跳臺滑雪助滑道結構對助滑姿態的動力學影響機制

王韻博，劉伯強

跳臺滑雪運動技巧性含量較高，比較適合在我國開展，可以作為我國冬奧會潛優勢項目發展。跳臺滑雪運動一般包括助滑、起跳、空中飛行、著陸、終止區滑行等技術環節。除了考慮到上述基本環節各自蘊含的技術要求和動作特點［1］，還需關注助滑速度，它是起跳技術和空中飛行動作的動力學基礎，直接關系到飛行距離，在跳臺滑雪中具有至關重要的作用。運動員利用助滑起點座位前的橫桿，在出發時用雙臂用力推橫桿，使身體產生初始前沖力。此后，人體在重力加速度作用下，沿助滑道斜坡獲得越來越快的助滑速度。根據國內外跳臺滑雪比賽的實際情況，各個運動員的最大助滑速度千差萬別，即使個人的最大助滑速度也難以保持一致，這種情況表明助滑速度的變化存在主體與客觀影響因素。對于這種影響因素的進一步認識，將有助于改善跳臺滑雪運動員助滑技術動作與專項能力訓練水平，從而獲得更理想的最大起跳初速度。有關人員在跳臺滑雪運動員競技能力、起跳技術、空中飛行動作、生理特征等方面開展了大量研究［2－5］，但對于助滑速度特征及助滑道結構對助滑姿態影響機制的研究較少。為此，本文初步分析助滑道結構對助滑姿態的動力學影響機制，為改善我國跳臺滑雪運動員技戰術訓練水平提供科學依據。

1 助滑道物理結構參數

由于受氣候條件、雪情條件、場地條件等因素的限制，跳臺滑雪運動員在不同地點、不同場地、不同自然條件下的不同場次的比賽成績缺乏可比性。這種項目特殊性造成只有具體場次比賽和特定賽事的世界冠軍，沒有絕對的世界冠軍和世界記錄保持者。但是跳臺滑雪場地結構是固定的，從這個意義上來看，場地結構尤其是助滑道結構對助滑姿態具有相對穩定的影響。助滑過程中，跳臺滑雪運動員集中精力，最大化助滑速度，最小化雪板與雪面之間摩擦力，最小化空氣阻力［6］。因此，跳臺滑雪運動員在助滑階段的主要任務是維持滑行的動態平衡和加速穩定性，利用助滑道物理特性獲得最大的起跳初速度。為了研究助滑道物理結構對助滑姿態的動力學影響機制，首先剖析助滑道物理結構特點。跳臺滑雪比賽場地一般包括出發區、助滑道、起跳臺、著陸坡、停止區等組成部分。其中助滑道結構主要由直線坡度區和弧線坡度區構成。本文所采用的助滑道物理結構參數如下:直線坡度區θ=35°坡度角，弧線坡度區彎曲半徑R=70m。

2 助滑道人體動力學受力分析

2.1 人體重力作用分析

圖1 跳臺滑雪助滑道直線區人體質心重力作用

參見圖1，人體重力作用簡化為人體質心重力作用，其中

2.2 外界作用力分析

圖2 跳臺滑雪助滑道直線區外界作用力

圖3 跳臺滑雪助滑道弧線區向心力

參見圖2和圖3，助滑道作用于人體的主要外界作用力包括

其中，A是與速度v相垂直的表面面積，ρ是空氣密度，η是空氣阻力系數。如果假設取值為η =0.3，ρ=1.3 Kg·m－3，A=0.25m2，則 Wd ≈ v2/10.

根據空氣阻力公式(4)中的影響因素，為了能達到更大的助滑速度，要求跳臺滑雪運動員身體前傾，與滑雪板盡量平行，使身體呈現符合空氣動力學的流線型，減少空氣阻力。在空氣動力學作用于身體形態條件方面，優秀運動員的體質量普遍較輕［3］，除了發展必需的下肢(主要是膝關節周圍)肌肉力量外，幾乎不增長上肢和軀干肌肉的質量。

作用于身體質心CoM前上方的有雪面支撐力Fnc和空氣升力Wl，形成反向力矩。作用于身體質心CoM下后方的有雪面摩擦力Ff和空氣阻力Wd，形成正向力矩。由于反向力矩和正向力矩隨著速度、場地位置變化而變化，需要下肢各環節肌群變負荷協調作用，控制各旋轉力矩的力臂變化，從而影響反向力矩與正向力矩的相互作用，減小各關節角度變化，盡量保持一定的助滑姿態。

2.3 全腳支撐反作用力分析

參見圖4，全腳支撐反作用力在0.77～1.88G之間。例如，運動員體重50Kg，則助滑道對其全腳支撐反作用力在38～94Kg之間。在助滑姿態保持絕對靜止不變的情況下，人體各環節肌肉群靜力性做功變化范圍達到1.11G，而實際上人體很難保持絕對靜止不變的助滑姿態，因此人體各環節肌肉群靜力性做功變化范圍可能會超過1.2G，增加了相關肌肉靜力性控制難度。

圖4 跳臺滑雪助滑過程全腳支撐力變化特征

3 助滑道對助滑姿態動力學影響機制分析

3.1 直線區

助滑道起始直線區，由于坡度重力Go的加速度作用，使人體加速向下滑行。隨著速度增加，空氣阻力和升力增大。因此，Fn略有減小。可以近似認為雪面摩擦系數μ保持不變，則Ff略有減小，使Ma形成非均勻的加速作用。這時的全腳支撐反作用力在0.8G左右，下肢各環節肌肉群處于低負荷控制能力作用范疇。直線區保持靜態姿勢，是反向力矩與正向力矩之間動態平衡的結果。

3.2 弧線區入口

進入弧線區滑行后，在弧線區入口轉換處，身體質心速度變化突然形成Fc向心力作用，導致雪面支撐反作用力Fnc急劇增加，雖然雪面摩擦力隨之增加，但空氣阻力沒有相應的急劇變化，最終形成較大的反向力矩，迫使運動員調整各關節肌肉控制力，加強正向力矩。在弧線區入口瞬間，全腳支撐反作用力從前向后大幅度增加，達到1.2G左右，導致全腳壓力重心偏移波動，一般情況是全腳壓力重心瞬間前移［7－9］，然后向后偏移。為了保持助滑靜態姿勢不變，進入弧線區入口處時，身體質心與踝關節的相對法向位置不變，雪板前端向上略有彎曲，導致全腳壓力重心前移，全腳支撐力相對身體質心的力臂增加，同時出現向心力作用，全腳支撐反作用力迅速增大，使反向力矩突然增大。需要加強肌肉力量控制，補償正向力矩。這時主要依靠下肢各環節肌肉群快速反應，迅速進入高負荷控制能力作用范疇，減小全腳壓力重心偏移波動，保持助滑姿態穩定性。在專項能力訓練方面，需要加強踝關節的跖屈靜力性控制能力訓練。

3.3 弧線區途中

在弧線區滑行過程中，Fc向心力隨著速度增加而逐漸增大，助滑道坡度角逐漸減小，使重力坡度法向分力Gn逐漸增大，重力坡度平行分力Go逐漸減小，空氣升力逐漸減小。上述綜合作用導致Fnc全腳支撐力逐漸增大，在弧線區出口附近甚至接近1.9G，使反向力矩逐漸增加，需要運動員連續平穩增加下肢各環節肌肉群高負荷控制能力。

3.4 弧線區出口

弧線區出口轉換處，Fc向心力作用迅速消失，導致雪面支撐反作用力由Fnc大幅度減小轉變為Fn，導致全腳壓力重心偏移波動，一般情況是全腳壓力重心瞬間后移，然后向前偏移。與弧線區入口處情況相反，弧線區出口處，雪板前端向下略有彎曲，導致全腳壓力重心后移，全腳支撐力相對身體質心力臂縮短，同時向心力作用消失，全腳支撐反作用力迅速降低，使反向力矩減小，需要適時減少肌肉對正向力矩的控制作用。由于接近起跳臺水平方向，需要從助滑姿態逐漸過渡到起跳動作，空氣升力作用相對很小，可以忽略不計。運動員既要控制下肢各環節肌肉群從高負荷迅速轉接低負荷適應性作用，又要推起身體，完成起飛技術轉換動作，因此需要運動員在變負荷條件下下肢各環節肌肉群具有很強的動作控制能力。

綜上所述，優秀的跳臺滑雪運動員在助滑道獲取最大起跳初速度過程中，要具有迅速、準確的神經肌肉調控能力，具有熟練高超的應變技巧和平順穩定的身體姿態控制水平。

4 結語

跳臺滑雪運動員的助滑技術是其隨后一系列技術的基礎，其重要地位不言而喻。本文對助滑道場地結構對助滑姿態的動力學影響機制進行了初步分析。跳臺滑雪運動員沿著35°左右坡度的助滑道下滑加速，為了減少空氣阻力，身體盡量成流線型。弧線區入口和出口是兩個關鍵的助滑姿態技術動作控制點，需要各關節肌群具有高度靈敏協調與快速變負荷控制能力。

［1］樸成龍，張智偉，郝世花，程德君.淺談跳臺滑雪中起跳技術與空中飛行動作［J］.冰雪運動，2004(9):13－15.

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［3］張桂珍，宋吉連，樸雪俐.評定跳臺滑雪比賽成績的因素及優秀滑雪運動員競技能力剖析［J］.冰雪運動，2003(3):29－30.

［4］王海，張成剛.世界跳臺滑雪優秀運動員年齡特征研究［J］.冰雪運動，2012(2):36－39.

［5］奧·莫·鮑熱尼諾夫.影響跳臺滑雪成績與飛騰技術演變的要素［J］.冰雪運動，1997(1):35－37.

［6］Müller W.The physics of ski jumping［C］∥In:Fleischer R，editor.Proceedings of European School of High－Energy Physics.Geneva:CERN;2005.pp.269－278.

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