女子跳馬過程中運動員與器械垂直反作用力研究

吳成亮，郝衛亞（.重慶三峽學院體育學院； .國家體育總局體育科學研究所）

女子跳馬過程中運動員與器械垂直反作用力研究

吳成亮1，郝衛亞2（1.重慶三峽學院體育學院； 2.國家體育總局體育科學研究所）

跳馬；器械；垂直作用力

1 研究目的

通過運動學分析方法和生物力學建模與仿真方法，揭示這類技術動作的動力學規律與技術特點，為我國運動員發展該類型動作提供理論依據和技術參考。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

（1）程菲，中國女子體操運動員，1988年5月出生，身高1.52 m，體重41 kg。

（2）洪淑貞，朝鮮女子體操運動員，1986年3月出生，身高1.54 m，體重42 kg。

2.2 研究方法

（1）對程菲和洪淑貞完成的“踺子轉體180°前手翻接直體前空翻轉體180°”(簡稱“R180”)，進行三維高速攝影拍攝（拍攝頻率為250幀/s），運動學分析后獲得人體三維運動坐標。

（2）根據多體動力學原理，利用MSC.ADAMS/ LifeMod軟件建立19環節的人體模型，將運動學解析得到的“R180”兩個動作中人體三維坐標賦予三維人體模型，并建立與人體相接觸的踏跳板、跳躍平臺（馬）和體操落地墊的跳馬環境，再對“R180”跳馬動作進行計算機仿真，然后進行結果處理。

3 結果

對“程菲R180”、“洪淑貞R180”兩跳馬動作進行動力學分析，獲得兩人與體操器械接觸時的垂直反作用力及其沖量特征如下。

圖1 “程菲R 1 8 0”踏板階段垂直反作用力Figure 1 Vertical Reaction Force at the Stepping Stage of "Cheng Fei R180"

圖2 “洪淑貞R 1 8 0”踏板階段垂直反作用力Figure 2 Vertical Reaction Force at the Stepping Stage of "Hong Sujong R180"

圖3 “程菲R 1 8 0”推馬階段垂直反作用力Figure 3 Vertical Reaction Force at the Horse-Pushing Stage of "Cheng Fei R180"

圖4 “洪淑貞R 1 8 0”推馬階段垂直反作用力Figure 4 Vertical Reaction Force at the Horse-Pushing Stage of "Hong Sujong R180"

圖5 “程菲R 1 8 0”落地階段垂直反作用力Figure 5 Vertical Reaction Force at the Landing Stage of "Cheng Fei R180"

圖6 “洪淑貞R 1 8 0”落地階段垂直反作用力Figure 6 Vertical Reaction Force at the Landing Stage of "Hong Sujong R180"

圖1～6是程菲和洪淑貞兩人在完成跳馬“踺子轉體180°前手翻接直體前空翻轉體180°”時，踏板、推手、落地3個階段中，人體與助跳板、馬、體操落地墊的接觸時垂直反作用力，實線表示各階段垂直作用力的大小，中間陰影面積表示其各階段的沖量值。引入體重倍數（BW）將垂直反作用力峰值歸一化處理，可以觀察到，程菲和洪淑貞兩人在踏跳和落地階段垂直反作用力峰值分別為7.5 BW、7.3 BW和8.9 BW、9.4 BW，數值大小非常接近，而在推馬階段，兩人垂直反作用力峰值分別為1.7 BW、2.4 BW，洪淑貞的要高出程菲的40%。

4 分析討論

4.1 踏板階段

如圖1、圖2，程菲、洪淑貞踏板階段垂直反作用力峰值分別為7.5 BW、7.3 BW，在運動學分析中，知道兩人踏板階段時間分別0.108 s、0.124 s，沖量，兩人沖量分別為121.6 N·s，162.5 N·s，洪淑貞的沖量比程菲的多出34%，根據動量定理：，洪淑貞的沖量大，說明洪淑貞踏板階段垂直速度變化量大，離板后的動量也大，又因為此階段踏板前后垂直速度方向相反，所以，洪淑貞在離板后有比程菲更大的垂直速度，這和運動學得出來的結果是相一致的。

另外，程菲垂直反作用力在踏板階段出現了一個短暫的小平臺期，結合高速錄像分析，程菲在踏板瞬間，身體已經完成一定轉體，又由于程菲雙腳是斜著踏上板的，筆者推測在踏板的某一階段身體出現了一個小的調整，所以才會出現圖1中垂直反作用力小平臺期。

4.2 推馬階段

如圖3，程菲垂直反作用力呈雙峰型，峰值分別為553 N、556 N，兩值相近。前一個垂直反作用力峰值是在左手撐馬時出現，其峰值全部由左手貢獻；整個推馬階段，右手最大垂直反作用力為316.7 N，僅為左手峰值的57%，但右手在向上撐馬的同時，能防止身體繞其橫軸翻騰過度。

如圖4，洪淑貞垂直反作用力呈單峰型，峰值為846 N，出現在雙手撐馬時，垂直反作用力峰值大小約為程菲的1.5倍；程菲和洪淑貞在此階段的垂直沖量分別為72.8 N·s，75.3 N·s，根據動量定理，洪淑貞和程菲在推馬階段垂直速度損失也相近，但是由于洪淑貞第一騰空階段垂直速度減小得比較多，所以程菲在離馬瞬間的垂直速度要高于洪淑貞的，所以程菲的第二騰空高度也大于洪淑貞的。

仔細觀察圖3、圖4，洪淑貞推馬階段的雙手用力順序為：左右手依次撐馬，過渡到雙手撐馬，再雙手離馬過程，為通常說的“晚旋”（指運動員在脫離器械或地面后，先只有繞身體橫軸翻轉，而沒有繞身體縱軸旋轉）；而程菲推馬階段的用力順序為：左手撐馬、右手撐馬、雙手撐馬、左手離馬、右手離馬，近似一種“滾動式”撐馬技術，且根據高速錄像分析，程菲在推馬過程中，有繞身體縱軸旋轉跡象，即“早旋”，這種“滾動式”撐馬，它有利于在推馬階段就完成一定量的轉體，這樣既可以為第二騰空轉體做好充分的準備，同時也可以分擔一部分第二騰空的轉體圈數，這一技術對于完成高難度、多圈數的轉體動作具有一定意義，但是，這種“早旋”現象的發生，撐馬時就產生了一個旋轉力矩，勢必會犧牲一部分向上撐馬的力，“早旋”現象的出現可能會導致向上推馬動力不足，影響第二騰空高度；而且國際體操聯合會在體操跳馬專項完成扣分上規定：推馬階段，規定的縱軸轉體開始過早，B組裁判會扣0.1～0.5分，這是值得我們注意和深思的。

4.3 落地階段

如圖5、圖6，實線表示雙腳在落地階段，跳馬落地墊對人的垂直反作用力，陰影面積代表落地階段0.134 s內總沖量（拍攝“洪淑貞R180”動作時，只有落地后0.134 s被采集到，所以都只計算兩人落地后0.134 s內的沖量）。

表1 不同體育項目落地垂直反作用力峰值比較TableⅠ Peak Vertical Reaction Force at the Landing Stage ofthe Different Sports

如表1所示，本文研究結果與英國Chris Mills、Yeadon對跳馬落地仿真研究結果非常接近，他們的研究對象為身高1.77 m，體重75 kg男子體操運動員，落地垂直反作用力峰值約為10 BW，在落地后0.05～0.06 s達到峰值。

另外，Mcnitt-Gray使用測力臺的方法，對部分運動項目的落地反作用力進行了研究，如體操空翻落地垂直反作用力峰值為6.5～7.5 BW，排球攔網落地垂直反作用力為3～4 BW。以上數據表明，本文采用的計算機仿真方法，所獲得的落地垂直反作用力具有很好的可靠性。

5 結論

5.1 程菲跳馬在推馬階段，存在縱軸轉體開始過早現象，這可能導致其向上推馬動力不足，影響第二騰空高度，完善推馬階段技術動作，是程菲練習踺子轉體180°前手翻接直體前空翻類跳馬動作，包括“程菲跳”的關鍵所在。

5.2 本研究建立了適合應用于跳馬訓練實踐的、基于三維影像運動學分析的跳馬技術動作動力學分析的計算機仿真方法，該方法具有可靠性。

Vertical Reaction Force of Gymnasts and Apparatus in Women's Vault

WU Cheng-liang (Chongqing Three Gorges University)

vault; apparatus; vertical reaction force

G 804.6

A

1006-1207(2010)06-0019-02