游泳出發階段的運動學研究進展

邵嚴昊,顧耀東,,李建設

(1．寧波大學 體育學院，浙江 寧波 315211；2．寧波大學 大健康研究院，浙江 寧波 315211)

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·運動生物力學·

游泳出發階段的運動學研究進展

邵嚴昊1,顧耀東1,2,李建設2

(1．寧波大學 體育學院，浙江 寧波 315211；2．寧波大學 大健康研究院，浙江 寧波 315211)

隨著對游泳的研究不斷深入，出發階段對比賽成績影響的研究逐年增加。運動生物力學在出發階段技術動作分析中起到重要作用，文章總結了大量國內外相關文獻，從生物力學角度綜述出發階段的技術動作特征，并重點探討出發前15m各個階段之間肢體配合對競賽成績的影響。旨在加強教練員與運動員對出發階段技術訓練的重視，同時幫助運動員優化技術動作提供理論依據。

生物力學；游泳；競賽成績；技術動作；適應性變化

0　前　　言

游泳比賽是由出發、途中游、轉身、終點沖刺和到邊技術5個環節組成，游泳出發階段作為第一個環節十分重要，在比賽中把聽到發令槍響到頭部游進前15m標志線作為完整的出發階段，這段距離占到50m泳道的30%，在以百分之一秒決定勝負的短距離游泳比賽中出發技術直接影響著比賽的名次和成績。在剛剛過去的2015年喀山游泳世錦賽男子50m自由泳決賽前三名的成績僅僅相差0.36s，100m自由泳決賽冠亞軍的成績也僅相差0.11s，而在2012年的倫敦奧運會男子100m自由泳冠亞軍的成績更是以0.01s分出的勝負，可見技術細節的保障非常重要。隨著游泳比賽影響力的日益增強、運動員整體水平的提高、比賽激烈程度的加劇，現代游泳相關研究的范圍也越來越廣泛，并且呈明顯加快的趨勢[42]。2015年喀山世錦賽，一種針對蹲踞式出發技術應運而生的 “可調節后蹬板”出現在大眾視野。比賽中游泳出發階段技術的研究參數主要包括：出發階段時間(出發前15m時間)、轉身時間(碰墻轉身前7.5m)、末尾階段時間(距墻5m)、游泳的距離、劃水頻率和速度[36]。此外，還要對出發階段、轉身和末尾階段時間對比賽成績的作用進行定量評估[1,17,29,39,59]。對短距離比賽數據的統計分析結果表明，發現出發前15m時間約占比賽時間總數的0.8%到26.1%[29]。研究指出，游泳運動員能否高效利用潛水技巧在入水滑行階段生成較高速度將對比賽的每個階段產生影響[25,30]。

1　文獻檢索與篩選

本文以運動學(kinematics)；競賽成績(performance)；技術動作(technique)；適應性變化(variability);游泳(swimming);出發(start)為關鍵詞在MEDLINE、ScienceDirect OnLine、CNKI和谷歌學術數據庫中進行檢索。通過對所有檢索到的文獻進行整理分類，最終篩選出67條文獻引用。

2　游泳出發階段技術的運動學分析

研究選取29種變量：8種時間，7種角度，14種速度[4]。在分析游泳出發階段動作表現的運動學參數時，為便于研究通常把出發階段分成不同階段，可分為臺上時間、騰空時間和水下時間[6,1,18,57]。最近的研究認為，出發階段是從聽到開始信號開始到離開泳臺的時間[7,8,49]。以上研究采用安裝在與運動方向垂直的數碼攝像機進行采集，與此不同，Vantorre等[52]使用兩臺固定攝像機，一臺安裝在游泳出發處，另一臺安置在出發15m處，機高2.5m，距離泳池5m遠的地方，在一定范圍內使用水下移動相機測量劃水長度和頻率。另有大量研究利用特制泳臺記錄從預備動作到離開泳臺這段時間推進力的變化，并對泳臺起跳過程進行動力學量化分析，繪制泳臺起跳階段的作用力曲線[7,11,27,49,54,55,59,63]。

2.1泳臺起跳階段

隨著時間的推移和科技的進步，游泳出發技術經歷了幾次技術革新，從最初的“擺臂式”到“抓臺式”，再到目前使用最普遍的“蹲踞式”。游泳出發階段的動力學研究指出，從聽到開始信號到離開泳臺的階段與田徑比賽的起跑階段十分相似[2,24,27,38,59,65]。然而從生物力學角度來看，即使在相同階段仍然有許多方面不同。由于運動員之間的個體差異和不同特長，在出發階段的動作也有所不同。短距離游泳運動員需要觸墻向后轉身使自身繼續向前游，而長距離游泳運動員則需要注意比賽距離、在水面上的時間和每次入水時身體的方向。需要指出的是，分解出發階段不僅是個空間問題，而且是關于整個開始階段運動期間動力系統變化的問題。對泳臺階的相關研究[7,52,67]表明，聽到開始信號的快速反應和泳臺上生成向前沖的初速度是決定整體速度的兩個關鍵因素。此外，成人運動員將后蹬板設置在第4、5檔位時，其離臺的水平速度、后置腿的最大力量等方面都顯著高于前三個檔位，這與運動員的身高、下肢長度等個體差異也有一定關系[66]。游泳運動員不僅在起跳階段的反應要更加迅速，而且從泳臺起跳到入水滑行的時間段需要獲得足夠大初速度和加速度[13]。換句話說，需要在泳臺上花足夠的時間產生更大的作用力并盡可能快地離開泳臺[31]。有研究建議運動員在準備起跳時前置腿的膝關節角度以135～145°為宜，后置腿的膝關節角度以100～110°(水平速度更大)或80～90°(更能發揮后置腿的垂直蹬伸力量)為宜[67]。

與傳統的抓臺式出發不同(圖1)，新的蹲踞式出發技術在預備階段就預先調整好了身體重心，能夠盡量縮短緩沖時間快速進入蹬伸發力階段，并減少臺上用時[66]。以自由泳為例，2015年喀山世錦賽6個自由泳單項決賽前八名運動員，反應時(Response time: R.T.)的平均成績比2009年采用舊出發臺時的R.T.的平均成績總體縮短了0.05s，其中后蹬板促進后蹬力量的增加及身體重心的變化等都對R.T.成績產生了直接影響。

圖1　同一名運動員的后置腿膝關節在新、舊泳臺上的角度變化

2.2騰空階段和入水階段

出發階段的動作分解標準一直是不明確的。Maglischo[41]把手碰到水時稱為入水階段的開始，這個定義也廣泛用于確定騰空階段末尾的指標。游泳運動員需要在泳臺起跳階段獲得足夠大的初速度以幫助騰空階段獲得最大限度的跳躍距離[23,46]。Barlow H等[66]認為騰空時間不應算作出發階段的時間，但是騰空跳躍的距離仍是決定出發階段表現的變量之一(r = -0.482)。Maglischo[41]指出騰空階段使用屈體姿勢或平展姿勢都會強烈影響運動員身體在空中的軌跡，屈體姿勢比平展姿勢有更久的滯空時間、更好的起跳與入水角度和更快的入水速度。Wilson和Marino[64]研究中發現屈體姿勢比平展姿勢有更短的出發前10m運動時間、更好的入水角度、更短的入水距離和以更好的髖關節角度入水。Kilduff 等[25]研究稱，在出發前8m的時間內抓臺式出發——平展姿勢比抓臺式出發——屈體姿勢的入水角度更小，時間也更短。因此，平直姿勢入水的目標是為了快速入水時保持更平滑的身體姿勢并更早開始劃水動作。屈體姿勢是為了入水時能夠產生更小的水花獲得更快的速度。Vantorre[52]等指出，多數精英運動員的出發技戰術各不相同，個體差異性主要體現在如何通過控制肢體動作來達到獨特風格的出發軌跡。以Volkov 出發動作為例，腿蹬水時手臂向后劃，或騰空時手臂立即伸至頭前[52-55]。然而，游泳運動員的在騰空階段的目標不僅是跳躍距離達到最大化。Mclean[37]和 Vantorre[53]等指出，游泳運動員必須有足夠的角動量才能做出一個標準的入水動作，這意味著他們需要足夠的時間來調整身體姿勢，從產生的水洞入水，習慣上稱為洞式入水。手臂的動作會影響游泳出發階段向前調整的角動量，向前擺臂是為使身體減少旋轉，與之相反向后擺臂會增加身體的旋轉。因此，為使用入水前產生更大的角動量，游泳運動員可以作一個平直的起跳(較小的角動量和一個平直的軌跡)，或者做一個向后擺臂的Volkov出發動作(較大的角動量和一個拋物線軌跡)[47,56]。

2.3水下滑行階段

水上動作(泳臺，騰空，入水階段)完成后，游泳運動員必須處理好從空中到水中動作姿勢的過渡。頭鉆入水中滑行開始，頭鉆出水面滑行結束。在入水之后，游泳運動員想要盡可能維持前一階段中獲得的初速度就要保持穩定流線型的姿態并逐步轉化為水平姿勢，這一階段稱為入水滑行階段。Cossor等[16]和Sanders等[45]研究指出，比賽成績與出發階段中水下滑行時間高度相關。然而，很少有研究能準確測量出兩者間的相關程度。Guimaraes和 Hay[20]指出，出發階段的水下滑行時間比泳臺起跳時間或騰空時間對比賽成績的影響更大。維持穩定流線型的姿態入水對減緩初速度的損失至關重要。有充分的證據顯示，入水后游泳運動員被動前進時，仰臥位會比俯臥位產生更大的阻力[14，18]。這些觀察結果表明，相比于身體表面積，身體形態在決定總的阻力比重上所起的作用更大。例如，雙手相握疊時比雙手與肩膀呈直線平行時阻力相對減少7%[10](圖2)。鑒于出發階段的重要性，一些研究人員提出了采用流體動力學分析量化滑行時質量與阻力系數的方法。滑行的阻力要素以及額外增加的質量是影響衡量滑行效率的指標[40,41,58]。Bixler等[9]在游泳研究中驗證了這一方法。滑行的特性體現在運動員采用的姿勢及身體周圍水流流動特性兩方面。滑行的要素(單位為m)是當一個滑行的軀體(游泳運動員)達到一個2m/s的初速度然后在0.5s后減速到1 m/s之間的距離。 Naemi和Sanders[41]表示這與運動員的體型有關系。流線型的軀體的慣性和水中阻力的特性會影響到滑行效率。一項關于蛙泳出發階段過程中相同階段平均滑行速度(1.37±0.124m·s-1)的研究發現，第一次劃臂前第一階段位置滑行的值明顯低于蛙泳在水下第二階段位置滑行的值。這也印證了Seifert等[47]關于蛙泳運動員趨向于在蛙泳出發階段的第二階段位置花費時間更多的觀點。

圖2　在被動前行時不同姿勢對應的流體阻力(以滑行時雙手相握比雙手與肩膀呈直線平行為基準的百分比[10] )

2.4水下運動

在水下階段，游泳運動員必須控制入水滑行，水下蹬腳以及劃出水面的三個階段的時間[19,34,52]。根據國際泳聯規定，除蛙泳外的游泳出發階段不僅局限在泳臺起跳和空中階段，還要持續到游泳運動員入水滑行后再次浮出水面游泳前行到達15m的標志處為止。然而即使入水滑行階段在比賽開始貢獻了很大的距離，特別是蛙泳，出發階段的水下部分的研究仍然十分稀少[1,16,20,59]。Cossor和 Mason[16]通過對100m仰泳和100m蛙泳比賽出發階段的研究發現，水下速度和出發前15m的平均速度呈負相關(r=-0.734)。研究者普遍強調量化出發階段水下部分的重要性，但相關研究較少[10,15,19,32,33,50]。一些研究者們認為，高效的水下滑行階段是良好游泳出發階段的基礎[45,59,60]。Pereira 等[43]的研究表明，在從入水到15m標記處之間的時間是在游泳出發階段的關鍵。國際泳聯規定蛙泳水下滑行階段的規范引起一些研究者開始關注關于水下推進力、滑行動作和出發階段速度的分析[47,57]。這些研究表明，國家和國際健將兩個級別的游泳運動員在出水階段作蛙泳手臂回復動作時通常表現出同樣的問題，腳向后蹬水和手臂擺動屬于反作用的疊加，這是游泳進程中首先要解決的。此外，這些作者研究發現由于速度的增加導致臂-腿協調達到最優化狀態變得困難，限制了自適應變化的范圍。在自由泳比賽中，游泳運動員一般很快就開始劃水，產生的阻力也比他們繼續滑行了一段時間再劃水產生的阻力要大[46]。Elipot 等[19]也強調水下滑行和腿蹬水與維持跳水開始時初速度間關系的重要性。Houel 等[22]指出，游泳最適宜在滑行約6m后開始海豚踢，并需要更有效更快速地踢水以獲得更大速度。一項關于專業和非專業游泳運動員在水下階段的研究描述了其在水下階段的表現，包括一次踢腿階段和水下腿擺動的次數[54]。

3　運動學分析

Vantorre等[52]將出發階段劃分成六個階段：①泳臺階段(開始信號到腳趾離開泳臺瞬間之間的時間)；②騰空階段(腳趾離開泳臺瞬間到手入水之間的時間)；③入水階段(從手碰到水到腳趾完全入水之間的時間)；④滑行階段(從腳趾完全入水到在水下開始腳蹬水之間的時間)；⑤蹬腿階段(從開始腳踢水到開始用手劃水之間的時間)；⑥游泳階段(從第一次手劃水到頭到達15m標識處之間的時間)。

游泳出發階段研究的主要目標是根據運動員的表現確定最有效的出發技術。可以采用逐步分析法等方法重點分析出發階段各部分的定性特征。例如，Vantorre等調研了專業運動員在前15m水下階段的動作特點，分析了如踢腿、腿部擺動的次數和劃臂次數等各種行為參數。這些研究者們為確定出發階段最高效的時間分配方案而評估每個階段所應分配的時間。利用這些定性參數聚類分析的方法確定這些專業運動員是否使用同一戰術獲得最佳出發表現。而一次高效出發階段分配方案的確定需要符合兩個主要特征：掌握何時停止滑行并開始踢腿和掌握何時從開始踢腿過渡到全速游泳。

4　總　　結

回顧國內外游泳出發階段運動學的相關研究成果可發現，出發階段作為游泳比賽的開始，無論對于國際賽事還是業余比賽來說與比賽最終成績的聯系顯而易見，其主要作用體現在提高游泳運動員的訓練和比賽時的運動表現。運動表現的提升一方面需要運動員在出發階段選擇適合自己的技戰術和高效時間分配的方案，另一方面又需要對出發過程中肢體動作(如滑動距離、腿部擺動頻率等)運動學參數進行準確評估。然而，目前對于出發階段的研究大部分集中在泳臺上的生物力學方向(例如出發姿勢的比較和泳臺形狀的改進等)，而占據主要成績的水下部分相關研究仍然較為稀少(包括入水角度、入水速度、滑行姿勢等方面)。因此，在以后的研究中應在保持水上技術革新的同時，更需關注運動員在出發階段水下部分運動學的研究，為更好地提高游泳成績提供進一步科學的理論支持。

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Kinematics Research Progress of Swim-Start

SHAO Yan-hao1,GU Yao-dong1，2,LI Jian-she2

(1.Faculty of Sports Science, Ningbo University, Ningbo 315211, China; 2.Research Academy of Grand Health, Ningbo University, Ningbo 315211, China)

With the further study of swimming, researches about the effects of start stage on competitions are increasing. Techniques used at the start stage are closely related to study on sports biomechanics. This thesis has summarized a large number of relevant documents, analyzed the sports features at the start stage from the point of view of biomechanics and discussed how the limb coordination at all stages will influence the results in the first 15 meters before starting up. The aim is not only to focus on the scientific and technological development of modern swimming sports, but also to help athletes get better results by applying more proper technical movements.

biomechanics; swimming; performance; technique; variability

1004-3624(2016)05-0100-06

國家社會科學基金項目(16BTY085)和浙江省社科規劃‘之江青年課題’(16ZJQN021YB) 研究成果

2016-06-20

邵嚴昊(1992-)，男，安徽阜陽人，在讀碩士研究生，研究方向為運動生物力學.

G804.66

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