葉 姝，孫 波

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柔道背負投技術轉體動作運動學和力學分析

葉 姝，孫 波

1.四川省體育科學研究所，四川 成都，610000； 2.四川體育職業(yè)學院，四川 成都，610010。

為了解柔道背負投動作中的力學規(guī)律，對背負投動作進行三維高速拍攝和視訊解析，對比A組（訓練年限8年以上）和B組（訓練年限5年以下）的數據，從時間分配、質心的垂直距離、重心的水平速度等方面分析背負投動作的力學特征，從軀干扭轉角度、膝關節(jié)角度、踝關節(jié)軌跡方面分析轉體動作的動量傳遞。得出結論：訓練年限較短組轉體和背摔所用時間較長，質心垂直高度下降幅度較大，而速度不及訓練年限較長組；訓練年限較長組在轉體完成階段，身體相對較正，與守方身體較為貼近，在上步、轉體完成時段位移動幅度較大。

柔道；背負投；轉體動作；力學分析；運動學

柔道是一項奧林匹克競技運動，起源于日本，風靡于全球。5min的比賽時長充斥著高強度的競技對抗，具有較高的觀賞性。柔道競技中的得分點及閃光點在于投技，其中背負投是柔道技術中最基本的一種投技，是柔道中的必殺技。但由于比賽中防守的存在，投技并不常出現。雖然現在新規(guī)廢除了當技，但相較于其他投技，背負投出現的幾率仍然較低?？赡苁怯捎诒池撏兑蠊ァ⑹胤秸蛳鄬Χ?，其中一手抓住對方的直門，初始動作要求面對面投射范圍較大，在瞬息萬變的競技對抗中背負投動作難以成形。

對于背負投動作力學參數方面的技術分析文獻屈指可數，目前已有的文獻中Takanori Ishii[9]認為下肢動作是整個動作體系的根基，下肢動作的節(jié)奏、角度和位移決定了背負投技術動作的技術含量；Murayama, H[8]則是從頭頸環(huán)節(jié)來探析背負投動作技術，他認為高水平運動員下肢蹬踏動作的技術參數區(qū)別不大，而在頭頸質心位移上有較大差距。競技對抗在于攻守雙方，有效的背負投動作應打破對方的平衡以達到完成動作的目的，在這個過程中，只考慮某一人體環(huán)節(jié)所帶來的加速效能以及位移效能不能代表動作技術的好壞。

不論是下肢動作還是頭頸環(huán)節(jié)軌跡，它們都是轉體動作的一部分，轉體動作以軀干為中軸，轉動加速并且與上下肢協(xié)調。本文將從整體出發(fā)對背負投轉體動作技術進行生物力學數據分析，以牽引裝置模擬柔道背負投投技的力學性能分析，為柔道背負投動作的實施提供數據借鑒。

1 前 提

1.1 背負投動作圖解

圖1 背負投動作圖解

a-抓 b-上步 c-轉體 d-守方腳離地 e-攻方體前屈幅度最大時刻 f-守方落地

階段a：初始時刻，兩人面對面，以自然姿勢站立，攻方左手抓住守方右手腕上方衣袖。

階段b：攻方掄起左手，左腕內旋，向自身方向斜上方牽拉守方右臂；右腳上步到對手右腳前方，膝關節(jié)彎曲，重心下移。

階段c：攻方將守方右臂繼續(xù)向自身方向拉扯，并將守方右臂夾在攻方肘關節(jié)處；以右腳為支撐點，膝關節(jié)彎曲，身體逆時針旋轉，從攻守方對向位轉至同向位。

階段d：攻方上半身與守方緊靠，膝關節(jié)彎曲；左臂牽拉守方右臂向自身左腹部，同時膝關節(jié)蹬伸。

階段e：攻方軀干前傾，重心下降達到最低。

階段f：隨著攻方的重心下移，守方從攻方頭部越過觸地。

1.2 轉動理論

背負投動作中最核心的動作應該是攻方軀干的扭轉，牽動守方一側肢體帶來守方平衡的破壞，也可以認為一個背負投動作的技術效果很大一部分取決于上步后的軀體轉動。

剛體定點轉動動量矩

從公式來看，動量矩的幾個關鍵因素有轉動角速度、轉軸與質心距離和剛體質量。人體是不規(guī)則剛體，各個環(huán)節(jié)質量形狀不一，轉動慣量有差異。從動作來看，剛體轉動可分為上半部與下半部，下半部以上步腳為轉動軸，為定點轉動，上半部分以與守方相接觸的手部為轉動軸，為非定點轉動。

攻守方作用力的點在上半部分單側肢體，從理論上來講，力的方向如果能與力臂平行，動量在傳遞的過程中是持續(xù)的，可以達到動量矩守恒，但是在實戰(zhàn)過程中，守方是活體，對抗與摩擦必然帶來動量矩的損失。假設守方軀體直立，無前傾角度，在提拉過程中手臂向上45°牽拉可以獲得更好的Fmax, t（Fmax）and dFmax；軀干旋轉的停頓或者腳的剝離導致較差的動量矩可持續(xù)性。

圖2 攻方作用力示意圖

肢體環(huán)節(jié)的長度決定了角速度與線速度的轉換，肢體角度決定了從一個環(huán)節(jié)到另一個環(huán)節(jié)的角動量傳遞，轉體后攻守方的重心垂直高度體現了守方重心失衡的程度。所以，我們嘗試從階段的時間分配、質心的垂直距離、重心的水平速度、質心的三維軌跡來分析背負投動作的力學特征，從軀干扭轉角度、膝關節(jié)角度、踝關節(jié)角度、左右肩軸來分析轉體動作的動量傳遞。

2 方 法

受試者：男性受試者一共12名，A組的6名受試者訓練年限8年以上，均獲得過全國比賽前3名，B組的6名受試者訓練年限5年以下，均未獲得過全國比賽名次。

實驗方法：每個受試者完成背負投動作4次，3次為有守方背負投動作，守方均不采用守勢；1次為柔道訓練器背負投動作。有守方背負投動作用高速攝像拍攝三維畫面，取完成度最好的一次作為解析對象。柔道訓練器背負投動作用力學傳感系統(tǒng)獲取力學數據。傳感裝置是用S型拉力傳感器和柔道訓練用皮筋組裝而成，拉力傳感器綜合精度0.02，靈敏度2.0mV/V，外接數顯儀表。

數據處理：動作視頻使用視訊解析系統(tǒng)解析數據，使用origin繪制三維和二維數據圖，用spss處理表格數據。

視頻數據階段劃分：觸碰對方衣服-上步完成 ~p1

上步完成-轉體完成~p2

轉體完成-守方腳離地~p3

守方腳離地-守方觸地~p4

表1 運動員基本情況

3 結 果

3.1 基本參數

3.1.1 時間參數

表2 背負投動作AB組各階段所用時間（s）

圖3 背負投動作AB組各階段所用時間長度

目前關于柔道技術的生物力學類文獻很少，從已有的文獻看來，大外刈總時間0.84s[1]，內股總時間1.02s[2]；本文所測得的背負投總時間，A組1.49s、B組1.66s?？赡艿脑颍海?）背負投屬于將守方身體姿勢完全翻轉的絕殺技，整個動作幅度較大，所需力道較大，因而加速時間較長；（2）本文是從起勢，即攻方觸碰守方衣物進行計算，而其他文獻部分是從上步開始計算。

從各個階段所用時長進行分析，可以看到AB組明顯的對比，A組相對來說起勢時間稍長，而轉體及背摔時間較短，相對于B組其發(fā)力較快，整個背摔動作完成的更為迅捷，這可能是動作技術熟練程度以及身體素質造成的區(qū)別。

從視頻分析來看，基本所有在p3階段用時較少的運動員，在p4階段用時亦較少。從轉體完成到守方腳離地是守方平衡破壞的過程，攻方牽拉守方右臂的角度在斜向下45°左右能取得較快的效果，同時攻方軀干與守方相貼，重心下降越快，整個P3階段用時越小，從守方腳離地到守方腳觸地這個背摔過程完成也越快。

3.1.2 質心垂直距離

表3 背負投動作AB組各階段最后時刻質心垂直距離（m）

從AB組的圖表曲線來看，A組曲線下降較陡，B組曲線較平緩，P1P2階段AB組均用時0.79s；在這個時間節(jié)點時刻AB組質心垂直高度差別不大；P3P4階段出現了區(qū)別，相對來說B組在這個階段用時較長，質心垂直高度下降幅度較大，因此，從圖線來看曲線較為平緩。

在背負投動作的最后階段，攻方上肢提拉，下肢蹬伸，重心快速下降，使得守方平衡隨著攻方重心而失衡。從圖表看來，這種迫使守方失衡的動作，B組更傾向于重心降低的幅度，而A組更依賴于重心下降的速度。

實際當物體的質心處于物體之外，且非對稱性結構時，外力從質心向物體另一側方向牽拉，其平衡較容易被破壞。這種平衡的破壞表現為重心迅速遠離軀體，迫使軀體跟隨質心下降，這也就是重心下降的速度。而當物體的質心沒有完全脫離于物體之外時，此時外力從質心向物體另一側方向牽拉，物體的平衡不會完全被破壞，只有迫使物體形狀改變，只有當質心處于物體之外時，其平衡才會被破壞。重心降低幅度中的一部分是用來改變質心的位置，這個過程受到的對抗牽拉較大，所以相應所用的時間較長[3]。

背負投動作中，從上步到轉體過程中的動作決定了背負投發(fā)力的初始位置：（1）攻方左腕的提拉；（2）上步的位置；（3）轉體后攻方軀干與守方軀干的位置。如果攻方左腕向自身左腹部方向斜向下45°提拉程度越高，守方右臂越貼合攻方腹壁面，上步后的位置攻方整體較靠右，攻方用腰臀部頂住守方軀干，守方身體姿勢較偏向側向，守方的質心愈加遠離守方軀干中心，守方平衡較易被破壞，攻方重心下降時抗力減少，速度下降幅度增快，整個背負投動作會更具有觀賞性和得分值。反之，從視頻中所得，當攻方在上步到轉體過程中，左腕提高高度過高，大于45°，或未貼近腹壁面，在攻方轉體后守方身體姿勢與初始狀態(tài)相差不大，重心較為穩(wěn)定，此時攻方想完成背負投動作較為費力，費時較長，較長的時間用在了以下降自身重心牽拉守方重心下降的過程中。

3.1.3 重心水平速度

表4 背負投動作AB組各階段最后時刻重心水平速度 （m/s）

組別P1P2P3P4 A組1.13±0.01-1.47±0.02-1.79±0.03-1.46±0.02 B組1.30±0.03-1.77±0.01-1.66±0.02-1.33±0.01

重心速度從P2開始為負數，是身體轉向的緣故；從數值來看A組最大速度出現在P3守方腳離地時刻，此時是投技最后階段發(fā)力時，轉體加蹬伸的爆發(fā)時刻，而B組的最大速度出現在P2轉體階段，而蹬伸階段速度減慢。背負投這一動作核心，其爆發(fā)階段一定是轉體+蹬伸階段，轉體+蹬伸這種加速動作，在多個項目上均存在，如摔跤的投技，鏈球的拋球，是爆發(fā)力的體現。其中轉體是為加速獲得較大的轉動動量，蹬伸是通過環(huán)節(jié)制動將動量在肢體進行傳遞，最大速度出現轉體時刻而蹬伸時刻速度減慢，說明制動過程不連貫，動量出現了損耗，沒有進行最大傳遞。

如果從整體來看，重心合速度矢量更能表達攻守方的趨勢和質心速度。由于背負投動作攻守方接觸位置為上肢，水平速度易于展現剛體形狀的變化和轉動。David H[4]認為從重心水平速度與水平位轉動動量呈正向關系，水平轉動動量代表了攻方牽動守方軀體向前，平衡破壞的趨勢，它與角度為共軛物理量，可協(xié)同探析剛體質心兩側對稱性和動量的守恒與耗損。

A組的P3階段出現了最大水平速度，此時刻對應的軀體扭轉角度約為166°，身體并未完全轉至180°，但攻守方的交叉角度與初始相比發(fā)生了較大變化，攻方左手的牽拉動作使得攻守方身體貼近，守方與攻方右側肢體貼近的幅度越大，攻方受到的抗阻力就越小，相應的攻方轉體幅度越大，重心水平速度增加。B組最大速度出現在轉體時刻，其數值與A組蹬伸階段速度相差不大，在其后的時段逐漸減速，從圖像分析在轉體后攻守方身體貼合程度不如A組，守方右臂與攻方左腹部夾角較大，守方傾斜度較小，在隨后的背摔過程中阻力較大，重心水平速度喪失。

3.1.4 質心軌跡

圖5 A組質心3D軌跡

圖6 B組質心3D軌跡

三維立體圖展示了各個時間段整個身體的位置，能更好的展示質心軌跡，這有助于對主體的動作結構有直觀的印象。兩個軌跡圖中所顯示的各個點表示的為時間，實際每兩點之間的持續(xù)時間是相同的。從軌跡圖整體來看，弧線較為相似，但是AB組的時間分配，與單位時間內產生的位移有一定的差別。制動時期均在轉體之后，但前期b組所用時間相對較短，有些時段位移較長，有些時段位移較短；而a組各點之間分布較為均勻。A組整個軌跡較為連貫，而B組出現明顯較為頻繁的變速。而不連貫的變速不利于動量矩的傳遞。

從攻方來看，下半部的轉體蹬踏，可以考慮為剛體定軸轉動，產生的轉動動量由軀干轉移到上肢，這屬于質點系對某一固定點的動量矩。攻方上肢發(fā)力，牽動守方質心產生位移，這是某一固定點對質點的動量矩，如果攻方力量和角度較好，使得守方產生了轉動，那么就是質點系對軸的動量矩。

Imamura, Rodney T[5]的實驗中，守方為柔道訓練布偶，不存在守方抵抗力的情況，除掉了動量的損耗，將軀體選擇產生的動量矩可直接換算為出手角動量。

這種方式可以作為數據的參考，但在實戰(zhàn)中，由于守方的區(qū)別，戰(zhàn)況的變化，不可能達到完全的動量傳遞，存在的變量較多，這也是競技運動的精彩之處。

本實驗計算了背摔過程中守方以攻方質心為軸的角動量，通過AB組的對比我們認為數據的差異（見表7）并沒有實際結果的差異大，這可以由指標的單位量級來解釋，由于肢解環(huán)節(jié)的轉動本身半徑較小，在以m為單位的基礎上本身就會造成基礎數值過小的結果。

3.2 轉體動作

3.2.1 軀干扭轉角度

表5 背負投動作軀干扭轉角度

軀干扭轉角度我們定義初始動作左右髖連線為水平位，扭轉角度為左右髖連線與初始水平的夾角。

由圖表可知，A組P1-P2時段相比B組轉體幅度角度大，加速較快，B組P3-P4時段相比A組轉體幅度較大，加速較快。P1P2是轉體時段，P3P4是蹬伸、背摔階段；A組在轉體完成階段，身體相對較正，軀干扭轉角度為152°，與守方的重疊面積較大，有利于著力；B組在P2轉體完成階段，身體翻轉至130°，而從130-161度是在蹬伸階段完成的。

以圖像結合角度進行分析，A組與守方的重疊面積大實際是由于此時守方已經開始呈前傾狀態(tài)，兩者有較大貼合。而B組轉體完成后，手上動作沒有跟上，此時守方與攻方的軀體距離較A組更大。背負投是手腳的配合，對象物體無論從體積、質量都與自身相仿，從轉體動作帶來的效能看來，如果守方質心要繞著解剖軸轉動，在無動量耗損情況下[6]：

攻方與守方由于柔道規(guī)則重量級相似，r和ω體現在攻方的跨步和轉體的速度上，攻方跨步越大，轉體速度越快，相應的軀體轉動幅度越大。

3.2.2 右膝關節(jié)角度

表6 背負投動作右膝關節(jié)角度

從圖表看來，AB組整體變化趨勢一致，A組在蹬伸階段膝關節(jié)伸展幅度更大；在動作初期，上步時刻B組膝關節(jié)彎曲幅度較大，從重心垂直高度來看，兩者的數值相似，而A組在上步階段軀干更為前傾貼向守方。

膝關節(jié)角度水平順時針旋轉，在整個投擲過程中左膝關節(jié)水平位置較低。在0.14s的反應時間后，兩膝彎曲，質心垂直高度向下降直至達到最大動量。在投技動作中，質心由于膝蓋伸展（大部分是右膝）再次升高，由此來舉高守方的身體使其離墊。在最后摔的階段，膝蓋彎曲來幫助守方落地，在逆轉點后質心再次向守方移動，這顯示了動作的非連續(xù)性。

蹬踏動作中，膝關節(jié)貢獻較大，主要依靠膝關節(jié)的屈伸，地面對軀體的反作用力，來使軀干扭轉發(fā)力。Koshida S[7]認為，膝關節(jié)是蹬伸動作的核心，尤其是柔道動作通過蹬伸獲得繞解剖軸轉動的速度，膝關節(jié)動作應與踝關節(jié)和軀體扭轉相配合，實現各環(huán)節(jié)轉動之間的連續(xù)性。同時Murayama, H[8]還認為過度的跨步、踝關節(jié)角度過大、重心過于下降均不利于環(huán)節(jié)轉動的連續(xù)性。

在轉體完成至守方腳離地的階段中，A組膝關節(jié)角度較大，膝關節(jié)處于蹬伸后的伸展位，B組膝關節(jié)角度較小，重心相對較低，其中一個原因是由于過度的跨步。在上步階段跨步幅度較大，轉體的周長會相應增加，所以在轉體階段能夠獲得較高的線速度，這也與我們所測的重心水平速度相符。但是另一方面過度的跨步導致重心過低，轉體完成后所需蹬伸時間較長，而與上肢的牽拉動作協(xié)調性降低,這也是B組在p3p4階段降速的原因。

3.2.3 踝關節(jié)軌跡圖

圖9 A組左右踝軌跡

圖10 B組左右踝軌跡

這是以xy軸為二維的平面圖，可以從圖中看到左右腳的軌跡，圖上的小點是階段時刻點，單邊有5個點，左腳的起始時刻為最上方的點，右腳的起始時刻為最下方的點。

在初始姿勢中，運動員右腳前左腳后。左踝關節(jié)向后退，左踝關節(jié)在一個半圓內畫弧，整個過程AB組軌跡相似，區(qū)別在于A組左腳轉動范圍較小，且上步完成時刻踝關節(jié)轉動幅度較小，在轉體完成時刻，A組右踝位移較大，而B組右踝位移幅度從轉體完成到守方離地時刻，幅度較大。

我們可以認為，A組在上步-轉體完成時段，較大的位移是為了破壞守方的動作平衡，轉體完成時刻平衡破壞，有利于接下來的背負動作；而B組轉體完成到守方離地時刻幅度較大，應該是受到了較大的對抗作用。

將左右踝關節(jié)軌跡與軀干扭轉角度進行結合分析，A組在轉體完成時刻軀干扭轉角度較B組幅度大，將此時刻AB組左右踝關節(jié)點相連，A組踝關節(jié)距離較B組小，這個距離來自于轉體時的跨步，這個動作如圓規(guī)一般，以右腳為支撐點，左腳圍繞轉動。跨步幅度越大，兩腳間距越大，而半徑越大，角速度越低，所以B組軀干扭轉幅度較小，使背摔的初始姿勢優(yōu)勢較小。

3.2.4 轉體牽拉力學數據 力量數據是來源于攻方通過訓練用皮筋牽拉拉力傳感器獲得的數據，記錄的是轉體完成時刻的拉力數據。功率和角動量是在有守方的情況下獲得的數據，功率是以守方為單個剛體，以重心平均速度計算的，可以認為是守方背負投動作發(fā)力后帶動物體轉動的功率結果。角動量是以攻守方質心距離為旋轉半徑，以公式kg./t進行計算，t1為轉體完成時刻，t2為守方腳觸地時刻。

表7 背負投動作攻方轉體完成后力學參數

從數據來看，三項數據A組結果較好，其中差距較大的是力量，差距較小的是角動量。

力量測試的儀器是s型拉力傳感器，s型拉壓力傳感器以彈性元件作為感應介質，感應的一般是直線應力，所以測量數據代表的是攻守方接觸點的合力，從前面的分析中可以看出A組所受抗力小于B組，所以，在合力參數上有較大的區(qū)別。角動量我們計算的原理是攻方對守方作用了定量功率，所以守方圍繞攻方進行了轉動，我們計算了單位時刻攻守方的質心距離和守方角速度，獲得了從轉體完成到守方腳觸地這個時段的平均角動量。從參數單位看角動量與功率相比只多了一個轉軸半徑，AB組攻守方質心間距雖有差異，但數值均小于1，這也可能是角動量參數差距最小的原因。而功率指標是這三個參數中最能體現背負投動作完成的質量效果，它直接表達了動量傳遞完成之后守方剛體的動能結果。

本實驗的力學參數尚有一些不足之處，拉力傳感裝置采用的是小型簡易裝置直接與柔道皮筋組裝而成，只有一個數顯窗口，不能連續(xù)記錄單位時刻的感應力，反應間隔較大，所以我們只能采用轉體時刻的數據，而最大力一般出現在攻方蹬踏之后。其次，這種測試是沒有守方的，雖然守方存在的實驗為了數據條件的一致性守方均不采用守勢，但是這種無抗阻力的程度還是有較大區(qū)別。角動量的計算有利于分析動量的傳遞，尤其是各環(huán)節(jié)角動量能夠有具體數值的情況，本文由于重點在背負投動作的分析只計算了守方整體的角動量，此數據可以作為背負投動作完成的成績參考，但單個數據不能展示動量在各環(huán)節(jié)傳遞的過程。

4 結 論

訓練年限較短組轉體和背摔所用時間較長，同時質心垂直高度下降幅度較大，而速度不及訓練年限較長組，這并不是一個較好的動作特征，而是用來改變守方質心位置的結果。相應的出現了制動過程不連貫，動量出現了損耗，沒有進行最大傳遞的問題。

訓練年限較長組在轉體完成階段，身體相對較正，與守方身體較為貼近，有利于著力，在上步-轉體完成時段位移幅度較大，易于破壞守方的平衡。

Origin軟件是三維數據制圖軟件，可以較為直觀的展示人體的運動軌跡，并且從整體到各個關節(jié)都可以進行運動，與傳統(tǒng)的數據制圖相比更為形象。

轉體動作多涉及到動量傳遞、動量矩大小等問題，可以應用剛體定軸轉動，質點系動量矩、質點動量矩、質點系對軸的動量矩等理論進行力學分析。如有進一步研究，應考慮守方的動量傳遞效果數據，探析攻守方不同情況下的動量傳遞。

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The Kinematics and Mechanics Analysis of Body Twist in Seoi-Nage

YE Shu, SUN Bo

1.Sichuan Sport Science Research Institution , Chengdu Sichuan, 610000, China; 2.Sichuan Institute of Sports Technology, Chengdu Sichuan, 610010, China.

We use 3d high-speed camera and motion analysis to compare seoi-nage movement between group A and group B. considering time、vertical distance of COM、horizontal velocity of COM、3D trajectory of COM as mechanical characteristics of seoi-nage，trunk torsion angle、right knee joint angle、trajectory of ankle as the index of momentum transfer in body twist. Results: group B take longer time in body twist and the fall, vertical distance of COM decreased largely than group A, although it has lower horizontal velocity; group A’s body position is nearly 180 degree, and more closer with uke, the whole movement is larger than group B. rigid body turning fixing axes、particlesystemmoment of are used to explain mechanical principle of seoi-nage.

Judo; Seoi-Nage; Body twist; Biomechanical Analysis; Kinematics

1007―6891（2019）02―0056―06

10.13932/j.cnki.sctykx.2019.02.14

G804.66

A

2019-02-27