中國優(yōu)秀女子三級跳遠運動員跨步跳起跳著地瞬時的運動生物力學(xué)分析

李金珠，陳俊青，吳玉華

三級跳遠屬于持續(xù)時間相對較短、技術(shù)性強、對運動員速度和爆發(fā)力等素質(zhì)要求很高的項目，以快速助跑、有力起跳、三跳之間較長時間的騰空及明顯節(jié)奏形成鮮明的項目特點。從助跑到落地這一系列技術(shù)動作中，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都將會對試跳成績產(chǎn)生消極影響。因此，只有保證科學(xué)訓(xùn)練，才能有效地根據(jù)運動員和運動項目特點制定更完善的訓(xùn)練計劃，為創(chuàng)造優(yōu)異成績奠定基礎(chǔ)。

我國女子三級跳遠曾在世界上處于領(lǐng)先地位，而近些年來，隨著世界女子三級跳遠的興起和發(fā)展，我國的優(yōu)勢地位一度滑坡，成績明顯落后。造成成績滯后的原因是多方面的，但技術(shù)落后是主要因素。對中國優(yōu)秀青少年女子三級跳遠運動員的跨步跳起跳技術(shù)動作進行運動學(xué)、動力學(xué)及肌電學(xué)方面的分析、比較，從不同角度的同步性探討跨步跳起跳技術(shù)動作，試圖找出中國優(yōu)秀女子三級跳遠運動員在運動技術(shù)中的存在問題，幫助教練員對運動員的競技能力進行較為全面的評定。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

以參加全國青少年比賽和訓(xùn)練的中國優(yōu)秀青少年女子三級跳遠運動員為研究對象，訓(xùn)練年限5-8年,運動成績在12.20-13.35 m,平均成績12.54±0.34 m(一級水平)。

1.2 研究方法

1.2.1 文獻資料法

查閱CNKI資料文庫、《運動訓(xùn)練科學(xué)化探索》、《田徑運動高級教程》、《田徑指南》、《田徑運動訓(xùn)練專輯》等大量文獻資料，并分類整理，了解目前國外有關(guān)三級跳遠運動研究的發(fā)展概況，確立研究方向與研究內(nèi)容。

1.2.2 攝像解析法

采用JVC9800型高速攝像機，對研究對象跨步跳起跳技術(shù)動作進行平面定點拍攝，拍攝頻率為100 Hz，攝像機高1.25 m。攝像機放置在助跑道的一側(cè)，主光軸正對跨步跳踏跳區(qū)域，距運動中心17 m。拍攝范圍2.9 m，并拍攝置于運動平面1.8 m長的標志比例尺。

運用EIMG71PN-I型愛捷運動錄像解析系統(tǒng)對研究對象跨步跳起跳過程中著地瞬時、最大緩沖時刻及離地瞬時等時相的運動學(xué)參數(shù)進行解析分析，選用扎齊奧爾斯基人體模型，對錄像帶進行采集和數(shù)據(jù)計算，采用低通數(shù)字濾波法對原始數(shù)據(jù)進行平滑處理，得到研究對象的跨步跳起跳技術(shù)指標。

1.2.3 動力學(xué)測試法

采用瑞士產(chǎn)Kistler三維測力臺，對研究對象跨步跳起跳進行三維測力，采樣頻率為500 Hz。測力臺固定于三級跳遠場地助跑道下，按規(guī)定安裝，測力臺表面覆蓋有厚1.5 cm與助跑道材料相同的塑膠墊，其表面與助跑道保持在同一水平面。測力臺的X軸為左右方向，Y軸為前后方向，平行于助跑道，Z軸為豎直方向。數(shù)據(jù)的采集與處理由專門與測力臺配套的計算機系統(tǒng)完成。

1.2.4 遙測肌電法

使用美國產(chǎn)NORAXON Telemyo 2 400 R遙測肌電儀對運動員有關(guān)肌群進行測試。采樣頻率為500 Hz/s，測試過程中，三種儀器采用同步測試的方法。

1.2.5 數(shù)理統(tǒng)計法

對所獲取實驗數(shù)據(jù)，運用Microsoft Excel xp和SPSS13.0統(tǒng)計軟件進行單因素方差分析、單樣本t檢驗及相關(guān)性分析等統(tǒng)計學(xué)處理。

1.2.6 對比分析法

通過錄像解析獲取中國優(yōu)秀女子三級跳遠運動員跨步跳起跳的運動學(xué)技術(shù)特征，對比分析國外優(yōu)秀三級跳遠運動員，發(fā)現(xiàn)中國優(yōu)秀女子三級跳遠運動員跨步跳起跳技術(shù)存在的問題，尋求導(dǎo)致原因并提出解決方案。

1.3 三種儀器同步的解決方案

研究亮點在于三種儀器的同步性，從運動學(xué)、動力學(xué)和肌電圖學(xué)方面同步解釋分析跨步跳的技術(shù)動作，目前尚屬首例分析。具體操作方法：從一個直流電源連接出三根電線，其中兩根線各自接上個發(fā)光二極管。與遙測肌電儀配套的計算機上安裝高象素攝像頭，兩個二極管分別放置在高象素攝像頭和高速攝像機鏡頭的有效范圍之內(nèi)，連線足夠長，第三根線連接到測力臺的電荷放大器上。當啟動電源時，兩個二極管發(fā)光，高速攝像機和高象素攝像頭都能捕捉到標志點，同時測力臺也獲得啟動信號，達到同步效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 運動學(xué)特征分析

2.1.1 著地角

三級跳遠是一項技術(shù)較復(fù)雜，對運動員身體素質(zhì)要求較高的田徑項目，運動員要經(jīng)過快速助跑連續(xù)完成3次起跳，尤其第2跳是在人體經(jīng)過高速助跑騰躍一定高度和遠度的情況下落地再起跳，這無疑加大了支撐腿著地過程中的負荷，同時也加大了起跳的難度[1]。Amadio (1985年)通過對高水平男子三級跳遠運動員測試，發(fā)現(xiàn)跨步跳的反作用力達本人體重的14-22.4倍；金洪兵的研究表明，在跨步跳整個支撐階段退讓性工作負荷是克制性工作負荷的2.5倍[2]。由此可見，運動員要很好地完成第2跳的技術(shù)動作，除具備良好的腿部力量外，合理的技術(shù)動作更是必不可少，由于女子運動員身體結(jié)構(gòu)和身體素質(zhì)等方面與男子運動員相比有一定差異，故女子運動員要很好地完成第2跳的技術(shù)動作難度更大。成績的創(chuàng)造與技術(shù)密切相關(guān)，因為技術(shù)是“合理運用自己的運動能力，創(chuàng)造成績的方法”，第2跳動作質(zhì)量的高低對取得理想的三級跳遠成績起著重要作用[3]。

尚瑞花的研究發(fā)現(xiàn)，著地角的大小直接影響水平速度的損失率，影響下肢肌蹬伸時機的早晚，影響蹬伸作用力的大小和作用時間，認為優(yōu)秀女子運動員的跨步跳著地角應(yīng)控制在63°左右[4]；而李鴻江等人的研究表明，世界優(yōu)秀男子運動員的跨步跳著地角為68±2°[5]。

和平認為，在理想情況下為保持水平速度，運動員應(yīng)使用小腳度踏跳，大角度著地，但這卻是不可能的[6]。因為下肢肌在完成起跳的過程中有其獨特的運動機制和機能特性。簡而言之，下肢肌在起跳過程中要盡快完成一次從退讓性工作向克制性工作的轉(zhuǎn)化，這種轉(zhuǎn)化完成的好壞由支撐負荷和起跳腿工作肌群的肌肉反應(yīng)特性決定，根據(jù)肌肉反映特性值的公式R=垂直沖擊力極值/自身體重/起跳時間[7]，當運動員這種肌肉反應(yīng)特性一定時，若下肢肌承受了較大的垂直沖擊力，會延緩?fù)俗屝怨ぷ飨蚩酥菩怨ぷ鞯霓D(zhuǎn)化，使起跳難以快速完成蹬伸，導(dǎo)致起蹬晚，發(fā)力不充分。故運動員每一跳著地角的大小直接關(guān)系到各跳著地瞬時垂直方向所承受的沖擊負荷大小，成為影響運動成績的重要因素。

通過對中國優(yōu)秀女子運動員的著地角分析發(fā)現(xiàn)(見表1)，跨步跳的著地角普遍偏小，且與國外優(yōu)秀選手相比差異具有高度顯著性(P<0.01，見表2)。有關(guān)研究證明，“世界優(yōu)秀三級跳遠運動員，無論高跳型還是平跳型，對每次起跳的著地角均表現(xiàn)出很好控制能力，在起跳時表現(xiàn)出著地角大于起跳角的技術(shù)特征。著地角大，則緩沖時反作用力相對較小，利于保持水平速度[8]。有關(guān)研究證實，著地角越小，前支撐阻力越大，加大了著地時的制動作用，水平速度的損失就大，且這種損失是由于起跳腿著地瞬時與地面的沖擊所引起，不會轉(zhuǎn)化為垂直速度，是完全的損失[9]。中國優(yōu)秀女子運動員的著地角偏小是普遍存在的問題，由于著地角偏小，離地瞬時的重心水平速度損失較大，與國外優(yōu)秀選手離地瞬時身體重心水平速度對比差異具有高度顯著性(見表2，P<0.01)。

表1 中國優(yōu)秀女子三級跳遠運動員跨步跳起跳的著地角(°)

表2 中國與國外優(yōu)秀選手跨步跳著地角、離地瞬時身體重心水平速度對比

2.1.2 著地瞬時支撐腿膝角

支撐腿膝角的變化情況是反映運動員腿部力量和腿部肌肉退讓性工作能力的重要指標(見表3)。從著地時的技術(shù)風格來看，大部分中國優(yōu)秀女子運動員在跨步跳時采取了以較小的膝角著地，平均值為157.78°，小于國外優(yōu)秀運動員161.2°，且差異具有高度顯著性(P=0.005<0.01，見表4)。查閱大量的文獻資料發(fā)現(xiàn)，有些資料稱這種著地方式為“屈膝著地起跳蹬伸”技術(shù)[10-12]。以這種方式著地的優(yōu)點是：節(jié)奏明顯，扒地積極，非常有利于小腿回壓后擺著地和起跳蹬伸時的快速發(fā)力，同時還可緩解在著地時地面給支撐腿帶來的壓力。由此可見，中國優(yōu)秀女子三級跳遠運動員在著地方式上體現(xiàn)了她們技術(shù)的優(yōu)點。

表3 中國優(yōu)秀女子三級跳遠運動員跨步跳起跳支撐腿膝角的變化(°)

表4 中國與國外優(yōu)秀選手跨步跳起跳著地瞬時膝角對比(°)

2.2 肌電學(xué)特征分析

從查閱的文獻資料看，發(fā)現(xiàn)大部分關(guān)于肌電的研究集中于康復(fù)醫(yī)學(xué)方面，運用于訓(xùn)練領(lǐng)域的研究較少，可見的報道大部分是關(guān)于訓(xùn)練方法和訓(xùn)練手段的探討，把肌電與運動專項的特點結(jié)合起來的研究比少。近年來，隨著科技的發(fā)展，肌電的模擬信號能夠轉(zhuǎn)化成數(shù)字量化的指標，因而為肌電在運動訓(xùn)練領(lǐng)域的發(fā)展提供了可能。

由于每個人的肌肉力量隨著年齡、訓(xùn)練年限長短的不同而不同，所以不能進行簡單的橫向比較，這就要求在比較之前測試每個人每塊肌肉的最大肌肉力量，根據(jù)公式：肌肉力量比值(%)=完成動作的肌肉電量(mv)/肌肉最大放電量(mv)，比值大小反映了運動員的肌肉用力程度，排除了年齡、訓(xùn)練年限等因素造成的誤差，因而具有可比性。在以下的研究分析中所出現(xiàn)的肌電變化平均值均指這個比值。

由于對三級跳遠運動員跨步跳起跳技術(shù)進行肌電的研究在國內(nèi)尚屬首次，所以找不到現(xiàn)存的評價標準對研究對象的肌電變化特征進行評價，因此只能根據(jù)研究對象測試所得的數(shù)據(jù)的總體平均值進行評價，著地瞬時的肌電變化平均值見表5。為了便于觀察得更清楚，方便教練員今后有針對性地訓(xùn)練，將運動員著地瞬時肌電變化的平均值比值制成柱狀圖，見圖1。

使用單因素方差方法(ANOVA)對三級跳遠運動員在著地瞬時肌電變化情況進行統(tǒng)計學(xué)分析，統(tǒng)計結(jié)果顯示差異具有顯著性(F=2.740，P=0.012<0.05)。八塊肌肉之間僅有半腱肌與其它七塊肌肉之間存在顯著性差異，比值為40.68%，其它肌肉之間統(tǒng)計學(xué)意義上不存在顯著性差異，說明在著地瞬時，半腱肌作用效果要比其它七塊肌肉的作用效果明顯，表5八塊肌肉用力原始數(shù)據(jù)平均值的大小也證實了這一點。肌肉用力程度大小依次為半腱肌、臀大肌、腹直肌、股直肌、股外側(cè)肌、脛骨前肌、腓腸肌、股內(nèi)側(cè)肌。由此看出，在著地瞬時半腱肌、臀大肌、腹直肌和股直肌的用力最主要。

表5 著地瞬時肌電變化均值比值(%)

圖1 著地瞬間肌電變化對比圖

2.3 動力學(xué)特征分析

人體的踏跳過程并非是簡單的碰撞和非彈性碰撞運動，它包含復(fù)雜的用力過程，由助跑和騰空獲得的動能和勢能通過踏跳釋放和轉(zhuǎn)化，踏跳過程是支撐腳與地面相互作用的結(jié)果，它是由彈性支撐和快速伸展兩部分組成，在起跳非常短的支撐時間里，下肢工作肌群要完成退讓、等長和克制三種不同的工作方式[13]。

為能更客觀、直接研究三級跳遠跨步跳起跳動力學(xué)特征，將三級跳遠跨步跳起跳的動力學(xué)曲線特征描述如圖2。

圖2 三級跳遠跨步跳起跳三維支撐反作用力曲線圖

根據(jù)圖2，F(xiàn)x曲線為左右方向水平分力。正波峰與負波峰出現(xiàn)的先后取決于運動員起跳腿的不同。右腿起跳的運動員首先出現(xiàn)負波峰，左腿起跳的運動員首先出現(xiàn)正波峰，這與選取坐標點的位置有關(guān)。Fy曲線表示前后方向的水平制動分力，正值表示向后的分力，負值表示向前的分力。Fz曲線表示垂直分力，以水平線為界，曲線向上為正值，曲線向下為負值。

由圖2可看出，三級跳遠跨步跳的Fz曲線的變化是最大的，即垂直方向的分力變化最大，且呈現(xiàn)雙波峰，第一波峰高而陡，說明作用時間短，力量大；第二波峰低而緩，說明作用時間長，力量相對較小。

研究主要是從3個儀器同步出發(fā)，反應(yīng)同一時刻或階段運動學(xué)、動力學(xué)、肌電學(xué)特征。根據(jù)前面分析，對測力臺時相和階段劃分與運動學(xué)和肌電學(xué)是相互統(tǒng)一的，具體劃分的階段見圖3。

圖3 時相與階段劃分示意圖

三個時相：著地瞬時，即圖3中的A點；最大緩沖時刻，即B點；離地瞬時，即C點。

兩個階段：緩沖階段：即動力學(xué)曲線中的AB段；蹬伸階段：即動力學(xué)曲線中的BC段。

由于受試者體重不同，為排除體重因素的影響，所有最大力值和平均力值均除以自身體重，使其成為單位體重下的力值，這樣得到的數(shù)據(jù)具有可比性。公式：單位體重力值(N/kg)=最大力值或平均力值(N)/自身體重(kg)。有研究證明，在著地瞬時，適宜的沖擊負荷為工作肌群退讓收縮提供了可能，從而引起肌肉向心收縮的初長度變化，為創(chuàng)造最適宜的初長度提供了前提條件，因此適宜的沖擊負荷對提高肌肉向心收縮能力是有利的[14]。

著地瞬時，即支撐腿接觸地面的瞬間，即圖3中的A點，截取作用時間10ms。表6數(shù)據(jù)表明，左右方向的水平分力最大值為2.15 N/kg，前后方向的分力最大值為2.56 N/kg，垂直方向的最大力值為95.69 N/kg。從數(shù)值可看出，支撐腿在著地瞬時三個方向上都有不同程度的力產(chǎn)生，其中以垂直方向的分力最大。

表6 著地瞬時各個方向的分力值

3 結(jié)語

1)中國優(yōu)秀女子三級跳遠運動員跨步跳起跳著地瞬時的著地角普遍偏小，與國外優(yōu)秀女子選手相比差異具有高度顯著性(P<0.01)；由于著地角偏小，導(dǎo)致離地瞬時的重心水平速度損失比較大，與國外優(yōu)秀選手離地瞬時身體重心水平速度對比差異具有高度顯著性(P<0.01)。2)從著地技術(shù)風格看，大部分中國優(yōu)秀女子運動員在跨步跳時采取了較小的膝角著地，平均值為157.78°，小于國外優(yōu)秀運動員；這種方式著地節(jié)奏明顯，扒地積極，有利于小腿的回壓后擺著地和起跳蹬伸時的快速發(fā)力，同時還可以緩解在著地時地面給支撐腿帶來的壓力，體現(xiàn)了她們技術(shù)的優(yōu)點。3)肌電圖學(xué)方面，在著地瞬時僅有半腱肌與其它七塊肌肉之間存在顯著性差異，比值為40.68%，說明在跨步跳的著地瞬間半腱肌的用力程度明顯大于其它七塊肌肉；另外臀大肌、腹直肌和股直肌在跨步跳的踏跳過程中都起著非常重要的作用。4)動力學(xué)方面，在跨步跳的著地瞬時，三個方向上都有不同程度的力產(chǎn)生，其中以垂直方向的分力最大，為95.69 N/kg。

[1] 張殿亮，吉艷霞.我國優(yōu)秀女子三級跳遠運動員二、三跳起跳技術(shù)運動學(xué)特征[J].中國體育科技，1999(10).

[2] 王瑞元，楊靜宜，熊開宇.等速向心及離心伸膝時股四頭肌肌電和做功變化[J].北京體育大學(xué)學(xué)報，1994(1).

[3] 蔡錫元，田兆鐘.試論中國三級跳遠再躋身于世界水平的關(guān)鍵問題.田徑熱點論[M].北京：人民體育出版社，1995.

[4] 尚瑞花.三級跳遠中各跳起跳時著地動作的作用分析[J].中國體育科技，2005(2).

[5] 李鴻江，沙 捷.三級跳遠[M].北京：人民體育出版社，2000.

[6] 和 平，王 健，孟凡林.三級跳遠訓(xùn)練理論與實踐研究[M].天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1999.

[7] 龍躍玉，呂季東，徐劍光.男子三級跳遠運動員起跳腿“拉長-縮短周期”收縮能力的研究[J].體育科學(xué)，2001(1).

[8] 李建設(shè).女子三級跳遠三跳起跳技術(shù)的生物力學(xué)評價[J].體育科學(xué)，1992(2).

[9] 盧 剛，王宗平.中外兩名優(yōu)秀三級跳遠運動員起跳技術(shù)分析[J].首都體育學(xué)院學(xué)報，2004，(2)：57-59.

[10] 南仲喜，袁作生.現(xiàn)代田徑運動科學(xué)訓(xùn)練法[M].北京：人民體育出版社，1997.

[11] 俞繼英.奧林匹克田徑[M].北京：人民體育出版社，2001.

[12] 岡野進.跳遠，三級跳遠[M].北京：人民體育出版社，2001.

[13] 李玉章.對不同水平男子三級跳遠運動員跨步跳踏跳技術(shù)及下肢承受能力的比較研究[D].沈陽：沈陽體育學(xué)院，2004.

[14] 李玉章，吉艷霞，張貴敏，等.男子三級跳遠運動員跨步跳踏跳技術(shù)的生物力學(xué)分析[J].上海體育學(xué)院學(xué)報，2005(1).