韓帥　唐琨　張佳欣　宋赫奕　張連濤

摘 要：針對我國冰球運動員專項力量能力不強、冰球項目研究不足的問題，研發(fā)“可穿戴式冰上負載抗阻訓練器”，旨在科學輔助冰球運動訓練，提高冰球運動員的專項體能及技戰(zhàn)術能力。運用實驗設計、文獻資料、邏輯分析等研究方法，從摩擦面材料選用、荷載配置、運動員能力匹配等幾個方面設計訓練器的外抗阻負載與滑行模塊的基本結構與材料選擇。

關鍵詞：冰球;冰上負載;抗阻訓練器;外部抗阻;滑行模塊

中圖分類號：G862.2 ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：1002-3488（2022）01-0023-05

1 引言

冰球運動是一項技術動作多樣、戰(zhàn)術復雜多變、比賽速度快、對抗激烈、身體接觸頻繁、比賽負荷強度大，以及短時間大強度負荷同靜止恢復相交替的運動。這些特點決定了冰球運動員只有具備良好的體能，才能有利于掌握和發(fā)揮復雜先進的技戰(zhàn)術，承受更大負荷的訓練和高強度的比賽[1]。國外相關研究[2-5]注重運動員腿部肌肉、關節(jié)等的科學發(fā)力對于蹬冰效果的影響，并設計專門化的冰球復雜測驗來評估運動員體能恢復等，認為這些將對冰球運動員技戰(zhàn)術能力的發(fā)揮甚至比賽的勝負起到關鍵的作用。

對比國外冰球發(fā)達國家，我國冰球運動起步時間較晚[6]，整體技戰(zhàn)術實力較弱，與世界冰球水平存在一定的差距[7]。雖然近些年來我國冰球隊取得了一定的進步，但對體能訓練的認識不足仍是制約發(fā)展的主要問題之一[8-11]。目前國內的相關研究大多停留在對冰球體能訓練方式和手段的定性歸納上，定量方面則多以訓練時長和頻率等統計論述為主[12-15]，缺乏足夠深入細致的運動數據研究。由此可見，我國同國外冰球發(fā)達國家不僅在冰球競技實力上存在差距，在對冰球運動的認知和科研方面也有很長的追趕之路要走。

面對我國冰球運動員專項力量能力不足的問題，除了要在訓練方法上借鑒國外冰球發(fā)達國家的先進經驗外，還應加強基礎數據采集、指標綜合分析、訓練器材研發(fā)等方面的力度，輔助強化冰球運動員的專項力量訓練，從細實之處著手，提高我國冰球運動員的競技水平。對此，本文旨在研發(fā)冰上“穿戴式負載”疊加“外抗阻負載”的專項力量訓練工具，即“可穿戴式冰上抗阻訓練器”。意在通過借助該訓練器的阻抗作用，第一提高冰球運動員的專項滑行耐力素質和關節(jié)支撐力量素質;第二加強冰球運動員的核心力量，提高滑行過程中身體的穩(wěn)定性和控制能力;第三強化冰球運動員的肩臂部力量，提高控球、搶球、射球等技術的動作效能。在總體上促進冰球運動員體能和技術能力的提升，帶動我國冰球運動朝高水平方向發(fā)展。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

本文研究對象為“可穿戴式冰上負載抗阻訓練器”中的外抗阻負載與滑行模塊（圖1）。

2.2 研究方法

2.2.1 實驗設計法

重點針對外抗阻負載與滑行模塊的形態(tài)及結構設計、摩擦面材料的選擇、運動員能力匹配等幾方面，分別進行備選方案的定性與定量比較實驗;基于相近方案的共同預期目標，比較尋找方案間的優(yōu)劣差異;最后根據各單項對比結果，綜合比較得出適宜的模塊設計方案，作為后續(xù)生產及測試應用的訓練器材。

2.2.2 文獻資料法

利用中國知網、維普數據庫、谷歌學術等國內外專業(yè)學術網站，對冰球運動員專項力量分析及相關訓練器材進行文獻內容檢索，為本文提供可借鑒的研究基礎。

2.2.3 邏輯分析法

圍繞“可穿戴式冰上負載抗阻訓練器”中的外抗阻負載與滑行模塊簡易適用的目標，針對結構設計和材料選擇的若干備選方案，制作簡易實驗模型，通過匹配冰球運動員的能力并考慮整體的制作成本，得出經濟有效的外抗阻負載與滑行模塊設計結果。后續(xù)待結合“可穿戴式冰上負載抗阻訓練器”整體的配套使用，檢驗該訓練器對于科學輔助冰球運動訓練、提高冰球運動員的體能及專項技戰(zhàn)術能力的效果。

3 研究結果

外抗阻負載與滑行模塊的部件及結構相對簡易，主體由加載重量塊（即外抗阻負載）和滑動負載托盤組成。其中，滑動負載托盤的結構設計是重點，包括要對托盤掛環(huán)結構、托盤底盤厚度、底部摩擦面等主要構件進行設計，最后還要結合冰球運動員滑行時的驅動能力來估測外部負載的合理重量。

3.1 加載重量塊與固定金屬套筒規(guī)格

加載重量塊以舉重項目中25 kg標準杠鈴片規(guī)格為基準：杠鈴片直徑450 mm，中心孔直徑50 mm，厚度27 mm。對此，可將滑動負載托盤同樣設計成圓形，托盤直徑500 mm，略大于杠鈴片450 mm直徑實現整體托載。參照舉重項目杠鈴桿兩端結構，在滑動負載托盤的中心設置固定金屬套筒，套筒直徑50 mm;根據預設的加載重量塊200 kg的最大負載，套筒應能放置8塊25 kg標準杠鈴片（總厚度216 mm），套筒頂端可加置卡箍防止杠鈴片在滑動過程中脫落，故將套筒總長度設計為300 mm。（圖2）

3.2 滑動負載托盤上表面殼體結構

由于滑動負載托盤是在冰面上滑行，為使托盤底盤在拖拽過程中下表面不致翹起，故需盡量降低托盤掛環(huán)位置，將其焊接在托盤底盤的上表面邊緣。托盤底盤的結構設計成兩部分：一是穿入中心套筒的托盤上表面殼體，二是殼體下方與冰面接觸滑行的貼地部件。為使滑行模塊空載時不至過重，同時保證殼體的硬度及掛環(huán)的穩(wěn)定，設計選用3 mm厚度的鋁合金板作為殼體，邊緣豎直向下彎折20 mm罩住貼地材料，殼體中心孔直徑50 mm，為方便器材的分拆攜帶，采取螺紋配合的方式與套筒固定，套筒穿入殼體部分長度20 mm。貼地部件的設計基于以下兩方面的考量：一是可實現拆卸及更換，二是需能承受滿負載壓力且受壓形變后不致使殼體邊緣接觸冰面。對此設計選用40 mm厚度的貼地部件，并同樣設置直徑50 mm的貫穿式中心孔，用于套住套筒下端且便于拆卸（圖3），部件材料選擇尤其是與冰面接觸的下表面（摩擦面）材料在3.4節(jié)分析論述。

3.3 滑動負載托盤掛環(huán)結構

滑動負載托盤掛環(huán)是同“鏈接與緩沖模塊”相連接的部位，在滑行過程中提供牽引力或制動力，因此掛環(huán)需同“鏈接與緩沖模塊”相匹配才能有效發(fā)揮作用。為保證模塊間連接的穩(wěn)固，以及使連接結構能夠帶動滿負載情況下的滑行模塊實現變速、轉彎等運行，托盤掛環(huán)應相對寬厚，以抵抗轉彎時連接部位所受到的頻繁的剪切應力。據此，選擇在滑動負載托盤上表面殼體邊緣設置50 mm寬、10 mm孔徑、5 mm壁厚的掛環(huán)作為連接受力位（圖4），通過“寬掛環(huán)”和“鏈接與緩沖模塊”的一端進行固定連接，來保證牽引運動時的穩(wěn)定。

由于托盤殼體上表面邊緣和加載重量塊（杠鈴片）的間隙較小，因此掛環(huán)可向上表面外側小幅凸出，焊接在殼體的上表面及側表面邊緣處。這樣可使掛環(huán)與杠鈴片之間保留至少10 mm的間距，同時也增大了部件間的焊接面積，使掛環(huán)更加牢固。滑動負載托盤上表面殼體的整體樣式，見圖5。

3.4 貼地部件摩擦面材料選擇

滑行模塊依靠滑動負載托盤支撐全部載荷，因此托盤貼地部件需要同時具備相對輕質、堅固抗壓、造價較低等特點，其下表面要追求在滑行時能產生較大的摩擦力，并盡量對冰面造成較少的磨損?；谏鲜龅囊螅刹扇　敖M合式”貼地部件設計方案，即以某種材料為主體，僅在下表面套蓋或粘貼其他材料用于同冰面摩擦，其優(yōu)點是選擇多、易“換面”，缺點是要配套“摩擦面”的備用耗材。

對于貼地部件主體材料的選擇，首先可舍棄各類金屬，金屬雖然堅固耐用，但造件沉重且價格較高。常見可供選擇且能滿足要求的材料大致包括：硬質塑料、木材、橡膠，出于制造便捷考慮可在其中進行選取。通過查詢對比三者的密度：ρ硬質塑料=0.80～2.30 g/cm3、ρ木材=0.44～0.57 g/cm3、ρ橡膠=1.05～1.30 g/cm3，木材密度最小;經計算，滿負載（總重212 kg，套筒加殼體約12 kg）時對貼地部件主體產生的壓強約10.69 kPa，遠小于木材的抗壓強度;木料板材的市場價格也低于硬質塑料板材和橡膠板材。綜合上述優(yōu)勢，貼地部件主體選擇木料板材最為合適，使用時可對木材進行防腐處理，延長部件的使用壽命。

貼地部件下表面（摩擦面）的選擇，常見且能滿足要求的材料大致包括：粗布料、毛毯、麻面皮革、紋理橡膠，通過實驗選擇與冰面滑動摩擦系數較大的材料，可得出相對適宜的貼地用面。為此，設計實驗方案如下：在同一立方體的不同表面粘貼不同的摩擦面材料 ，分別在同一固定斜面的相同高度由靜止開始自由下滑。斜面表層澆筑冰面，實驗時外部環(huán)境溫度控制在與冰球場相近的-5℃～-7℃，用停表分別測量重物從自由下滑開始至到達斜面底部的時間。（圖6）

由于實驗中重物滑行距離較短，不同接觸面材料與冰面的滑動摩擦系數μ可視為各自恒定，根據公式：

其中重物由靜止開始下滑（V0=0），故聯立公式（1）、（2）、（3）可得：g·sinθ-g·cosθ ·μ=。重物下滑相同距離S所用的時間t越長，則表明接觸面材料與冰面的滑動摩擦系數μ越大，能夠產生更大的滑動摩擦力。

在斜面加工與實驗測試的過程中，出現了些許的改造和誤差。改造原因在于冰面需要由水凍結而成，因此需將無邊板的傾斜平面設計成滑槽，用于儲水后再冷凍成冰。誤差則出現在滑槽中的水自然凝固時，會先沿著槽邊四周逐漸向中央凝固，在凝固過程中體積變大，最后在中央部分形成了少許凸面，影響了冰面的平整度，但尚不至于影響到實驗的定性結論。此外，實驗原計劃針對每種摩擦面材料進行7次測試，但在實測過程中由于滑塊反復對滑槽下邊板進行自由沖擊，即便對下邊板預先加墊了防護的橡膠，在實驗進行完6輪后，冰面仍然出現了大面積的碎裂，導致實驗提前終止，這也是滑槽結構不可避免的一種負面作用。

對于實驗測得的6組時間數據，選擇分別去掉每個摩擦面材料的1個最長用時、1個最短用時，再對剩余4個數據取平均值并考慮個人反應誤差。經計算，得出對比結果如下：

由實驗數據可知，粗布料與冰面的滑動摩擦系數最大，理論上能夠在發(fā)生相對運動時產生更大的滑動摩擦力，但在器材實際應用過程中似與麻面皮革、紋理橡膠的效果差別不大。而從材料特性和現實應用環(huán)境的角度來分析，實驗中出現的若干現象似乎更有意義：由于滑塊在下滑撞擊中不免沾附灰塵，灰塵的存在又對不同的摩擦面造成各異的影響。而這種狀況與真正的訓練器材在使用和保管狀態(tài)下難免沾落灰塵的情況如出一轍，因此對比觀察材料表面沾附灰塵后的滑行狀態(tài)，則更加貼近訓練器材的實際應用效果。

除去滑動摩擦系數最小的毛毯材料，從實驗數據來看，灰塵對粗布料的影響很小，即粗布料在接觸灰塵時更能保持穩(wěn)定的滑行性能，這可能與粗布料稀疏的織孔結構能夠較多地存貯灰塵有關。麻面皮革對于灰塵則較為敏感，表面沾灰的皮革相較于表面干凈的皮革，前者摩擦系數出現超過誤差范圍的、一定程度的下降，因此如以麻面皮革作為貼地部件下表面，可能在逐漸“變臟”后使訓練器材的摩擦性能出現較為明顯的下降。而紋理橡膠在沾附灰塵后，在靜止狀態(tài)下偶爾會出現同冰面的吸附，具體原因尚不清楚，或許由于灰塵填入紋理溝壑改變了接觸面間的氣壓，亦或灰塵使橡膠同冰面間的微觀分子作用力得到一定程度的增大。

綜上所述，由于毛毯的滑動摩擦系數明顯小于其他三種材料，因此最先予以排除。粗布料、麻面皮革、紋理橡膠三者的摩擦效果接近，麻面皮革由于受灰塵的影響較大，難以長期保證器材的使用效果，故亦予以排除。粗布料有著相對最大的滑動摩擦系數，接觸灰塵后的穩(wěn)定性也較佳，但布質底面容易受潮和磨損是它的最大劣勢。因此研究在綜合考量接觸面材料的摩擦性、穩(wěn)定性、耐磨性與經濟性后，認為紋理橡膠最適宜作為貼地部件的下表面材料。

3.5 外抗阻負載與滑行模塊同運動員能力的匹配

在確定了抗阻訓練器外負載重量和貼地部件摩擦面材料后，有必要對冰球運動員在起動與正?；袝r的驅動能力大小進行測定，來觀察何等的負載程度會與冰球運動員的能力范疇相適應。相稱的是，經向冰球教練員了解，項目傳統的冰上力量訓練方法通常會采取牽拉輪胎的方式滑行，而輪胎的橡膠材質恰與貼地部件選擇的紋理橡膠材料高度類似，這無疑便捷了二者之間的橫向對比。

研究找到了冰球運動員們訓練所用的若干輪胎，均為普通的優(yōu)科豪馬（YOKOHAMA）225/65R17規(guī)格的輪胎，經測量輪胎外徑723 mm，單個輪胎平均質量12 kg。經進一步向冰球教練員咨詢和若干青年冰球運動員實測，能力突出者最多能在冰上同時牽拉3個輪胎向前滑行，由此可知其冰上所能拖動的最大負載重量在36～48 kg之間。即使將青年冰球運動員換成高水平成人冰球運動員，抗阻訓練器預設的200 kg最大負載也足夠滿足其力量訓練使用。同時，500 mm直徑的負載托盤小于測試所用的輪胎直徑，抗阻訓練器小型化、能拆卸、可調節(jié)重量的特點，也從多方面勝過簡陋的輪胎，證明器材的設計整體上較為合適。

4 結語

“可穿戴式冰上負載抗阻訓練器”的研發(fā)，旨在提升我國冰球運動員體能和技術能力。外抗阻負載與滑行模塊是“可穿戴式冰上負載抗阻訓練器”三大構成模塊之一，利用這一模塊有助于提高冰球運動員的下肢專項力量、滑行耐力素質和關節(jié)支撐力量，強化冰球運動員的體能及技戰(zhàn)術發(fā)揮，助其提高運動成績。經研究，得出外抗阻負載與滑行模塊采用圓形托盤、固定套筒、加載杠鈴片的整體結構，選用紋理橡膠材料同冰面進行接觸滑行，可以實現器材能拆卸、可調節(jié)重量及在經濟成本上的綜合優(yōu)選，并使負載程度適合于冰球運動員進行冰上力量訓練。通過對冰球輔助訓練器材的研發(fā)及應用，以此帶動我國冰球運動朝高水平方向發(fā)展。

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收稿日期：2021-08-11

基金項目：黑龍江省省屬科研院所科研業(yè)務費項目（CZKYF2021D006）;國家知識產權局專利申請受理通知書申請?zhí)柣驅＠枺?02123142351.0）。

第一作者簡介：韓 帥（1986-），男，黑龍江哈爾濱人，助理研究員，研究方向為社會體育指導。

通訊作者：張連濤（1962-），男，河北遵化人，碩士生導師，研究員，研究方向為體育科學。