游泳接力出發反饋儀的研制與應用

張俊峰，仲 宇，吳鐘權

1 問題提出

游泳接力比賽，兩名運動員交接棒所用的時間直接反映了運動員之間接力技術與時效配合的結果。而在平時運動員進行接力技術訓練時，只能通過教練員和運動員的主觀感覺來判斷交接棒的快慢，缺乏客觀判斷依據，容易造成運動員交接棒技術運用的不穩定，難免出現交接棒的時間延誤或搶跳犯規現象。

研制比較先進和實用可靠的技術設備既能客觀的檢測運動員接力銜接配合效果，同時，又能測試兩名運動員交接棒所需要的最短時間。根據測得的時間信息結果，能夠即刻反映兩名運動員接跳技術運用的效果，將對游泳運動員之間交接棒技術的判斷方法提供科技條件，協助教練員安排具有針對性的接力訓練手段和方法起到重要作用。

2 游泳接力反饋儀的研制

本反饋儀研制經過以下幾個步驟：工作原理→結構組成→現場調試→測試反饋與修改。

2.1 游泳接力反饋儀的原理

游泳接力反饋儀由出發起跳板、觸板和電子計時裝置三大部分組成。

2.2 游泳接力出發反饋儀的結構

2.2.1 出發起跳裝置

出發起跳裝置是由出發臺和 L形起跳踏板兩部分組成。由于出發臺的斜面 （80×60 cm)與水平面成 10°夾角，L形跳板設計成厚度 0.5 cm，長 60（板面)+3（板沿) cm，寬 50 cm，板沿與板面夾角 100°剛好固定在出發臺斜面上，L形起跳踏板上裝有皮帶，用于固定起跳踏板，使運動員做出發動作時更加穩定。

L形起跳踏板由基板、面板和壓力開關 3部分組成，圖2是 L形起跳踏板的內部結構圖。

圖 1 游泳接力出發反饋儀原理示意圖

圖 2 游泳出發起跳裝置結構圖

2.2.1.1 基板

基板采用不銹鋼材料，厚度為 1.0 mm。使用不銹鋼的目的是它有許多優點，如強度好、不變形、不生銹、耐酸堿、性價比高，缺點是比重大，而其他材料如鋁板雖然比重小、性價比高，但強度差、易變形并且耐酸堿性也差。因此，選用不銹鋼材料價格適中，效果也好。

2.2.1.2 面板

面板采用環氧樹脂板材料，厚度為 1.0 mm。環氧樹脂板的機械強度高、耐高溫、耐油性和耐腐蝕性，并可在潮濕環境中使用。游泳池水中有腐蝕性的物質，選用此面板是比較適宜的。環氧樹脂板經過打磨后粘貼防滑紗布。

2.2.1.3 壓力開關

基板和面板中間內置的壓力開關采用的是氧化銀薄膜開關，共有 5條，每條寬度 2 cm、長 40 cm。由 8個壓力開關單元組成，開關單元的形狀為圓形，直徑 12mm，均勻分布在每個條內。開關按鍵操作力在 170～300 g之間，回彈時間 ＜5m s，觸電抖動時間 ＜3 m s。圖 3為壓力開關條的結構簡圖。

圖 3 游泳接力出發起跳壓力開關條示意圖

2.2.2 游泳觸板

游泳規則規定，游泳觸板的尺寸是 240 cm×90 cm。厚度是 1 cm，觸板上的標志線應與池壁的標志線一致并重疊，標志線為黑色的十字線，十字線的寬度為 25 cm。觸板的周圍和邊緣應標有 2.5 cm的黑邊。觸板應露出水面30 cm，浸入水中 60 cm。本次研制的游泳觸板是按照教練員的要求和運動員平時訓練的需要而設計，其尺寸為 120 cm×90 cm，其他與游泳規則規定要求完全相同。

觸板的靈敏度：日本的是 2 kg、美國 1.5 kg、國產 3 kg壓力。本次研制的游泳觸板不會因為水浪沖擊的影響而產生水壓動作，只有運動員在其上施加 2.5～3 kg的壓力時才能使觸板發生動作，觸板上任何一點的反應力相等，觸板對局部撞擊敏感，但對觸板表面整體壓力的變化不會做出反應，當有外力作用時，壓力開關發出動作信號并反饋給電子計時裝置。游泳觸板由 3部分組成：基板、面板和壓力開關（圖 4)。

圖 4 游泳觸板示意圖

2.2.2.1 基板

基板采用了不銹鋼板材料，厚度為 1.5 mm。由于運動員對觸板的作用力比較大，因此，較厚的不銹鋼板強度大、彈性好、不變形，使用效果較好。

2.2.2.2 面板

采用環氧樹脂板，厚度 1.5mm，原因同上。

2.2.2.3 壓力開關

基板和面板中間放置一種微動輕觸行程開關，共有 4條長度 115 cm、寬度 2.5 cm的壓力開關條，每條由 22個均勻分布開關單元組成，操作力在 160～250 g之間，行程0.9mm。

2.2.3 電子計時裝置

電子計時裝置通過控制電路分別與游泳觸板和出發起跳裝置相連，電子計時裝置由兩套不同精度的計時器組成，計時器設計精度分別是：1/1 000 s和 1/10 000 s。游泳規則要求計時精度是 1/100 s，因此，本裝置完全符合國際游聯要求。顯示器直接顯示測量結果，計時精確而清晰。

電子計時裝置由 6個單元組成 （圖 1)：1)時基信號單元，包括晶體振蕩器、整形和分頻器組成；2)測試單元，包括起跳裝置、游泳觸板和相對應的整形電路；3)控制單元，包括判別電路和主控門，通過控制單元得到一定數量的時間脈沖，表示接力被測時間，輸入相應的計數器、譯碼器和顯示器，通過脈沖數顯示出來；4)鎖存電路，當運動員第 1次觸動觸板后計時器開始計時或停止觸板被鎖定，即使運動員再次觸動觸板也不能改變計時器已有的鎖定狀態，只有按復位鍵解鎖后觸動觸板才能改變計時器的狀態；5)延時復位單元，分為自動和手動兩種，每次測量完成后產生一個延時脈沖信號使計時器清零，也可以手動清零；6)電源單元，提供各單元不同的電壓和電流。

2.3 反饋儀的技術指標檢驗

研制的“游泳接力出發反饋儀”具有顯示精度為 10m s和 1m s兩種即刻顯示功能，前者用于測試運動員正常接力觸壁、起跳時間，后者用于測試搶跳時間，并通過高速攝像系統檢驗了該儀器顯示的精確度和靈敏度，其結果精準。

使用壓力計在觸板的上、下、左、右隨意選擇 8個點，檢驗各個點的受力情況，檢測結果觸動任何一點的反應力基本在 2.5～3 kg之間，完全符合國際泳聯相關的技術指標。

3 游泳接力出發反饋儀工作原理

反饋儀在測試現場安裝并經過檢測各部分一切正常后就可以對運動員進行測試 （圖 5)。

圖 5 游泳接力反饋儀測試工作原理及注解示意圖

反饋儀的測試工作原理分為 3種情況：正常交接棒：當交棒運動員觸動游泳觸板 A時，計時器 D開始計時，接棒運動員離開出發臺時，D停止計時并顯示接棒運動員的正常交接時間。時間的長短反映了接棒運動員接棒技術運用的好壞。搶跳：當交棒運動員還未觸動游泳觸板 A時，而接棒運動員已經起跳離開了出發臺，這時計時秒表E開始計時，當交棒運動員觸動游泳觸板 A時，E停止計時并顯示接棒運動員搶跳的時間，如果搶跳時間 ＜30 m s，按國際游聯規定為正常搶跳；如果搶跳的時間≥30m s視為犯規。因此，運動員會根據搶跳犯規時間的多少來校正自己接棒前的判斷，通過接力專項的時間與空間認知訓練，改進交接棒技術，從而避免犯規和發揮穩定的接力效果。

4 游泳接力出發反饋儀的應用效果

為陜西省游泳隊備戰第 11屆全國運動會女子 4×100 m、4×200m自由泳接力的 5名運動員開展科技服務工作，也作為本次研究的實驗對象。運動員基本情況：3名運動健將，2名國際健將；年齡 18.20±3.05歲、身高 1.70 ±3.40m、體重 59.60±3.69 kg、訓練年限 9.7±3.3年。

由于備戰全運會，運動員每天都有一定的水準訓練量和到異地訓練的安排，教練員根據科研人員建議，在賽前6周內專門安排了接力訓練內容，每周對運動員交接棒的訓練測試 3課次，每次測試時對 3個接力項目的每個運動員測試 3～5次。

在為期 6周的訓練中，開展了提高運動員認知水平的不同判斷方式的訓練，主要采用臺上運動員判斷水下運動員手臂和頭部位置兩種方式，通過對運動員不同方式的認知比較訓練，加強了運動員之間起跳時機的準確把握，使接力出發技術穩定性更高，確保運動員在不搶跳的前提下盡量縮短交接棒時間，其結果從初始接力平均時間0.475 s縮短到 0.135 s。

4.1 十一運會女子 4×100 m自由泳接力比賽的技術指標分析

通過對十一運會游泳比賽公報查閱對比，陜西隊運動員 4×100m預賽的接跳時間與其他隊的對比分析見表 1。

表 1 十一運會女子 4×100m自由泳接力預賽接力銜接時間統計一覽表 （n=12，s)

從表 1中可以看出，在女子 4×100 m自由泳接力預賽中，陜西隊的 3次交接棒時間總計用時是 0.29 s，平均每棒交接時間不到 0.1 s，接力排位為第 1名，比第 3名的解放軍隊快了 1.4 s，比第 1名的上海隊快了 0.6 s，比第 2名的浙江隊快了 0.33 s，特別值得注意的是，陜西隊運動員在第 3棒和第 4棒交接跳出了 0.00 s和 0.05 s的好成績。說明在賽前訓練的過程中，通過利用反饋儀的時間測試指標，來反饋提示運動員接力交接棒時間早晚的認知訓練，取得了非常顯著的效果。

從表 2中可以看出，女子 4×100 m自由泳接力決賽中，浙江隊在本次接力銜接時間用時最少，3次交接棒的時間為 0.61 s，平均每棒交接的時間 0.203 s，和預賽成績相比，發揮的比較穩定，無波動性，而且每棒用的時間比較平均。說明浙江隊在平時的訓練中，加強了對接力交接棒的練習，且與運動員的大賽經驗及心理素質也有著相關性。

表 2 十一運會女子 4×100m自由泳接力決賽接力銜接時間統計一覽表 （n=8，s)

而陜西隊雖然在總成績上排名第 5名，但是在接力交接棒用時上僅落后于浙江隊 0.02 s，平均每棒銜接的時間為 0.21 s，和總成績排名第 1的上海隊用時相同，和預賽成績相比雖然在接力銜接時間上比預賽慢了 0.34 s，但是接力排位上沒有受到影響，這也說明陜西隊運動員經過訓練后，女子 4×100 m自由泳接力交接棒配合技術已位于全國的前列水平。

4.2 十一運會女子 4×200 m自由泳接力比賽的技術指標分析

女子 4×200m自由泳接力比賽也是陜西省的潛優勢項目，在訓練中也著重開展了針對性訓練。通過賽前訓練，運動員之間的配合更加默契，在十一運會比賽中表現非常明顯（表 3)。

表 3 十一運會女子 4×200m自由泳接力決賽接力銜接時間統計一覽表 （n=8)（s)

雖然在女子 4×200 m自由泳接力預賽中，陜西隊 3次交接棒總計用時 1.06 s，接力用時排在第 8位，但是與進入決賽的 8支隊伍相比，交接棒用時依然較少。從表 3的4×200m自由泳接力決賽接力銜接時間上看，陜西隊交接棒銜接時間是前 8名中用時最少的隊，3次交接棒總計用時 0.54 s，比總成績排名第 1的山東隊少用了 0.38 s，比第 2名的浙江隊少用了 0.47 s，平均每棒銜接時間為0.18 s。

通過對以上比賽成績對比，說明本研究研制的游泳接力反饋儀取得了預期的效果。女子 4×100m和 4×200m自由泳接力陜西隊的三棒交接的總時間是參加十一運會決賽運動隊中用時較少的隊伍，4×100 m自由泳接力用時排名第 2，4×200m自由泳接力用時排名第 1。

5 結論

通過實驗和第 11屆全國運動會女子自由泳接力比賽的驗證，游泳接力出發反饋儀的研發達到了預期的技術要求，不但解決了運動員間配合不默契、反饋不及時準確的問題，同時，為運動員改進接力起跳的訓練時機提供了客觀評價條件。游泳接力出發反饋儀安裝方便、操作簡單、結構合理、反饋及時、經濟適用，能為運動員提供具有針對性的接力訓練手段和方法，為游泳接力訓練更具有科學性提供了技術支撐條件。

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