旋轉推鉛球單支撐階段關節角度變化特征研究

陳建民,錢　鋒

(1.集美大學繼續教育學院，福建 廈門 361021；2.浙江經貿職業技術學院,浙江 杭州 310018)

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旋轉推鉛球單支撐階段關節角度變化特征研究

陳建民1,錢鋒2

(1.集美大學繼續教育學院，福建 廈門 361021；2.浙江經貿職業技術學院,浙江 杭州 310018)

采用文獻法、訪談法、觀察法、數理統計法等研究方法，對我國優秀男子鉛球運動員張竣旋轉推鉛球單支撐階段主要關節角度的變化特征進行了研究，研究結果表明：與鉛球運動成績顯著相關的關節角度指標是左髖關節角度、右膝關節角度、右肩關節角度等。在旋轉推鉛球的單支撐階段，張竣的主要關節角度呈現以下變化特征：右肩關節角度開始時刻為84.31°，中間時刻達到最小值69.66°，結束時刻為89.55°；左髖關節角度在開始時刻為121.17°，在單支撐的四分之三階段增大到168.57°，結束時刻為143.5°；右膝關節角度開始時刻為102°左右，也是整個階段的最小值，結束階段為159.58°。

旋轉推鉛球；單支撐階段；關節角度

旋轉推鉛球是一項技術復雜、但發展潛力很大的投擲運動項目，國外專家根據人體運動學參數預測，采用旋轉推鉛球技術，鉛球成績可達到26.82 m，再加上合理的運動訓練甚至可以達到30 m[1]。目前，國外優秀鉛球運動員采用旋轉推鉛球技術的較多，如在第26～29屆奧運會男子鉛球決賽的前八名運動員中，有50%以上運動員采用旋轉推鉛球技術，男子鉛球的世界紀錄(23.12 m)也是由采用旋轉推鉛球技術的美國選手巴恩斯(Barnes)創造的。但在我國優秀鉛球運動員中，采用旋轉推鉛球技術的較少，在第十屆全運會的男子鉛球比賽中，只有3名運動員中使用了該項技術，在第十一屆全運會的男子鉛球決賽8人中，僅有1人采用該項技術。因而，我國田徑學術界對旋轉推鉛球技術的研究非常有限，綜觀已有研究，我們發現，定性研究居多，比如，歷史演變研究、可行性分析、教學與訓練方法研究等；相對而言，采用影像解析進行運動學分析的定量研究較少。在旋轉推鉛球技術的定量研究中還發現，研究者對研究指標的選取比較隨意，運用數理統計方法嚴格篩選指標的研究尚未見到，另外，現有的運動學研究，以靜態指標的分析比較居多，而揭示規律性的動態研究較少。

本研究以我國優秀男子鉛球運動員張竣為研究對象，在找出單支撐階段影響其鉛球成績的主要關節角度指標的基礎上，從運動學的角度，揭示這些指標在該階段的變化特征，為改進其旋轉推鉛球技術、提高運動成績提供理論依據，也為同類研究提供借鑒。

1　研究對象與方法

1.1研究對象

上海市田徑隊男子鉛球運動員張竣，1983年4月11日出生，身高1.86 m，體重95 kg，男子鉛球全國紀錄(20.41 m)保持者。

1.2研究方法

1.2.1文獻法

通過檢索華東師范大學圖書館數據庫(包括中國學術期刊全文數據庫、維普中文期刊數據庫、萬方數字化期刊、超星數字圖書館、中國優秀博碩士學位論文數據庫、EBSCOhost平臺系列數據庫、Springer Link平臺等)，查閱國內外旋轉推鉛球研究的文獻40余篇，專著10余本，了解當前國內外旋轉推鉛球的研究現狀。1.2.2訪談法

在研究設計、現場影像拍攝、影像解析，以及了解張竣旋轉推鉛球技術訓練中存在的問題等方面，走訪、電話咨詢了上海體育學院旋轉推鉛球研究專家王衛國教授、上海市田徑隊高級教練員隋新梅、上海體育科學研究所許以誠研究員和上海體育學院伍勰博士。1.2.3實驗法

使用四臺日本產索尼(SONY)HVR-HD1000C高清攝像機，采用外同步方法進行拍攝，拍攝頻率為50幀/s。攝像機放置位置：左前方45°、右前方45°、左后方45°、右后方45°，距離投擲圈中心點15 m處，機身高1.2 m(如圖1所示)。在測試前，用由17根黑色金屬桿子及25個白色小球組成的三維框架對拍攝范圍進行標定。

圖1　攝像機放置位置示意圖

關節角的選取：通過對旋轉推鉛球相關文獻分析，初選了關節角度指標12項；經專家篩選，并聽取了教練員和運動員意見，最終選取6項關節角度指標，即左膝關節角度(X1)、右膝關節角度(X2)、左髖關節角度(X3)、右髖關節角度(X4)、左肩關節角度(X5)、右肩關節角度(X6)等進行分析。

數據處理：采用Ariel運動圖像解析系統，對單支撐階段的圖片進行分析,采用Hanavan人體模型，使用DLT法計算得到解析點的三維空間坐標，對所得每個標志點的三維坐標，使用巴特沃茲二階低通濾波法進行平滑處理，截斷頻率為6。

1.2.4數理統計法

運用SPSS11.5軟件，對部分關節角度與運動成績進行多元回歸分析，找出張竣旋轉推鉛球單支撐階段影響運動成績的主要關節角度指標。

2　結果與分析

2.1相關概念界定

根據文獻資料以及專家意見，現將各研究指標定義如下：

2.1.1肩關節角度

肩關節至同側肘關節之間的連線與肩關節至同側髖關節之間的連線在冠狀面上形成的夾角。單位為“度”(文世林.我國兩名優秀男子鉛球運動員旋轉推鉛球技術的三維運動學分析[D].碩士學位論文，首都體育學院，2009)。

2.1.2髖關節角度

髖關節至同側肩關節之間的連線與髖關節至同側膝關節之間的連線在矢狀面上形成的夾角。單位為“度”(文世林.我國兩名優秀男子鉛球運動員旋轉推鉛球技術的三維運動學分析[D].碩士學位論文，首都體育學院，2009)。

2.1.3膝關節角度

膝關節至同側髖關節之間的連線與膝關節至同側踝關節之間的連線在矢狀面上形成的夾角。單位為“度”(文世林.我國兩名優秀男子鉛球運動員旋轉推鉛球技術的三維運動學分析[D].碩士學位論文，首都體育學院，2009)。

2.1.4單支撐階段

是指雙腳支撐階段后，右腳離地至左腳離地，形成以左腳為軸旋轉的這一階段。這一階段的主要任務就是把人體和鉛球從投擲圈的后半圈推至前半圈，逐漸加大人和鉛球的旋轉速度，為最后用力階段做充分的準備。

圖2　張竣旋轉推鉛球單支撐階段影像截圖

2.2關節角度與運動成績的回歸分析

選取張竣旋轉推鉛球單支撐階段開始和結束兩個時刻的關節角度與運動成績進行多元線性回歸分析。因變量為鉛球運動成績(Y)；自變量為左膝關節角度(X1)、右膝關節角度(X2)、左髖關節角度(X3)、右髖關節角度(X4)、左肩關節角度(X5)、右肩關節角度(X6)。

2.2.1開始時刻關節角度與運動成績的回歸分析

表1列出了模型的篩選過程，模型1用逐步法引入了左髖關節角度，然后模型2用逐步法引入了右膝關節角度，左髖關節角度仍然保留在模型2中。另外4個變量沒有達到引入標準，最終沒有被引入。

表1　引入/剔除變量表a,b

a.因變量:成績；b.通過原點的線性回歸。

表2是對擬合的兩個模型的方差分析檢驗結果。由結果(P值均為0.000，小于0.050)可知，擬合的兩個模型均有統計學意義。

表3是用t檢驗對兩個模型中各個回歸系數檢驗的結果。從結果(PX3=0.000，PX2=0.048都小于0.050)中可以看出，模型2中的兩個自變量的系數都有統計學意義。左髖關節角度的偏回歸系數為0.110，標準化回歸系數為0.688；右膝關節角度偏回歸系數為0.057，標準回歸系數為0.312。通過比較兩個變量的標準回歸系數，我們發現，左髖關節角度對運動成績的貢獻更大一些。

表2　方差分析表d,e

a.預測變量:左髖關節角度；b.因為通過原點的回歸的常量為零，所以對于該常量此總平方和是不正確的。

c.預測變量:左髖關節角度,右膝關節角度；d.因變量:成績；e.通過原點的線性回歸。

表3　回歸系數檢驗表a,b

a.因變量:成績。

b.通過原點的線性回歸。

表4反映的是多重線性回歸擬合模型過程中沒有進入模型的變量的檢驗結果。由結果可見，在模型1中，未進入模型的候選變量右膝關節角度還符合引入標準(P<= 0.05)，可能需要引入；而在模型2中，未進入的四個變量均大于引入標準(P>= 0.100)，無須再進行分析了。

上述多元回歸分析結果顯示：開始時刻，張竣各關節角度與運動成績的“最優”函數關系為：Y=0.11X3+0.057X2，經方差分析，該回歸方程具有統計學意義，經t檢驗，各回歸系數也具有統計學意義(PX3=0.000，PX2=0.048都小于0.050)。該方程說明了單支撐階段開始時刻，左髖關節角度、右膝關節角度的增大與運動成績提高的正向線性關系。由投擲理論和實踐可知，增大左髖關節角度，有利于身體重心與身體旋轉軸盡可能重合，從而減小地面反作用力對旋轉軸的作用，便于“人-球系統”更快、更平穩地旋轉；而增加右膝關節角度，可以加大身體旋轉半徑，提高投擲方向的鉛球線速度，進而增加鉛球出手的初速度，達到提高鉛球運動成績的效果。

表4　模型外的變量檢驗表c,d

a.模型中的預測變量:左髖關節角度。

b.模型中的預測變量:左髖關節角度,右膝關節角度。

c.因變量:成績。

d.通過原點的線性回歸。

2.2.2結束時刻關節角度與運動成績的回歸分析

表5結果列出了模型的篩選過程，模型1用逐步法引入了右膝關節角度，然后模型2用逐步法引入了右肩關節角度，右膝關節角度仍然保留在模型2中。另4個變量沒有達到引入標準，最終沒有進入。

表5　引入/剔除變量表a,b

a.因變量:成績。

b.通過原點的線性回歸。

表6是對擬合的兩個模型的方差分析檢驗結果。由結果(P值均為0.000，小于0.05)可知，兩個模型均有統計學意義。

表6方差分析表d,e

a.預測變量:右膝關節角度。

b.因為通過原點的回歸的常量為零，所以對于該常量此總平方和是不正確的。

c.預測變量:右膝關節角度,右肩關節角度。

d.因變量:成績。

e.通過原點的線性回歸。

表7是對兩個模型中各個系數檢驗的結果，用的是t檢驗。從結果(PX2=0.000，PX6=0.004，都小于0.05)中可以看出，模型2中兩個自變量的系數都有統計學意義。右膝關節角度的偏回歸系數為0.088，標準化回歸系數為0.632；右肩關節角度偏回歸系數為0.074，標準回歸系數為0.368。通過比較兩個變量的標準回歸系數，可知右膝關節角度對運動成績貢獻大些。

表7　回歸系數檢驗表a,b

a.因變量:成績。

b.通過原點的線性回歸。

表8反映的是多重線性回歸擬合模型過程中沒有進入模型的變量的檢驗結果。由結果可見，在模型1中，未進入模型的候選變量左肩關節角度、右肩關節角度還符合引入標準(P<= 0.05)，可能需要引入；而在模型2中，未進入的四個變量均大于引入標準(P>= 0.100)，無須再進行分析了。

表8　模型外的變量檢驗表c,d

a.模型中的預測變量:右膝關節角度。

b.模型中的預測變量:右膝關節角度,右肩關節角度。

c.因變量:成績。

d.通過原點的線性回歸。

表5—表8結果表明，張竣單支撐階段結束時刻，其關節角度與運動成績的回歸方程是：Y=0.088X2+0.074X6，經方差分析，該回歸方程具有統計學意義，經t檢驗，各回歸系數也具有統計學意義(PX2=0.000，PX6=0.004，都小于0.050)。該方程說明：單支撐階段結束時刻，右膝關節角度、右肩關節角度的增大與運動成績提高存在線性關系。投擲原理和實踐告訴我們，增加右膝關節角度可以加大身體旋轉半徑，提高投擲方向的鉛球線速度，進而提高運動成績。但右肩關節角度增大是有限制的，如果大于90度，會降低“人球合一”的穩定性，不利于鉛球成績的提高，符合旋轉推鉛球技術持握鉛球的基本要求(持球臂的肘部向外展開與肩齊平，即右肩關節保持在90度左右)。

由上述回歸分析可知，左髖角(X3)、右膝角(X2)、右肩角(X6)等3個指標與鉛球成績有顯著相關性。此結果符合旋轉推鉛球單支撐階段的基本技術要求(右腳離地后右腿微屈，右腳靠近地面向圓心弧形擺動，左腿屈膝支撐繼續向投擲方向蹬轉，形成以左腳為軸旋轉。左膝保持90°～120°左右，右腿擺動時大腿不要擺得太高，使身體在平穩的旋轉中向前，并且配合轉髖。右腿擺向投擲圈中心時要低平內扣，右腿的內扣要與左腳的蹬轉協調配合，這是形成“超越器械”和獲得水平速度以及維持身體平衡的關鍵)[12]。

2.3主要關節角度的變化特征分析

通過以上研究，找出了張竣旋轉推鉛球單支撐階段影響其運動成績的主要角度標有左髖角、右膝角、右肩角等3個指標，分析這些指標在旋轉推鉛球單支撐階段的變化特征，可以幫助張竣改進其技術動作，從而提高運動成績。

表9和圖3所示，為張竣旋轉推鉛球測試成績與單支撐階段持續時間的對應關系，經過Excel分析，我們得到運動成績(Y)與單支撐階段持續時間(t)的關系式為Y=22.17-9.032t，通過該關系式我們發現，鉛球運動成績與單支撐階段持續時間呈反比例關系，即單支撐階段持續時間越短，張竣的鉛球成績越好。為了便于比較，我們選取張竣旋轉推鉛球單支撐階段持續時間均為 0.36s的4次測試數據(19.17m、18.37m、19.12m、19.74m)進行分析。

表9　單支撐階段持續時間與運動成績對照表

圖3　單支撐階段持續時間與成績關系圖

2.3.1右肩關節角度的變化特征分析

旋轉推鉛球的持球方法與背向滑步推鉛球技術的右臂肘部動作略有不同。由于旋轉推鉛球的加速過程中離心力較大，因此，右手持球時需要抬肘，保持右肘在體側與肩肘成一線的姿勢，把鉛球緊貼在鎖骨窩處，對抗鉛球的離心力并穩定地控制鉛球。由此看來，在單支撐階段，右手主要起到持球作用，右肩關節角度大小，反映了肘抬起高低以及鉛球貼鎖骨窩的松緊程度。同時，根據投擲基本原理可知，右手作為投擲臂應盡可能留在后面，并保持相對固定的肩關節角度，有利于形成良好的“超越器械”動作，為提高最后用力效果作好準備。

由圖4可以看出，張竣投擲成績為19.74 m時，右肩關節在單支撐階段的變化規律為：在開始時刻控制在84°左右，然后慢慢內收至中間時刻收至盡可能小(不影響鉛球固定)，這樣有利于提高旋轉速度，之后再慢慢外展到90°左右，單支撐后半階段右肩關節角度的增大，能使鉛球緊貼向內傾斜的人體鎖骨窩，避免身體重心過早前移，維持人-球一體的旋轉速度。

圖4　單支撐階段右肩角變化曲線圖

從圖4我們可以得知，從單支撐階段開始到結束，右肩關節角度整體變化趨勢是先減小后增大，而且通過影像解析，我們得到4次試投單支撐階段開始時刻、結束時刻和關節角度最小時刻的右肩關節角度(見表10)。數據分析發現，在整個單支撐階段，4次試投的右肩關節角度變化差異不是非常明顯，表明張竣右肩的技術動作表現出較好的穩定性。

成績最好的(19.74 m)試投中，開始時刻的右肩關節角度為84.31°，其他幾次投擲中，右肩關節角度無論增大或減小，鉛球成績都不如這次好；右肩關節角度在0.22 s時達到最小值69.66°，而此時，其他3次試投的右關節角度已經開始增大，且整個階段的最小值都比此次試投的最小值要大；結束時刻的右肩關節角度為89.55°，右大臂與軀干幾乎垂直。

2.3.2左髖關節角度的變化特征分析

在單支撐階段，由于離心力的作用，身體向左傾斜，形成一個左側轉動軸。同時，張竣為降低身體重心，身體稍向前傾并屈膝。左髖關節角度大小，反映了單支撐階段身體前傾幅度。

由圖5可見，從單支撐階段開始到結束，左髖關節角度整體變化趨勢為先增大后減小，表明軀干先稍稍抬起然后又向下彎曲，為下一騰空階段做積極準備。4次投擲都在0.30 s時刻(即接近單支撐階段結束時刻)達到最大值，表明張竣技術動作符合旋轉推鉛球技術要求而且穩定性很高。同時根據圖5，我們發現，在單支撐階段前半期即0.18 s之前，成績最好(19.74 m)的那次投擲中左髖關節角度均大于其他3次投擲，而在單支撐階段后半期即0.18s之后，均小于其他3次投擲，而且在第二個四分之一階段，這一次投擲的左髖關節角度是減小的，而其他3次投擲都是在增大。

圖5　單支撐階段左髖角變化曲線圖

成績時刻開始時刻結束時刻最小時刻19.74m84.31°89.55°69.66°19.17m91.71°97.98°80.44°19.12m86.32°96.95°71.53°18.37m83.74°87.98°73.44°

表11結果顯示，在單支撐階段結束時刻，左髖關節角度較開始時刻要大，成績最好的19.74 m投擲中，開始時刻左髖關節角度均大于其他3次投擲，而結束時刻和最大左髖關節角度均小于其他3次投擲。我們試想，在開始時刻左髖關節角度控制在120°以上，即身體不要過分前傾，在結束時刻左髖關節角度應控制在143.5°以下，左髖角度小，有利于運動員快速進入下一個技術階段，即身體稍向前傾，最大左髖關節角度不超過168.6°，這樣做也許會獲得更好的運動成績。

上述結果告訴我們，在平時訓練時應強調張竣左髖角在單支撐階段第一個四分之一階段保持更大(最小值不小于121.17°)，即重心垂直方向上移，在第二個四分之一階段減小到最小，即重心垂直方向下移，在第三個四分之一階段增大到最大(最大值不大于168.57°)，即重心再次垂直方向上移，最后一個四分之一階段再減小，即重心垂直方向再次下移，可能會獲得更好的運動成績。

2.3.3右膝關節角度的變化特征分析

在單支撐階段，運動員通過肩橫軸的轉動帶動鉛球加速的過程，身體的重心落在左腿上，右腿遠離左腿擺動，腿部技術是旋轉技術的一個難點，因為鉛球投擲圈的直徑只有2.135 m，右腿擺動的好壞直接影響了旋轉速度以及身體姿勢。

圖6　單支撐階段右膝角變化曲線圖

成績時刻開始時刻結束時刻最大時刻19.74m121.17°143.46°168.57°19.17m116.70°146.77°168.71°19.12m120.10°153.09°172.98°18.37m117.37°149.86°172.45°

圖6結果顯示，張竣投擲成績為19.74 m時，單支撐階段右膝角度變化規律為：保持不變～增大(160°左右)即伸右膝關節增大旋轉半徑～減小(144°左右)即屈膝減小旋轉半徑，為下一技術階段屈右膝向投擲圈圓心平穩落地做好準備。

在單支撐階段開始到結束，右膝關節角度整體變化趨勢為先增大再減小。前期右膝關節角度增大是為了增大旋轉半徑提高投擲方向的線速度，后期減小是為了下一騰空階段的靠近圓心點平穩落地做好準備。同時我們發現，成績最好(19.74 m)的那次試投中，右膝關節角度在0～0.10 s期間變化不大，而其他3次試投均有明顯變化，中后期4次試投的右膝關節角度變化趨勢基本一致，說明單支撐階段前期右膝關節的平穩外擺或許是影響運動成績因素之一。

通過影像解析，我們得出開始時刻、結束時刻、關節角度最大時刻以及關節角度最小時刻的右膝關節角度(見表12)。根據上述數據我們發現，在成績最好的(19.74 m)試投中，單支撐階段開始時刻，右膝關節角度在102°左右，也是整個階段的最小值，說明后階段為了加大旋轉半徑，右膝關節是伸的，但是最大角度不超過160°，否則會影響運動成績，說明“外擺畫弧動作”半徑越大，越不利于下一階段右腿向投擲圈圓心平穩落地。

表12　單支撐階段右膝關節角度

3　結論與建議

3.1采用多元回歸的統計方法，對部分關節角度與運動成績進行多元回歸分析，找出了張竣旋轉推鉛球單支撐階段影響運動成績的主要關節角度指標(右肩關節角度、左髖關節角度、右膝關節角度)。與同類研究相比，本研究在研究指標的選擇方面更為嚴謹、科學和合理。

3.2在旋轉推鉛球單支撐階段，張竣表現最佳投擲成績時，主要關節角度變化呈現以下特征：右肩關節角度開始時刻為84.31°，中間時刻達到最小值69.66°，結束時刻為89.55°；左髖關節角度在開始時刻為121.17°，在單支撐的四分之三階段增大到168.57°，結束時刻為143.5°；右膝關節角度開始時刻為102°左右，也是整個階段的最小值，結束階段為159.58°。對此關節角度變化規律的研究，為教練員指導張竣的技術訓練，提供了客觀、科學的參考意見。

3.3相比現有的運動學研究，本研究采用了四臺攝像機進行投擲場地的實地拍攝，觀測視角多了兩倍，提高了音像解析結果的準確性。但是，由于條件限制，還無法完成俯視拍攝。因此，創造更好的研究條件，實現多角度拍攝，提高觀測效果，取得更多的觀測指標和數據，使研究更加科學、合理和有效，是旋轉推鉛球技術研究今后應努力的方向。

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[責任編輯魏寧]

Research on the Change Characteristic of the Angle of the Main Joints DuringOne-leg Supporting Phase of Rotational Man’s Shot Put Athletes

CHEN Jian-min1,QIAN Feng2

(1.College of Continuing Education,Jimei University,Xiamen,361021,China 2.ZheJiang Economic & Trade Polytechnic，Hangzhou,310018,China)

Using documentary method ,interview method,observational method ,mathematical statistical method to investigate an elite male shot-putter，Zhang Jun during one-leg supporting and body rotating phase．The variety characteristics of dominant joint angle were evaluated in this study.The results were as follows:1The shot movement performance was significant correlation with joint angle index that is left hip angle,right knee angle,right shoulder angle.2During one-leg supporting and body rotating phase ,Zhang Jun's main joint angle were changed as follows:at the beginning ,the right shoulder angle was 84.31°.In the middle the right shoulder angle was minimum 69.66°.At the end the right shoulder angle was 89.5°; at the beginning ,left hip angle was 84.31°and then increase to 168.7°at the three-quarters phase of one leg supporting,in the end was 143.5°; at the beginning the right knee angle was102°which was the minimum of whole phase ,and at the end was 159.58°.

Rotating Shot Put;one foot support phase;joint angle

2016-04-28

陳建民(1962—)，男，福建惠安人，教授。研究方向：體育教育學。

G824.1

A

1007-7413(2016)05-0051-10