鉛球“滑步”與“旋轉”最后技術的生物力學分析

尹華跟，張葆欣,黃 藝，劉 娜，劉 剛，童立濤，陳 夏

(1.上饒師范學院體育學院，江西 上饒 334001；2.西安體育學院健康科學系，陜西 西安 710068；3.貴州健康職業學院人文基礎部，貴州 銅仁 554300；4.云南民族大學中印瑜伽學院，云南 昆明 650500)

推鉛球是一個以力量為基礎、速度為核心、技術為載體的體能主導類快速力量型運動項目。發展至今，背向滑步式與旋轉式推鉛球技術已然成為當今時代的主流技術。目前，該項目世界紀錄是由美國著名鉛球運動員巴恩斯在1990年采用旋轉式技術推出的23.12 m。至此，該項技術逐漸被歐美各國選手采納，并運用于近幾屆田徑世錦賽和奧運會鉛球項目中占主流地位，且使用旋轉式技術的運動員屢創佳績，可見該項技術在實踐上已得到各國選手和教練的認可。然而，我國田徑界中，旋轉式推鉛球技術還遠不及背向滑步推鉛球技術有影響力，這主要是因為背向滑步作為我國鉛球項目的傳統技術，經過歷屆優秀教練和科研人員的整理、挖掘，已經形成了一套科學合理的訓練體系，在實施過程中一般不會走彎路，出成績的速度比較快。而旋轉式技術在我國起步較晚，從下至上沒有一套較為完備的訓練方案，教練員不敢貿然嘗試，因此我國很多教練員和運動員對旋轉式技術的認可度不高。但隨著時代的進步，旋轉式推鉛球技術在競賽場上的優勢逐漸打開了國內教練員和運動員的視野，教練員為了改變當前國內鉛球競技成績停滯不前的局面，不得不再創新以求有所突破。尤其是上海田徑代表隊鉛球運動員張俊采用旋轉式推鉛球技術在2009年至2012年的運動成績突飛猛進，一舉打破了亞洲記錄，促使國內鉛球界對旋轉式技術更加關注。從現階段我國各類田徑賽事可以看到，每場比賽中均有2～3名選手采用旋轉式技術，這說明我國男子鉛球投擲技術已經開始向國際化靠攏。另外，國內科研人員也加快了對旋轉式推鉛球技術的研究步伐，如張英波[1]、董海軍[2-3]、文世林[4]、張少偉[5]、劉瑞江[6,7]、郭立亞[8]、張寶峰[9]以及毛永[10]等專家學者分別對旋轉式推鉛球技術進行了動作原理、生物力學、潛在優勢、可行性、結構特點及動作劃分等一系列的研究，為當前我國鉛球技術水平的提升和人才的選撥與培養提供了重要的理論基礎。在國外的研究中，采用運動生物力學在運動損傷與康復領域[11]、中老年健康問題[12]的研究較深入。目前，在國內旋轉式技術出眾的運動員代表當屬馮杰，該名運動員在2017年第十三屆全運會中推出19.15 m的成績，榮獲一枚銅牌。馮杰在2005年至2013年一直采用背向滑步技術，在2009年的比賽期間采用該項技術推出19.08 m的成績，平時在賽前訓練中也接連推出過19.14 m和19.64 m 的好成績。馮杰在12屆全運會決賽中推出18.82 m，僅差一厘米而未能進入前八名。之后由于考慮到個人的身體條件和傷病等原因，并結合美國著名鉛球教練唐·巴比特在旋轉式技術上的經驗以及對自身身體機能的評估，馮杰在2014年決定更換技術，且三次赴美進行投擲技術訓練。馮杰經過三年的技術改進就能夠在國內最高規格的比賽中獲獎，這是我國鉛球史上絕無僅有的例子，具有重要的意義。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

本研究以陜西省男子鉛球重點運動員(馮杰)為研究對象，針對其在2017年7月賽前訓練中所采用的兩種投擲技術(背向滑步和旋轉式)的最后用力階段進行運動學和肌電學的數據分析。該名運動員采用兩種投擲技術在不同時期均突破過19 m的成績，且在第十三屆全運會中采用旋轉式技術榮獲季軍。具體見表1。

表1 研究對象基本信息情況統計表

1.2 研究方法

1.2.1 測試方法

1.2.1.1 運動學測試

使用兩臺SONY300高清攝像機(120幀/s)對運動員賽前訓練的兩種技術動作進行拍攝。攝像機架設位置分別在投擲圈的右側方(1號機)和投擲圈的正后方(2號機)，每臺攝像機距離投擲圈約10 m，鏡頭距離地面1.1 m，拍攝頻率為50Hz，兩機主光軸成夾角約90°(圖1)。在測試前對三維框架進行一次拍攝定標，測試后再進行一次框架定標，確保測試錄像有效可靠。使用美國ARIEL生產的APAS錄像解析軟件對所拍攝的動作錄像進行解析，采用的人體模型是日本松井秀治人體模型(20個環節，28個關節點參數)。根據本研究的需要選取20個關節點和一個器械附加點(鉛球)對兩種技術的最后用力階段進行逐幅打點解析。最后使用低通數字慮波法對原始數據進行平滑處理，截斷頻率為8 Hz，對所需的運動學原始數據進行分析。

圖1 實驗測試現場模擬圖

1.2.1.2 肌電測試

采用芬蘭生產的(Megawin6000-16)16導無線遙測肌電儀對運動員的10塊肌肉進行測試，采樣頻率為1 000 Hz。本次實驗使用一次性心電電極(Ag/AgCI,上海申風醫療保健用品公司生產)，經過前期對運動員所測肌肉表面的汗毛、油脂進行處理后，分別將兩片心電電極沿著肌纖維走向平行貼在肌肉的肌腹處，另一片零電極貼在肌肉的末端，最后用彈力繃帶將心電電極綁好，并通過A/D轉換器與電腦連接進行測試。所測肌肉部位具體見圖2。

圖2 選取測試肌肉電極安置示意圖

1.2.1.3 同步的設置

采用外同步的方法將肌電儀和攝像機進行同步，在兩臺攝像機前方擺放一個通過連串連接的閃光點，當肌電儀發出信號時兩臺攝像機均能記錄到一個很亮的光源(稱作“mark點”)，從而確保運動員完成技術動作時在肌電和攝像中的同步工作。

1.2.2 試驗測試方案的實施

運動員均采用不同的投擲技術投擲標準鉛球5～6次，分別選取2次試驗測試較好的成績進行分析。為了更好地區分兩種不同投擲技術的成績，分別選取滑步技術測試中兩次成績較好的投擲分為A投和B投；旋轉技術也同樣區分選取，分為C投和D投。

1.2.3 技術階段劃分

最后用力階段是整個鉛球投擲技術中最為關鍵的環節。在總結前人研究的基礎上，分別將背向滑步技術劃分為三個階段——滑步階段、過渡階段、最后用力階段，將旋轉式技術劃分為五個階段——雙支撐階段、單支撐階段、騰空階段、過渡階段、最后用力階段。根據研究的需要將兩種投擲技術的最后用力階段界定為：左腳著地瞬間(L↓)至鉛球最后出手瞬間(O↑)。兩種投擲技術最后用力階段具體見圖3、4。

圖3 背向滑步推鉛球最后用力技術動作連續影像圖

1.2.4 數理處理

影像解析是采用APAS影像解析軟件對運動影像進行解析，其運動參數指標是結合該研究領域專家的建議，嚴格篩選出20個運動參數指標進行數字化處理的結果；肌電數據處理主要采用芬蘭生產的Megawin肌電分析軟件對選定的肌電儀中各塊肌肉的原始數據進行計算、處理,以此對獲得的均方根振幅(RMS)和積分肌電(iEMG)兩個主要數據進行肌電分析。

圖4 旋轉式推鉛球最后用力技術動作連續影像圖

2 研究結果與分析

2.1 “滑步式”與“旋轉式”最后用力階段主要環節關節角度變化的特征分析

最后用力階段時的身體主要環節的關節角度變化，反映了運動員在投擲鉛球最后用力出手時上下肢的伸展幅度，也間接反映了投擲成績的好壞。表2的數據顯示，兩種投擲技術中，C投的左踝角最好，為131°，其中，左腳著地瞬間和最后出手瞬間的左踝角分別為101°和156°，差值+55°，最大角度為174°。B投的左踝角為113°，其中，左腳著地瞬間和最后出手瞬間的左踝角分別為93°和131°，差值+38°，最大角度為162°，相比同類技術中的A投和旋轉技術中的投次則相對較差。這說明滑步技術中B投的左踝關節伸展幅度小，蹬轉不積極。從差值來看，差值大則蹬伸幅度大，反之則小。在左腳著地瞬間和最后出手瞬間右踝關節的蹬伸幅度差值不大，主要是因為在器械出手瞬間，右腳已離地，下肢各關節角度有一定的減小，不能準確地衡量右側下肢(右踝關節)的蹬伸幅度，這與董海軍[2]的研究相吻合。根據前人研究選取最大的角度，兩種投擲技術中的A投至D投右踝關節的最大角度分別為155°、165°、156°和155°。馮杰與國內優秀選手相比，差異不明顯,說明馮杰采用兩種投擲技術時，右踝關節在最后用力階段蹬伸均比較積極，踝關節力量相對較好。馮杰在滑步技術中，左膝角分別為144°和148°，旋轉技術中，左膝角分別為158°和159°。左腳著地瞬間，左膝角最大的是D 投，為152°，最小的是A投，為130°，馮杰與世界優秀選手相比支撐幅度較小[13]。這說明馮杰所采用的兩種投擲技術左側下肢支撐技術不理想，左腿沒有積極地向抵趾板方向穿插，尤以滑步技術最為突出。在鉛球最后出手瞬間，左腿必須完全處于積極的蹬伸狀態。從表2看，A投至D投最后出手瞬間左膝角分別為173°、166°、169°和170°，沒有達到完全的蹬伸狀態，即使是左膝關節的最大角度也未曾出現，說明左腿還未完全充分蹬伸。左腳著地瞬間，A投至D投的右膝角分別為114°、122°、115°和118°，此瞬間右膝角過大會減小“滿弓”的幅度，不利于身體對超越器械的形成，使上體出現過早的抬起[14]。右膝關節的最大角度反映了最后用力過程中右腿的蹬伸程度，A投至D投右膝關節的最大角度分別為153°、154°、149°和142°，馮杰與優秀選手相比還是有所欠缺的，右膝關節在最后用力過程沒有積極地配合左腿的蹬伸，使整個右側各關節未得到充分的伸展。在左腳著地瞬間，A投的左髖角最小，為142°，說明髖關節的扭緊狀態不佳。在鉛球最后出手瞬間，A投的左髖角與其他投次不符，左髖角度不降反而高于左腳著地時刻的角度，為145°，表明A投在鉛球最后出手瞬間存在后仰的傾向。B投的左髖角在左腳著地瞬間為174°，與其他投次相比存在顯著差異，說明上體存在過早抬起的跡象。左髖關節的最大角度反映了左髖伸展的程度，左髖關節的A投、B投和D投伸展幅度充分，而C投的左髖關節在最后用力過程中可能存在屈髖的跡象。在A投中，右髖角在最后出手瞬間與相應的左髖角可能存在同樣的問題，右髖關節在A投至D投中的最大角度分別為176°、177°、172°和179°，各投次之間相差并不大，說明右髖伸展較為積極。在兩種投擲技術中，左肩角從左腳著地瞬間至鉛球最后出手瞬間，角度值本應呈下降的趨勢，但B投卻與其他投次相反，出現不降反增的趨勢，說明左肩關節出現過早打開的問題，使得左臂與髖部未形成較好的扭緊狀態。在左腳著地瞬間至鉛球出手瞬間，右肩角在兩種投擲技術的投次中均呈上升的趨勢，這與眾多的學者研究結果是一致的[2,15]。從成績上看，B投的右肩角要小于左肩角，分別為79°和94°，說明該投次的右肩關節沒有積極地向前伸展，其他投次的左、右肩關節角度符合技術原理。另外，右肩角在兩種投擲技術中的最大角度與投擲成績密切相關。

表2 “旋轉式”與“滑步式”最后用力階段運動學關節角度指標統計表 (°)

2.2 “滑步式”與“旋轉式”最后用力階段各環節速度的特征分析

表3的數據顯示，左膝關節在最后用力階段主要起支撐和制動的作用。左膝速度在滑步技術中的平均值為1.98 m/s±0.05 m/s，在旋轉技術中平均值為2.10 m/s±0.10 m/s，兩者相差0.12 m/s。優秀鉛球運動員的左膝速度為2.61 m/s，相比較，馮杰在兩種投擲技術中的左膝速度偏緩，說明左膝關節在最后用力階段沒有積極地起支撐作用和配合右腿的發力，這與上述表2中存在的問題一致。右膝關節在最后用力階段的左腳著地瞬間有一個緩沖的過程，在這一過程中右膝速度必然有所損耗，但經過一個短暫的蓄力之后又能使右膝關節的速度提升，其速度提升的大小與右膝關節積極的蹬伸有關。右膝速度在滑步技術中平均值為2.60 m/s±0.21 m/s，在旋轉技術中平均值為2.67 m/s±0.04 m/s，其中B投右膝速度最小，說明右腿蹬伸不夠充分。右髖速度在滑步技術中平均值為2.56 m/s±0.33 m/s，在旋轉技術中平均值為2.87 m/s±0.23 m/s。從成績上看，投擲成績好相應的右髖速度最大，分別為2.79 m/s和3.02 m/s，說明右髖水平方向支撐反作用力大，促使右髖推動整個髖部積極地轉動。然而B投的右髖速度卻要小于右膝速度，從理論上講，不符合投擲項目中自下而上逐漸加速進行動量傳遞的原理，從而反映出右髖在該投次中轉動不夠積極。右肩速度在滑步技術中平均值為2.87 m/s±0.14 m/s，在旋轉技術中的平均值為3.44 m/s±0.28 m/s，可以看出旋轉技術中的右肩速度要好于采用滑步技術，說明旋轉技術在最后用力階段對鉛球的持續加速能力相對較好。

根據表3來看，重心高度在滑步技術中平均值為1.19 m±0.01 m，在旋轉技術中平均值為1.24 m±0.04 m，兩者相差0.05 m。可以看出采用旋轉技術時的最后用力階段的重心高度要略高于滑步技術，這與前人的研究觀點是相符的。在滑步技術中，重心速度和鉛球速度平均值分別為2.41 m/s±0.06 m/s、11.89 m/s±0.21 m/s，鉛球與身體重心速度差平均值為9.48 m/s±0.27 m/s。在旋轉技術中，重心速度和鉛球速度平均值分別為2.46 m/s±0.04 m/s、12.42 m/s±0.18 m/s，鉛球與身體重心速度差平均值為9.96 m/s±0.12 m/s。可以得知，馮杰采用旋轉技術在最后用力階段時的三項速度指標均在一定程度上要好于采用滑步技術。相關研究表明，若運動員的鉛球速度與身體重心速度差值偏小，那么就表明運動員的爆發用力不夠理想，“人-球”系統獲得的加速度不夠，不利于鉛球獲得更大的出手速度。世界優秀鉛球運動員鉛球與身體重心速度差值為11.04 m/s[16]，不難看出，馮杰所采用的兩種投擲技術(尤其是滑步技術)在最后用力階段對技術的掌控能力不是很好，使得在動量的傳遞和速度的疊加方面不夠明顯，在今后訓練中需要改進。

表3 “滑步式”與“旋轉式”最后用力階段各環節速度參數統計表

2.3 “滑步式”與“旋轉式”最后用力階段出手瞬間部分運動學的特征分析

出手速度、出手角度和出手高度是決定鉛球投擲成績的重要指標。其中，出手速度與投擲成績呈顯著性相關(相關系數大于0.99)[17]。表4顯示，馮杰采用滑步技術時的出手速度平均值為12.13 m/s，采用旋轉技術時的出手速度平均值為12.45 m/s。世界優秀鉛球運動員在滑步技術和旋轉技術中的出手速度分別為13.14 m/s和13.55 m/s[18]，馮杰所采用的兩種投擲技術與世界優秀鉛球運動員在相應的投擲技術中速度相差1 m/s有余，其中只有C投在出手速度上與世界優秀鉛球運動員差值稍小，這也是該投成績最好的主要原因。因此，提高鉛球的出手速度對馮杰能否取得好的成績具有至關重要的作用。鉛球的出手角度在一定范圍內會隨著出手速度的變化而變化。從理論上講，鉛球適宜的出手角度在34°～38°之間[19]，馮杰所采用的兩種投擲技術的出手角度平均值分別為34.79°和35.73°，角度最大的是C投，為36.09°，角度最小的是B投，為34.35°，均在合理的范圍之內。出手高度和兩腳距離主要與運動員的身高、臂長、爆發力大小以及用力方式有一定的關系。世界優秀鉛球運動員的平均身高在190 cm左右，而馮杰身高只有180 cm，在鉛球項目中并不占優勢。其中馮杰只有C投的出手高度與優秀選手相接近，為2.21 m，A投兩腳距離最大，為0.81 m，但與優秀選手之間還存在不小的差距。在最后完成時間上，滑步技術平均值為0.249 s，旋轉技術平均值為0.25 s，C投的最后完成時間最短，為0.233 s，接近優秀選手最后完成時間的水平。馮杰滑步技術與世界優秀鉛球運動員的最后完成時間存在顯著的差異，但與國內優秀選手則水平相當，平均為0.24 s。這說明我國運動員在采用滑步技術時，身體由背向轉為側弓、再由側弓轉為反弓的時間過長，可能出現“用力遲緩”的現象。這將是今后運動員采用滑步技術在最后用力階段中改進的重點。

表4 “滑步式”與“旋轉式”最后用力階段出手瞬間部分運動學參數統計表

表5 “滑步式”與“旋轉式”最后用力階段肌肉活動的RMS特征統計表 單位：uV

2.4 “滑步式”與“旋轉式”最后用力階段肌肉的sEMG總體描述

均方根振幅(RMS)是反映肌電信號振幅大小的指標，其大小反映了一定時間內肌肉放電的平均水平[21-23]。根據表5統計的RMS結果可知，馮杰在滑步技術中的最后用力階段主要肌肉的平均放電大小順序是右腕關節屈肌、右豎脊肌、左股四頭肌、右胸大肌、右股四頭肌。不難看出，滑步技術中肌肉發力順序在該階段整體上出現絮亂的現象，與投擲項目在該階段從右至左、從下至上的發力順序傳遞過程相悖。這與表2中左右膝關節在出手瞬間角度偏小是有直接關系的。

馮杰在旋轉技術中的最后用力階段主要肌肉的平均放電大小順序是右股四頭肌、左股四頭肌、右腓腸肌后段、右股二頭肌、右臀大肌。可以看出，馮杰采用旋轉技術時在最后用力階段肌肉的發力順序整體上符合從右至左、從下至上的傳遞過程。但馮杰的軀干肌群的肌肉放電還是存在問題，比如：右胸大肌的放電水平較低，肌肉活動相對較弱；右腹外斜肌和左股二頭肌在C投和D投中均存在放電不積極的現象，振幅和棘波頻率不明顯；右豎脊肌在C投中的放電強度相比D投存在放電不明顯、肌肉活動較弱的跡象。所以，今后馮杰軀干肌群的發力協調性還急需改進。

2.5 “滑步式”與“旋轉式”最后用力階段肌肉活動的iEMG特征分析

積分肌電(iEMG)是指在一定時間內肌肉參與活動的運動單位放電總量，即在時間不變的前提下，其值大小在一定程度上反映了參加工作的運動單位的數量多少和運動單位的放電強弱，這是評定肌纖維參與多少的重要指標[20-22]。

根據表6來看，在滑步技術中，A投的右腕關節屈肌、右豎脊肌和右胸大肌的肌肉活動較強，其iEMG值分別為117 uV.s、65 uV.s和64 uV.s，可以判定是該投的主要發力肌肉，其余肌肉活動強度不明顯，尤以右臀大肌、右腓腸肌后段和右股二頭肌最為顯著，從而說明右腿在最后用力階段鉛球出手時沒有積極地蹬伸。B投的主要發力肌肉是右腕關節屈肌、左股四頭肌和右豎脊肌，其次是右股二頭肌和右股四頭肌。結合圖5可知，滑步技術中整體放電強度較好的肌肉是右腕關節屈肌和右豎脊肌，其平均iEMG值和貢獻率分別為126 uV.s、70 uV.s和22.57 %、12.52 %，且均是A投和B投中做功較好和貢獻率較大的兩塊肌肉，整體放電強度較弱的肌肉是右臀大肌和左股二頭肌。

表6 “滑步式”與“旋轉式”最后用力階段肌肉活動的iEMG特征統計表 單位：uV.s

在旋轉技術中，C投的主要發力肌肉是右股四頭肌、左股四頭肌和右股二頭肌，可以發現C投的下肢肌群發力明顯，這與李延軍[23]的研究結果相似，在其研究中均認為下肢肌群是主要發力肌肉，所以這也是C投相比其他幾投成績較好的主要原因。D投的主要發力肌肉是左股四頭肌、右股四頭肌、右臀大肌，可以看出C投和D投的主要發力肌肉相似，均是下肢肌群發力明顯，但D投除左股四頭肌和右臀大肌之外，其他肌肉的放電強度均要弱于C投的相應肌肉。結合圖5來看，旋轉技術中整體放電較好的肌肉是右股四頭肌、左股四頭肌、右腓腸肌后段和右股二頭肌，其平均iEMG值和貢獻率分別為162 uV.s、124 uV.s、81.5 uV.s、78.5 uV.s和23.58 %、18.12 %、11.86 %、11.43 %，可以發現下肢肌群起主要發力作用，這與C投和D投的情況基本相吻合。整體放電較弱的肌肉是左股二頭肌、右腹外斜肌，不難看出，左股二頭肌沒有被有效地激活是與左腿在制動支撐和左膝速度偏慢有必然聯系的，滑步技術中也同樣存在相應問題。右腹外斜肌活動程度較弱可能是在最后用力階段腰髖關節未充分扭緊、側弓不飽滿且伴有上體過早提起造成的。所以在今后的訓練中要重視軀干肌群的激活，同時也要加強其他相關聯肌肉的訓練。

圖5 “滑步式”與“旋轉式”最后用力階段肌肉活動的積分肌電(iEMG)、貢獻率平均值示意圖

3 結論

(1)兩種投擲技術的右踝關節在最后用力階段蹬伸均比較積極。在左腳著地瞬間(L↓)兩種投擲技術存在左側下肢支撐技術不理想，尤以滑步技術最為突出。在鉛球最后出手瞬間(O↑)左腿未達到完全的蹬伸狀態，左肩關節在滑步技術中出現過早打開的跡象。

(2)兩種投擲技術存在左膝速度偏緩，右肩速度在旋轉技術中對鉛球的持續加速能力相對較好，兩種投擲技術(尤其是滑步技術)在最后用力階段對技術的掌控能力都不是很好。

(3)在鉛球最后出手的部分指標上，兩種投擲技術除出手角度在合理的范圍之內，其余指標均存在不同程度的問題。

(4)滑步技術的肌肉發力順序在最后用力階段出現絮亂的現象；旋轉技術的肌肉發力順序在最后用力階段符合從右至左、從下至上的傳遞過程。

(5)滑步技術的主要發力肌肉是右腕關節屈肌和右豎脊肌，肌肉活動強度較弱的是右臀大肌和左股二頭肌；旋轉技術的主要發力肌肉是右股四頭肌、左股四頭肌，肌肉活動較弱的是左股二頭肌、右腹外斜肌。