競技體操中力學原理的探討①

王夢囡（廣州體育學院研究生部　廣東廣州　510000）

競技體操中力學原理的探討①

王夢囡
（廣州體育學院研究生部廣東廣州510000）

摘 要：近幾年體操技術迅猛發展，掌握新難動作以及對一般動作的精細推敲，是取得優異成績的重要途徑。而無論是創新還是精細推敲都必須從力學原理中尋找依據。隨著體操力學的發展，將會更加有效地促進體操運動的進步。根據競技體操的特點和動作技術原理，該文旨在介紹力學原理在體操運動中運用的實際情況，力求尋找較為合理的學習體操動作和創新體操動作的道路。運用力學原理對體操動作的受力進行分析，試圖為體操技術創新和教學提供一點參考價值。

關鍵詞：競技體操動作分析力學原理創新

在人們將科學定理以阿基米德、牛頓、開普勒來命名時，同樣體操界也延續了這一傳統。于是乎，外界對冢原空翻、特卡切夫騰越、李寧吊環、程菲跳、托馬斯全旋皆耳聞則誦。任何一項體育運動都沒有這么長的清單，就連簡單的跳馬的標準動作就有100多個。競技體操高度地彰顯出了人類的智慧、靈活和力量，展示了人征服和支配自然的創造力。這一切都必須以科學為依據。

1　研究對象和方法

1.1研究對象

人體完成體操動作時的運動及體操動作。

1.2研究方法

主要采用文獻資料法、錄像觀察法、理論分析法等方法進行研究。

2　結果分析

體操正式成為比賽項目是在1896年的首屆奧運會上。體操出現早期水平低，界定模糊，缺乏客觀依據的評判，存在曖昧而含混的“印象分”標準，到1954年才首次將體操動作分成A、B、C三個難度等級，并賦予確定分值。D組難度在1985年增設，之后增設了E組、超E組，不過仍然無法趕上動作難度日趨變化的速度。如今F組和G組甚至是H組、I組已經納入了很多高難動作。國際體操聯盟1997年決定將比賽中的規定動作取消，提供更多的機會讓運動員展示高超的水平。取消規定動作和單項錦標賽大大促進了運動員進行自選動作。與此同時增大了加分，對動作難度的要求也就更高了，這就是運動員不得不加大動作難度的原因。雖然存在花樣百出的套路，不過從力學的角度進行剖析，則能將繁瑣的令人眼花繚亂的動作變簡單，還能找出其中的規律所在。

2.1體操動作分析

2.1.1屈伸動作分析

屈伸類動作是競技體操項目上的簡單動作，沒有難度價值，只是作為成套動作之間的連接動作。目前經常使用的有屈伸起換握、跳換、跳轉和反握屈伸上。

這類動作主要的技術原理是通過軀干的屈伸及屈伸后的制動，使人體獲得動量和運動速度，并通過合理地調配，完成動作。屈伸懸垂時身體要緊，重心盡量遠離握點，在懸垂后擺中，沿前上方伸髖、制動、壓臂并扣腕上成支撐。掌握好屈伸時間、方向及有力的制動是完成動作的關鍵。

2.1.2鞭打動作分析

在單杠的下法及擺越動作中，為了獲得較高的騰空高度，廣泛采用了“鞭打”的技術。“鞭打”的作用主要有兩個：一個是加快遠端環節的擺動；二是加大單杠的彈性變形，在恢復變形時，使身體得到更大的上升力。對于加快擺動是容易理解的，在杠下垂直部位后，提高踢腿的速度，因而可以加大角速度，加快擺動。腿的擺動角速度等于軀干角速度加上屈髖的角速度。正是由于鞭打中兩腿對身體產生較大的相對角速度，使兩腿產生很大的向下的慣性離心力，通過身體傳至單杠，引起單杠急劇下沉變形，在恢復變形時身體便得到較大的上升力。

2.1.3起跳和推手動作分析

起跳和推手后要求身體重心具有足夠的水平速度和垂直速度，并且身體進入騰空后要有足夠的翻轉能量。這三個指標就是起跳和推手技術好壞的標準。在獲得垂直速度過程中，水平速度起著重要的作用，一方面要求水平速度要大些，另一方面制動性的推手和起跳又耗損一部分水平速度。同樣，翻轉速度又與水平速度有著密切的聯系。水平速度越高，翻轉速度也越高。顯然，獲得最高的垂直速度并同時獲得最高的翻轉速度，二者之間是有矛盾的。一方面有所得，在另一方面就要有所失。應根據個人的不同時期的不同特點，選擇技術上的主要矛盾，并且選擇各因素的最佳值，以此來進行教學和訓練

2.1.4再握動作分析

單杠和高低杠難度發展的重要方向就是騰空“再握”接動作。這類動作的特點就是，在支撐過程中，要獲得一個適宜的水平速度，適宜的水平速度（有的動作要有較高的垂直速度）和適宜的轉動速度。這三個速度過大和不足都是造成動作失敗的原因。例如單杠的騰越再握，必須使身體重心的拋物線通過最佳再握點，才比較有把握成功。在分析具體動作時，應首先確定某運動員的最佳再握點范圍，然后再分析運動員騰空拋物線是否恰當，從而才可能去研究脫手動作技術的合理性。動作是否能完成，關鍵技術是脫手時機及重心拋物線的軌跡是否妥當。因此，確定最佳再握點的范圍并不是目的，而目的是解決關鍵技術。使動作完成的高、飄、美、穩。

2.1.5旋轉類動作分析

雖然人和別的非生命體有區別，不過不影響其簡化為多剛體系統的力學模型。沿著有支撐點的實體軸轉動是體操中常見的一種旋轉，其中實體軸也包括單杠、雙杠、高低杠等，而支撐點就是運動員懸垂擺動及回環動作中的握杠點。

有支撐點無實體軸的轉動包括平衡木的720度吸腿轉體、1080度立轉和自由體操等，踮起腳尖是為了減小支撐面產生的摩擦力矩。在體操動作中也運用這種方法，例如在技巧中空翻轉體，可在起跳的一剎那，外力矩的沖量以兩腳為支點獲得，讓頭和肩及軀干等遠端環節產生很大的轉體動量矩。如跳馬手翻接空翻轉體的動作，可在推手時，用兩手來支撐，形成外力矩，轉體動量矩從兩腳開始獲得，通常在支撐階段，遠側端身體部分大約可以扭轉90°。這樣的扭轉就要求肌肉完成很多工作，有時還會給充分有力的“蹬”和“推”帶來不利的影響。所以，在支撐階段獲取轉體動力的同時，可能

會使空翻速度和重心騰起的高度降低。與空翻速度和騰空高度相矛盾，則不可以通過支撐來獲得轉體動力，而是在空中獲得轉體動力。

人體在空中沿著自身左右方向的“踺子”，沿著豎直方向的旋轉和沿著前后方向的“筋斗”，則圍繞著三維坐標中三條非實體軸線，以身體的質心為原點。所有復雜的機械運動都能夠分解成獨立的轉動和平動，且不相互影響和干擾，它們之間只有疊加和合成的關系。稍微注意就可以發覺，一個720°的“筋斗”要在空中實現，運動員的身體須“抱成一團”，因為高速的轉動很難在筆直的姿勢下完成，這也形象地演示了角動量守恒定律。轉動慣量和角速度的乘積就是任何一個旋轉物體的角動量，轉動物體的慣性就是轉動慣量，其與質量是正比例關系，和離開轉動軸垂直距離的平方成正比。體操運動員“直體”的質量分布離轉動軸最遠，因此轉動慣量是最大的；“屈體”是通過上下肢折疊，使身體質量分布與旋轉軸更接近，從而減小轉動慣量；“團身”是將肢體緊緊疊成三折，使身體質量最大限度地靠攏轉軸，達到轉動慣量最小。利用轉動慣量的可變性，運動員通過身體姿勢及旋轉軸的改變來對動作進行控制。這也是落地前要立刻“打開”身體，利用轉動慣量的增加來“剎住”旋轉的原因。

2.2人體運動形態分析

2.2.1人體的平動

人體的平動是指人體在運動時身體內所有的直線始終保持與自身平行。體操動作中，整個人體做平動的情況是很少見的，但是某些環節在某些場合下卻要做平動。例如，雙杠后空翻成手倒立支撐前擺中，在踢腿后的制動腿時，兩腿就在一定時間內做平動。體操運動中一直經常提到的“制動”就是指處于平動狀態，而不是不動。在雙杠掛臂前擺上的動作中，在掛臂撐轉向支撐的過度階段，上體也是處于平動狀態。在許多動作中即使表現不出明顯的平動形式，但是仔細分析后，便會發現它也包含有平動的因素

2.2.2人體的相向運動

在空中，由于群肌的收縮使身體兩部分同時接近的運動，就叫相向運動。在體操動作中主要是指髖關節屈或伸時，軀干與下肢同時向相接近的方向運動的情況。這時相向運動有時是有害的，有時是有利的。因此，應研究它的產生條件，以便根據需要克服它或加強它。

體操動作中，絕大多數情況下應克服相向運動，所以了解產生相向運動的條件是十分重要的。我們知道上體的重力矩和轉動慣量都大于下肢。當通過低頭、含胸收腹、把兩臂放于腹側時可以把上體的重力矩減少并把轉動慣量減少，這可以提高上體的角加速度和運動幅度，這時，便容易出現上體和下肢同時相接近的運動。如果把兩臂上舉，梗頭固定軀干時，便能最大限度地增大上體的重力和轉動慣量，這時上體角加速度就降低，就可以克服相向運動。重力矩和肌肉拉力矩同方向時，重力矩就不是阻力矩了，而改變了動力矩。因此，應減少還是增加重力矩還是要根據具體的姿勢具體分析，不能一概而論。

2.3體操中落地原理分析

落地的穩定性是體操動作中的重要課題。隨著多周多轉的各種復雜動作的出現，落地時重心向下和向前的沖擊力量加大，而且落地時除了有繞身體橫軸的翻轉速度之外，還可能有繞身體的縱軸的翻轉。這就要求落地時，要緩沖重心的垂速度和水平速度，要緩沖掉各種翻轉速度，使身體重心保持在雙腳支撐面上方穩定落地。通過復雜而高速的空中運動后，在0.1 s間落地并完全靜止，此時因翻轉和重力產生的沖擊力大于運動員自身10倍的體重，要想穩穩地落地，合外力矩的能量必須要比腳的最大恢復能量小。好的動作“騰空高，落地近”，使弧度保持較大，把兩只腳落在身體重心速度的延長線上面，要是在展體過程中沒有“消耗”完旋轉的角動量，那么落地后會繼續作用，從而導致身體失衡。尤其重要的是，人體落地承受的“沖量”等于時間和力的乘積，所以要減少沖擊力就只能使作用時間延長。除墊子使用外，前掌著地后快速過渡到全腳掌，且按照正確順序使髖、膝、踝關節作急劇的退讓性收縮，這種“緩沖”動作能使腳與地面的作用時間有效延長。運動員“下法動作”的最高境界就是所謂的“旋轉如風，落地如釘”。

3　結語

（1）體操新的動作技術會不斷更新，使之更加科學，從而達到理想的程度。新的編排、新的連接也是技術發展的必然。因此體操的發展更鐘情于科學。

（2）競技體操動作創新要依據力學，不違背科學原理。在實踐中應根據具體情況，確定影響運動技術提高的主要矛盾，辯證地處理了這個矛盾。

（3）分析動作時要搞清普遍性與特殊性的關系，注意找到不足之處。不應把錯誤之處誤以為個人動作的特殊性。反過來，也不應該把正確的個人技術誤以為是錯誤技術。

（4）在分析動作時，要抓住動力和阻力這一對矛盾進行研究。

參考文獻

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作者簡介：①王夢囡（1990，12—），女，河南商丘人，廣州體育學院研究生部在讀碩士，研究方向：體育教育訓練學。

中圖分類號：G80

文獻標識碼：A

文章編號：2095-2813（2015）02（a）-0255-02