世界優秀速滑運動員起跑技術的生物力學研究

程磊 溫朝暉 喬靜

摘 ?要：對世界優秀速滑運動員的起跑技術進行生物力學研究，從而對我國優秀運動員的起跑技術進行動作技術診斷。以參加2012～2013賽季國際滑聯速滑世界杯（哈爾濱站）500 m比賽的10名世界級女子速滑優秀運動員起跑技術為研究對象，其中包括我國優秀速滑運動員于靜、王北星、張虹。所選運動員中歐美選手占了4名，亞洲選手占了6名，基本上代表了當今世界女子短距離速滑項目最高的水平。采用2臺Panasonic數碼攝像機，在比賽現場對運動員完成的起跑技術按照三維DLT法的要求進行拍攝，比賽結束后，采用三維空間框架進行標定。運用英國產Quintic Biomechanics視頻解析軟件，對所拍攝的運動圖像進行數字化處理，截斷頻率為8 Hz。研究結果表明，與身高相近的亞洲選手相比，我國運動員起跑時重心高度相對偏高，亞洲選手的髖關節角度與膝關節角度值較歐美選手普遍偏低。我國三名優秀運動員身體重心垂直速度和水平速度都處于一個較低的位置，運動員起動階段的動作效果并不佳。結論：在預備姿勢階段，亞洲選手重心高度普遍較低，但軀干角度較歐美選手大;起動階段，運動員技術特點是成績較好的選手起動時間通常相對較短，爆發式蹬冰效果明顯，起動時身體前傾角度都有了顯著性增大;在疾跑加速階段，運動員通過高步頻來快速啟動，而不是利用步長的優勢。

關鍵詞：速滑運動員;起跑技術;生物力學

中圖分類號：G862.1 ? ? ? ? ? ?G804.6 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1002–3488（2014）05–0001–08

Biomechanical Study on Start of International Excellent Speed Skaters

CHENG Lei1， WEN Chao-hui1， QIAO Jing2

（1.Jilin Research Institute of Sports Science， Changchun 130022， China; 2.Jilin Provincial Winter Sports Administration Center）

Abstract： Biomechanical study on start of international excellent speed skaters， technical diagnosis for start of Chinese excellent skaters. The start of ten international excellent female speed skaters who participated in ISU World Cup（Harbin） 2012-2013 Season as research subjects， including Chinese excellent speed skaters Yu Jing， Wang Beixing， Zhang Hong.Four skaters of Europe and America， six skaters of Asia， basically represent the highest level of female short track ?speed skating in the world. Using two Panasonic digital cameras， the start of skaters in the competition site for shoot according to three-dimensional DLT method， after the game， use three-dimensional space frame to demarcate. By using the video analysis software Quintic Biomechanics which is made in England， digitize motion images， cut frequency is eight hz. The research results show， compared with similar height Asian skaters， the height of center of gravity of Chinese skaters start is relatively high， the hip angle and knee joint angle of Asian skaters are generally low. The vertical velocity and horizontal velocity of three Chinese excellent skaters center of gravity are at a lower position. Conclusion： In the preparatory stage， the height of center of gravity of Asian skaters is generally low， but the trunk angle is higher than Europe and American skaters; In the start stage， technical characteristics of skaters is start of the skaters who have better performance is relatively short， the effect of explosive pedal ice is obviously， the body anteversion angle has a significance increase while starting; In acceleration stage， skaters quickly start by high stride frequency， not using the stride length advantage.

starting stage， the athletes technical characteristics are better swimmers start time is usually relatively short， explosive pedal ice effect obviously， starting when the body anteversion angle degree have significant increase in acceleration stage; sprint athletes start， fast through the high step frequency， rather than the use of step size advantage.

Key words： speed skaters; start; biomechanics

1 ? ?引言

在速滑短距離項目中，起跑技術主要是使運動員能夠快速打破平衡，由靜止狀態向運動狀態進行快速位移的過程。這個階段，要求運動員以最短的時間內獲得最大的移動速度，因此，快捷的反應能力、強大的下肢爆發力以及優異的動作技術，是運動員完成起跑動作的關鍵。當今世界速滑運動成績的高度前所未有，任何一次微小的進步都有賴于創新改革，創新是速滑不斷前進的核心動力[1]，所以對起跑技術的創新更是重中之重。在早期的文獻研究中，學者們往往忽視對起跑技術的研究，而將重點放在彎道技術上，但隨著速滑比賽競爭越來越激烈，優秀運動員之間比賽成績往往只相差零點幾秒，因此良好的起跑技術對隨后的直道加速起到了決定性的作用。科學的監控手段是保證運動員良性循環的重要保障，保證運動員訓練與恢復形成良好的循環關系，從而使運動員具備良好的體能能力[2]，對起跑技術的發揮也起著關鍵性的作用。嚴力等人對運動員多年的一線服務表明，優秀速滑運動員具有個人鮮明的體能、技能和心理方面的特點，這一點是其他選手們所不可復制的，認識每個優秀運動員的特點，采用因人而異、有針對性的訓練方法[3]是取得優異的運動成績必要條件和保障。尋找速度滑冰項目的制勝規律，并且在訓練理念、方法、手段上產生突破與創新，是提高我國速度滑冰項目國際競爭力、促進我國速度滑冰項目可持續性發展的關鍵[4]。還有很多學者和相關科研人員從不同方向上對速滑運動做了各類研究，黃達[5]等人對王北星進行了專項肌肉用力的研究;王紅[6]等人對速滑短距離項目與冰刀的特性進行了分析;南相華[7]等人對速滑短距離彎道技術的創新進行了研究;劉晉[8]等人對器材創新與教學方面進行了探討;張青[9]等著眼于2014年冬奧會展開了思考;譚虹[10]對黑龍江省的冰雪運動發展進行了探討;張連濤[11]等放眼于冬季項目發展的世界格局;沈艷[12]研究了中國速度滑冰項目冬奧會之路評析與啟示;朱靜華[13]等從表面肌點的方向研究了對速滑運動的應用。但到目前，分析探究其起跑技術相關的研究仍舊較少，并且研究也不系統，對影響起跑技術關節點的生物力學要素歸納總結也不夠。本研究著力點在于利用世界杯比賽的機會，對世界優秀速滑運動員的起跑技術進行生物力學研究，力求在理論上探討起跑技術的生物力學規律，并對我國優秀運動員的起跑技術進行動作技術診斷，為提高我國速滑短距離速滑項目的運動水平提供理論借鑒和實際指導。

2 ? ?研究對象與方法

2.1 ? 研究對象

以參加2012～2013賽季國際滑聯速滑世界杯（哈爾濱站）500 m比賽的10名世界級女子速滑優秀運動員為研究對象，其中包括我國優秀速滑運動員于靜、王北星、張虹。所選運動員中歐美選手占了4名，亞洲選手占了6名，她們基本上代表了當今世界女子短距離速滑項目最高的水平，分析探究其起跑技術。所選運動員自然情況見表1。

2.2 ? ?研究對象

采用2臺panasonic數碼攝像機，在比賽現場對運動員完成的起跑技術按照三維DLT法的要求進行拍攝，攝像機機高1 m，取景范圍8 m，拍攝頻率為50 Hz，兩臺攝像機定點、定焦拍攝，比賽結束后，采用三維空間框架進行標定。拍攝現場的設置見圖1。采用英國產Quintic Biomechanics視頻解析軟件，對所拍攝的運動圖像進行數字化處理，截斷頻率為8 Hz。

數據資料處理主要通過SPSS12.0統計分析軟件對所采集的運動學數據進行量化分析，結果用平均數±標準差表示。

3 ? ?結果與分析

3.1 ? ?預備階段生物力學參數

3.1.1 ? ?重心位置

表2表明，世界優秀速滑運動員的身體重心的高度平均為0.65±0.06 m，觀察我國選手，張虹的重心高度最高為0.69 m，在亞洲選手中最高，其他兩名選手于靜和王北星的重心高度均高于日韓選手，這表明和身高相近的亞洲選手相比，我國運動員起跑時重心高度相對偏高。運動員身體重心的相對高度越低，越有利于控制身體的穩定。

表2 ? ?運動員預備階段身體重心相關參數 ? ? ? （m）

Table 2 ? ? Body Center of Gravity of Skaters in Preparatory

Stage ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（m）

姓名 重心高度 重心距離

Sang-Hwa Lee 0.57 0.38

Jenny Wolf 0.76 0.42

于靜 0.63 0.38

Nao Kodaira 0.62 0.38

Margot Boer 0.68 0.40

王北星 0.65 0.37

Laurine van Riessen 0.67 0.39

Maki Tsuji 0.58 0.38

Olga Fatkulina 0.71 0.41

張虹 0.69 0.39

平均值 0.65±0.06 0.39±0.02

在重心距離這個指標上，運動員表現出一定的規律性，即身體重心相對較高的運動員，重心距起跑線的距離也相對較遠。重心距離越小，表明運動員越容易打破平衡進入到加速階段，但對運動員的身體控制提出了更高的要求，如果身體平衡控制不好，容易導致運動員摔倒或者搶跑的情況發生。

3.1.2 ? ? 下肢關節角度

下肢的關節角度大小決定了運動員的身體姿勢是否能夠處于一個較佳的發力狀態。從預備階段運動員的關節角度上看（表3），亞洲選手的髖關節角度與膝關節角度值較歐美選手普遍偏低。下肢關節角度較低，會有利于運動員降低身體的重心，增大身體的平衡性。同時髖關節角度較小，運動員能夠有效利用髖關節相關肌群的 ?“牽張反射”作用，使髖部產生更大的力量，也有利于運動員蹬冰腿向后的蹬冰力量的發揮;而膝關節角度較小，會使運動員股四頭肌被充分伸展拉長，運動員可以利用拉長縮短周期，從而增大膝關節的蹬伸力量。

3.2 ? ?起動階段生物力學參數

3.2.1 ? ?起動時間

起動從鳴槍開始，蹬冰腿用力蹬冰，其髖、膝、踝在蹬伸中充分伸展，這是起跑的第一反應動作，主要目的是使身體快速擺脫靜止平衡，并獲得足夠的起跑加速度[14]。從運動員起動時間上看，多數運動員在0.2～0.3 s之間。盡管選手們在起動時間上表現為各自不同，但我們也可以發現一定的規律性，即成績較好的選手起動時間通常相對較短，而成績較差的選手的起動時間相對較長。

起動時間的長短對運動員的起跑成績具有重要的意義。有研究表明，啟動時間與運動員的運動成績呈顯著性的正相關，即起動時間越短，越有利于提高運動員的比賽成績[15]。其主要原因是由于在起動單支撐階段，運動員蹬冰腿采用爆發式蹬冰，前腿冰刀迅速抬轉著冰，形成身體的最佳運動狀態，為疾跑做準備。在此并不需要下肢過度地充分伸展增大步長，而是快速地加大蹬冰頻率來提高身體的移動速度。因此，縮短起動時間對優秀選手來說是重要的。我國優秀運動員于靜的起動時間較短，而張虹的起動時間則相對較長（圖2），對快速疾跑是不利的。

3.2.2 ? ?重心變化情況

起動階段身體重心的變化主要包括重心速度變化以及重心高度變化。重心的移動幅度可以反映出蹬冰過程中重心的動態變化特點[16]。從表4中可以看出，在起動階段，運動員的重心垂直速度平均為0.423±0.03 m/s，而水平速度平均為1.879±0.07 m/s。從速度變化范圍上看，世界優秀運動員表現出不同的動作速度變化趨勢。但我國三名優秀運動員身體重心垂直速度和水平速度都處于一個較低的位置，這表明我國優秀運動員起動階段的動作效果并不佳，在起動時刻身體的重心并沒有達到一個較高的水平，反映了運動員的蹬地力可能相對較弱或者蹬冰角度不合適。

從重心高度上看，以往的研究認為與運動員啟動階段重心波動幅度越小，越有利于運動員的蹬冰動作發揮[17]。但在本研究中，多數運動員在起動階段，都有一個明顯的動作即上體上抬的動作，軀干角度的增大，提高了運動員身體的重心，導致重心在垂直方向上有一個明顯的波動。

3.2.3 ? ?下肢關節角度

起動階段下肢關節角度變化主要體現在蹬冰腿上，在此時，蹬冰腿主要是通過髖、膝、踝關節的快速伸展，使身體獲得向前的速度。因此，蹬冰腿的伸展幅度和關節角速度決定了起動階段的蹬冰效果[18]。從表5中可以看出，速滑運動員蹬冰腿髖關節伸展幅度平均為61.9o±8.3o，運動員膝關節伸展幅度平均為55.3o±10.5o。髖關節和膝關節伸展幅度表明了運動員起動階段蹬冰腿的伸展效果，較大的髖、膝關節伸展幅度意味著蹬冰腿能夠得到充分的伸展。從髖關節和膝關節的伸展角速度上看，世界優秀速滑運動員的髖關節伸展角速度平均為397.9±22.6o/s，膝關節伸展角速度為322.2±14.5o/s。由于蹬冰腿髖關節角速度和膝關節角速度更能說明運動員加速用力和爆發式蹬冰的特點，因此在有效的蹬冰范圍內，髖、膝關節的蹬冰角速度值越大，表明爆發式蹬冰效果越明顯。我國速滑運動員與歐美選手相比具有一定差距，與其他亞洲選手相比也處于劣勢，表明運動員蹬冰效果不夠，建議在今后訓練中應加強下肢肌肉力量及爆發力的訓練。

3.3 ? ?疾跑加速階段生物力學參數

3.3.1 ? ?步長、步頻變化情況

步長與步頻是決定步速的重要因素[19]。比較國內外優秀運動員的步長值可以發現（表6），無論是歐美身材高大的選手，還是亞洲選手，其起跑后的步長值并沒有顯著性的差異。從步頻的變化上看，在第一步，運動員之間就表現出了顯著性的差異。在第二步和第三步，運動員的步頻大幅度下降并相對趨于穩定，平均值分別為3.81±0.22步/ s和3.82±0.3步/s。

可見，在疾跑階段，運動員滑跑采用的策略是，通過高步頻來快速啟動，而不是利用步長的優勢。隨后，繼續保持高頻滑跑的姿勢，步頻逐漸增大，使身體重心的速度得以提高。觀察運動員的技術動作發現，在此階段，幾乎沒有雙支撐蹬地時間，蹬冰腿離地后就快速前擺著地，整個身體體現快速 ?“跑動”而不是 ? “滑行”的姿勢。運動員這種滑跑技術的采用，主要是人體在低速向高速運動中，步頻對速度的提高效果更為明顯。另外新式冰刀有了鉸鏈裝置，刀尖不能切入冰面而增大摩擦力，只能用刀刃整個著冰面，不利于運動員前沖力的發揮[20]，運動員只有用高頻率滑跑來快速完成疾跑階段而轉入滑行階段。

3.3.2 ? ?重心水平速度變化

從速度變化上看（圖3），起跑后的疾跑階段是運動員身體重心處于快速變化的狀態之中，重心速度變化的趨勢是逐漸加快，速度不斷增大，這樣的運動趨勢，符合疾跑階段的技術特點。但個別運動員如lee和kodaira的重心速度并不是持續上升的，而是在一個上升期后有一個短暫的下降期，接著又是一個上升期。這表明運動員的重心波動略大。我國運動員于靜、王北星和張虹重心速度都是持續增加的過程，但到了第三步重心速度值并不處于領先，尤其是張虹，前三步的重心速度值比國外優秀選手略低，表明運動員的起跑技術還有待改進。

4 ? ?結論

1.在預備姿勢階段，亞洲選手重心高度普遍較低，髖關節、膝關節角度更小，但軀干角度較歐美選手大。身體重心越高的運動員，重心距起跑線距離越遠。

2.在起動階段，運動員技術特點是成績較好的選手起動時間通常相對較短;髖、膝關節沒有充分伸展即快速前擺，爆發式蹬冰效果明顯;起動時身體前傾角度都有了顯著性增大。我國運動員起動時身體重心垂直速度和水平速度都處于一個較低的位置，動作效果不佳。

3.在疾跑加速階段，運動員滑跑采用的策略是，通過高步頻來快速啟動，而不是利用步長的優勢。隨后，繼續保持高頻滑跑的姿勢，步頻逐漸增大，使身體重心的速度得以提高。從速度變化上看，起跑后的疾跑階段是運動員重心速度變化的趨勢是逐漸加快，速度不斷增大。

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