短道速滑奧運(yùn)冠軍武大靖500 m入彎道技戰(zhàn)術(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

王 帥，周繼和

短跑道速度滑冰(簡(jiǎn)稱“短道速滑”)是冬季奧運(yùn)會(huì)項(xiàng)目，其比賽通常是在橢圓形的室內(nèi)冰場(chǎng)上進(jìn)行，跑道的周長為111.12 m，其中直道長度為28.85 m，彎道為180°的圓弧，半徑為8 m。彎道技戰(zhàn)術(shù)是短道速滑的最重要的動(dòng)作之一，在全過程比賽中起著至關(guān)重要的作用。文獻(xiàn)資料表明，優(yōu)秀短道速滑運(yùn)動(dòng)員的單圈平均滑行速度在13 m/s以上，且彎道平均速度均要大于直道[1]。良好的彎道技戰(zhàn)術(shù)是提高運(yùn)動(dòng)員成績(jī)的關(guān)鍵因素。入彎道技戰(zhàn)術(shù)是直道與彎道行進(jìn)的銜接，與直道技術(shù)相比，因?yàn)橐朔梭w向前做直線運(yùn)動(dòng)的慣性——離心力，入彎道技戰(zhàn)術(shù)具有明顯的特點(diǎn)。在彎道段的滑行過程中，運(yùn)動(dòng)員身體采取深蹲姿勢(shì)并向左前方傾斜，左手觸摸冰面維持平衡，左右腿交替向右側(cè)蹬冰，以保證為滑行提供向心力并緊貼弧線標(biāo)志物滑行[2]。

目前國內(nèi)外彎道技戰(zhàn)術(shù)的研究多是理論分析[9-12]，速度滑冰項(xiàng)目(彎道半徑為25 m)分析較多[13-14]，在短道速滑項(xiàng)目中，針對(duì)女運(yùn)動(dòng)員的分析較多，且大部分是針對(duì)于起跑和直道技術(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[9-10]，較少對(duì)男子短道速滑運(yùn)動(dòng)員彎道滑行技戰(zhàn)術(shù)進(jìn)行定量分析。武大靖是2018年平昌冬奧會(huì)短道速滑男子500 m冠軍，世界紀(jì)錄、奧運(yùn)會(huì)紀(jì)錄保持者，為了對(duì)短道速滑入彎道技戰(zhàn)術(shù)有更深刻的了解，我們?cè)?017/18國際滑聯(lián)短道速滑世界杯上海站的比賽現(xiàn)場(chǎng)對(duì)男子500 m決賽進(jìn)行定點(diǎn)定機(jī)拍攝，運(yùn)用三維錄像解析系統(tǒng)對(duì)該場(chǎng)比賽冠軍武大靖彎道技戰(zhàn)術(shù)進(jìn)行錄像解析，以期深入研究短道速滑彎道滑行動(dòng)作技戰(zhàn)術(shù)特點(diǎn)，為指導(dǎo)技戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練提供幫助。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

本文的研究對(duì)象為武大靖，2017/18國際滑聯(lián)短道速滑世界杯上海站男子500 m冠軍，比賽成績(jī)?yōu)?0.010 s。

1.2 研究方法

本文主要采用三維錄像解析法。在2017/18國際滑聯(lián)短道速滑世界杯上海站的比賽現(xiàn)場(chǎng)，使用2臺(tái)JVC GC-PX10AC攝像機(jī)(拍攝頻率為50幀/秒)對(duì)男子500 m決賽進(jìn)行定點(diǎn)定機(jī)拍攝，兩臺(tái)攝像機(jī)主光軸夾角約60°。運(yùn)用3-D Signal TEC V1.0C三維錄像解析系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的單圈用時(shí)最少(8.18 s)的一次彎道技戰(zhàn)術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。選擇日本松井秀治M(Male)模型(21個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)，16個(gè)環(huán)節(jié))，在比賽現(xiàn)場(chǎng)使用星高鈦(型號(hào)：081103)24點(diǎn)星型輻射框架進(jìn)行空間標(biāo)定，通過直接線性變換(Direct Linear Transformation，DLT)建立像點(diǎn)坐標(biāo)與物點(diǎn)空間坐標(biāo)關(guān)系式，解析過程中采用逐幅解析，原始數(shù)據(jù)經(jīng)低通濾波器平滑處理，截?cái)囝l率為8 Hz。

圖1 武大靖彎道技術(shù)解析棍Figure 1 Stick figure of Wu Dajing's curve technique

2 研究結(jié)果與分析

2.1 彎道滑行技術(shù)時(shí)刻階段劃分

短道速滑彎道滑行技術(shù)的主要目的是采用合理的身體姿勢(shì)，加速對(duì)抗離心力，以最短的時(shí)間通過彎道。彎道滑行身體姿勢(shì)在很大程度上決定了空氣阻力的大小和蹬冰力量、速度、時(shí)間等因素。短道速滑一個(gè)完整的復(fù)步包括2個(gè)滑步，每個(gè)滑步又包含了單支撐和雙支撐兩個(gè)不同的時(shí)期。為方便對(duì)彎道技術(shù)進(jìn)行描述，我們將一個(gè)復(fù)步動(dòng)作劃分為5個(gè)時(shí)刻，4個(gè)階段，分別為：

5個(gè)時(shí)刻：

T1：左腿冰刀離開冰面時(shí)刻； T2：左腿冰刀著冰時(shí)刻；

T3：右腿冰刀離開冰面時(shí)刻； T4：右腿冰刀著冰時(shí)刻；

T5：左腿冰刀再次離開冰面時(shí)刻。

圖2 動(dòng)作時(shí)刻階段劃分示意Figure 2 Schematic diagram of division of the action

4個(gè)階段：

T1—T2：右腿單支撐階段；T2—T3：第一次雙支撐階段；

T3—T4：左腿單支撐階段；T4—T5：第二次雙支撐階段。

2.2 滑行軌跡及入彎半徑分析

速度滑冰與短道速滑同屬體能主導(dǎo)類競(jìng)速性項(xiàng)目，速度滑冰(C=400 m，LS=111.98 m，RI=25 m，RO=30 m)男子500 m世界紀(jì)錄為33.980 s，而短道速滑(C=111.12 m，LS=28.85 m，R=8 m)500 m世界紀(jì)錄為武大靖創(chuàng)造的39.584 s，對(duì)比來看，短道速滑運(yùn)動(dòng)員的滑行平均速度比速度滑冰要小，短道速滑比賽直道距離短、彎道半徑小，運(yùn)動(dòng)員并不能夠以自己極限速度滑行。短道速滑也屬于同場(chǎng)競(jìng)技項(xiàng)群(同跑道競(jìng)速項(xiàng)目)，因此除了運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作外，戰(zhàn)術(shù)決策極為重要，表現(xiàn)為復(fù)雜多變。

圖3 短道速滑運(yùn)動(dòng)員滑行軌跡示意Figure 3 Schematic diagram of the short track speed skater's taxiing track

在短道速滑500 m比賽中，運(yùn)動(dòng)員選擇快速起跑策略，且起跑階段的排名與最終排名(運(yùn)動(dòng)成績(jī))有很大的相關(guān)性(lap.1：r=0.59)[3]。從滑行軌跡看，運(yùn)動(dòng)員并未緊貼賽道，通常采用大于場(chǎng)地半徑的滑行方式(如圖3所示)。入彎時(shí)刻武大靖與彎道標(biāo)志物的距離為3.41 m，即入彎半徑為11.41 m。較大的入彎半徑雖增加了運(yùn)動(dòng)員的實(shí)際滑行路程，但是能夠相對(duì)保證運(yùn)動(dòng)員的高速滑行，優(yōu)秀短道速滑運(yùn)動(dòng)員單圈滑行路程為115～117 m[1]。

2.3 入彎道滑行內(nèi)傾角的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

由于鋼與冰之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)μ=0.014，最大靜摩擦系數(shù)μ0為0.027[4]。運(yùn)動(dòng)員在彎道上以速度v滑行時(shí)，不發(fā)生側(cè)向滑動(dòng)的條件是冰刀與冰面的摩擦力與向心力的關(guān)系應(yīng)滿足μ0mg≥mv2/R[4]，以武大靖在此次比賽中平均滑行速度12.49 m/s、入彎半徑為11.41 m來計(jì)算，μ0≥1.36，這個(gè)值顯著大于鋼與冰的最大靜摩擦系數(shù)0.027，僅靠冰刀與冰面的摩擦不能保證運(yùn)動(dòng)員在彎道快速滑行。而由于μ0=tanθ(θ為摩擦角，即冰刀與鉛垂面的夾角)，由此θ≥53°，也就是說冰刀與冰面的夾角φ≤37°。因此運(yùn)動(dòng)員在進(jìn)入彎道后為對(duì)抗離心力，身體必須內(nèi)傾，這也增加了短道速滑項(xiàng)目的可觀賞性。內(nèi)傾角為重心和踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心的連線與冰面之間的夾角，這一指標(biāo)反映了運(yùn)動(dòng)員在滑行過程中身體傾斜的情況。武大靖在內(nèi)傾角為39.85°時(shí)需借助戴有防護(hù)手套的左手觸摸冰面，借此增大人體穩(wěn)定性并保持身體平衡，隨著入彎過程的繼續(xù)，內(nèi)傾角逐漸降低，武大靖的最小內(nèi)傾角為25.84°，說明其具有良好的內(nèi)傾及平衡能力。

2.4 入彎道滑行軀干角的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

運(yùn)動(dòng)員滑跑時(shí)身后出現(xiàn)空氣旋渦(低壓區(qū))，身體前后的壓力差不相等形成形狀阻力，選擇合理的流線型滑跑姿勢(shì)尤為重要[5]。根據(jù)公式F=1/2 cρsv2(c為空氣阻力系數(shù)，ρ為空氣密度，v為滑跑速度，s為迎風(fēng)面積)，形狀阻力與迎風(fēng)面積成正比。軀干角對(duì)滑跑時(shí)空氣與運(yùn)動(dòng)員的正面接觸面積的大小起著決定性作用[5]。

表1 武大靖不同時(shí)刻軀干角參數(shù)(°)Table 1 Torso angle of Wu Dajing at different moments(°)

左右腿的交替蹬冰使得軀干角有小幅度變化，但在一個(gè)復(fù)步過程中變化并不明顯，在單支撐階段主要是滑行，而雙支撐階段下肢進(jìn)行蹬伸，具體表現(xiàn)為單支撐階段上體姿勢(shì)較低，雙支撐階段上體姿勢(shì)較高。武大靖在5個(gè)時(shí)刻的軀干角分別為21.6°、24.6°、22.1°、23.7°、24.9°。 和文獻(xiàn)中優(yōu)秀女子短道速滑運(yùn)動(dòng)員的彎道滑行軀干角25.50±2.54°相比[5]，武大靖的入彎道滑行軀干角較為合理。而優(yōu)秀速滑運(yùn)動(dòng)員的軀干角均值為14.53°[5]，也有研究表明軀干角大于15°以后，空氣阻力成線性增長[13]，武大靖在比賽中滑行速度快，一直處于領(lǐng)滑狀態(tài)，適當(dāng)降低軀干是減小空氣阻力、節(jié)約體能消耗的有效方法。

2.5 入彎道滑行髖膝關(guān)節(jié)角度、滑行速度的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.5.1 髖膝關(guān)節(jié)角度分析

圖4 運(yùn)動(dòng)員左、右膝關(guān)節(jié)角度曲線圖Figure 4 Curve of athlete's left and right knee joint angle

表2 不同時(shí)刻階段髖、膝關(guān)節(jié)角度(°)Table 2 Hip and knee joint angles at different moments(°)

在運(yùn)動(dòng)員滑行過程中，左右腿進(jìn)行交替蹬冰，武大靖左髖關(guān)節(jié)角度的最小值出現(xiàn)在左腿冰刀著冰時(shí)刻(T2)，右髖關(guān)節(jié)角度的最小值出現(xiàn)在右腿冰刀著冰時(shí)刻(T4)(見表2)；由此可見，為了減小空氣阻力，著冰時(shí)刻武大靖髖關(guān)節(jié)角度較小(軀干角較小)。對(duì)于髖關(guān)節(jié)角度隨時(shí)間變化的曲線而言，有研究表明不同運(yùn)動(dòng)員間存在個(gè)體差異性[5]。膝關(guān)節(jié)角度能夠反映運(yùn)動(dòng)員的支撐實(shí)效和蹬伸狀況，有研究認(rèn)為滑行中應(yīng)盡量減小膝關(guān)節(jié)角度，以減小空氣阻力[5]，但是運(yùn)動(dòng)員保持低姿勢(shì)滑行的過程中，蹬冰腿膝關(guān)節(jié)向右蹬伸是蹬冰力量的主要來源，減小膝關(guān)節(jié)角度會(huì)降低蹬冰效果，影響滑行速度。由圖4可知，在滑行過程中，武大靖的左右膝關(guān)節(jié)并未蹬伸完全，主要由于有意識(shí)地加快蹬冰頻率，變換上下肢位置以維持平衡。右腿單支撐階段，由于左腿向前提拉，左膝關(guān)節(jié)角度先減小后增加，右膝關(guān)節(jié)角度無明顯變化；左腿單支撐階段，左膝關(guān)節(jié)角度無明顯變化，支撐腿的膝關(guān)節(jié)角度在單支撐階段，變化較小，膝關(guān)節(jié)角度在120°～140°之間可發(fā)揮最大力量[6]，因此，武大靖的單支撐階段膝關(guān)節(jié)角度合理。從右腳單支撐過渡到第一次雙支撐階段，左右膝關(guān)節(jié)角度均增大，說明雙腿均有蹬冰動(dòng)作，其中左膝關(guān)節(jié)的蹬伸幅度為44.7°，右膝關(guān)節(jié)的蹬伸幅度為40.0°；從左腳單支撐過渡到第二次雙支撐階段，左膝關(guān)節(jié)角度無明顯變化；在第二次雙支撐階段，左膝關(guān)節(jié)角度雖有增加，但幅度不大，右膝關(guān)節(jié)角度減小為下一個(gè)單支撐階段做準(zhǔn)備。

2.5.2 滑行速度分析

表3 武大靖不同時(shí)刻、階段速度(m/s)Table 3 Speed of different moments and stages of Wu Dajing(m/s)

由表3可知，武大靖在5個(gè)時(shí)刻的速度分別為13.41 m/s、 12.64 m/s、13.75 m/s 、13.04 m/s、14.01 m/s；四個(gè)階段的速度變化量為-0.77 m/s、1.11 m/s、 -0.71 m/s、0.97 m/s，平 均速 度為12.71 m/s、13.24 m/s、13.22 m/s、13.64 m/s，單支撐階段的平均速度小于雙支撐階段。有研究認(rèn)為雙支撐階段冰刀與冰面的摩擦面積增大，從而增大了滑行的摩擦阻力，使得單支撐階段的平均速度大于雙支撐階段的速度[5]，這種觀點(diǎn)有待商榷；另一研究表明國外運(yùn)動(dòng)員雙支撐階段速度大于單支撐速度[7]，本研究結(jié)果與此相符。在單支撐階段運(yùn)動(dòng)員速度下降，雙支撐階段速度增加。

2.6 入彎道滑行蹬冰角度、重心高度與滑跑時(shí)間分析

表4 不同時(shí)刻階段蹬冰角與時(shí)間參數(shù)Table 4 Ice pedal angle and time parameters at different moments and stages

彎道技術(shù)的關(guān)鍵在于運(yùn)動(dòng)員能夠利用最大可控速度身體內(nèi)傾，抵抗離心作用保持人體相對(duì)穩(wěn)定，提高蹬冰效率，保證高速滑行。蹬冰角指蹬冰腿的小腿(即膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心和踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心的連線)與冰面的夾角，該指標(biāo)可以直觀的反映運(yùn)動(dòng)員腿部的姿勢(shì)位置以及蹬冰效果[7]。由表4可知，運(yùn)動(dòng)員在5個(gè)時(shí)刻左腿的蹬冰角分別為23.8°、24.3°、23.5°、22.9°、24.3°；右腿的蹬冰角為 37.6°、33.6°、35.0°、42.2°、40.3°，右腿的蹬冰角度均大于左腿，這是因?yàn)槿梭w內(nèi)傾，身體重心落在左腿上，右腿為外側(cè)腿，為了加快蹬冰頻率，右腿的蹬冰動(dòng)作不充分；且左腿的最小蹬冰角度出現(xiàn)在左腿單支撐階段結(jié)束即右腿冰刀著冰時(shí)刻(T4)，右腿最小蹬冰角度出現(xiàn)在右腿單支撐階段結(jié)束即左腿冰刀著冰時(shí)刻(T2)；在單支撐階段，隨著滑行過程的進(jìn)行，支撐腿蹬冰角隨之減小，而進(jìn)入雙支撐階段后，支撐腿異側(cè)腿進(jìn)行蹬冰，蹬冰角減小，而支撐腿的蹬冰角增大，更好的為下一次單支撐階段做準(zhǔn)備，保證較高的蹬冰頻率。

由表4及圖5可知，運(yùn)動(dòng)員在5個(gè)時(shí)刻重心高度分別為0.74 m、0.66 m、0.58 m、0.52 m、0.44 m；在進(jìn)入彎道之后身體重心高度不斷下降，說明武大靖有較好的抵抗離心力的調(diào)控能力。四個(gè)階段的時(shí)間分別為 0.36 s、0.22 s、0.28 s、0.26 s；文獻(xiàn)資料表明，一次單步的支撐時(shí)間相對(duì)的減少會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)成績(jī)的提升更加有利，同時(shí)雙支撐階段的時(shí)間小于單支撐階段的時(shí)間[8]，本研究結(jié)果與此相符。右單支撐階段用時(shí)長于左單支撐階段，主要原因是彎道滑行右腿為外側(cè)腿，滑行路線略長于內(nèi)側(cè)腿(左腿)[8]且右腿控制平衡能力差(傾倒力矩大)；其中第一次雙支撐階段(剛進(jìn)入彎道)用時(shí)最短，而在此階段左右膝關(guān)節(jié)角度均增大，左膝關(guān)節(jié)的蹬伸幅度為44.7°，右膝關(guān)節(jié)的蹬伸幅度為40.0°，說明武大靖膝關(guān)節(jié)蹬伸快速有力，有利于滑行速度的增加。

圖5 重心高度曲線Figure 5 Curve of the height of center of gravity

3 結(jié)論

通過對(duì)武大靖入彎道一個(gè)復(fù)步的滑行動(dòng)作技戰(zhàn)術(shù)進(jìn)行分析，我們得出以下結(jié)論：

(1)運(yùn)動(dòng)員在彎道滑行過程中并未緊貼賽道，而是采取大于場(chǎng)地半徑的滑行方式，武大靖的入彎半徑為11.41 m，因此實(shí)際滑行距離要大于比賽規(guī)定距離；

(2)在進(jìn)入彎道后運(yùn)動(dòng)員身體必須內(nèi)傾，武大靖在內(nèi)傾角為39.85°時(shí)借助戴有防護(hù)手套的左手觸摸冰面，借此增大人體穩(wěn)定性并保持身體平衡，最小內(nèi)傾角為25.84°，說明他有良好的身體內(nèi)傾及平衡能力；

(3)武大靖左右腿的交替蹬冰使得軀干角有小幅度變化，與優(yōu)秀女子短道速滑運(yùn)動(dòng)員相比武大靖軀干角較為合理；因其在比賽中一直處于領(lǐng)滑狀態(tài)，適當(dāng)降低軀干是減小空氣阻力、節(jié)約體能消耗的有效方法；

(4)腿著冰時(shí)刻武大靖髖關(guān)節(jié)角度較小(軀干角較小)；彎道滑行的雙支撐階段速度增加，單支撐階段速度降低，與國內(nèi)外優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員滑行模式相符；

(5)武大靖最小蹬冰角度出現(xiàn)在單支撐階段結(jié)束時(shí)刻，進(jìn)入雙支撐階段后支撐腿的蹬冰角增大；入彎道至弧頂重心高度不斷下降；雙支撐階段的時(shí)間小于單支撐階段的時(shí)間，右單支撐階段用時(shí)長于左單支撐階段。

綜上所述，武大靖應(yīng)適當(dāng)再降低軀干以減小空氣阻力，進(jìn)而完善技術(shù)動(dòng)作。