究估計值和真實值之間的平均誤差為0.2－0.9kg或者0.3% －1.3%（以人體質(zhì)量百分比表示）。誤差均方根值RMS分別為0.9kg和1.3%。實驗結果顯示：標準差SD（0.04kg）和變異系數(shù)（0. 08%）較低，證實了本研究數(shù)據(jù)的可靠性。

2.2 最大和最小瞬時速度測試結果圖2顯示：相對最大速度大于最大速度、平均速度及最小速度（最大速度＞平均速度＞最小速度），但最大速度與平均速度卻大于相對最小速度，相對最小速度與最小速度有交叉但總體前者稍大于后者。相對最大、最小速度較最大、最小及平均速度平緩。

圖2 人體質(zhì)心相關速度特征

表3顯示：運動員平均速度（Vmean）、最大速度（Vmax）、最小速度（Vmin）、相對最大速度（Relative Vmax）和相對最小速度（Relative Vmin）四個SC階段兩兩比值，結果顯示運動員的平均速度除了SC4無變化（P＞0.05）外，其余每個SC都在下降（P＜0.05）。SC1中的最大和最小速度明顯要高于其他三個SC，而SC2中的最大速度比SC4的明顯要高，SC3與SC4最小速度相同。然而，相對最大和最小速度卻無明顯的變化（P＞0.05）且它們在整個測試中都很相似，其200m的平均速度值分別為110.8± 1.6%和 88.6±1.7%。運動員在 SC1（27.38± 0.13s）用時比SC2（28.04±0.32s）、SC3（28.04± 0.32s）、SC4（27.81±0.20s）要少（P＜0.05）。除此之外，無其它變化。具體如圖2與表2：

表3 人體質(zhì)心相關速度特征的方差分析

表4 人體質(zhì)心相關速度特征的相關性分析

結果顯示：平均速度（Vmean）與最大（Vmax）、最小速度（Vmin）具有高度相關性同時具有顯著性差異（P＜0.01）；然而平均速度與相對最大、最小速度的相關性很小且無顯著性差異（P＞0.05）除平均相對最大速度有顯著性（P＜0.05）外。

2.3 速度波動測試結果 表5顯示：四個階段中，水平、垂直及側向速度波動呈階梯狀分布，同時相對水平、垂直及側向速度波動也具有階梯狀分布特點。側向速度波動均大于水平速度波動與垂直速度波動，第2個與第4個階段尤為明顯，與此同時相對側向速度波動出現(xiàn)結果與上面完全一致，整個測試中的各個方向速度波動與相對速度波動的變化基本一致，但參數(shù)值變化較小且各方向上速度波動或相對速度波動均無顯著變化。

表5 人體質(zhì)心的速度波動值與相對速度波動百分比（%）

表6 平均速度與速度波動、相對速度波動相關性分析

表6顯示出三個方向速度波動與平均速度之間的相關性。除了垂直速度波動及相對垂直速度波動在SC1階段呈高度相關性且分別具有高度顯著性差異（P＜0.01）和顯著性差異（P＜0.05）外，三階段其它方向的相關性較小且多數(shù)無顯著性差異（P＞0.05），另外平均速度與水平速度波動較其它具有高度相關性且具有高度顯著性差異（P＜0.01）。

3 討論

3.1 最大和最小瞬間速度結果分析經(jīng)分析，測試中實驗對象的平均速度逐漸下降，第一階段（SC1）用時明顯少于其他三階段（SCs），第一階段最大和最小速度值均高于其它三階段。此結果也與受試者本人預期基本一致。分析其原因：筆者認為，在游泳過程中由于乳酸不斷堆積等因素導致機體疲勞產(chǎn)生從而致使其技術動作的穩(wěn)定性逐漸下降進而導致游泳過程中的阻力逐漸增大、推進力隨之減小。

在200m比賽中，游泳表現(xiàn)（如平均速度）與最大和最小速度呈很強的線性關系，然而這些變量的相對值在測試中表現(xiàn)出較好地一致性，且與游泳表現(xiàn)無關?？梢?，無論運動員競技水平如何，其相對最大、最小速度分別與平均速度相比均在11%的范圍內(nèi)，此研究結果與目前其它相關研究數(shù)據(jù)相比，則更佳接近于平均值?；谝陨瞎P者認為，運動員在游泳方向上最大速度、最小速度和速度波動具有一定一致性，且與游泳表現(xiàn)無關。值得一提的是本研究所選取的自由泳運動員水平十分接近，如選取游泳水平相差較大運動員參加測試，是否影響以上參數(shù)與運動表現(xiàn)的關系，有待于今后進一步研究。同時，對不同水平的運動員的研究，將會進一步驗證這些結論。

3.2 速度波動結果分析研究中，在一個SC階段由于水的波動以及其方向上合力的變化具有的一定規(guī)律性，所以游泳方向上水平速度波動是可以預料的。但對于垂直與側向速度波動來說，雖然最近研究表明“垂直和側向的速度波動可能由某種沿水平方向力造成的［8］。”也不能排除垂直速度波動由重力與浮力相對變化造成的可能。在試驗中雖然側向和垂直方向的速度波動比游泳方向上的相對和絕對值都大，且在大多數(shù)SC中，與運動員游泳表現(xiàn)無顯著相關性，但是對于側向和垂直方向的速度波動與運動員游泳表現(xiàn)，尤其是垂直活動幅度較大的泳姿，如蝶泳和蛙泳等是否具有相關性，仍有必要進行進一步探討。此外，鑒于測試中SC時間的變化，諸如時間，持續(xù)時間和游泳方向的推力和阻力等因素可能已經(jīng)改變。建議今后研究采用能夠通過用一種詳細的變量，例如模式，數(shù)量和周期速度V和最大和最小加速來分析推力和阻力之間關系，以此提高在一個SC中對速度波動的理解。

本研究顯示，各個方向的速度波動與運動表現(xiàn)并無關聯(lián)性，此觀點恰與國外學Alberty等人結論“速度波動和運動表現(xiàn)不具有相關性”相契合［9］。但就該結論的得出，目前學界還存在一定爭議。有少數(shù)學者提出速度波動與游泳表現(xiàn)具有顯著相關性且速度快的運動員比速度慢的有更大的波動。由于運動員所承受的較大的阻力，更高的平均速度可能與更大的速度波動有關。然而學者Craig和Pendergast研究發(fā)現(xiàn)，速度波動往往會隨著速度增加而增長，但通過相對速度波動的分析，卻沒有發(fā)現(xiàn)任何的差異。以上不同結論的得出顯然與不同研究人員采用不同方法來計算速度波動造成的。因此筆者建議今后，在速度波動和運動表現(xiàn)之間關系的相關研究中除了考慮方法差異與局限性外，研究者應充分考慮到計算方法的有效性。雖然本研究中速度波動和運動表現(xiàn)無相關性，但有一點是不可否認的，那就是在游泳速度保持不變的情況下，減小速度波動會減少能量消耗，使游泳更加經(jīng)濟。

以上觀點為教練員在訓練過程中，通過指導運動員改善技術動作從而減少速度波動，來降低其能量消耗方面提供有力的理論支撐。另外，我們對速度波動的進一步深入研究，可能對運動員協(xié)調(diào)能力的評價及相關協(xié)同訓練的設計提供一些參考，例如：游泳過程中，不同SC階段速度波動的變化與游泳運動員協(xié)調(diào)能力的相關性問題等都極具研究價值。最后，值得一提的是本研究沒有考慮到不同游段過程中的換氣問題，但有研究顯示換氣對游泳表現(xiàn)有影響。因此對運動員在比賽過程中換氣時間的確定、游段中是否換氣及一側換氣還是異側換氣有待于更深一步研究。

4 結論

目前的研究主要建立在二維運動學分析和單個SC的基礎上。除了這些發(fā)現(xiàn)外，所報道的數(shù)據(jù)在涉及速度波動、最大速度及最小速度和運動表現(xiàn)關系時都不確定。而本研究運用的三維運動學分析并結合人體測量方法，總結如下：

（1）最大和最小速度是反映運動表現(xiàn)的很好的指標，它們的變化和平均速度的變化相似。然而，相對最大和最小速度值顯著相關，且與運動表現(xiàn)沒有關聯(lián)。

（2）各個方向的速度波動和相對速度波動與運動表現(xiàn)無關，且在測試中沒有明顯的改變。值得注意的是，側向和垂直方向的速度波動比游泳方向的速度波動要大。今后研究要進一步尋找其中原因和影響，尤其是垂直活動幅度較大的泳姿，如蝶泳和蛙泳，還需研究速度波動和運動表現(xiàn)可能存在關系。

（3）可以通過進一步詳細分析SC的不同階段，以及換氣和不換氣對SCs的速度波動的影響，會加深我們對于運動表現(xiàn)和速度波動關系的理解。

［1］ Alberty M，Sidney M，Huot－Marchand F，et al.Intracyclic Velocity Variations and Arm Coordination During Exhaustive Exercise in Front Crawl Stroke［J］.Int J Sports Med，2005，26（6）：471－475.

［2］ Barbosa T，Santos Silva JV，Sousa F.Vilas－Boas JP Comparative Study of the Response of Kinematical Variables from the Tip and the Center of Mass in Butteriers［M］.In：Chatard JC，ed.Biomechanics and Medicine in Swimming IX.St Etienne：University of St Etienne Publications，2003：93－98.

［3］ Psycharakis SG，Cooke C，Paradisis GP，et al.Analysis of Selected Kinematic and Physiological Performance Determinants During Incremental Testing in Elite Swimmers［J］.J Strength Cond Res，2008，22（3）：951－957.

［4］ Leblanc H，Seifert L，Tourny－Chollet C，et al.Intra－cyclic Distance per Stroke Phase，Velocity Ctuations and Acceleration Time Ratio of a Breaststroker’s Tip：a Comparison Between Elite and Nonelite Swimmers at Different Race Paces［J］.Int J Sports Med，2007，28（2）：140－147.

［5］ 高嵩峰，張春林.參數(shù)化運動學模型建立方法的研究［J］.航天醫(yī)學與醫(yī)學工程，2009，22（5）：351－357.

［6］ Arellano R，Lopez－Contreras G，Sanchez－Molina JA.Qualitative Evaluation of Technique in International Spanish Junior and Prejunior Swimmers：an Analysis of Error Frequencies［J］.In：Chatard JC，ed.Biomechanics and Medicine in Swimming IX.St Etienne：University of St Etienne Publications，2003：87－92.

［7］ Psycharakis SG，Cooke C，Paradisis GP，et al.Analysis of Selected Kinematic and Physiological Performance Determinants During Incremental Testing in Elite Swimmers［J］.Strength Cond Res，2008，22（3）：951－957.

［8］ Toussaint HM，Den Berg CV，Beek WJ.Pumped－up Propulsion During Front Crawl Swimming［J］.Med Sci Sports Exerc，2002，34（2）：314－319.

［9］ AlbertyM，SidneyM，Huot－Marchand F，et al.Intracyclic Velocity Variations and arm Coordination During Exhaustive Exercise in Front crawl Stroke［J］.Int J Sports Med，2005，26（6）：483－485.

3－D Kinematic Analysis of the Speed Characteristics Freestyle Swimming Within a Shjort Cycle

HAO Fengxia1，LIU Zheng1，LIU Pingqing1，SHI Donglin2

Objective：This study aims at describing the swimmers’features and changes of a short－cycle speed fluctuation in the 200m freestyle（Vfluc），and analyzing their correlation with the swimmers’performance.Methods：11 male swimmers in active service from Hubei are selected as the research subjects.4 underwater and 2 overwater video cameras are used to synchronously record their swimming performance.The 200m freestyle swimming is divided into 4 segments（SC1，SC2，SC3，SC4）and oval region method is adopted to calculate human body data.Results：the findings indicate an overall decline in the Vmean and a positive correlation between the swimmers’Vmax／Vmin and their performance with the correlation of segment 1 much higher than the other three sections.Vmax and Vmin demonstrate significant correlation，but no correlation to the swimming performance.Conclusion：there is no correlation between the velocity fluctuation characteristics in all directions and performance with no significant changes during the whole process.

kinematics；freestyle；centroid；velocity features

G861.1 Document code：A Article ID：1001－9154（2015）03－0082－05

10.15942／j.jcsu.2015.03.16

G861.1

A

1001－9154（2015）03－0082－05

2014年國家體育總局重點研究領域項目（2014B036）；2013年重慶市教委人文社科一般項目（13SKM03）。

郝鳳霞，碩士，副教授，研究方向：運動人體科學，E－mail：haofengxia29＠163.com。

1.重慶三峽學院，重慶404100；2.河北體育科學研究所，河北石家莊050024

1.Chongqing Three Gorges University，Chongqing 404100；2. Hebei Institute of Sport Science，Shijiazhuang Hebei 050024

2014－12－12