自由泳轉身階段的生物力學研究

王 麗，顧耀東，楊紅春，李建設，張 躍

（1.寧波大學 體育學院運動人體科學實驗室，浙江 寧波315211；2.浙江體育科學研究所，浙江 杭州310004；3.浙江體育職業技術學院，浙江 杭州311231）

0 前 言

游泳比賽由出發、途中游、轉身、終點沖刺及到邊五部分組成.在自由泳短池比賽中，轉身時間約占總用時的36%［1］，50 m池中可占到31%［2］，1500 m比賽（50 m池）中，優秀轉身技術最高可節約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的關鍵，利用優秀轉身技術最終獲取勝利的例子比比皆是，轉身技術對比賽成績及名次的影響更加凸顯。

國際游聯游泳競賽規則的修改允許自由泳運動員水下轉身后，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。爬泳轉身可分為平轉式、擺動式、滾翻轉身三種；其中，平轉式轉身時身體圍繞前后軸轉動，轉身速度較慢。擺動式轉身身體是圍繞縱軸、前后軸轉動。滾翻轉身則是身體圍繞橫軸、縱軸或前后軸動轉動，轉身速度較快。近十年來，隨著競技游泳水平的提高，前兩種轉身方式已逐漸被滾翻轉身所替代。滾翻式轉身又可細分為三種：①在短軸轉180°的同時，長軸也轉180°，蹬壁時已基本成俯位，后接水下蝶泳腿；②短軸轉180°后呈仰位蹬離，水下蝶泳腿期間長軸再轉180°；③短軸轉180°接長軸轉90°即側位蹬壁，側擺蝶泳腿，出水前接側劃水。前兩種難度稍大，在實踐中更多選手的技術介于①和③之間。

1 自由泳轉身技術的研究概況

1.1 測量技術概述

一般從運動學和動力學兩方面研究自由泳轉身技術，由于動力學研究要求實驗條件較高，故國內關于運動學的研究較多，而國外的研究則較全面。1993年朱泰昌在他的研究中進行相關和回歸統計學處理，從游近池壁及觸壁、轉身、蹬離池壁對轉身進行分析［4］。該研究共采用10種變量，其中5種是時間，3種是角度，2種是速度。這些變量包括前滾翻90°時的時間、游進2 m至腳觸壁時間、腳觸壁到頭至2 m線時間、轉身前后4 m總時間、腳觸壁后停留時間；蹬出時軀干角度（與水平面夾角）、蹬出時髖角度、蹬出時膝角度；游進2 m時的速度（m／s）、蹬出速度（腰到2 m線，m／s）。Araujo采用峰值壓力，觸壁時間，沖量，膝關節彎曲角度，15 m轉身時間五個參數對自由泳轉身技術進行分析［5］；Prins則利用折疊指數（tuck index）、蹬壁的深度、觸壁時間三個參數對蹬離速度的影響進行研究［6］。Roesler指出觸壁時間及最大峰值力兩變量較總沖量可更好地評價自由泳轉身技術［7］。

選定其中參數后，利用攝像機，水下攝像，水下測力裝置及相關軟件對獲取參數進行分析。轉身距離為其他參數的基石，目前其選取標準尚未統一，其差異性對結果的影響性未見報道。1978沈潛是以離池端5 m到從蹬池壁到5 m的轉身10 m距離作為轉身距離［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所采用的是轉身前后各7.5 m距離［9］，殷玲玲則把轉身距離分為前5 m游近池壁和蹬離池壁后10 m的15 m轉身距離［10］。Silveira等研究表明：轉身技術相似的運動員的研究采用10 m轉身距離即可，不同轉身技術的研究宜采用15 m 轉身距離［11］。

1.2 研究指標概述

當前所獲文獻中較常用的運動學及動力學參數歸納如下：

① 游進時間：頭部最高點游進規定線至觸壁所用時間。規定線不同學者間有所差異，分別為2 m、2.5 m、5 m或7.5 m。

②滾翻時間：最后劃水動作結束至觸壁瞬間所用時間。

③ 觸壁時間：觸壁瞬間至離壁瞬間所用時間。

④游出時間：觸壁至游出規定線所用時間。規定線不同學者間有所差異，分別為2 m、5 m、7.5 m或10 m。

⑤轉身時間：游進池壁與游出池壁所用時間之和－－－轉身前后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）所用時間之和。

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

⑦膝關節角度：踝關節與膝關節之間的連線和大轉子與膝關節連線間所形成的角度。

⑧髖關節角度：踝關節與大轉子之間的連線和大轉子與肩關節之間的連線間所形成的角度。

⑨ 蹬離深度：蹬離瞬間，髖關節的浸入深度。

⑩ 游進速度：轉身前，頭部頂點經過規定距離與所用時間比值。11游出速度：蹬離瞬間頭部頂點經過規定距離與所用時間的比值。12沖量：轉身時，測力板垂直方向上力－時間曲線的面積。

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：離壁瞬間至打腿動作開始時頭部最高點距池壁的距離。

2 自由泳轉身不同階段的生物力學研究

一般情況下運用有關運動學和動力學技術手段進行實驗研究或現場研究。通常把自由泳轉身分為游進、轉身、觸壁、蹬離、滑行幾個階段，采取上述參數對各個階段進行相應的歸納分析。

2.1 游進階段

目前，國內外學者主要針對其設定距離進行相關時間統計，計算平均速度，利用統計學方法分析游進階段相關參數與轉身速度及成績之間的關系。殷玲玲、杜更把轉身15 m時間作為評價指標對中、外優秀女子100 m與長距離自由泳運動員技術進行分析［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間與距離，推導出游近池壁時的平均速度與蹬出的平均速度，指出轉身總時間與比賽成績相關，隨比賽距離的增加而增多，成高度相關［4］。Blanksby對自由泳運動員轉身進行研究得出：同齡組運動員的5 m轉身時間與峰值壓力，觸壁時間，潛泳距離，最大游速顯著相關［13］

鄭毅賢指出：增加旋轉力矩是加快旋轉速度的方法之一。轉身時游進池壁的慣性力和轉身屈體時水對頭和肩部的阻力都不通過身體重心而產生兩個力矩，它們的方向與轉身的方向一致，大小與游進速度成正比，因此轉身前必須加快游速才能加大推動力矩，提高轉身旋轉速度［14］。1986年月27日明報刊登了英國科研人員關于同一項目男女運動員轉身技術特點及轉身與成績、名次的關系的研究，指出：男運動員在所有項目的轉身速度均比女子快、距離遠。由于近池壁的速度加快，運動員在距池壁較遠的地方就開始準備轉身并以快速的動作來完成。BLANKSBY認為，自由泳短距離項目中，準確的轉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動員，在準備轉身時距池壁也較遠［13］。崔建民對索普2004年雅典奧運會200 m自由泳金牌中的視頻錄像觀看和統計發現，索普轉身前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內完成［16］。

2.2 轉身與觸壁階段

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

目前，國外關于轉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，膝關節角度，觸壁時間，蹬離速度等方面的研究。結合目前研究，蹬離時膝關節角度在100°～120°之間可使肌肉發揮最大優勢。而在最小能耗前提下，如何把握好不同個體間觸壁時間，最大力與蹬離速度之間的關系及其相對應的折疊指數，延伸轉身效果，逐步成為學者研究的重點。

2.3 蹬離及滑行階段

轉身及觸壁環節為蹬離環節奠定基礎，轉身后身體流線型的準備姿勢，是轉身技術的直接體現。蹬離階段主要集中于減阻問題的研究，一般從觸壁時間、蹬離速度、潛泳深度等方面切入。蹬離時保證一定深度的同時應注意踝、髖、肩三點的用力，盡量使其在一條直線上。Toshiaki等研究指出蹬離時身體重心距水面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自由泳等長距離項目來說，蹬出池壁的速度越快，成績越好，名次也越高，總轉身時間與比賽成績的相關性隨著比賽距離的增加而增加［3］。Lyttle等總結了自由泳蹬離過程中力－時間曲線特點，指出，好的轉身曲線最大峰值力時刻接近蹬離時刻，且曲線增加幅度平緩連續［24］。Goya等研究發現：經過訓練的運動員蹬離時的平均峰值力高于未經訓練的運動員，分別為1 070.9和724.2牛［23］。Nicol和 Kruger測定的自由泳運動員轉身時壓力板最大值變動范圍為600～1 100牛［25］。由于最大蹬力值的個體差異性，一般對其壓力值進行標準化統計（除去體重因素）。Roesler對轉身技術較好運動員的轉身技術進行研究，指出，標準化后蹬力值的變動范圍在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，因此標準化值為1.57BW［26］，蹬離前的準備階段完成后，轉身效果開始體現。蹬離時身體應保持流線型，蹬離時逐步加速，過快易使身體周圍水流加速，阻力增大。轉身的最后環節應充分考慮減租問題，延伸蹬離效果。Vorontsov和Rumyantsev研究表明，當深度在0.7～1.2 m時，水面不產生波浪［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使用牽引機器對不同深度不同速度下人體所受阻力進行分析，結果表明：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］。此研究結果不同于Clar ys的研究，其研究發現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，此速度下產生的阻力較小。Hertel和Larse研究了身高與潛水深度關系，得出其比值為0.2～0.4，個體在此深度下所受阻力最?。?1、32］。Mason研究發現，潛泳深度與潛泳距離之間與轉身表現無顯著關系［9］。

滑行階段的研究則主要集中在滑行距離和時間等方面蹬離后的打腿時機非常重要，由于剛蹬離時的速度較大，在此時加上腿部動作會造成較大的阻力，影響蹬離效果，而速度太小時開始打腿，不能充分利用上蹬離的速度，體力耗費較大。Chow指出蹬離后速度在1.9～2.2 m／s時開始打腿效果最好［33］。Mason的研究指出：運動成績好的運動員最主要的特點是蹬離池壁時潛泳距離和時間較長。轉身階段的水下時間和距離越長，總的轉身時間就越短［9］。Goya等研究發現：經過訓練的運動員蹬離后的平均滑行距離為9.41 m，未經訓練的平均滑行距離僅有8.23 m，蹬離時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，水下滑行時雙臂應前伸夾緊頭部，目視池底身體重心保持在腰部，盡量使身體保持水平，在出水時在完成一次單臂劃水前不應急于吸氣，以免增大形狀阻力。

3 小 結

綜上所述，提高轉身技術應遵循以下幾點：

3.1 游進池壁的平均速度應不低于途中游速度。

3.2 把握好轉身時機，形成良好的蹬伸姿勢，使觸壁蹬伸時髖關節120°～150°之間，膝關節90°～120°之間，確保轉身后相關肌肉處于最佳發力位置。

3.3 平衡峰值壓力，觸壁時間，最大阻力三個變量之間的關系以保證最佳蹬離速度。

3.4 蹬離時應根據個體身高選擇相應潛泳深度，減少阻力。

3.5 蹬離時盡可能保持身體的流線型，在規則允許范圍內盡力延長蹬離后潛泳距離，注意打腿時機的配合，一般認為速度在1.9～2.2 m／s時開始打腿，效果最好。

合理正確的轉身技術動作是提高轉身速度、縮短轉身時間的關鍵。任何一種轉身技術動作，都要求轉身時雙腿蹬伸迅速有力，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階段，自由泳轉身的研究重點放在如何增加蹬離速度、減少阻力及轉身技術的優化上。轉身階段的劃幅、劃頻對轉身成績的影響及個體化技術的定量研究相對較少，今后的研究方向應綜合其他學科的研究成果，利用精密儀器及先進技術對轉身技術動作進行定量研究，模擬轉身技術，優化技術動作，探索新的轉身方式。

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