我國優秀男子花劍運動員弓步刺動作的速度特征及協調性研究

程 鵬，王 雁，衣龍燕，汪 洋，晏 冰，陶 龍，何玉欣

Beijing Sport University，Beijing 100084，China.

1 前言

擊劍比賽中，進攻動作的時機、速度和準確性是擊中與否的關鍵性因素。弓步刺作為擊劍比賽的基本進攻動作對速度和精確度有很高的要求，良好的弓步刺技術應具有良好的速度和準確性特征。目前，國內、外對擊劍弓步刺動作的研究主要集中在技術動作的運動學特征指標，包括對擊劍運動員在實戰中出手時各肢體關節的速度、角度、角速度、出劍速度以及進攻距離等運動學指標的統計和比較［4，5，7］。對于弓步刺動作的速度特征及協調性的研究很少，其中，李曉浦對俄羅斯運動員Netchaeva、德國運動員Ujdoso Alexandr a、中國運動員譚雪及周梓淇在比賽中的弓步刺動作速度構成和同步性特征做了研究，發現女子佩劍運動員的手速度變化決定佩劍速度變化，重心速度決定佩劍基礎速度的大小；運動員動作結構合理性可以通過重心與手的速度比例、以及手相對重心的最大速度和重心最大速度時間相位差進行評定［2］。鄧磊對上海體育學院8名重劍運動員的“弓步刺”動作協調性的非線性動力學特征進行了研究，發現低水平重劍運動員與高水平重劍運動運員在訓練時的“弓步刺”動作協調模式相似；而在比賽情景下，高水平重劍運動員的“弓步刺”動作協調性要顯著好于低水平重劍運動員［1］。

現有對擊劍弓步刺動作的多數研究中存在樣本量小或者運動員水平較低的問題。本研究以12名國家隊一線優秀男子花劍運動員作為測試對象，對其弓步刺動作的速度特征和協調性進行統計分析，以期確立弓步刺動作的速度構成特點及其決定性因素、花劍運動弓步刺動作的協調性評定指標。

2 研究對象和方法

2.1 研究對象

國家隊一線優秀男子花劍運動員12名（表1）。

2.3 研究方法

表1 本研究測試對象信息一覽表Table 1 Subject Information

使用三維測力臺（Kistler 9281CA，Switzerland）和8鏡頭紅外高速運動捕捉系統（Motion Analysis Raptor－4，USA），同步記錄花劍弓步刺動作過程中的的運動學和動力學數據。受試者著緊身短褲，根據體表解剖標志在身上貼30個反光標志點（表2）。

表2 本研究標志點名稱及位置一覽表Table 2 Marks and Location

測試現場如圖1所示，測試時運動員先以實戰姿勢站立于測試場地中央的三維測力平臺上，待其正前方測試信號燈亮起時做弓步刺動作，做完弓步刺動作后立即恢復實戰姿勢。信號燈與三維測力臺及紅外高速測試系統通過觸發信號同步開始，通過三維測力臺采集地面反作用力，采樣頻率1 000Hz。通過紅外高速運動捕捉系統采集運動學數據，采樣頻率為200Hz。

3 結果與分析

3.1 動作階段劃分

由于擊劍動作速度快，動作復雜，僅從運動學數據進行動作階段的劃分存在時間點上無法精確判斷，故本研究結合弓步刺過程中測力臺數據指標進動作階段的劃分。由于花劍弓步刺動作主要為前、后方向的移動，故將與持劍臂同側腿稱為前腿（做擺伸動作），另外一側稱為后腿（做蹬伸動作）。根據測力臺數據并結合弓步刺動作將弓步刺動作分為以下3個階段：1）蹬伸階段：從前腿抬起開始到蹬伸腿離地；2）騰空階段：后腿離地到前腿著地；3）著地階段：從前腿著地到重心穩定階段（圖2）。

圖1 本研究測試現場示意圖Figure 1. The Schematic Diagram of Test Field

圖2 本研究動作階段劃分示意圖Figure 2. The Schematic Diagram of Action Phase

3.2 劍速度相關指標

在體育運動中，尤其是同場對抗性項目當中，速度通常是決定勝負的關鍵因素。在花劍比賽中運動員移動的速度和出劍速度都是決定擊劍效果的關鍵性因素。運動員在前、后方向移動及出劍的速度和加速度越高，對時機把握的越好，進攻得分或躲避進攻的幾率也就越高。因此，需要對擊劍動作的速度構成特點以及其決定性因素進行深入細致地研究。

對擊劍動作的主要運動學及動力學指標和劍峰最大速度進行相關性分析（表3）結果顯示，與劍速最大值呈顯著相關性的指標有前腿膝、踝關節最大角速度和持劍臂肘關節最大角速度，后腿的蹬伸動作、重心速度以及后腿蹬地力相關指標都和劍鋒最大速度未達到顯著性相關。由此可以看出，原地弓步刺動作的劍速最大值決定性因素是持劍臂肘關節的角速度，即運動員的持劍臂出劍動作速度決定著劍速峰值的大小，前腿膝踝關節的動作與持劍臂的出劍動作有很高的協同性，這也符合擊劍動作前腿快速踢出的要領。

表3 本研究劍速最大值與弓步刺各項指標的相關性一覽表Table 3 The Correlation between Sword－Speed and Other Index

對擊劍動作的主要運動學及動力學指標和重心最大速度進行相關性分析（表4），結果顯示，與重心速度顯著性相關的指標包括后腿膝踝關節的角速度最大值和平均角速度、前腿髖關節角速度最大值以及后腿蹬地力相關指標。由此可知，原地弓步刺動作重心速度最大值的決定因素是后腿膝關節的蹬伸速度，后腿蹬伸產生的水平方向力是重心速度提高的關鍵指標，前腿的快速擺動有力于重心速度的提高，而持劍臂的出劍動作與重心速度最大值相關性不高。在原地弓步刺動作中，決定重心移動速度的指標是后腿的快速蹬伸產生的地面水平方向反作用力，前腿的快速擺動能夠提高重心的移動速度。弓步刺動作中前腿腿與后腿腿的協調配合非常重要，前腿的加速擺動相應地會引起重心的前移，提高重心的移動速度。

表4 本研究重心速度最大值與弓步刺各項指標的相關性一覽表Table 4 The Correlation between the Centerof Gravity－Speed and Other Index

圖3和圖4顯示，做原地弓步刺動作時，重心從零開始加速，重心速度在動作開始階段（圖3中A段）提升不大，A階段為弓步刺動作的準備階段，前腿抬起離地，為后腿的蹬伸做準備，持劍臂保持不動，動作隱蔽性高。

B階段動作為下肢蹬伸和持劍臂出劍，重心速度的加速度和劍的加速度相比較低。從動作結構來看，重心的加速主要依靠下肢的蹬伸，劍的加速是上肢伸出和下肢蹬伸的共同結果。在B階段，手相對重心手的運動幅度較大，速度較快，此階段手對劍速的貢獻率比重心高。花劍原地弓步刺動作中重心速度從零開始加速，提升速度與劍速相比較小，在速度曲線上表現為劍速峰值超前重心速度峰值。當出劍動作完成后，劍速開始下降，而在后腿積極蹬伸的作用下，重心速度持續增大。

在C階段，出劍動作和蹬伸動作都已完成，重心移動速度達到峰值，當前腿著地后，重心速度開始下降。此階段劍速和重心速度基本一致，在出劍動作完成后此時重心速度決定劍的速度的大小。重心速度對劍速度的貢獻率占主導地位。較高的重心移動速度保證了持劍臂的出劍動作完成后劍速繼續保持在較高水平上。

圖3 本研究劍和重心速度曲線示意圖Figure 3. Sword－Speed and the Center of Gravity－Speed Curve

圖4 本研究持劍臂肘關節及雙側膝關節角速度曲線示意圖Figure 4. Elbow and Knees Angular Velocity Curve

良好的出劍動作應如圖5所示，劍速峰值和重心速度峰值的良好銜接，這樣劍速能夠在重心速度的基礎上達到較高的水平。在技術動作上的表現是出劍動作一氣呵成，持劍臂的出劍動作協同前腿的快速前踢，前腿快速踢出的同時后腿快速的蹬伸。

如果出劍動作和后腿的蹬伸動作協同性不好，則會出現劍速曲線出現兩個峰值（圖6），第一個峰值為出劍動作帶來的劍速提高，第二個峰值為后腿的蹬伸，劍速伴隨重心移動速度的提高而提高，形成兩個劍速波峰之間的速度波谷區。此時，劍速較低，而重心速度剛剛開始提升，在動作上表現為出劍動作已完成，后腿蹬伸和前腿踢出動作才開始，由于是單腿支持時刻，重心無法快速調整，而劍速又較低，很容易被對手抓住機會反擊得分。

圖5 本研究運動員A劍速重心速度曲線示意圖Figure 5. The Sword－Speed and the Center of Gravity－Speed Curve of A Fencer

圖6 本研究運動員B劍速和重心速度曲線示意圖Figure 6. The Sword－Speed and the Center of Gravity－Speed of B Fencer

3.3 協調性

李世明等認為，動作協調性是指人體按照技術動作的空間、時間、節奏等要素的要求，人體各器官系統各運動部位協調一致地完成動作。通過運動訓練形成的動作協調結構是新的肌肉和關節特定的功能性組合，在神經系統控制下一起活動以產生動作協調模式，從而達到運動動作的目標［3］。Hudson提出動作協調性理論，運動目標不顯著或開放性運動鏈動作協調性應該為環節運動的順序性，即環節由近端到遠端角速度依次達到峰值，突出運動動作的速度；運動目標顯著或封閉性運動鏈動作協調性應該為環節運動的同步性，即各環節的運動角速度同時達到峰值，突出運動動作的準確度［6］。花劍的有效擊中面積小，這就要求在保證準確刺中有效得分區域的前提下，盡量提高動作的速度。根據Hudson對協調性的定義，花劍運動屬于運動目標顯著的項目，其協調性應表現在各環節的運動角速度同時達到峰值，達到出劍擊中對手身上得分位置的準確度，因而，要求花劍弓步刺動作中各關節運動具有良好的協調性。

表5為中國國家隊男子花劍運動員協同性指標，其中，腕踝差為持劍臂腕關節和同側踝關節達到最大速度的時間差，膝差為前、后腿膝關節角速度達到最大值的時間差，劍重心差為劍和重心速度達到最大值的時間差。

表5 本研究中國國家隊花劍運動員協同性指標一覽表Table 5 The Coordination of the Foil National Team

圖7、圖8顯示，運動員A的持劍臂腕關節速度和前腿踝關節速度曲線的同步性較好，而運動員B的持劍臂出劍動作和前腿踢出動作不同步，前腿的動作明顯慢于出劍動作。

圖7 本研究運動員A的持劍臂腕關節和前腿踝關節速度曲線示意圖Figure 7. The Wrist and Ankle Speed Curve of A Fencer

圖8 本研究運動員B的持劍臂腕關節和前腿踝關節速度曲線示意圖Figure 8. The Wrist and Ankle Speed Curve of A Fencer

根據花劍弓步刺動作的特征，可以使用花劍運動員的持劍臂肘關節與前、后腿膝關節角度聯動關系的角－角圖來定性分析其弓步刺動作的協調性。

圖9為運動員E的肘－膝關節角度聯動示意圖，階段A，肘關節角度基本不變，膝關節角度變小，此階段運動員上半身保持不動，前腿離地，為出劍前的準備階段。階段B，肘關節角度和膝關節膝關節角度同步變大，此階段為運動員持劍臂做出劍動作，前腿同步做前踢動作。階段C，為弓步刺著地階段，出劍動作已完成，持劍臂肘關節角度不變，前腿著地后膝關節角度迅速變小。

圖9 本研究運動員E的肘－膝角度聯動示意圖Figure 9. The Mechanical Linkage of the E Fencer’s Elbow and the Knee

圖10為運動員F的肘－膝關節角度聯動示意圖，階段A，肘關節角度基本不變，膝關節角度變小，為出劍前的準備階段。階段B，肘關節角度增大、膝關節角度基本不變，與圖9運動員E相比，運動員F在階段B的并未出現肘－膝關節聯動，只是肘關節角度的增大。階段C，膝關節角度先增大后減小。經過對本次測試的12名運動員的肘－膝關節聯動圖分析統計發現，有10名運動員的肘膝聯動情況較好，有2名運動員的出劍動作完成后再完成前腿踢出的動作。

圖10 本研究運動員F的肘－膝角度聯動示意圖Figure 10. The Mechanical Linkage of the F Fencer’s Elbow and the Knee

圖11為運動員E弓步刺動作前、后腿膝關節聯動示意圖，階段A，為準備階段，此時前腿抬起，膝關節角度減小，后腿角度不變。階段B，前、后腿膝關節角度同時變大，動作表現為前腿做快速前踢動作、后腿做快速蹬伸動作。階段C，前腿膝關節角度減小，后腿膝關節角度不變，此階段為前腿的著地階段。

圖12為運動員F弓步刺動作前、后腿膝關節聯動示意圖，階段A，為準備階段，此時前腿抬起，膝關節角度先減小后增大，此階段前腿先抬腿離地，，而后腿角度不變。階段B，后腿膝關節角度變大，動作表現為后腿做快速蹬伸動作。而前腿踢出的動作已完成，角度基本不變。階段C，前腿膝關節角度減小，后腿膝關節角度不變，此階段為前腿的著地階段。

圖11 本研究運動員E前、后腿膝關節角度聯動示意圖Figure 11. The Mechanical Linkage of the E Fencer’s Knee

圖12 本研究運動員F前、后腿膝關節角度聯動示意圖Figure 12. The Mechanical Linkage of the F Fencer’s Knee

將圖11和圖12進行對比分析，運動員E的弓步刺動作中的出劍階段前、后腿膝關節聯動情況良好，而運動員F的前、后腿膝關節運動時刻分離，聯動時間很少。

根據以上肘膝關節聯動圖和前、后膝關節聯動圖的分析可知良好的弓步刺動作應具有良好的肘膝關節及前、后膝關節聯動。標準的弓步刺動作出劍順序應為，階段A，前腿微微離地，重心降低——階段B，持劍臂前伸、前腿快速踢出、后腿快速蹬伸——階段C，前腿著地，持劍臂保持前伸，其中，要求階段B的3個動作同步協調進行，而不是分布進行。

4 結論

1.弓步刺動作的劍速最大值決定性因素是持劍臂肘關節的角速度。

2.弓步刺動作中決定重心移動速度的因素是后腿的快速蹬伸產生的地面水平方向反作用力和前腿擺動速度。

3.持劍臂出劍動作完成后重心速度決定劍的速度的大小。

4.標準的弓步刺動作出劍順序應為：階段1，前腿微微離地，重心降低；階段2，持劍臂前伸、前腿快速踢出、后腿快速蹬伸；階段3，前腿著地，持劍臂保持前伸；其中，階段2的3個動作應同步協調進行，而不是分步進行，使用關節聯動圖可以清楚地反映弓步刺動作的協調性。

［1］鄧磊.重劍運動員“弓步刺”動作協調性的非線性動力學特征的研究［D］.上海體育學院碩士學位論文，2010：37.

［2］李曉浦，張百鳴，林德佳，等.國際優秀女子佩劍運動員進攻決定性動作速度構成和同步性特征的研究［J］.中國體育科技，2011，47（3）：65－69.

［3］李世明，劉學貞.沙灘排球扣球起跳動作協調性特征的運動生物力學研究［J］.西安體育學院學報，2002，19（1）：62－66.

［4］唐瀟，朱曉敏，宋雅偉.擊劍不同劍種弓步動作的運動學分析［J］.南京體育學院學報（自然科學版），2008，12（7）：29－32.

［5］周繼和，石玉琴，金玉秀，等.弓步刺進攻技術的生物力學分析［J］.成都體育學院學報，1994，20（1）：72－77.

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［7］GHOLIPOUR.Tabrizi and farahmand.kinematics analysis of lunge fencing using stereophotogrametry［J］.World J Sport Sci，2008，1（1）：32－37.