世界優秀男子鉛球運動員投擲技術的生物力學分析

楊文學，李鐵錄，張英波

(北京體育大學，北京 100084)

世界優秀男子鉛球運動員投擲技術的生物力學分析

楊文學，李鐵錄，張英波

(北京體育大學，北京 100084)

通過對運動員技術解析所提供的世界優秀男子鉛球運動員的生物力學參數，對運動員的技術進行比較，分析了滑步和旋轉推鉛球技術之間以及不同旋轉技術類型之間所存在的差異。重點研究了鉛球本身和運動員身體的加速問題，從而得出了運動員和鉛球這一系統的加速到出手階段鉛球最后加速動作序列過程變化特征，為高水平鉛球運動員技術訓練提供理論依據。

鉛球運動員，投擲技術;生物力學

目前，推鉛球項目有兩種主流技術共同存在，即滑步式和旋轉式推鉛球技術。在大阪世界田徑錦標賽上的前十名運動員中，有六名運動員采用旋轉式推鉛球技術，其他四名運動員采用滑步式推鉛球技術，而且在前三名采用這兩種技術的運動員都有。從運動成績看，雖然這兩種技術運動成績水平相當，但在訓練中情況則完全不同。

本研究通過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據，對運動員技術進行生物力學分析，并對前三名鉛球運動員進行技術比較，分析滑步和旋轉技術之間的差異以及鉛球本身和人體運動的加速問題。通過分析運動員——鉛球系統的加速，直至出手階段鉛球最后加速動作序列過程，找出推鉛球運動過程的速度規律，為高水平運動員技術訓練提供理論依據。

1 研究對象與方法

1.1研究對象

以國際田聯大阪世界田徑錦標賽男子鉛球決賽前十名選手為研究對象。

1.2 研究方法

數據是在國際田聯世界田徑錦標賽男子鉛球決賽上采集的。對前十名運動員每人的最好一次試擲進行了分析。本屆比賽的所有運動員都采用右手試擲。

表1 國際田聯大阪世界田徑錦標賽男子鉛球選手技術生物力學參數(依據IAAF研究報告2008)

1.2.1 拍攝方法

采用兩臺數字攝像機(索尼HVR－A1J型)記錄鉛球運動員動作，頻率60格/s，曝光時間設置為1/1 000 s。一臺攝像機固定于投擲圈后部，另一臺攝像機固定于投擲圈右側。

為了準確分析動作，設置球形參照框架。X軸與投擲方向成一線(指向前方)、Z軸是垂直方向(指向上方)、Y軸與X軸和Z軸垂直(指向左側)。根據固定在骨盆的身體局部坐標系，計算出軀干扭轉和傾斜角度。這些參數分別表明了骨盆轉動相對優先于肩軸圍繞軀干縱軸的轉動，以及軀干在矢狀面的傾斜角度。

1.2.2 解析法

建立包括雙手、前臂、上臂、腳、小腿、大腿、頭和軀干的14環節模型。采用直接線性轉換技術(DLT)獲得24個點的三維坐標值。采用四階巴特沃斯低通數字濾波方法進行數據平滑，通過殘差分析確定的截斷頻率為2.4～7.8 Hz。建立控制點坐標中的標準誤差是0.006(X軸)，0.004(Y軸)，0.007(Z軸)。采用艾伊等人研發的身體環節慣量參數，計算人體質心位置和身體每個環節的轉動慣量。為了對數據進行分析和說明，將推鉛球動作分為準備、騰空、過渡和出手幾個階段。

2 結果與分析

2.1 世界錦標賽前十名運動員技術完整技術特征分析

世界錦標賽前十名運動員正式比賽最好的一次試擲出手即刻的鉛球狀態(表2)可見:正式成績與出手速度顯著相關(r=0.87，p＜0.01)。在前十名運動員中有6人采用旋轉推技術，4人采用滑步投技術，表明旋轉推鉛球技術是目前世界高水平運動員普遍采用的技術姿勢。

表2 世界田徑錦標賽男子鉛球比賽正式成績和出手速度(依據IAAF研究報告2008)

圖1:X－Y平面(俯視圖)和Y－Z平面(側視圖)的鉛球軌跡。在X－Y平面(右側4人)，四名滑步推鉛球運動員表現出幾乎是直線的軌跡。旋轉推鉛球運動員在前半圈旋轉中表現出鉛球的環形軌跡。然而，在騰空和過渡階段，只有史密斯表現出鉛球軌跡的“環形”部分。

從圖2可以看出前三名運動員的鉛球速度都表現出上述典型的時間過程的方式。不管準備方式如何，絕大部分加速度都發生在出手階段。旋轉推鉛球運動員在騰空階段前表現出兩個或更多的速度高峰。在兩種技術中，在騰空和過渡階段鉛球速度都下降，旋轉推鉛球與滑步推鉛球相比，鉛球下降的速度更大。

圖1 前十名鉛球運動員在X－Y平面和Y－Z平面的鉛球軌跡

圖2 前三名運動員鉛球速度的時間過程(只表明合速度)

圖3 從騰空到鉛球出手各個動作階段的時間過程

圖3是從騰空到出手的各個階段的時間過程。滑步推鉛球運動員的騰空階段比旋轉推鉛球運動員長。在旋轉推鉛球運動員中，比亞羅沒有表現出騰空階段。旋轉推鉛球運動員的過渡階段極其長，滑步推鉛球的運動員出手階段較長。在旋轉推鉛球運動員中，只有霍法的出手階段時間與滑步推鉛球運動員一樣長。

2.2 世界田徑錦標賽前三名運動員推鉛球技術分析

2.2.1 前三名運動員投擲過程中鉛球速度變化分析

前三名運動員的鉛球速度的時間過程，質心(CM)的直線動量和角動量見圖4。

通過對前三名運動員投擲技術分析發現，霍法和米克尼維奇的合線動量逐漸增加，在準備階段結束時達到高峰。只有尼爾森在過渡階段達到高峰。在達到高峰后，直到出手時動量有所下降。霍法合線動量的的峰值(368.9千克米/s)，超過了尼爾森(297.5千克米/s)，甚至也超過了采用滑步技術的米克尼維奇(346.9千克米/s)。相對于在過渡階段上體的反向動作，尼爾森表現出驟然的動量下降。另一方面，米克尼維奇在準備最后用力的全部過程中，保持了線動量。霍法表現出的形式居于二人之間。兩位旋轉推鉛球運動員在左腳落地前后表現出第二個線動量的高峰。

圖4 前三名運動員鉛球速度、線動量和角動量時間過程

在準備階段期間身體重心移動和加速開始時，可以看到線動量各個部分貢獻方面的個體差異。兩位旋轉推鉛球運動員在準備階段的大部分時間內表現出向右的分動量，霍法表現出向前(推球反向)的用力，而尼爾森表現出稍微向后的分動量，而在這個階段的后半段表現出向下的分動量。米克尼維奇滑步的特征是，開始時表現出向下的分動量，在指導右腳離地之前表現出了向前、向上的分動量。

所有三位運動員的垂直分動量都在騰空階段之前表現出中等程度的高峰，在出手之前表現出相當大程度的高峰。

2.2.2 前三名運動員投擲過程中身體旋轉速度變化分析

三名運動員軀干在矢狀面的前后傾斜和扭轉角度參數表明軀干相對于水平軸在矢狀面內的傾斜角度，以及圍繞軀干縱向軸髖軸旋轉領先于肩軸旋轉的情況，見圖5。

在右腳離地之前，兩位旋轉推鉛球運動員主要提高了他們上體圍繞身體質心的角動量。在右腳離地之后，他們在整個動作過程中保持了更高水平的角動量，米克尼維奇的與他的線動量相比，角動量較低。只有米克尼維奇在過渡階段表現出角動量的快速均勻的提高。在準備階段，霍法保持了由右腿和左腿平衡產生的下肢角動量水平。相比之下，尼爾森右腿的角動量幾乎與霍法相同，而他的左腿角動量水平卻明顯高出許多，相對于下肢角動量的顯著高峰，以及全身角動量的提高，而突然增加。

從圖5中看米克尼維奇的傾斜角和扭轉角左右腳離地前大約100ms逐漸增加。然后軀干傾斜角從水平方向轉為垂直方向，在鉛球出手前達到高峰。在騰空階段扭轉角達到峰值。霍法和尼爾森以軀干更加豎直的姿勢開始他們的旋轉。他們的軀干在騰空階段的大部分時間內前傾，在鉛球出手前繼續增加并達到峰值，尼爾森與霍法或米克尼維奇相比，在準備階段前傾程度更大。三位運動員在鉛球出手前軀干后傾，直到出手時傾斜角度又產生迅速的反向變化。霍法在右腳離地前軀干扭轉角度達到最小值;尼爾森在騰空階段的晚些時段，軀干扭轉角度達到最小值。霍法和米克尼維奇的扭緊動作(軀干扭轉角度增加)分別是 121.3°/s和 141.7°/s;尼爾森的軀干扭轉角度增加更快，是285.2°/s。軀干扭轉程度的反彈動作(打開)，米克尼維奇在騰空階段開始，而霍法和尼爾森在過渡階段的前半段就開始了。旋轉程度的增加時機與之重合，旋轉推鉛球技術比滑步推鉛球技術更加猛烈。與霍法(190.8°/s)和米克尼維奇(140.8°/s)相比，尼爾森表現出更加劇烈的軀干扭轉程度的反彈動作(221.2°/s)。

圖5 軀干前后傾斜和軀干扭轉角度

2.3 世界田徑錦標賽運動員投鉛球技術變化的理論分析

2.3.1 前十名運動員鉛球運動速度變化的理論分析

在本研究中，旋轉推鉛球技術在騰空和過渡階段鉛球速度的下降，比滑步推鉛球技術更加顯著，這與同類研究報告中提出的結果相一致。鉛球速度的減慢與右腳落地動作相一致，尤其是在旋轉推鉛球技術中這個制動動作與上部軀干的向后回轉動作相重合，這似乎造成了鉛球速度的消散。然而我們也可以觀察到角動量和身體環節準備姿勢的同時產生。

關于保證鉛球的最大加速區間，顯然對個子矮的運動員非常不利。有報告指出，冠軍霍法的身高是182厘米，也許他是迄今為止在男子推鉛球項目世界冠軍中個子最矮的。尼爾森和米克尼維奇的身高分別是183厘米和201厘米。旋轉推鉛球技術更加適合小個子鉛球運動員的觀點，通過霍法和尼爾森所取得的成績得到證實。然而，他們出色的投擲技術也是他們取得成功的關鍵因素之一。

由于鉛球加速的絕大部分是在出手階段獲得的，所以之前各個階段的目標應該是保證獲得最大最后加速的最佳條件。最后用力動作中的身體姿勢和肌肉用力狀態很重要，運動員——鉛球系統的能量儲備也是關鍵。在過去的研究中，即使在騰空和過渡階段，研究者的注意力也是主要放在鉛球自身的加速上，盧薩農等人(LUHTHANEN et al.)指出，需要在騰空階段取得鉛球速度的增加。從減少鉛球速度損失的觀點出發，科和斯圖艾克(COH＆STUHEC)建議使騰空階段更短。但很難取得關于如何保證加速能量的論據。雖然少數研究者提到運動員——鉛球系統動量的重要性，我們仍然沒有找到說明這個問題的實驗研究結果。

2.3.2 前三名運動員運動系統速度變化的理論分析

通過分析前三名獎牌獲得者的系統加速，我們看到采用滑步推鉛球技術的米克尼維奇依靠線動量為整個系統積蓄能量。而霍法也表現出與米克尼維奇相同水平的最大合線動量。這提示我們線動量和角動量都是重要的，即使在旋轉推鉛球技術中情況也是如此。兩位采用旋轉推鉛球技術的運動員都表現出比米克尼維奇更高的角動量。

霍法從有效地把體重移到投擲方向，到推動身體離開地面的過程中，產生了更高的線動量。然后，從準備階段直到鉛球出手他技巧性地抑制了所獲得的動量的損失。兩位采用旋轉式推鉛球技術的運動員在左腳落地前后表現出第二個線動量的高峰。這似乎與過渡階段左腿的擺動有關。事實上，具有顯著第二個線動量高峰的尼爾森，也具有左腿劇烈大半徑擺動的動作特征。

從各個分動量的時間過程來觀察，我們看到采用旋轉推鉛球技術的運動員，在準備階段后半段之后表現出來的更高角動量，似乎與下肢動作有關。尤其是尼爾森在整個準備階段保持了更高的角動量。在過渡階段，他表現出線動量的明顯消散，與之相反，角動量卻增加了。這似乎與過渡階段左腿的劇烈擺動密切相關。從右腳落地之前，直到過渡階段，軀干較深的前傾角度，似乎保證了左腿大半徑、大幅度的鞭打動作。這說明，腿部動作保證了動量從腿部向軀干的轉移;下肢角動量的急劇增加，保證了形成軀干扭緊的結果。事實上，尼爾森軀干扭緊的速度，超過霍法和米克尼維奇兩倍以上。這個扭緊動作，就保證了在最后推球動作之前，拉長腹部和背部肌群，并且在最后的出手階段過程中保證了軀干上部的猛烈轉動動作。與霍法和米克尼維奇相比，尼爾森似乎更多依賴于軀干的扭緊動作。可以推斷，尼爾森在很大程度上積極地利用了軀干肌群的拉伸—縮短周期。他左腿的顯著大半徑轉動，似乎是他的猛烈軀干扭緊動作的動能來源。

旋轉推鉛球技術在角動量和側向加速度的參與方面具有優勢，但在協調身體平衡方面，卻是它的劣勢。霍法投擲圈后部直到出手點，通過身體質心的持續直線加速，減小了二者之間的抵消作用。與滑步推鉛球技術相比，身體的角動量也沒有損失很多。事實上，他的線動量所達到的水平，不僅超過了尼爾森，令人吃驚的是，也超過了采用滑步推鉛球技術的米克尼維奇。

出手階段的軀干后傾是骨盆的前送動作造成的，但在接近鉛球出手時，這個動作迅速得到逆轉。這說明，軀干在前后方向上的轉動，與線速度的傳遞和軀干扭緊姿勢的放開動作一起，共同加強了最后的推球動作。

3 結論

1)鉛球成績與鉛球出手速度顯著相關。一些成績的起伏可能與其他因素，如鉛球出手的角度和位置相關。鉛球出手速度是決定成績的主要因素，一切成績的起伏可能與出手角度和出手時的身體姿勢等因素有關。

2)在系統加速方面，即使旋轉推鉛球技術本身也存在各種技術類型:霍法在很大程度上利用了身體的線動量和角動量，相比之下，尼爾森似乎把重點放在利用角動量。采用滑步推鉛球技術的米克尼維奇，從開始滑步推動身體直至最后推球動作之前，都保持了較高水平的全身線動量。

3)旋轉推鉛球技術在角動量和側向加速度的參與方面具有優勢，但在協調身體平衡方面，卻是它的劣勢。

4)鉛球速度本身不足以說明加速過程。在旋轉推鉛球技術的騰空和過渡階段，即使鉛球速度存在顯著下降，仍然能夠獲得或保持全身的動量。這說明運動員——鉛球系統的加速，是保證鉛球出手動作能量來源的關鍵因素。我們可以提出，為鉛球出手動作進行準備的目的是加速整個身體，保證最佳的身體用力結構，而不是只加速鉛球本身。

［1］李建英，王曉剛．對我國優秀女子鉛球運動員背向滑步推鉛球技術的研究［J］．中國體育科技，2004(6):9－14．

［2］王 倩，周華峰．對兩名不同水平男子鉛球選手投擲技術的生物力學分析［J］．北京體育大學學報，2007，30(3):404－406．

［3］王法祥，趙偉科，李 云．肱三頭肌肌纖維組成及其力量產生和推鉛球成績的相關性研究［J］．沈陽體育學院學報，2009，28 (4):61－64．

［4］白光斌，龔 銳．張榴紅背向滑步推鉛球技術動作的速度節奏研究［J］．西安體育學院學報，2003，20(1):73－76．

［5］崔喜燦，柳方祥．推鉛球滑步與最后用力階段的主要技術要求［J］．遼寧體育科技，2001(1):8－9．

［6］范秦海．對我國新老兩代女子鉛球運動員最后用力技術的對比分析［J］．北京體育大學學報，2006，29(11):1572－1573．

［7］王國祥．我國優秀女子鉛球運動員最后用力技術的運動學研究［J］．北京體育大學學報，2005，28(5):81－87．

Biological Mechanics Analysis of Shot Put Technology of the World Outstanding Male Shot-putter

YANG Wenxue，LI Tielu，ZHANG Yingbo
(Beijing Sport University，Beijing 100084，China)

The research’s goal is providing biological mechanics technical parameter for the world outstanding male shot athlete by studying the athlete’s technology．Through the comparison of athlete’s technology，it analyzes the technical difference between slides step and the revolving shot，as well as the difference between different revolving technology types．Through studying the shot itself and the athlete body’s acceleration question，it analyzes from the system’s acceleration about athlete and the shot system to action process which is final accelerate of the getting rid stage，thus puts forward theoretical basis for the technical training of．

shot-putter;shot technology;biomechanics

G804.6

A

1004－0560(2012)04－0071－05

2012-04-11;

2012-06-26

國際田聯2008年新研究課題。

楊文學(1955－)，男，副教授，學士，主要研究方向為體育教育訓練學。

責任編輯:劉紅霞

?體育人文社會學