薛瑞婷，賈誼，魏亮

●運動人體科學●

人體運動協(xié)調(diào)形成過程中相關(guān)生物力學參數(shù)變化特征研究

薛瑞婷，賈誼，魏亮

通過SIMI錄像解析系統(tǒng)對受試者原地擲標槍動作進行生物力學分析，了解人體在擲標槍過程中，上下肢的運動學和動力學相關(guān)參數(shù)特征，并以此為例，分析人體在完成模式化動作過程中，肢體各環(huán)節(jié)之間以及身體整體協(xié)調(diào)性的變化特征。研究發(fā)現(xiàn)，合理有效的運動訓練可以改變某些肢體的運動協(xié)調(diào)性，通過擲標槍訓練，可以提高下肢向上肢傳遞能量的有效性。

運動協(xié)調(diào)；運動學；擲標槍；動力學

肢體的運動協(xié)調(diào)能力是人類機體活動的重要屬性，是運動能力好壞的重要表現(xiàn)，是動作技術(shù)是否合理的重要標準。因此，運動協(xié)調(diào)能力既是動作技能的重要構(gòu)成要素，又是人類必需的運動素質(zhì)。其內(nèi)在機制與動作目的、環(huán)境條件等外在因素密切相關(guān)，受個體的身體機能、運動經(jīng)歷、認知水平等多重因素影響和制約［1］。本文研究是建立在前人研究的基礎上，并實際考慮其在理論與實踐中的重要意義和作用，本文研究的主要目的是通過實驗，采用跟蹤訓練的方法對原地擲標槍動作學習過程進行分析研究，根據(jù)測試結(jié)果分別從運動學和動力學兩個方面來闡述運動協(xié)調(diào)過程中產(chǎn)生的的規(guī)律，揭示其在動作學習和技術(shù)掌握過程中的特征。

1 研究對象及方法

1.1 研究對象

本研究的受試對象為高校普通大學生10人以及高校田徑隊標槍運動員3人。要求10名受試者在參加本實驗研究前均沒有接觸過標槍訓練。受試人員基本信息如表1所示：

表1 受試隊員情況

1.2 研究方法

1.2.1 現(xiàn)場拍攝

使用PulinxTM-6710CL高速攝像機兩臺，拍攝頻率為60幀/s。愛捷三維標定框架一套，標定范圍為3m3。拍攝方法：采用兩臺高速攝像機同時進行拍攝，攝像機機高1.5m，鏡頭距離被測試者約13.5m，攝像機主光軸之間的交角約為90°（圖1所示），使用同步器將攝像機與測力臺進行同步，以保證得到的運動學與動力學參數(shù)的一致性。

圖1 測試現(xiàn)場平面示意圖

數(shù)據(jù)處理：采用德國產(chǎn)SIMI三維動作分析系統(tǒng)對拍攝得到的擲標槍視頻進行人工解析處理，并對原始數(shù)據(jù)進行平滑，截止頻率為8Hz。采用21點的Dempster人體慣性參數(shù)模型計算人體重心點等慣性參數(shù)。采用DLT法（直接線性變換算法）對兩臺攝像機所得到的二維坐標進行三維合成計算，經(jīng)過平滑處理后計算相關(guān)的運動學、動力學參數(shù)，最后統(tǒng)計得出本文所需參數(shù)的各類數(shù)據(jù)。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

對原始數(shù)據(jù)進行平滑處理，對平滑后的數(shù)據(jù)均在SPSS17.0軟件上完成統(tǒng)計處理和計算，用于后續(xù)的分析討論。

1.2.4 標槍訓練過程介紹

整個教學過程按照高校體育學院田徑教研室所制定的訓練計劃進行。從預試驗到正式實驗，整個訓練過程持續(xù)時間為兩個月。訓練過程中，為控制數(shù)據(jù)采集的有效性，每位受試者的教學和練習條件都相同，包括訓練時間、訓練強度和訓練內(nèi)容等。且受試者在進行標槍訓練的同時，不進行任何其他項目的訓練。

2 運動學參數(shù)分析

2.1 學員與運動員關(guān)鍵時相角度參數(shù)特征及比較分析

原地投擲標槍是通過下肢的蹬轉(zhuǎn)、軀干和上肢形成“反弓”以及最后“鞭打”動作將器械投擲出。其中，下肢的蹬轉(zhuǎn)是投擲標槍力量的主要來源之一，在動作進行過程中，各關(guān)節(jié)角度是反映各關(guān)節(jié)用力情況的參考指標。圖2是上述指標的研究結(jié)果。

圖2 開始時刻角度參數(shù)情況

以上數(shù)據(jù)表明，右膝關(guān)節(jié)角度以及右肘關(guān)節(jié)角度在3次試驗過程中的變化趨勢趨向于優(yōu)秀運動員，表明上述肢體的用力協(xié)調(diào)性在訓練過程中得到了提高。而左膝關(guān)節(jié)角度和髖關(guān)節(jié)角度沒有出現(xiàn)趨向于優(yōu)秀運動員的特點，表明訓練效果不明顯。

轉(zhuǎn)換階段是將下肢的能量傳遞到軀干并進一步完成“鞭打”動作，轉(zhuǎn)換的效果是衡量技術(shù)的主要指標，肢體關(guān)節(jié)角度是轉(zhuǎn)換效果的具體指標，本研究結(jié)果如下圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)換階段角度參數(shù)情況

上述結(jié)果表明，除右肘關(guān)節(jié)角度在3次實驗過程中趨近于優(yōu)秀運動員外，其余3個關(guān)節(jié)角度指標均沒有表現(xiàn)出趨近于優(yōu)秀運動員的趨勢，說明在轉(zhuǎn)換階段受試者的動作協(xié)調(diào)性并沒有明顯改善，訓練效果不明顯。

圖4 出手時刻角度參數(shù)情況

圖4表明，除右膝關(guān)節(jié)角度外，其余關(guān)節(jié)角度參數(shù)在3次試驗過程中有趨向于優(yōu)秀運動員的趨勢，表明通過教學訓練和動作學習過程，受試者在投擲標槍出手時刻的動作協(xié)調(diào)性得到改善，訓練效果較好。

通過對人體3個時刻（開始時刻、轉(zhuǎn)換時刻和出手時刻）的關(guān)節(jié)角度變化可以看出，右膝關(guān)節(jié)和右肘關(guān)節(jié)開始時刻，左膝關(guān)節(jié)和右肘關(guān)節(jié)在轉(zhuǎn)換時刻，左膝關(guān)節(jié)和右髖關(guān)節(jié)在出手時刻趨向于優(yōu)秀運動員，其他關(guān)節(jié)在不同階段與優(yōu)秀運動員規(guī)律性不明顯，右下肢和上肢關(guān)節(jié)參數(shù)容易趨向于二級運動員關(guān)節(jié)參數(shù)，左膝關(guān)節(jié)和右髖關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)配合與優(yōu)秀運動員相比效果較差。

2.2 學員與運動員動作過程中關(guān)節(jié)點速度特征及比較分析

標槍是以距離計算成績的項目，投擲的距離主要取決于標槍的出手速度［2］。標槍出手速度的變化情況是反映原地投擲標槍動作協(xié)調(diào)能力的具體體現(xiàn)。圖5是投擲過程中標槍速度變化情況。

圖5 標槍速度變化情況圖

從上圖可以看出，受試者3次的投擲速度呈逐漸上升的趨勢，表明隨著訓練時間和次數(shù)的增加，受試者肌肉協(xié)調(diào)能力得到一定程度的提高。在準備時刻第1次的速度最大，表明受試者在開始做動作之前急于將標槍投擲出，而通過訓練后此階段的標槍速度呈下降趨勢。開始時刻和轉(zhuǎn)換時刻，標槍速度前后3次測試沒有表現(xiàn)出明顯趨勢。

圖6和圖7是受試者以及優(yōu)秀運動員動作過程中各關(guān)節(jié)點速度變化情況。

圖6 初學者第一和第二次測試中動作過程中關(guān)節(jié)點速度變化圖

圖7 初學者第3次測試和優(yōu)秀運動員動作過程中關(guān)節(jié)點速度變化圖

從以上結(jié)果可以看出，通過教學訓練，受試者各關(guān)節(jié)速度特征逐漸趨向于優(yōu)秀運動員，速度曲線由開始起伏明顯逐漸趨向于平滑，說明在動作過程中，肌肉的用力穩(wěn)定性逐漸增加，協(xié)調(diào)性得到改善。

2.3 動力學參數(shù)分析

2.3.1 下肢垂直方向（Z方向）用力情況分析

地面的反作用力是原地投擲標槍的主要動力來源［3-4］，本研究設計讓受試者的雙腳分別位于兩個相鄰并聯(lián)的三維測力臺上，建立測力系統(tǒng)［5-7］。在此我們忽略肌肉之間的作用力，以整個人體為研究對象，通過測力臺的測量值來體現(xiàn)人體對外界的用力情況，目的在于獲得原地投擲標槍過程中的發(fā)力腿和支撐腿的力量變化情況。

發(fā)力順序是動作協(xié)調(diào)的主要指標之一［8］，與地面垂直的受力用Fz表示。研究結(jié)果表明，受試者通過教學和訓練在一定程度上有明顯變化，具體情況如下圖8所示：

圖8 左右腳垂直用力情況示意圖

從上述結(jié)果可以看出，受試者左右腳用力順序趨向于優(yōu)秀運動員，左右腳受力曲線的交叉點是原地投擲標槍的轉(zhuǎn)換點，此時刻表明左右測力臺的受相等作用力。從優(yōu)秀運動員的情況來看，此時刻出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換階段結(jié)束時刻和出手時刻之間。

從初學者第1次的受力情況分析，受力相等時刻明顯偏早，或者說出手時刻偏晚，沒有將下肢的蹬轉(zhuǎn)力量及時傳遞到上肢，出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，影響了投擲效果，是肌肉用力不協(xié)調(diào)的體現(xiàn)。從第2次測試的情況來看，上述現(xiàn)象仍然存在，但較第一次有明顯改善。而第3次的測試結(jié)果表明，受試者下肢用力情況與優(yōu)秀運動員趨于一致，說明隨著教學和訓練時間及次數(shù)增加，受試者用力協(xié)調(diào)性得到了明顯改善。

2.3.2 下肢水平方向（X、Y方向）用力情況分析

標槍的動力主要來源于右下肢蹬伸動作，右下肢在不同方向的受力情況會直接影響運動員的運動成績。人體運動過程是建立在一定的平衡基礎上，在前后、左右方向的受力情況表明運動員的平衡協(xié)調(diào)能力，測試結(jié)果如圖9所示：

圖9 右下肢水平面X、Y方向受力情況圖

Fx是與投擲方向垂直方向的受力情況。上圖表明，在3次實驗中，受試者在Fx方向的分力隨訓練次數(shù)的增加而下降，逐漸趨向于優(yōu)秀運動員，表明其X方向的平衡穩(wěn)定性得到提高。Fy是與投擲方向一致的受力情況。從圖9可以看出，隨著訓練次數(shù)的增加，F(xiàn)y方向的分力逐漸穩(wěn)定，有開始的雙峰曲線逐漸過渡為單峰曲線，用力情況趨向于優(yōu)秀運動員。

圖10 左下肢水平面X、Y方向受力情況圖

標槍的動力主要來源于右下肢蹬伸動作，蹬伸的能量要更好的轉(zhuǎn)換到標槍上，與左側(cè)的支撐是密不可分的，左側(cè)受力情況也會直接影響到最終的成績。建立好的左側(cè)支撐是取得好成績的又一主要因素。左支撐在前后、左右方向的受力情況表明運動員的維持身體平衡協(xié)調(diào)能力，測試結(jié)果如下。由圖10可知，受試者通過教學和訓練，左下肢X、Y方向用力情況變化無明顯規(guī)律，不明顯。

3 結(jié)論

1）從對各關(guān)節(jié)角度參數(shù)變化情況的分析結(jié)果來看，通過擲標槍訓練，可以提高受試者右側(cè)肢體動作的協(xié)調(diào)性，而對左側(cè)肢體動作協(xié)調(diào)性的改善無明顯作用。2）通過對各關(guān)節(jié)點運動速度的變化情況來看，通過訓練，各關(guān)節(jié)點運動速度起伏波動情況逐漸減少，關(guān)節(jié)點速度曲線逐漸平滑，表明各關(guān)節(jié)肌肉用力情況有逐漸平穩(wěn)的趨勢，肌肉協(xié)調(diào)性得到改善。3）從測力情況分析，受試者上下肢協(xié)調(diào)配合更為合理，隨訓練次數(shù)的增加，下肢能量向上肢傳遞的效率逐漸提高。右側(cè)下肢水平X、Y方向分力逐漸趨向于優(yōu)秀運動員。而左側(cè)下肢無明顯趨勢。

［1］田麥久.運動訓練學［M］.北京:人民體育出版社，1990.

［2］李建英，謝威，劉生杰.中外優(yōu)秀標槍運動員投擲步技術(shù)的運動學比較［J］．成都體育學院學報，2007（6）.

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［4］高衛(wèi)哲，金萍.我國優(yōu)秀標槍運動員擲標槍最后用力技術(shù)運動學分析［J］.廣州體育學院學報，2002（2）.

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［8］許崇高，嚴波濤.動作協(xié)調(diào)能力屬性及其相關(guān)定義的理論思考［J］.西安體育學院學報，1999（3）.

Study on Biomechanical Parameters Characteristics During the Formation of Human Body Movement Coordination

XUE Ruiting，JIA Yi，WEI Liang

This study through the SIMI video analysis system for biomechanical analysis of subjects in javelin movement to understand the parameters of kinematics and dynamics of upper and lower limbs of human body in throwing process.This paper aims to explore the characteristics of human body movement coordination during the formation of the human body coordination.The result showed that effective exercise training can change the coordination of some limbs，for the javelin training，this exercise can improve the effectiveness of the energy transmission efficiency from the lower limb to the upper limb.

movement coordination；kinematic；javelin throw；dynamics

G804.6

A

1003-983X（2017）03-0221-05

2016-12-19

薛瑞婷（1992-），女，山西運城人，碩士，研究方向：體育教育訓練學.

中北大學體育學院，山西太原030051

Physical Education Department，North University of China，Taiyuan Shanxi，030051