自由泳轉(zhuǎn)身階段的生物力學(xué)研究

王 麗，顧耀東，楊紅春，李建設(shè)，張 躍

（1.寧波大學(xué) 體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，浙江 寧波315211；2.浙江體育科學(xué)研究所，浙江 杭州310004；3.浙江體育職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州311231）

0 前 言

游泳比賽由出發(fā)、途中游、轉(zhuǎn)身、終點(diǎn)沖刺及到邊五部分組成.在自由泳短池比賽中，轉(zhuǎn)身時(shí)間約占總用時(shí)的36%［1］，50 m池中可占到31%［2］，1500 m比賽（50 m池）中，優(yōu)秀轉(zhuǎn)身技術(shù)最高可節(jié)約5.4s［3］。隨著世界游泳競技水平的提高和競爭的日益激烈，比賽成績的百分位已成為決定比賽勝負(fù)的關(guān)鍵，利用優(yōu)秀轉(zhuǎn)身技術(shù)最終獲取勝利的例子比比皆是，轉(zhuǎn)身技術(shù)對比賽成績及名次的影響更加凸顯。

國際游聯(lián)游泳競賽規(guī)則的修改允許自由泳運(yùn)動(dòng)員水下轉(zhuǎn)身后，用腳去蹬池壁。由于爬泳效率最高，因此選手在自由泳比賽中一般采用爬泳。爬泳轉(zhuǎn)身可分為平轉(zhuǎn)式、擺動(dòng)式、滾翻轉(zhuǎn)身三種；其中，平轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)身時(shí)身體圍繞前后軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)身速度較慢。擺動(dòng)式轉(zhuǎn)身身體是圍繞縱軸、前后軸轉(zhuǎn)動(dòng)。滾翻轉(zhuǎn)身則是身體圍繞橫軸、縱軸或前后軸動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)身速度較快。近十年來，隨著競技游泳水平的提高，前兩種轉(zhuǎn)身方式已逐漸被滾翻轉(zhuǎn)身所替代。滾翻式轉(zhuǎn)身又可細(xì)分為三種：①在短軸轉(zhuǎn)180°的同時(shí)，長軸也轉(zhuǎn)180°，蹬壁時(shí)已基本成俯位，后接水下蝶泳腿；②短軸轉(zhuǎn)180°后呈仰位蹬離，水下蝶泳腿期間長軸再轉(zhuǎn)180°；③短軸轉(zhuǎn)180°接長軸轉(zhuǎn)90°即側(cè)位蹬壁，側(cè)擺蝶泳腿，出水前接側(cè)劃水。前兩種難度稍大，在實(shí)踐中更多選手的技術(shù)介于①和③之間。

1 自由泳轉(zhuǎn)身技術(shù)的研究概況

1.1 測量技術(shù)概述

一般從運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩方面研究自由泳轉(zhuǎn)身技術(shù)，由于動(dòng)力學(xué)研究要求實(shí)驗(yàn)條件較高，故國內(nèi)關(guān)于運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究較多，而國外的研究則較全面。1993年朱泰昌在他的研究中進(jìn)行相關(guān)和回歸統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，從游近池壁及觸壁、轉(zhuǎn)身、蹬離池壁對轉(zhuǎn)身進(jìn)行分析［4］。該研究共采用10種變量，其中5種是時(shí)間，3種是角度，2種是速度。這些變量包括前滾翻90°時(shí)的時(shí)間、游進(jìn)2 m至腳觸壁時(shí)間、腳觸壁到頭至2 m線時(shí)間、轉(zhuǎn)身前后4 m總時(shí)間、腳觸壁后停留時(shí)間；蹬出時(shí)軀干角度（與水平面夾角）、蹬出時(shí)髖角度、蹬出時(shí)膝角度；游進(jìn)2 m時(shí)的速度（m／s）、蹬出速度（腰到2 m線，m／s）。Araujo采用峰值壓力，觸壁時(shí)間，沖量，膝關(guān)節(jié)彎曲角度，15 m轉(zhuǎn)身時(shí)間五個(gè)參數(shù)對自由泳轉(zhuǎn)身技術(shù)進(jìn)行分析［5］；Prins則利用折疊指數(shù)（tuck index）、蹬壁的深度、觸壁時(shí)間三個(gè)參數(shù)對蹬離速度的影響進(jìn)行研究［6］。Roesler指出觸壁時(shí)間及最大峰值力兩變量較總沖量可更好地評(píng)價(jià)自由泳轉(zhuǎn)身技術(shù)［7］。

選定其中參數(shù)后，利用攝像機(jī)，水下攝像，水下測力裝置及相關(guān)軟件對獲取參數(shù)進(jìn)行分析。轉(zhuǎn)身距離為其他參數(shù)的基石，目前其選取標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，其差異性對結(jié)果的影響性未見報(bào)道。1978沈潛是以離池端5 m到從蹬池壁到5 m的轉(zhuǎn)身10 m距離作為轉(zhuǎn)身距離［8］，1993年朱泰昌采用的是距池壁2 m到蹬離后距池壁前后各2 m距離［4］，2000年 Mason和Cossor所采用的是轉(zhuǎn)身前后各7.5 m距離［9］，殷玲玲則把轉(zhuǎn)身距離分為前5 m游近池壁和蹬離池壁后10 m的15 m轉(zhuǎn)身距離［10］。Silveira等研究表明：轉(zhuǎn)身技術(shù)相似的運(yùn)動(dòng)員的研究采用10 m轉(zhuǎn)身距離即可，不同轉(zhuǎn)身技術(shù)的研究宜采用15 m 轉(zhuǎn)身距離［11］。

1.2 研究指標(biāo)概述

當(dāng)前所獲文獻(xiàn)中較常用的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)參數(shù)歸納如下：

① 游進(jìn)時(shí)間：頭部最高點(diǎn)游進(jìn)規(guī)定線至觸壁所用時(shí)間。規(guī)定線不同學(xué)者間有所差異，分別為2 m、2.5 m、5 m或7.5 m。

②滾翻時(shí)間：最后劃水動(dòng)作結(jié)束至觸壁瞬間所用時(shí)間。

③ 觸壁時(shí)間：觸壁瞬間至離壁瞬間所用時(shí)間。

④游出時(shí)間：觸壁至游出規(guī)定線所用時(shí)間。規(guī)定線不同學(xué)者間有所差異，分別為2 m、5 m、7.5 m或10 m。

⑤轉(zhuǎn)身時(shí)間：游進(jìn)池壁與游出池壁所用時(shí)間之和－－－轉(zhuǎn)身前后15 m（前5 m后10 m，前7.5 m后7.5 m）、10 m（前5 m后10 m）、7.5 m（前2.5 m 后5 m）、4 m（前2 m 后2 m）所用時(shí)間之和。

⑥折疊指數(shù)：觸壁過程中髖關(guān)節(jié)距池壁的最小距離與腿長（直立時(shí)股骨粗隆高度）的比值。

⑦膝關(guān)節(jié)角度：踝關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)之間的連線和大轉(zhuǎn)子與膝關(guān)節(jié)連線間所形成的角度。

⑧髖關(guān)節(jié)角度：踝關(guān)節(jié)與大轉(zhuǎn)子之間的連線和大轉(zhuǎn)子與肩關(guān)節(jié)之間的連線間所形成的角度。

⑨ 蹬離深度：蹬離瞬間，髖關(guān)節(jié)的浸入深度。

⑩ 游進(jìn)速度：轉(zhuǎn)身前，頭部頂點(diǎn)經(jīng)過規(guī)定距離與所用時(shí)間比值。11游出速度：蹬離瞬間頭部頂點(diǎn)經(jīng)過規(guī)定距離與所用時(shí)間的比值。12沖量：轉(zhuǎn)身時(shí)，測力板垂直方向上力－時(shí)間曲線的面積。

13峰值壓力：觸壁過程中測力板垂直方向所受力的最大值。14潛泳距離：離壁瞬間至打腿動(dòng)作開始時(shí)頭部最高點(diǎn)距池壁的距離。

2 自由泳轉(zhuǎn)身不同階段的生物力學(xué)研究

一般情況下運(yùn)用有關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)技術(shù)手段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究或現(xiàn)場研究。通常把自由泳轉(zhuǎn)身分為游進(jìn)、轉(zhuǎn)身、觸壁、蹬離、滑行幾個(gè)階段，采取上述參數(shù)對各個(gè)階段進(jìn)行相應(yīng)的歸納分析。

2.1 游進(jìn)階段

目前，國內(nèi)外學(xué)者主要針對其設(shè)定距離進(jìn)行相關(guān)時(shí)間統(tǒng)計(jì)，計(jì)算平均速度，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析游進(jìn)階段相關(guān)參數(shù)與轉(zhuǎn)身速度及成績之間的關(guān)系。殷玲玲、杜更把轉(zhuǎn)身15 m時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo)對中、外優(yōu)秀女子100 m與長距離自由泳運(yùn)動(dòng)員技術(shù)進(jìn)行分析［10、12］。James等人利用電影圖片分析出游近池壁和蹬離池壁的時(shí)間與距離，推導(dǎo)出游近池壁時(shí)的平均速度與蹬出的平均速度，指出轉(zhuǎn)身總時(shí)間與比賽成績相關(guān)，隨比賽距離的增加而增多，成高度相關(guān)［4］。Blanksby對自由泳運(yùn)動(dòng)員轉(zhuǎn)身進(jìn)行研究得出：同齡組運(yùn)動(dòng)員的5 m轉(zhuǎn)身時(shí)間與峰值壓力，觸壁時(shí)間，潛泳距離，最大游速顯著相關(guān)［13］

鄭毅賢指出：增加旋轉(zhuǎn)力矩是加快旋轉(zhuǎn)速度的方法之一。轉(zhuǎn)身時(shí)游進(jìn)池壁的慣性力和轉(zhuǎn)身屈體時(shí)水對頭和肩部的阻力都不通過身體重心而產(chǎn)生兩個(gè)力矩，它們的方向與轉(zhuǎn)身的方向一致，大小與游進(jìn)速度成正比，因此轉(zhuǎn)身前必須加快游速才能加大推動(dòng)力矩，提高轉(zhuǎn)身旋轉(zhuǎn)速度［14］。1986年月27日明報(bào)刊登了英國科研人員關(guān)于同一項(xiàng)目男女運(yùn)動(dòng)員轉(zhuǎn)身技術(shù)特點(diǎn)及轉(zhuǎn)身與成績、名次的關(guān)系的研究，指出：男運(yùn)動(dòng)員在所有項(xiàng)目的轉(zhuǎn)身速度均比女子快、距離遠(yuǎn)。由于近池壁的速度加快，運(yùn)動(dòng)員在距池壁較遠(yuǎn)的地方就開始準(zhǔn)備轉(zhuǎn)身并以快速的動(dòng)作來完成。BLANKSBY認(rèn)為，自由泳短距離項(xiàng)目中，準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)身要求游近池壁的距離長，平均速度快同年齡組中成績較好的運(yùn)動(dòng)員，在準(zhǔn)備轉(zhuǎn)身時(shí)距池壁也較遠(yuǎn)［13］。崔建民對索普2004年雅典奧運(yùn)會(huì)200 m自由泳金牌中的視頻錄像觀看和統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，索普轉(zhuǎn)身前5 m的平均速度1.94 m／s，快于途中游速度的1.74 m／s［15］。繳桂躍指出要提高轉(zhuǎn)身速度，到邊前的5～7 m要加速，從開始低頭滾翻到雙腳觸壁蹬離，要在1s內(nèi)完成［16］。

2.2 轉(zhuǎn)身與觸壁階段

轉(zhuǎn)身及觸壁直接決定著轉(zhuǎn)身效果，而轉(zhuǎn)身時(shí)機(jī)的把握對轉(zhuǎn)身及觸壁效果有著至關(guān)重要的作用，關(guān)系到觸壁時(shí)身體各環(huán)節(jié)的角度及肌肉的最佳發(fā)力位置。Counsil man對蛙泳腿進(jìn)行研究指出：大腿彎曲角度在50°～60°時(shí)臀部的伸肌力量可增至96kg［17］。繳桂躍指出轉(zhuǎn)身時(shí)機(jī)應(yīng)為觸壁瞬間大小腿呈60°夾角，角度過大不利于發(fā)力，角度過小則轉(zhuǎn)身時(shí)間延長［16］。Takahashi指出觸壁時(shí)膝關(guān)節(jié)角度在120°較合理［18］朱泰昌指出，影響自由泳前滾翻轉(zhuǎn)身效果的主要因素是游進(jìn)池壁2 m至兩腳觸壁的時(shí)間、蹬伸時(shí)的髖角、蹬出速度、腳觸壁至蹬出頭至2 m線的時(shí)間。蹬離池壁后的滑行速度取決于蹬伸時(shí)的準(zhǔn)備姿勢，髖、膝關(guān)節(jié)彎曲的角度。通過水下錄相的觀察與測定蹬伸時(shí)髖關(guān)節(jié)約成120°，膝關(guān)節(jié)約成90°，且優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員均成這種趨勢［4］。Perira利用水下測力板和攝像機(jī)對自由泳轉(zhuǎn)身階段膝關(guān)節(jié)彎曲角度，峰值壓力，及觸壁時(shí)間三個(gè)變量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)彎曲角度在110°～120°時(shí)產(chǎn)生的蹬力最大，觸壁時(shí)間較短，轉(zhuǎn)身時(shí)間也較短，轉(zhuǎn)身效果最優(yōu)［19］。Araujo利用水下測力板、攝像機(jī)、水下鏡頭及皮爾森相關(guān)檢驗(yàn)和多元回歸法對蹬離階段的生物力學(xué)參數(shù)（峰值壓力，觸壁時(shí)間，沖量，膝關(guān)節(jié)彎曲角度，15 m轉(zhuǎn)身時(shí)間）進(jìn)行分析，結(jié)果表明：所有參數(shù)與轉(zhuǎn)身技術(shù)高度相關(guān)。膝關(guān)節(jié)彎曲角度在100°～120°時(shí)產(chǎn)力的力最大，轉(zhuǎn)身用時(shí)最少，用力最經(jīng)濟(jì)［5］。力的作用效果依賴于觸壁時(shí)間的累積，但觸壁時(shí)間過長則影響轉(zhuǎn)身效果，過短則不利用力量的發(fā)揮。Blanksby等對同年齡組運(yùn)動(dòng)員的觸壁時(shí)間進(jìn)行研究表明，前三名運(yùn)動(dòng)員觸壁時(shí)間少于后三名選手，分別為0.47s和0.73s［20］。Hodgkinson和Blanksby研究表明，全國十強(qiáng)自由泳運(yùn)動(dòng)員男子平均觸壁時(shí)間為0.38s，女子為0.46s［21］，Blanksby研究指出，觸壁時(shí)間較長，蹬離速度也較快［22］。Prins研究自由泳轉(zhuǎn)身階段觸壁時(shí)髖關(guān)節(jié)距池壁的距離（折疊指數(shù)）、蹬離時(shí)足的深度、觸壁時(shí)間三個(gè)變量對蹬離速度的影響，研究表明：蹬離速度與折疊指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，蹬壁時(shí)的深度、觸壁時(shí)間與蹬離速度無顯著相關(guān)［6］。

目前，國外關(guān)于轉(zhuǎn)身及觸壁部分的研究較多，主要圍繞蹬伸階段的最大力，沖量，髖角，膝關(guān)節(jié)角度，觸壁時(shí)間，蹬離速度等方面的研究。結(jié)合目前研究，蹬離時(shí)膝關(guān)節(jié)角度在100°～120°之間可使肌肉發(fā)揮最大優(yōu)勢。而在最小能耗前提下，如何把握好不同個(gè)體間觸壁時(shí)間，最大力與蹬離速度之間的關(guān)系及其相對應(yīng)的折疊指數(shù)，延伸轉(zhuǎn)身效果，逐步成為學(xué)者研究的重點(diǎn)。

2.3 蹬離及滑行階段

轉(zhuǎn)身及觸壁環(huán)節(jié)為蹬離環(huán)節(jié)奠定基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)身后身體流線型的準(zhǔn)備姿勢，是轉(zhuǎn)身技術(shù)的直接體現(xiàn)。蹬離階段主要集中于減阻問題的研究，一般從觸壁時(shí)間、蹬離速度、潛泳深度等方面切入。蹬離時(shí)保證一定深度的同時(shí)應(yīng)注意踝、髖、肩三點(diǎn)的用力，盡量使其在一條直線上。Toshiaki等研究指出蹬離時(shí)身體重心距水面0.4～0.8 m之間且使身體保持流線型可有效增加滑行距離［23］。對男子1 500 m和女子800 m自由泳等長距離項(xiàng)目來說，蹬出池壁的速度越快，成績越好，名次也越高，總轉(zhuǎn)身時(shí)間與比賽成績的相關(guān)性隨著比賽距離的增加而增加［3］。Lyttle等總結(jié)了自由泳蹬離過程中力－時(shí)間曲線特點(diǎn)，指出，好的轉(zhuǎn)身曲線最大峰值力時(shí)刻接近蹬離時(shí)刻，且曲線增加幅度平緩連續(xù)［24］。Goya等研究發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)員蹬離時(shí)的平均峰值力高于未經(jīng)訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)員，分別為1 070.9和724.2牛［23］。Nicol和 Kruger測定的自由泳運(yùn)動(dòng)員轉(zhuǎn)身時(shí)壓力板最大值變動(dòng)范圍為600～1 100牛［25］。由于最大蹬力值的個(gè)體差異性，一般對其壓力值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)（除去體重因素）。Roesler對轉(zhuǎn)身技術(shù)較好運(yùn)動(dòng)員的轉(zhuǎn)身技術(shù)進(jìn)行研究，指出，標(biāo)準(zhǔn)化后蹬力值的變動(dòng)范圍在1.6～2.2BW 之間［7］；而lyttle等所研究的平均蹬力值為1 190牛，平均體重為75.7kg，因此標(biāo)準(zhǔn)化值為1.57BW［26］，蹬離前的準(zhǔn)備階段完成后，轉(zhuǎn)身效果開始體現(xiàn)。蹬離時(shí)身體應(yīng)保持流線型，蹬離時(shí)逐步加速，過快易使身體周圍水流加速，阻力增大。轉(zhuǎn)身的最后環(huán)節(jié)應(yīng)充分考慮減租問題，延伸蹬離效果。Vorontsov和Rumyantsev研究表明，當(dāng)深度在0.7～1.2 m時(shí)，水面不產(chǎn)生波浪［27］。Shi mizu等指出對于1.6～2.026 m／s間的游速，滑行深度在0.255～0.355 m之間可有效減少波浪和渦阻［28］。Lyttle和 Blansky使用牽引機(jī)器對不同深度不同速度下人體所受阻力進(jìn)行分析，結(jié)果表明：對于1.9 m／s以上的蹬離速度，建議潛泳深度在0.4 m，此深度的阻力相對水面減少15%～18%［29］。此研究結(jié)果不同于Clar ys的研究，其研究發(fā)現(xiàn)0.6 m深度下的阻力顯著高于水面阻力［30］。這可能與他所采用的速度（1.5～1.9 m／s）有關(guān)，此速度下產(chǎn)生的阻力較小。Hertel和Larse研究了身高與潛水深度關(guān)系，得出其比值為0.2～0.4，個(gè)體在此深度下所受阻力最?。?1、32］。Mason研究發(fā)現(xiàn)，潛泳深度與潛泳距離之間與轉(zhuǎn)身表現(xiàn)無顯著關(guān)系［9］。

滑行階段的研究則主要集中在滑行距離和時(shí)間等方面蹬離后的打腿時(shí)機(jī)非常重要，由于剛蹬離時(shí)的速度較大，在此時(shí)加上腿部動(dòng)作會(huì)造成較大的阻力，影響蹬離效果，而速度太小時(shí)開始打腿，不能充分利用上蹬離的速度，體力耗費(fèi)較大。Chow指出蹬離后速度在1.9～2.2 m／s時(shí)開始打腿效果最好［33］。Mason的研究指出：運(yùn)動(dòng)成績好的運(yùn)動(dòng)員最主要的特點(diǎn)是蹬離池壁時(shí)潛泳距離和時(shí)間較長。轉(zhuǎn)身階段的水下時(shí)間和距離越長，總的轉(zhuǎn)身時(shí)間就越短［9］。Goya等研究發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)員蹬離后的平均滑行距離為9.41 m，未經(jīng)訓(xùn)練的平均滑行距離僅有8.23 m，蹬離時(shí)的峰值壓力和滑行距離無顯著差異，沖量和滑行距離之間呈顯著差異［23］。此外，水下滑行時(shí)雙臂應(yīng)前伸夾緊頭部，目視池底身體重心保持在腰部，盡量使身體保持水平，在出水時(shí)在完成一次單臂劃水前不應(yīng)急于吸氣，以免增大形狀阻力。

3 小 結(jié)

綜上所述，提高轉(zhuǎn)身技術(shù)應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)：

3.1 游進(jìn)池壁的平均速度應(yīng)不低于途中游速度。

3.2 把握好轉(zhuǎn)身時(shí)機(jī)，形成良好的蹬伸姿勢，使觸壁蹬伸時(shí)髖關(guān)節(jié)120°～150°之間，膝關(guān)節(jié)90°～120°之間，確保轉(zhuǎn)身后相關(guān)肌肉處于最佳發(fā)力位置。

3.3 平衡峰值壓力，觸壁時(shí)間，最大阻力三個(gè)變量之間的關(guān)系以保證最佳蹬離速度。

3.4 蹬離時(shí)應(yīng)根據(jù)個(gè)體身高選擇相應(yīng)潛泳深度，減少阻力。

3.5 蹬離時(shí)盡可能保持身體的流線型，在規(guī)則允許范圍內(nèi)盡力延長蹬離后潛泳距離，注意打腿時(shí)機(jī)的配合，一般認(rèn)為速度在1.9～2.2 m／s時(shí)開始打腿，效果最好。

合理正確的轉(zhuǎn)身技術(shù)動(dòng)作是提高轉(zhuǎn)身速度、縮短轉(zhuǎn)身時(shí)間的關(guān)鍵。任何一種轉(zhuǎn)身技術(shù)動(dòng)作，都要求轉(zhuǎn)身時(shí)雙腿蹬伸迅速有力，盡可能獲得較快的向前加速度，提高腳離壁瞬間身體重心水平初速度?，F(xiàn)階段，自由泳轉(zhuǎn)身的研究重點(diǎn)放在如何增加蹬離速度、減少阻力及轉(zhuǎn)身技術(shù)的優(yōu)化上。轉(zhuǎn)身階段的劃幅、劃頻對轉(zhuǎn)身成績的影響及個(gè)體化技術(shù)的定量研究相對較少，今后的研究方向應(yīng)綜合其他學(xué)科的研究成果，利用精密儀器及先進(jìn)技術(shù)對轉(zhuǎn)身技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行定量研究，模擬轉(zhuǎn)身技術(shù)，優(yōu)化技術(shù)動(dòng)作，探索新的轉(zhuǎn)身方式。

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