短臂鉸鏈與鋼片軟橋的屈趾型速滑冰刀連接裝置

劉 晉，張 森，劉貴寶

（1.黑龍江工程學(xué)院 體育部，哈爾濱 150005；2.黑龍江省體育科學(xué)研究所，哈爾濱 150008）

短臂鉸鏈與鋼片軟橋的屈趾型速滑冰刀連接裝置

劉 晉1，張 森2，劉貴寶2

（1.黑龍江工程學(xué)院 體育部，哈爾濱 150005；2.黑龍江省體育科學(xué)研究所，哈爾濱 150008）

摘 要：目的，為了我國(guó)運(yùn)動(dòng)員在今后的冬奧會(huì)上有所新突破，提出一種新型速滑冰刀連接裝置。方法與內(nèi)容，利用文獻(xiàn)資料法、對(duì)比分析法和試驗(yàn)分析法，分析了Clap式速滑冰刀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與不足，以及速滑冰刀結(jié)構(gòu)相關(guān)研究進(jìn)程，并在論述跖屈型新冰刀研究情況基礎(chǔ)上，提出對(duì)屈趾型速滑冰刀的改進(jìn)。結(jié)果，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外研究成果進(jìn)行了結(jié)構(gòu)力學(xué)和生物力學(xué)的對(duì)比，提出了符合速滑冰刀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和符合人體生物力學(xué)特點(diǎn)的一種短臂鉸鏈與鋼片軟橋的屈趾型速滑冰刀連接裝置。結(jié)論，這種新型速滑冰刀連接裝置結(jié)構(gòu)，有助于腳部跖趾關(guān)節(jié)發(fā)揮生理性功能，使冰刀與冰鞋的固定更加牢靠。將有可能提高速滑成績(jī)。

關(guān)鍵詞：短臂絞鏈；鋼片軟橋；屈趾型速滑冰刀；連接裝置

1 研究目的

由于傳統(tǒng)速滑冰刀與冰鞋都是固定在一起的，這種速滑冰刀與冰鞋固定方式，使得在蹬冰結(jié)束后冰刀刀尖有摳冰的現(xiàn)象，對(duì)速滑運(yùn)動(dòng)員滑行速度具有一定影響。在這種技術(shù)矛盾刺激需求下，荷蘭人研制了一種Clap式速滑冰刀，Clap新式冰刀與傳統(tǒng)冰刀的主要區(qū)別在于所設(shè)計(jì)的 “活動(dòng)刀托”即前刀托與冰鞋形成鉸鏈?zhǔn)竭B接，后刀托與冰鞋可自動(dòng)分離，較好地解決了傳統(tǒng)速滑冰刀在蹬冰結(jié)束后刀尖出現(xiàn)摳冰的問(wèn)題。我國(guó)自1997年開(kāi)始正式引入Clap式速滑冰刀，這種Clap式速滑冰刀自1984年問(wèn)世以來(lái)[1]，經(jīng)過(guò)14年不斷應(yīng)用推廣，在1998年冬奧會(huì)正式使用之后風(fēng)靡全球，引起速滑運(yùn)動(dòng)技術(shù)和運(yùn)動(dòng)成績(jī)空前大飛躍，使得一大批世界記錄不斷刷新。

目前國(guó)際上公認(rèn)為：Clap式速滑冰刀與傳統(tǒng)速滑冰刀相比具有延長(zhǎng)蹬冰作用時(shí)間；提高踝關(guān)節(jié)的靈活性；增大下肢關(guān)節(jié)蹬伸幅度；保持冰刀全刃與冰面接觸和原有的滑行方向以及蹬冰方向，使之在踝關(guān)節(jié)充分跖屈的情況下結(jié)束蹬冰動(dòng)作等作用。但是，不論Clap式速滑冰刀還是傳統(tǒng)速滑冰刀，冰刀與冰鞋的剛性裝置結(jié)構(gòu)違背了人體腳部正常生理運(yùn)動(dòng)和生物力學(xué)的基本原理，限制了腳部跖趾關(guān)節(jié)的活動(dòng)。為此，國(guó)內(nèi)也相繼研制了屈趾型速滑冰刀，雖然把冰鞋改成屈趾型速滑冰鞋，依舊還是沒(méi)有脫離縱向固定冰鞋的方式。由于老式速滑冰刀和Clap式速滑冰刀仍然延續(xù)了速滑冰鞋的整體固定的結(jié)構(gòu)方式，老式速滑冰刀在蹬冰結(jié)束時(shí)刀尖有摳冰的現(xiàn)象，KLAP式速滑冰刀在蹬冰時(shí)由全腳轉(zhuǎn)為腳尖蹬冰。因此現(xiàn)有速滑冰刀。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 Clap式冰刀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與不足

Clap式冰刀是國(guó)際速滑運(yùn)動(dòng)近20年來(lái)最為突出的革命性變化[2-3]。Clap式速滑冰刀的結(jié)構(gòu)原理是長(zhǎng)臂鉸鏈的前端和后端與冰鞋的前部和后部連接在一起，長(zhǎng)臂鉸鏈的后支撐點(diǎn)與冰刀的后支撐點(diǎn)之間可以開(kāi)合。這種Clap式冰刀改進(jìn)新技術(shù)[4-5]，關(guān)鍵在于刀跟與冰鞋能隨著蹬冰角度自動(dòng)脫離和還原，根據(jù)鞋跟與冰刀分離聲音命名音譯為 “克來(lái)普”冰刀。其優(yōu)越性是在蹬冰的全過(guò)程中，冰刀全刃可以有效地咬住冰面，能夠?qū)⒌疟詈箅A段展踝的力量完全作用到冰面，不僅有利于延長(zhǎng)蹬冰距離，還通過(guò)提高踝關(guān)節(jié)的靈活性和加大蹬冰腿膝關(guān)節(jié)的伸展范圍，有效避免后程用刀尖蹬冰的現(xiàn)象，使速滑蹬冰技術(shù)在蹬冰角度、蹬冰腿膝關(guān)節(jié)的伸展幅度等方面更加符合人體運(yùn)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[6]。研究表明[7]，采用Clap式冰刀每個(gè)單步時(shí)間減少、雙支撐蹬冰階段時(shí)間延長(zhǎng)，與普通冰刀相比，單支撐所占時(shí)間比例縮短，雙支撐所占時(shí)間比例延長(zhǎng)，增強(qiáng)了雙支撐蹬冰的作用，并認(rèn)為這很可能就是使用新冰刀提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)的原因之一。現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，新冰刀蹬冰時(shí)造成冰面破損較小，從能量角度分析，減小能量的消耗以減小滑行的阻力也有助于提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)。Clap式冰刀可以認(rèn)為是一種較為適合運(yùn)動(dòng)力學(xué)原理的"可彈式"速滑冰刀，但在向逐步符合人體自然生理運(yùn)動(dòng)的科技改革趨勢(shì)中，Clap式冰刀仍然沒(méi)有很好解決僵直鞋底所帶來(lái)的負(fù)面影響[8]。根據(jù)跖趾關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)測(cè)試結(jié)果[9]，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)Clap式速滑冰刀、鞋幫、鞋底一體化結(jié)構(gòu)限制了足趾的運(yùn)動(dòng)，足部的拇長(zhǎng)屈肌、趾長(zhǎng)屈肌、足跟間肌、足蚓狀肌、拇短屈肌、趾短屈肌、小趾短屈肌等根本沒(méi)有參與速滑的蹬冰動(dòng)作，相對(duì)來(lái)說(shuō)降低和減少了運(yùn)動(dòng)員的蹬冰力量，影響運(yùn)動(dòng)員的滑行速度提高。

2.2 冰刀結(jié)構(gòu)相關(guān)研究進(jìn)程

自Clap式冰刀1997年公開(kāi)引入我國(guó)，為了能使我國(guó)的青少年速滑運(yùn)動(dòng)員盡快地更換新型冰刀、適應(yīng)新的技術(shù)，我國(guó)科研人員適時(shí)地開(kāi)發(fā)研究了活動(dòng)刀托連接裝置[10]，可將普通速滑冰刀改裝成新型冰刀。并就活動(dòng)刀托連接裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果及推廣應(yīng)用的意義進(jìn)行闡述。國(guó)內(nèi)速滑界普遍認(rèn)識(shí)到速滑運(yùn)動(dòng)的成績(jī)，除了與參賽運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)技巧和體能有關(guān)外，還與運(yùn)動(dòng)器材的優(yōu)劣密不可分。隨后國(guó)內(nèi)有關(guān)人員相繼進(jìn)行了相關(guān)冰刀結(jié)構(gòu)改進(jìn)工作。例如，為使速滑運(yùn)動(dòng)員既可在室內(nèi)人工冰場(chǎng)使用，又可在室外天然冰面進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，有人在Clap式冰刀基礎(chǔ)上研制了一種自鎖裝置[11]，當(dāng)冰面狀況不好時(shí)冰刀轉(zhuǎn)換為非可彈狀態(tài)，反之則為可彈狀態(tài)。有人在陸地上進(jìn)行了Clap式速滑冰刀模擬蹬冰過(guò)程的點(diǎn)位壓力變化實(shí)驗(yàn)[12]，通過(guò)驗(yàn)證滑行過(guò)程的支撐面積、壓力點(diǎn)的位置壓力變化的數(shù)據(jù)，在Clap式冰刀結(jié)構(gòu)技術(shù)正效應(yīng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了橋式雙托位支撐Clap式冰刀結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)。還有人探討了新型速滑冰刀墊片的功能及對(duì)冰刀整體性能的微調(diào)作用[13]，介紹了墊片的使用方法，指出了優(yōu)秀速滑運(yùn)動(dòng)員應(yīng)充分利用這一環(huán)節(jié)提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)。為了在蹬冰階段，足跟抬離足跟支點(diǎn)且通過(guò)前軸相對(duì)于刀管旋轉(zhuǎn)時(shí)，前軸旋轉(zhuǎn)允許腳折曲，而此時(shí)刀刃仍然充分接觸冰面，有人設(shè)計(jì)研制了一種雙鉸鏈跖屈型可彈式速滑冰刀[14]，主要是在可彈式冰刀前腳掌部位設(shè)一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的前軸。

2.3 跖屈型新冰刀研究情況

跖屈型新冰刀的實(shí)驗(yàn)室研究取得很大進(jìn)展，這種冰鞋將大大提高運(yùn)動(dòng)員的輸出功率，對(duì)今后的速滑運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。研究人員對(duì)原屈趾型速滑冰刀鞋（國(guó)家專利公開(kāi)號(hào)CN2659502，國(guó)家專利公開(kāi)日：2004年12月1日）的專利技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究[15]，針對(duì)老式速滑冰刀和Clap式速滑冰刀的結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了深入的探討和研究。認(rèn)為原屈趾型速滑冰刀在人體做跖屈蹬冰動(dòng)作時(shí)，人體的蹬冰力量比現(xiàn)有速滑冰刀的蹬冰力量要大，運(yùn)動(dòng)員在速度滑冰起跑時(shí)，腳的跖趾關(guān)節(jié)動(dòng)作符合人體運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)特征；認(rèn)為老式速滑冰刀限制了人體腳部踝關(guān)節(jié)和腳跖趾關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，雖然Clap式速滑冰刀解決了限制人體腳部踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，但是束縛人體腳的跖趾關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題始終沒(méi)有解決，國(guó)外文獻(xiàn)認(rèn)為[16]：在測(cè)試縱跳產(chǎn)生的總能量和動(dòng)能方面，跖屈鞋底比剛性鞋底大9 %，縱跳的能量上的變化反映到滑行結(jié)果，跖屈鞋底可能比當(dāng)前的Clap冰刀提高3%的滑行速度。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究人員對(duì)速滑運(yùn)動(dòng)員強(qiáng)化踝、跖趾關(guān)節(jié)肌群力量訓(xùn)練的器材與方法進(jìn)行了研究[17]，在沒(méi)有屈趾型速滑冰刀和冰鞋的出現(xiàn)時(shí)，跖趾關(guān)節(jié)的力量訓(xùn)練對(duì)Clap式速滑冰刀是沒(méi)有作用的，但是為屈趾型速滑冰刀的誕生提供了訓(xùn)練參考方法。

有關(guān)研究指出[18-22]，Clap冰刀的功效核心是以提高踝關(guān)節(jié)的靈活性來(lái)達(dá)到增大下肢各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)作用的目的，并在比較傳統(tǒng)冰刀和clap冰刀肌群工作特點(diǎn)后，提出Clap冰刀技術(shù)動(dòng)作的相關(guān)肌群強(qiáng)化訓(xùn)練重點(diǎn)。據(jù)此，研究人員對(duì)速滑運(yùn)動(dòng)員的陸地訓(xùn)練進(jìn)行了長(zhǎng)期的跟蹤研究。運(yùn)動(dòng)員的陸地滑跳訓(xùn)練、運(yùn)動(dòng)員的陸地橡皮筋彎道訓(xùn)練、運(yùn)動(dòng)員的陸地拉輪胎（人拉）訓(xùn)練等，觀察到運(yùn)動(dòng)員的腳部都是在做跖屈運(yùn)動(dòng)，有關(guān)研究人員和教練員針對(duì)專業(yè)速滑運(yùn)動(dòng)員和體校速滑運(yùn)動(dòng)員的跖屈運(yùn)動(dòng)時(shí)的力量進(jìn)行了測(cè)試，當(dāng)時(shí)的專業(yè)速滑運(yùn)動(dòng)員李雨的跖屈力量在300 kg以上、黑河體校速滑運(yùn)動(dòng)員的跖屈力量在150 kg以上。所以我們認(rèn)為速滑冰刀的結(jié)構(gòu)應(yīng)該有所改變，改變成符合人體運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)特征的速滑冰刀結(jié)構(gòu)，改變成符合陸地訓(xùn)練模式的速滑冰刀結(jié)構(gòu)。

2.4 屈趾型速滑冰刀的改進(jìn)

研究人員對(duì)原屈趾型速滑冰刀鞋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大膽的改造。對(duì)此，我們提出了把Clap式速滑冰刀的長(zhǎng)鉸鏈分節(jié)成三段，分別為短臂鉸鏈、鋼片軟橋、冰鞋跟座。冰鞋與冰刀底座固定板的安裝，通常用兩個(gè)螺釘直接固定在底座上，或者用傳統(tǒng)鉚釘方式固定。固定板利用兩點(diǎn)加固方法，將固定板牢牢固定在冰鞋和鉸鏈上。短臂鉸鏈可以解決限制人體腳部踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題；鋼片軟橋可以解決限制人體腳部跖趾關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題；冰鞋跟座可以解決與冰刀跟托恢復(fù)結(jié)合的問(wèn)題。短臂鉸鏈采用一定厚度的鋼板沖壓制成形，在短臂鉸鏈翼面（鉸鏈軸上方）的位置橫向轉(zhuǎn)兩個(gè)孔，為固定專用屈趾型速滑冰鞋；短臂鉸鏈的末端轉(zhuǎn)兩個(gè)小孔，用鉚釘把鋼片軟橋固定在一起；鋼片軟橋的末端轉(zhuǎn)個(gè)長(zhǎng)條孔，冰鞋跟座的上方開(kāi)有與鋼片軟橋等寬、等厚的槽，鋼片軟橋的末端臥在槽中，用螺栓與屈趾型速滑冰鞋連接在一起。

3 研究結(jié)果

圖1是短臂鉸鏈與鋼片軟橋的屈趾型速滑冰刀的結(jié)構(gòu)圖。鉸鏈托（1）、短臂鉸鏈（2）、復(fù)位扭簧（3）、鋼片軟橋（4）、冰鞋跟座（5）、冰刀跟托（6）。圖2是短臂鉸鏈結(jié)構(gòu)示意圖。短臂鉸鏈軸(2A)、短臂鉸鏈軸套(2B)、短臂鉸鏈翼面(2C)、與冰鞋連接的螺栓孔(2D)、與鋼片軟橋連接的鉚釘孔(2E)、與鉸鏈軸托固定的螺栓兩枚(2F)。在蹬冰階段，人體重心幾乎全部壓在鉸鏈點(diǎn)處，而且人體重心頻繁發(fā)生左右移動(dòng)，對(duì)鉸鏈點(diǎn)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生應(yīng)力損壞性影響。短臂鉸鏈結(jié)構(gòu)在一定程度上能夠加強(qiáng)鉸鏈點(diǎn)對(duì)應(yīng)負(fù)載能力。圖3是復(fù)位扭簧結(jié)構(gòu)示意圖。復(fù)位扭簧中段(3A)、左右扭簧孔圈(3B)、左右扭簧別柄(3C)。鉸鏈扭轉(zhuǎn)角度范圍一般在45°以內(nèi)，對(duì)應(yīng)彈簧的扭轉(zhuǎn)角度＜75°，扭轉(zhuǎn)力300N左右。為了使彈簧達(dá)到一定彈力，并且彈力會(huì)在使用期間內(nèi)不會(huì)因?yàn)檫^(guò)度疲勞而消失，要求所選取的彈簧預(yù)應(yīng)角度要適中。為此，對(duì)彈簧內(nèi)徑在設(shè)計(jì)上還需留有足夠冗余量。圖4是鋼片軟橋的結(jié)構(gòu)示意圖。與短臂鉸鏈固定連接的鉚釘孔(4A)、與冰鞋和冰鞋跟托螺栓連接的調(diào)整長(zhǎng)孔(4B)。鋼片軟橋本身具有彈性勢(shì)能儲(chǔ)備能力，在蹬冰階段對(duì)足底發(fā)力產(chǎn)生緩沖作用，同時(shí)為腳部跖趾關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)釋放一定自由度。圖5是冰鞋跟座的結(jié)構(gòu)示意圖。能臥鑲鋼片軟橋的淺槽(5A)、與鋼片軟橋末端長(zhǎng)條孔相對(duì)應(yīng)的倒T字形長(zhǎng)條孔(5B)用來(lái)固定冰鞋后跟、冰鞋跟座的底部開(kāi)有冰刀跟托槽(5C)用于和冰刀跟托的歸位連接。

圖1 短臂鉸鏈與鋼片軟橋的屈趾型速滑冰刀的結(jié)構(gòu)Figure 1 Speed skate blade adapter structure of plantar flexion type with short arm hinge and elastic steel bridge

圖2 短臂鉸鏈結(jié)構(gòu)Figure 2 Structure of the short arm hinge

圖3 復(fù)位扭簧結(jié)構(gòu)Figure 3 Structure of the reset torsion spring

圖4 鋼片軟橋的結(jié)構(gòu)Figure 4 Structure of the elastic steel bridge

圖5 冰鞋跟座的結(jié)構(gòu)Figure 5 Structure of the skate heel seat

4 結(jié)論

研究認(rèn)為短臂鉸鏈與鋼片軟橋的屈趾型速滑冰刀的結(jié)構(gòu)可以帶來(lái)如下好處和有益效果。

1.短臂鉸鏈與鋼片軟橋的屈趾型速滑冰刀的結(jié)構(gòu)，符合人體腳部跖趾關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的生理習(xí)慣，如同人們?cè)谧摺⑴堋⑻幕顒?dòng)中，人體腳部的跖趾關(guān)節(jié)會(huì)發(fā)生生理性的跖屈。

2.短臂鉸鏈與鋼片軟橋的屈趾型速滑冰刀的結(jié)構(gòu)，符合常見(jiàn)的速滑運(yùn)動(dòng)員陸地模仿動(dòng)作腳部的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練方式，如運(yùn)動(dòng)員的跑、跳運(yùn)動(dòng)一樣趾跖關(guān)節(jié)參與運(yùn)動(dòng)。

3.短臂鉸鏈與鋼片軟橋的屈趾型速滑冰刀的結(jié)構(gòu)，解決了原屈趾型速滑冰刀鞋和Clap式速滑冰刀的縱向螺栓固定模式，采用了冰鞋的三角形固定模式，或者是冰鞋的跖趾關(guān)節(jié)處橫向2個(gè)螺栓和冰鞋后跟1個(gè)螺栓固定形式（三角形固定模式），使冰刀與冰鞋的固定更加牢靠。

4.短臂鉸鏈與鋼片軟橋的屈趾型速滑冰刀的結(jié)構(gòu)，解決了跖屈冰鞋的彎曲剛性鉸鏈達(dá)不到性能，鋼片軟橋的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)可以隨著跖屈冰鞋的彎曲鋼片軟橋會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。

5.短臂鉸鏈與鋼片軟橋的軟鉸鏈體和跖趾關(guān)節(jié)處可彎曲軟冰鞋的誕生，將有可能大幅度提高速滑成績(jī)，尤其是長(zhǎng)距離速滑成績(jī)。

6.短臂鉸鏈與鋼片軟橋是解決新式屈趾型速滑冰刀的關(guān)鍵，仿造只能始終落后與他人，創(chuàng)新才能趕上和超越。

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中圖分類(lèi)號(hào)：G807.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002–3488（2015）03–0086–06

收稿日期：2015–01–11；修回日期：2015–02–09

第一作者簡(jiǎn)介：劉晉（1981–），男，黑龍江哈爾濱人，講師，研究方向?yàn)轶w育教學(xué)與訓(xùn)練。

Speed Skate Blade Adapter of Plantar Flexion Type with
Short Arm Hinge and Elastic Steel Bridge

LIU Jin1， ZHANG Sen2， LIU Gui-bao2

（1.Heilongjiang Institute of Technology， Harbin 150005， China； 2.Heilongjiang Research Institute of Sports Science，Harbin 150008， China）

Abstract：Objective， in order to advance Chinese speed skaters to get new breakthroughs in future winter Olympics， the paper puts forward a new speed skate blade adapter. Methods and content，with the methods of literature information， contrast and experiment analysis， it analyzes the Clap skate’s structure and shortage， discusses the related research progress of speed skate structure，and basing on the development of speed skate of plantar flexion type， it presents a improvement for the plantar flexion skate. Results， by contrasting some domestic and overseas research findings from the viewpoints of structural mechanics and biomechanics， it develops a speed skate blade adapter of plantar flexion type with short arm hinge and elastic steel bridge， which adapter being as far as possible in accordance with the features of speed skate structure and human body biomechanics. Conclusion， the new skate adapter will be possible to improve the speed skaters’ performance by helping to the metatarsophalangeal joint bring its physiological function， and making the fixation between the blade and shoe more firmly.

Key words：short arm hinge； elastic steel bridge； speed skate blade of plantar flexion type；adapter