劉永浩

(西安工業(yè)大學 體育學院,西安 710032)

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背向滑步式擲鉛球的三維運動學分析*

劉永浩

(西安工業(yè)大學 體育學院,西安 710032)

摘要：為探索優(yōu)秀男子鉛球運動員個體動作技術特征；文中利用瑞士產(chǎn)AOS高速攝像運動捕捉系統(tǒng)，其中兩臺攝像機以120幀/s拍攝頻率進行三維同步拍攝，截斷頻率為6 Hz；建立20個關鍵點的人體和器械模型，數(shù)據(jù)解析應用美國產(chǎn)Kwon3D軟件進行解析；應用EXCEL2003進行數(shù)據(jù)處理。得到鉛球投擲各個階段的關節(jié)角度、耗時、末速度、肢體位移、鉛球出手速度、高度、角度等運動學參數(shù)及相關動作特征畫面人體棍圖或鉛球運動軌跡.通過對兩名樣本運動學參數(shù)的分析，得出鉛球的運動成績構成中，出手初速起主導作用，出手角次之，出手高度作用最小.

關鍵詞：運動員；背向滑步;鉛球；三維運動

背向滑步與旋轉推鉛球是現(xiàn)代鉛球投擲技術兩大主流，而背向滑步推鉛球為國內多數(shù)運動員所采用,如獲得2008年全國田徑錦標賽前八名的7名男子鉛球運動員均采用背向滑步推鉛球技術[1]，2012 年第30 屆奧運會同時闖入奧運會前八名的3名中國女子鉛球隊員[2-4].從運動生物力學角度分析，鉛球運動為斜拋運動，水平位移主要與出手初速度、出手角度和出手高度3參數(shù)共同決定的[5-9].鉛球高水平運動成績與有效技術密不可分.因此，研究背向滑步推鉛球三維運動學具有重要的現(xiàn)實意義.鉛球投擲技術既有共性特征，也一定存在個體差異.前人許多研究主要針對其共性研究較多.文獻[10]對現(xiàn)階段在役優(yōu)秀男子鉛球運動員的投擲技術進行了系統(tǒng)診斷和分析，得出了投擲技術共性特點.文獻[11]根據(jù)世界田徑錦標賽男子鉛球決賽選手成績的生物力學報告數(shù)據(jù)，對運動員投擲技術進行了生物力學分析.

而鉛球投擲技術個體差異較大，國內研究中優(yōu)秀鉛球運動員投擲技術個案分析鮮有報道.故本研究目的是通過三維運動解析探索優(yōu)秀男子鉛球運動員個體動作技術特征，以期為個體技術改進提供幫助，強化其技術訓練具有重要指導意義，也將對高校鉛球技術教學提供理論依據(jù).

1研究對象與方法

1.1研究對象

國家健將級鉛球男子運動員2名，無重大病史，身體健康.①樣本1，年齡24歲，身高1 930 mm，體重122 kg.②樣本2，年齡28歲，身高1 910 mm，體重110 kg.為保證測試準確性，測試前24 h未進行力量訓練，且運動能力良好.

1.2研究方法

1.2.1實驗測量法

利用瑞士產(chǎn)AOS高速攝像運動捕捉系統(tǒng)，兩臺攝像機(型號：S-PRI(plus))以120幀/s拍攝頻率進行三維同步拍攝，截斷頻率為6 Hz；其中一臺正對投擲方向右側面，置另一臺于同側面，兩臺攝像機相距20 m，主光軸夾角60°，機高1.2 m.空間坐標標定應用三維框架進行.三維現(xiàn)場示意圖如圖1所示.

1.2.2人體-器械模型建立及解析誤差

建立20個關鍵點的人體和器械模型(鉛球重7.257 kg，數(shù)據(jù)解析應用美國產(chǎn)Kwon3D軟件進行解析；通過人工打點處理，人工打點誤差為0.70 cm.

1.2.3數(shù)理統(tǒng)計法

應用EXCEL2003進行數(shù)據(jù)整理,用SPSS 15.0進行統(tǒng)計分析.所有數(shù)據(jù)用平均數(shù)±標準差描述，統(tǒng)計方法采用獨立樣本T檢驗，以P<0.05為顯著性差異，以P<0.01為非常顯著性差異.

圖1　三維攝影現(xiàn)場示意圖

2結果與分析

在訓練中，根據(jù)三維立體定機攝影攝像測量方法解析得到鉛球運動員背向滑步推鉛球動作運動學參數(shù).圖2～圖8分別示意了不同角度解析的人體棍圖,從圖2～圖7中，可直觀地看到關鍵動作姿勢特征畫面,以便供教練員、運動員、科研人員觀察技術動作細節(jié)，再結合數(shù)據(jù)，使得教練員，尤其是運動員對自己的技術有深刻理解，在以后的技術改進中有所感悟.圖8分別表示兩名運動員鉛球的運動軌跡圖，表明了鉛球從開始到鉛球出手瞬間的運動軌跡.

圖2　樣本1開始階段重心最高人體棍圖

據(jù)鉛球動作結構特點,文獻[12]將背向滑步鉛球運動分為開始階段、滑步階段、過度步階段、最后用力階段共4個階段.以右手投擲為例，本次實驗中開始階段是指從左腳跟在最高點時到右腳離地前動作過程； 滑步階段是指從右腳離地到右腳落地動作過程；過度步階段是指從右腳落地到左腳落地動作過程；最后用力階段是指從雙支撐開始到鉛球出手為止動作過程.

圖3　樣本1重心最低時人體棍圖

圖4　樣本1鉛球出手瞬間人體棍圖

圖5　樣本2開始階段重心最高人體棍圖

圖6　樣本2重心最低時人體棍圖

圖7　樣本2鉛球出手瞬間人體棍圖

圖8　樣本1和樣本2的鉛球軌跡圖

開始階段關節(jié)部分指標見表1,在開始階段，樣本1右肘關節(jié)、右肩關節(jié)、右髖關節(jié)和樣本2相比，根據(jù)獨立樣本T檢驗，并不具有顯著性差異，P值分比為0.36，0.77，0.81，0.98.一般而言，持球姿勢越接近身體中心軸,各關節(jié)角度越小，姿勢越緊湊，人和器械結合的完整性越好，更利于快速移動.樣本1右肩關節(jié)、右肘關節(jié)角度Δα變化較樣本2的大,對于快速運動身體姿勢的控制不利.樣本1開始階段用時較長，主要和樣本1右髖關節(jié)、右膝關節(jié)角度變化較大有關見表2.

由表2可以看出,在滑步、過渡步階段樣本1用時較樣本2小,表明樣本1的滑步、過渡步階段相互銜接較緊密,這兩部分銜接速度結構較合理.而樣本2從開始階段到滑步階段銜接緊密，速度結構整體分布較合理.

背向滑步推鉛球過程中，人、鉛球是連續(xù)加速,各個階段都必須重視速度和加速度的變化.實際上鉛球動作是連貫整體,只是為了研究的需要才人為劃分階段的，所以其動作技術必須強調整體效果.

最后用力階段時間特別要注意，在合理的范圍內，和鉛球出手速度緊密相關.

表1　開始階段關節(jié)部分指標

表2　各階段時間比較表

由表2可看出，樣本2的用力時間為0.267 s，樣本1的用力時間為0.250 s.在一定的范圍內,假設作用力F相等,用力時間越長,根據(jù)動量定理，鉛球獲得出手速度越大.在用力階段，樣本2用時間較長,所以鉛球出手速度較大.而樣本1用力階段用時較短，鉛球出手速度相對較小.由表1關節(jié)角度變化、時間變化，得出以上結論，與表3的實測值相符.

樣本1的滑步距離較樣本2長,可能的原因是步幅大小不同所致見表3.在鉛球最后用力階段增大鉛球工作距離的關鍵因素中，樣本1雙支撐距離、鉛球做功距離較樣本2短，是導致鉛球出手速度較小主要因素之一.由表3可以看出,在用力階段，Y方向距離樣本2較長,鉛球用力階段最低到最高點斜線距離也較長，說明樣本2對鉛球做功距離較長，是樣本2鉛球出手速度較大的原因之一.

在各階段樣本1使得鉛球所獲得的速度占出手速度的百分比較低,而樣本2較高，見表4.文獻[13]認為優(yōu)秀運動員在推鉛球過程中鉛球在滑步階段獲得速度一般為出手速度15%左右；過渡步階段鉛球的速度應保持不變或略有增加,達到出手速度的15%～20%左右,顯然，樣本1比例不符合這一規(guī)律，而樣本2基本符合這一研究結果.因此，從整體看樣本2的動作速度結構較合理,樣本1應加強動作技術銜接訓練，使其速度結構比例接近或符合優(yōu)秀運動員的比例，其運動成績將會有較大提高.在訓練中，教練員、運動員應針對樣本1每一環(huán)節(jié),細化技術,教練員時刻加以提示，科研人員實時加以動作跟蹤分析，及時反饋給教練員、運動員，使其動作技術更加連貫，比賽成績將會有大的進步.

表3　距離參數(shù)比較表

表4　各階段速度比較表

(出手速度=滑步末速/過渡步末速)“%”為滑步速度在出手速度的百分比，動量轉移占比越高說明動作運用越合理

特別是在鉛球運動“速度一節(jié)奏結構”技術中，特定階段的基本技術為掌握完整技術打基礎.“過渡步階段”(滑步后從右腳落地到左腳落地)的速度結構是研究完整技術中的一個重要指標.因為起著承上啟下的作用“過渡步階段”是完整技術中非常重要的環(huán)節(jié).該環(huán)節(jié)動作的銜接好壞將直接影響最后用力加速的效果.該階段為最后用力形成較為合理的身體姿勢，并保持或適當增加鉛球在滑步中獲得的速度.以往訓練中，因為過分強調超越器械動作的完成,注意了動作效果,忽視了速度結構，導致過渡步階段速度過慢，破壞了合理完整技術速度結構,抑制了運動成績的進一步提高.

誠然,高水平運動員訓練課中除了技術訓練外，還有力量、柔韌等訓練,這些因素也是影響運動成績的主要因素之一.使力量等素質和技術訓練緊密的結合起來,訓練效果將會更好，對運動成績的提高有更大的促進.

樣本1右肩關節(jié)、右肘關節(jié)角度在鉛球出手瞬間較樣本2的大,表明1上肢伸展較充分,而2的右肘關節(jié)打開角度較小.1的左踝關節(jié)角度、左膝關節(jié)、左髖關節(jié)在鉛球出手瞬間較2的小,提示1的下肢伸展相對較差見表5.因此，在鉛球出手瞬間，樣本1應充分伸展下肢，而2應充分伸展上肢.出手高度這一參數(shù)和個子高低、手臂長短有關，樣本1的個子較高，加之出手瞬間，1具有騰起動作，因此樣本1的鉛球出手高度較高.結合表5，相比較世界部分優(yōu)秀鉛球男女運動員的出手角度(男，出手角度均值35.8°±1.4，成績均值21.55±0.50；女，出手角度均值36.1°±1.3，成績均值21.39±0.72)，表明樣本1的出手角度為49.7°較大，而2的出手角度為39.4°較合理.

表5　鉛球出手瞬間相關指標

研究認為推鉛球的出手角度在37°～41°之間，小于45°[14].鉛球運動是拋射點高于落地點，故其最佳出手角度不是45°.文獻[15]在對世界優(yōu)秀運動員出手參數(shù)及成績進行分析，認為優(yōu)秀運動員理想的出手角度為37°～ 39°.忽略其它因素，如果出手初速度和出手高度固定不變，最理想出手角度是41°～42°.因專項技術特點和個體解剖結構特點，實際上優(yōu)秀運動員出手角度大多數(shù)低于理論上的出手角度，而采用35°～39°.在此出手角度范圍內，也許更有助于整體肌肉力量的傳遞、轉化，提高出手初速度.

由落點低于拋射點地點的拋射距離公式

(1)

式中：s為距離；V0為鉛球出手速度；α為鉛球出手角度；h為鉛球出手高度；g為重力加速度.實驗相關參數(shù)代入式(1),經(jīng)計算得樣本1，S=18.99m，樣本2,S=19.55m.

在鉛球訓練中，為了減少運動損傷，應用較輕的6 kg鉛球訓練，發(fā)現(xiàn)其技術動作并沒有改變[16]，這對于預防損傷有很好作用.在以前的訓練中，樣本1出現(xiàn)過運動損傷，除了身體機能、肌肉疲勞等其它因素外，通過多次投擲動作技術測試分析，發(fā)現(xiàn)確實存在的動作技術上缺陷.由于以前訓練，動作技術優(yōu)劣判別主要是依靠教練員經(jīng)驗訓練，幾乎未應用運動生物力學手段做相關技術診斷.若一個運動員首先不是以提高技術的途徑來不斷提高專項成績，而試圖通過發(fā)展最大力量，提高成績，那么他將可能出現(xiàn)最佳技術與運動素質嚴重失調，或出現(xiàn)隨時受傷的風險.

根據(jù)式(1)可以計算成績的理論值.假設樣本1在鉛球出手速度、高度不變的情況下，出手角度適當減小(在合理范圍內)，由49.7°降到41°，由計算得出，成績增加近0.6 m.假設樣本1在鉛球出手高度、角度不變的情況下，出手速度若有0.1 m·s-1的提高，成績將會增加近0.9 m.樣本2也具有同樣的情形.鉛球出手速度對鉛球成績的提高，較之在一定范圍內減少出手角度帶來的微小損失，起到主要作用.因此，在訓練中要狠抓技術細節(jié)，在此基礎上加大力量訓練，運動成績將會有進一步的提高.

本研究也存在一定的局限.實驗中測試存在系統(tǒng)誤差,應用軟件處理人體建模進行的人工打點也存在人為誤差,故所解析數(shù)據(jù)存在一定的誤差.我們應用訓練的動作技術解析的數(shù)據(jù)進行研究，而訓練和比賽情況是具有一定差別的.希望教練員、對運動員要注意區(qū)別.特別是運動員應對自己的技術優(yōu)勢或不足真正有所了解,為自己的技術改進有所幫助，也希望本研究能為高校鉛球教學提供動作技術指導.

3結 論

根據(jù)三維立體定機攝影攝像測量方法解析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在各階段樣本1擲鉛球所獲得的速度占出手速度的百分比較低,從整體看樣本2動作速度結構較合理.

根據(jù)實測值計算再次證明，在合理的范圍內，比較而言，鉛球的運動成績構成中，出手初速起主導作用，出手角次之，出手高度作用最小.

建議運動員反復觀看自己訓練錄像，在訓練過程中加強力量訓練和動作技術改進，提高出手速度的同時有意識控制鉛球出手角度.加強技術訓練監(jiān)控力度，以便使自己的盡快建立起新的技術動作，使得運動成績有較大提高.

參 考 文 獻:

[1]李建臣,顏桂平.我國優(yōu)秀男子鉛球運動員“兩差”效應的三維運動學研究[J].北京體育大學學報,2011,34(4):127.

LI Jianchen,YAN Guipin.The Three-dimensional Kinematic Mechanism Research on “Two math” Eflect of China’s Excellent Men’s Shot Put Athletes[J].Journal of Beijing Sport University,2011,34(4):127.(in Chinese)

[2]鄭富強,郭元奇,苑廷剛,等.鞏立嬌背向滑步推鉛球關鍵運動技術參數(shù)分析[J].北京體育大學學報,2013,36(12):121.

ZHENG Fuqiang,GUO Yuanqi,YUAN Tinggang,et al.Analysis of Key Sport Technique Parameters of Backward Glide Shot Put of Gong Lijiao[J].Journal of Beijing Sport University,2013,36(12):121.

(in Chinese)

[3]李建臣,馮國群,陳強.第11屆全運會女子鉛球冠、亞、季軍推鉛球技術三維運動學研究[J].首都體育學院學報,2012,24(5):463.

LI Jianchen,FENG Guoqun,CHEN Qiang.Three-Dimensional Kinematic Mechanism Research on Women’s Shot Put Technique of Medalists in the Jinan National Games[J].Journal of Capital University of Physical Education and Sport,2012,24(5):463.

(in Chinese)

[4]辛鋒,孟明亮.第12屆全運會女子鉛球運動員最后用力技術的運動學研究[J].西安體育學院學報,2015,32(2)：252.

XIN Feng,MENG Mingliang.Kinematics Research on the Last Force of Female’s Shot Put Athletes of Twelfth National Games [J].Journal of Xi’an Physical Education University,2015,32(2):252.

(in Chinese)

[5]劉法貴,聶大勇.鉛球投擲的數(shù)學分析[J].數(shù)學的實踐與認識,2009,39(6)：127.

LIU Fagui,NIE Dayong.Mathematical Analysis of Shot Throwing Shot[J].Mathematics in Practice and Theory,2009,39(6):127.(in Chinese)

[6]尤明慶.關于鉛球最佳出手角的討論[J].力學與實踐,2013,35(1)：67.

YOU Mingqing.The Optimal Angle for the Shot-put[J].Mechanics in Engineering,2013,35(1):67.

(in Chinese)

[7]賀寧,張力.計算機編程求算擲鉛球最佳投擲角[J].軟件研發(fā)與應用,2014,24:43.

HE Ning,ZHANG Li.Computer Programming for Calculating the Best Angles of Throwing Shot[J].Software Development & Application,2014,24:43.

(in Chinese)

[8]劉俊杰,周秀芝,王云創(chuàng),等.鉛球飛行距離分析[J].物理與工程,2014,24(6)：51.

LIU Junjie,ZHOU Xiuzhi,WANG Yunchuang,et al.Analysis of the Flying Distance of Shot Put[J].Physics and Engineering,2014,24(6):51.

(in Chinese)

[9]龔勁濤,葉紹維,馮文林.關于鉛球最佳出手角的數(shù)值分析[J].力學與實踐,2011,33(1):53.

GONG Jintao,YE Shaowei,FENG Wenlin.A Numerical Study of the Optimal Relemerical Angle of Shot-put[J].Mechanics in Engineering,2011,33(1):53.(in Chinese)

[10]張少偉,張浩,劉芳.我國優(yōu)秀男子鉛球運動員投擲技術的運動學分析[J].天津體育學院學報,2013,28(3)：273.

ZHANG Shaowei,ZHANG Hao,LIU Fang.A Research on Kinematics of Throwing Technique of Chinese Elite Male Shot-Putters[J].Journal of Tianjin University of Sport,2013,28(3):273.(in Chinese)

[11]楊文學,李鐵錄,張英波.世界優(yōu)秀男子鉛球運動員投擲技術的生物力學分析[J].沈陽體育學院學報,2012,31(4)：71.

YANG Wenxue,LI Tielu,ZHANG Yingbo.Biological Mechanics Analysis of Shot Put Technology of the World Outstanding Male Shot-putters[J].Journal of Shenyang Sport University,2012,31(4):71.(in Chinese)

[12]李誠志.教練員訓練指南[M].北京：人民體育出版社，1992.

LI Chengzhi.Coaches Guide to Exercise Training[M].Beijing:People’s Sports Press,1992.

(in Chinese)

[13]闞福林,李祖林，魏星.發(fā)展我國高水平女子鉛球運動員專項速度的探討[J].體育科學,1992，12(3):27.

KAN Fulin,LI Zulin,Weixing.The Development of Specific Speed of Chinese Elite Female Shot Putters[J].China Sport Science,1992,12(3):27.

(in Chinese)

[14]陸愛云.運動生物力學[M].北京:人民體育出版社，2009.

LU Aiyun.Sport Biomechanics[M].Beijing：People’s Sports Press,2009.(in Chinese)

[15]李美霞,嚴波濤,吳廷禧.鉛球投擲最佳出手角度的假設檢驗[J].西安體育學院學報,1997,14(3):89.

LI Meixia,YAN Botao,WU Yanxi.Hypothesis Test of the Best Angle of Putting Shot[J].Journal of Xi’an Physical Education University,1997,14(3):89.(in Chinese)

[16]DANIEL D,FRANCOISE N,CECILE H B,NICOLAS H.Does the Use of a Light Shot Put Modify the Throwing Pattern of Elite Athletes?[J].Procedia Engineering,2014,72:92

(責任編輯、校對張立新)

【相關參考文獻鏈接】

劉志偉,雷斌,雷鳴.帶有運動檢測功能的遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng)[J].2006,26(2):131.

陳亞麟,王兵.補血中藥對皮劃艇運動員免疫機能影響的研究[J].2008,28(6):612.

賈培剛,王少梅.一種人體頭部運動姿態(tài)的測量方法[J].2011,31(5):429.

王兵.力竭運動對大鼠心肌AMPK活性的影響[J].2013,33(1):68.

華瑾,高嵩,秦剛,等.兩輪自平衡機器人動力學建模與運動控制[J].2014,34(10):851.

陳亞麟,王兵.補血中藥對皮劃艇運動員免疫機能影響的研究[J].2008,28(6):612.

王兵.不同強度運動訓練對大鼠心肌組織AMPK分泌的影響[J].2012,32(7):595.

文安,王啟榮,方子龍,等.糖-蛋白質飲料對男力量運動員一次抗阻運動后部分血清指標的影響[J].2014,34(11):871.

汪成龍,趙春翔,金京,李國.基于平行機構的簡便機器人運動學逆解算法[J].2005,18(2):181

叢紅艷.動畫片中獸類動物基本運動規(guī)律[J].2005,19(3):53.

王虎,張玉蘭.論肌酸與運動[J].2005,19(3):139.

李志翔,袁致遠,趙凱.田徑運動會信息處理系統(tǒng)的應用與裁判法研究[J].2006,20(4):526.

郝建強.高速凸輪機構從動件運動規(guī)律的改進[J].2006,20(6):809.

趙彩鳳.奧林匹克運動與社會經(jīng)濟的關系[J].2007,21(3):414.

鄭素華,張欣,應柏安.籃球運動服裝舒適性研究[J].2008,22(1):51.

袁致遠,薛海紅,陳小龍.鉻代謝對人體健康及運動的影響[J].2008,22(2):256.

徐軍,陶開山,張莉,肖紅,張峰.基于運動生物力學的女子沙灘排球服壓力舒適性研究(英文) [J].2009,23(2):454.

張學蓮,薛紅.分數(shù)布朗運動環(huán)境下重置期權定價模型[J].2009,23(4):141.

Three-Dimensional Kinematic Analysis of Back Gliding Shot Put

LIU Yonghao

(School of Physical Education,Xi’an Technological University,Xi’an 710032,China)

Abstract:The study was to explore technigal features of elite Male Shot Putters’ actions.The AOS high-speed camera system made in switzer land,were used,with two of the cameras synchronously recording the actions from different angles (the recording frequency is 120 frames/sec and the cut off frequency is 6 Hz).The human body and equipment models at 20 key points were established.Kwon 3D software and EXCEL2003 were used to analyze and process the experimental data.The kinematic parameters at each stage were obtained,such as joint angle,elapsed time,final speed,physical displacement,shot speed,height,angle as well as the human stick graph or screen shot trajectory.Through analyzing the kinematics parameters obtained from two samples,it is concluded that,in the configuration of shot putting performance,the follow-throw velocity is dominant,the throw angle takes second place and the throw height is of the least importance.

Key words:elite athlete;backward glissade;shot;three dimesional motion

DOI:10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.05.009

收稿日期：2016-04-25

基金資助：陜西省教育廳科研項目(15JK1361)

作者簡介：劉永浩(1977-)，男，西安工業(yè)大學講師，主要研究方向為體育教學與運動訓練.E-mail:liu3991@163.com.

文獻標志碼:中圖號：G804.66A

文章編號：1673-9965(2016)05-0394-07