基于撐杖動作時相的越野滑雪運動員疲勞運動學特征

劉貴寶

（黑龍江冰雪體育職業學院，黑龍江 哈爾濱　150001）

基于撐杖動作時相的越野滑雪運動員疲勞運動學特征

劉貴寶

（黑龍江冰雪體育職業學院，黑龍江 哈爾濱150001）

利用運動圖像解析方法，分析瑞典選手Kalla在2010年冬奧會女子10 km自由式項目比賽中出發階段和沖刺階段上肢雙撐杖動作的時相特征；利用視頻透視動態標尺法，分析該選手撐杖動作時相的撐杖角和軀干角變化情況，進一步揭示越野滑雪運動員肌肉疲勞對上肢雙撐推進技術動作影響的運動學特征。結果表明，越野滑雪運動員在中長距離比賽中存在肌肉疲勞，其運動學特征表現在雙撐杖推進技術動作周期內，以推杖時相的持續時間延長為主，而收杖時相的持續時間相對縮短，同時撐杖角和軀干角相應增大，表明推杖力量變小，說明肌肉疲勞對推杖力量和技術動作產生影響。雙撐杖推進技術動作中的推杖、收杖內部時相結構變化，有助于對肌肉疲勞運動學特征的認識，其時長比指標可以作為指導個性化專項力量耐力訓練方法、方案的參考依據。

撐杖時相；越野滑雪；疲勞；運動學

越野滑雪運動是體能主導類項目，而其體能核心為力量耐力素質[1-4]。作為周期性耐力項目，越野滑雪長時間長距離運動對運動員體能消耗很大[5]，而這種長時間混氧耐力運動[6]，對運動員的力量耐力水平更是提出了較高的考驗標準。我國運動員專項力量能力水平較差[7]，在比賽后程及上坡階段體力消耗較快，并且伴隨動作技術變形。如果運動員具備較好的力量耐力素質，體能儲備消耗相對較慢，體力能夠比較平穩地分配給一系列技術動作，就會表現出較高的比賽技能和取得優異的比賽成績。為此，國內越野滑雪領域科研人員長期跟蹤研究，并學習借鑒國外先進經驗[8]，紛紛研制出越野滑雪陸地輔助專項訓練器材，主旨圍繞力量素質進行針對性的專項化訓練。一是將適宜的塑材加工成可用于模擬越野滑雪訓練用的滑道[9]，強化越野滑雪運動員陸訓階段的專門性力量訓練；二是按運動學特征模擬雪上傳統式訓練同時推進技術動作的專項力量輔助訓練器[10]，有助于越野滑雪陸地、雪上專項化訓練方法有效銜接。但是，在改善越野滑雪運動員力量耐力素質方面，不論是以超量恢復訓練為代表的理論研究與應用，還是專項力量輔助訓練器材的研制與應用，首先需要對人體肌肉疲勞特征有一個科學認識，才能合理有效地提高理論研究或器材研制的應用效果。而肌肉疲勞，不僅體現于生理學特征，還可以表現于生物力學特征。目前，對于越野滑雪運動員疲勞特征及其對技術動作影響的生物力學特征方面的研究有所欠缺[11]，尤其是還未有研究實時比賽中運動員肌肉疲勞對上肢撐杖技術動作的生物力學影響。本文基于撐杖動作時相對越野滑雪運動員上肢肌肉疲勞運動學特征進行個例分析和討論，以期為我國越野滑雪運動員進一步改進力量耐力素質訓練方法與方案提供理論依據。

1　研究對象與方法

1.1研究對象

在2010年溫哥華冬奧會上，瑞典選手Kalla獲得越野滑雪女子10 km自由式項目冠軍，成績為24 min58.4 s。Kalla自2006年以來，在世界杯等國際賽事上始終名列前茅，成為越野滑雪國際頂級運動員之一，對其進行相關運動學分析的數據信息在說明越野滑雪相關特征方面具有一定代表性。

1.2研究方法

本文搜集整理了瑞典選手Kalla在2010年溫哥華冬奧會越野滑雪女子10 km自由式項目比賽的視頻信息，利用運動圖像解析方法，分析該選手在10 km自由式項目比賽中出發階段和沖刺階段上肢雙撐杖動作的時相特征。這里的時相是指在某段時間內具有相似特征或作用的動作狀態，是技術動作運動學分析的基本概念之一。此外，利用自研制的視頻透視動態標尺法[12]，分析該選手撐杖動作時相的撐杖角和軀干角變化情況，進一步揭示越野滑雪運動員肌肉疲勞對上肢雙撐推進技術動作影響的運動學特征。

2　研究結果

2.1雙撐杖推進技術運動學特征及重要性

越野滑雪運動的上肢雙撐杖推進技術動作，主要包括推杖時相、收杖時相兩個階段(圖1)。首先，運動員雙撐杖著地形成固定支點，隨著雪板滑行使身體相對雙杖支點產生位移，同時上肢形成推杖動作。這里的撐杖角是指雪仗與雪面之間的夾角，在推杖動作過程中，撐杖角逐漸減小，在0.2 s左右達到最小值。這里的軀干角是上體軀干與雪面之間的夾角，在推杖動作過程中，軀干角隨著撐杖角減小而同步減小，并在同步達到最小值。這種同步性特征表明軀干與上肢推杖的動作是一致的，相互協調產生雙撐杖力量和發揮雙撐杖推進人體滑行的作用。推杖結束后，雪杖離地形成收杖動作，這里收杖技術動作的行程時間在1s左右，由圖中虛線表示雪杖與雪面的夾角變化，暗示與雪杖鉸鏈的上肢軌跡。在收杖動作過程中，軀干角逐步變大，即上體逐步抬起，并在雪仗收抬準備著地時達到最大值，此后軀干蓄力下壓使軀干角反向變化，為下一次雪杖著地形成動作準備。這里沒有分析下肢膝關節角度變化特征，實際上在雙撐杖動作中，優秀運動員下肢關節表現出明顯的主動屈伸模式[13]，與上體軀干主動下壓動作配合，研究表明這有助于增強撐杖力量，增強幅度達到9％[14]。 而且，上體軀干影響人體質心的位置[15]，而人體質心的位置會影響撐杖動作初期的撐杖力量。

雙撐杖技術包括一系列的支撐推杖和回擺收杖動作，是越野滑雪運動中的一項重要技術。對雙撐杖技術動作的生物力學、肌電圖和能量特征的研究表明[16-18]，雙撐杖技術牽涉到人體全身。在上肢支撐推杖動作過程中，上肢和軀干的積極協調撐杖動作， 配合下肢的屈曲動作，使身體產生推進動作。在上肢回擺收杖動作過程中，上肢向前帶回，軀干和骨盆向上，為下一次有效地撐杖做準備。撐杖技術在其最初的動作設計是用于平地滑雪。隨著上肢和軀干力量增強以及技術進步，使優秀運動員能夠在斜坡或更有挑戰性的山坡上利用雙撐杖技術。對于高水平競技滑雪運動員[19-20]，雙撐杖技術已成為越野滑雪比賽的首選技術。

2.2肌肉疲勞對撐杖動作影響的運動學特征

2.2.1上肢撐杖動作時相特征變化

利用運動圖像解析法，對Kalla在女子10 km自由式比賽項目中的視頻信息進行分析，提取雙撐杖推進技術動作中的雪仗著地和離地時相的時間序列數據(表1)。根據表1，可以得到該選手出發100 m與沖刺100 m若干撐杖動作時相時間均值，包括推杖動作時相、收杖動作時相和整個撐杖周期動作時相，相關結果見表2。

圖1　Kalla撐杖動作撐杖角與軀干角特征Figure 1　Poling angle and trunk angle of Kalla's poling action

表1　Kalla出發100 m與沖刺100 m若干撐杖動作時相時間序列Table 1　Time series of Kalla’s some poling actions in starting 100m phase and fi nal 100m phase

表2　Kalla出發100 m與沖刺100 m若干撐杖動作時相時間均值Table 2　Time mean of Kalla's some poling actions in starting 100m phase and fi nal 100m phase

根據表2，分別計算推杖動作時相與收杖動作時相的時長及其比值，在此基礎上進行推杖時相與收杖時相的時間長度及其比值分析。

首先分析對象出發100 m與沖刺100 m的撐杖動作時相的時長指標，完整的單位周期動作時相的時長沒有明顯變化(P >0.05)，均值分別是1.36 ± 0.06 s 和 1.40 ± 0.02 s；推杖動作時相的時長有明顯變化(P <0.05)，均值分別是 0.36 ± 0.04 s和0.46 ± 0.04 s；收杖動作時相的時長沒有明顯變化(P >0.05)，均值分別是 1.00 ± 0.06 s和0.94 ± 0.02 s。上述情況表明，分析對象在保證相同動作周期的時長內，推杖動作時長明顯延長，而收杖動作時長相對縮短。然后分析對象出發100 m與沖刺100 m的撐杖動作中推杖時相與收杖時相、周期時相的時長比值指標，推杖動作時相與收杖動作時相的時長比值，出發100 m其均值分別為36％，沖刺100 m其均值分別為49％；推杖動作時相與整個撐杖周期動作時相的時長比值，出發100 m其均值分別為26％，沖刺100 m其均值分別為33％。上述分析結果進一步表明，分析對象通過增加推杖動作時長和縮短收杖動作時長來保證撐杖動作完成在相同動作周期的時長內。

2.2.2上肢撐杖動作撐杖角與軀干角特征變化

利用視頻透視動態標尺法，對Kalla在女子10 km自由式比賽中出發100 m與沖刺100 m的視頻片段進行分析，提取雙撐杖推進技術動作中的撐杖角和軀干角等指標數據(圖2)。撐杖角和軀干角的特征變化，在時間序列上與撐杖動作時相的時長指標變化一致，撐杖角的實線和虛線分別對應推杖階段和收杖階段，而軀干角在不影響動作時相判斷的前提下沒有區分實線和虛線。

圖2　Kalla出發100 m與沖刺100 m撐杖動作撐杖角及軀干角對比Figure 2　Poling angle and trunk angle of Kalla's poling actions in starting 100 phase and fi nal 100m phase

由圖2所示，出發階段與沖刺階段的撐杖角和軀干角特征存在明顯的數值和時序差異。沖刺階段與出發階段相比，撐杖角的最小值和時長明顯偏大，表明肌肉疲勞對雙撐杖推進技術動作產生了運動學方面的消極影響，這種動作效率降低暗示撐杖力量有所下降。在撐杖角特征變化的同時，軀干角的最小值和時長也明顯偏大，軀干角前傾程度降低，削弱了推杖深遠度和推進滑行速度的傳導比，進一步表明肌肉疲勞對雙撐杖推進技術動作產生了運動學方面的消極影響，暗示上體配合雙撐杖推進技術動作的輔助能力和協調能力有所下降。軀干角也在一定程度上表征了人體質心的位置變化，而人體質心的位置低，會使推杖動作力量增大，同時推進滑行速度的傳導比更高；反之，人體質心的位置變高，則推杖動作力量會變小，導致推進滑行速度的傳導比降低。這種人體質心位置的變化，表明肌肉疲勞對雙撐杖推進技術動作的推杖力量與效率產生了影響。

3　討論

在越野滑雪比賽中，尤其是對于中長距離項目，隨著滑行路線推進，運動員的力量耐力儲備逐步消耗，人體抵抗疲勞的能力下降，導致運動技術動作質量變化。對于這個過程中形成的運動學特征，本文在這里縮減研究目標和范圍，只針對上肢推撐技術動作探討與力量耐力水平對應的疲勞運動學特征問題。

上肢雙撐杖推進技術能夠體現運動員專項能力水平，已經成為優秀越野滑雪運動員的首選競技技術。在周期動作協調要求下，隨著推杖時相的時長值增大，收杖時相的時長值也應相應增大。而運動員在神經肌肉運動慣性下為了保持滑行速度，首先需要保證動作周期的穩定性，由于肌肉疲勞難以克服推杖力量下降狀態，同時神經肌肉系統要求肌肉保持滑行速度的對外做功量，必然導致推杖角度和時長增加。在推杖時相的時長值不可避免地增加下，動作周期的穩定性將要求從收杖時相這種相對容易的環節尋求解決條件，即相對縮短收杖時相的時長值。隨著收杖時相的時長值縮短，削弱了肌肉周期性恢復條件，有可能進一步加深肌肉疲勞，這有可能解釋運動員為什么后程能力越來越差。在雙撐杖推進技術動作過程中，為什么運動員疲勞前后不能保持同一力量水平的原因，本文認為有可能在于疲勞狀態，而不是人體運動學模式的變化。這里需要提及的是，如果考慮到分析對象熟練的經驗和較高的訓練水平，可以用來解釋肌肉疲勞對其雙撐杖推進技術動作的運動學影響較小。

通過分析越野滑雪運動員實時比賽中疲勞運動學特征變化，進一步明確了越野滑雪運動員必須具備較高的肌肉耐力和最大攝氧量，這種特征分析結果具有訓練學參考價值。越野滑雪運動員的雙腳被限制在滑雪板上，雙手被限制在滑雪杖上，只有動員全身性神經肌肉系統參與運動，才能使上下肢和軀干力量保持有效支配專項技術動作狀態，完成在各種復雜地形上滑行的任務。越野滑雪的技術動作雖然并不復雜，但為了適應各種復雜地形和各種速度變化，而變得技術內涵復雜化，尤其對于力量素質，要求優秀運動員必須具備較高訓練水平的無氧力量、有氧力量、基礎力量、最大力量、速度力量、爆發力量、力量耐力、變速力量、變速耐力等[21-24]。從運動學角度來看，本文提供的推收時相時長比指標，計算簡單，提取容易，其特征變化能夠反映肌肉疲勞情況，既可以作為個性化訓練與比賽的疲勞評估指標，也可以作為個性化訓練與比賽的疲勞監控指標。

4　結論

通過冬奧會越野滑雪比賽視頻分析，提取具有代表性的實時數據信息，從撐杖推進技術動作時相上分析運動員肌肉疲勞的運動學特征變化。越野滑雪運動員在中長距離比賽中存在肌肉疲勞，其運動學特征表現在雙撐杖推進技術動作周期內，以推杖時相的持續時間延長為主，而收杖時相的持續時間相對縮短，同時撐杖角和軀干角相應增大，表明推杖力量變小，說明肌肉疲勞對推杖力量和技術動作產生影響。這是一種在肌肉疲勞條件下人體周期性動作力量、內部時相結構與技術協調變化的運動生物力學適應性。為補償肌肉力量下降及其導致的技術動作效率降低，運動員需要改變周期動作的內部時相結構，以維持動作周期持續時間和增加撐杖力量的單位做功量來保持滑行速度穩定性。這種生物力學適應性，保證了在肌肉疲勞條件下具有足夠的推進力，但降低了雙撐杖推進技術動作效率。雙撐杖推進技術動作中的推杖、收杖內部時相結構變化，有助于對肌肉疲勞運動學特征的認識，其時長比指標可以作為指導個性化專項力量耐力訓練方法、方案的參考依據。

本文分析方法與研究結果還有待于進一步完善，還需通過擴大實際比賽數據樣本進行統計學意義的研究，以期為我國越野滑雪項目訓練水平發展提供科學實用的參考依據。

[1]李曉明，周冉.越野滑雪運動員力量訓練的重要性[J].冰雪運動，2006(4)：43–45.

[2]楊明，賁品香，梁新安，等.再談越野滑雪的體能和技術訓練方法：根據俄羅斯教練伊格里講學內容整理[J].冰雪運動，1996(2)：44–37.

[3]姜韜，邢卓，麻正茂，等.我國越野滑雪運動員體能訓練的研究[J].東京文學， 2011(7)：252–253.

[4]吳京樹，王洪茹，宮桂萍，等.淺談越野滑雪運動員專項耐力訓練負荷的體力分配[J].冰雪運動，1996(1)：33–33.

[5]范靜，姜躍金.越野滑雪運動員運動性疲勞的恢復[J].冰雪運動，2010， 32(1)：46–49.

[6]崔光國，王洪義.越野滑雪項目能量代謝特征與訓練[J].冰雪運動，1995(2)：39–40.

[7]董平，范靜.對青少年越野滑雪運動員力量和耐力訓練的思考[J].冰雪運動，2010，32(2)：46–49.

[8]焦鐵仁，劉化斌.越野滑雪器材對競技水平的影響[J].冰雪運動，1998(4)：28–29.

[9]周加啟，蒙猛，楊春懷.越野滑雪運動員陸訓階段應用塑料滑道提高專項力量的開發研究[J].冰雪運動，2002(2)：71–72.

[10]劉貴寶，楊春懷，郭靜璐.基于運動學特征的越野滑雪專項力量訓練器應用機理[J].冰雪運動，2014，36(5)：92–96.

[11]范靜，張連濤.我國越野滑雪項目科研現狀與發展策略[J].冰雪運動，2010， 32(3)：39–43.

[12]劉貴寶.基于支點軌跡特征的新型滑板專項輔助訓練機理[J].冰雪運動，2012，34(5)：93–96.

[13]HOLMBERG HC， LINDINGER SJ， ST?GGL T，et al. Biomechanical analysis of double poling in elite cross–country skiers[J]. Medicine and Science in Sports and Exercise，2005，37(5)：807–818.

[14]NILSSON J， TINMARK F， HALVORSEN K，et al. Kinematic， kinetic and electromyographic adaptation to speed and resistance in double poling cross country skiing[J]. European Journal of Applied Physiology，2013，113(6)：1 385–1 394.

[15]ZOPPIROLLI C， PELLEGRINI B， BORTOLAN L，et al.Energetics and biomechanics of double poling in regional and high–level cross–country skiers[J].European Journal of Applied Physiology，2015：115(5)：969–979.

[16]BOJSEN–M?LLER J， LOSNEGARD T， KEMPPAINEN J，et al. Muscle use during double poling evaluated by positron emission tomography[J]. Journal of Applied Physiology， 2010，109(6)：1 895–1 903.

[17]ST?GGL T， MüLLER E.Kinematic determinants and physiological response of cross–country skiing at maximal speed[J].Medicine and Science in Sports and Exercise，2009，41(7)：1 476–1 487.

[18]ST?GGL T， HOLMBERG HC.Force interaction and 3D pole movement in double poling[J]. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports，2011，21(6)：393–404.

[19]HOLMBERG HC， LINDINGER S， St?ggl T，et al.Contribution of the legs to double–poling performance in elite cross–country skiers[J]. Medicine and Science in Sports and Exercise， 2006，38(10)：1 853–1 860.

[20]SMITH GA， FEWSTER JB， Braudt SM.Double poling kinematics and performance in cross–country skiing[J]. Journal of Applied Biomechanics，1996(12)：88–103.

[21]吳小峰，隗廣清.優秀越野滑雪運動員的力量訓練[J].冰雪運動，2005(6)：24–26.

[22]王儷燕.越野滑雪運動員的身體素質訓練及技術運用[J].吉林體育學院學報，2007(5)：86–86.

[23]關惠明.談越野滑雪運動員的專項力量耐力訓練[J].冰雪運動，1997(2)：38–39.

[24]焦鐵仁.將發展越野滑雪運動員的上肢力量耐力貫穿于訓練的全過程[J].冰雪運動，2001(4)：39–40.

Kinematics Analysis on the Fatigue Characteristics of a Cross Country Skier Basing on the Poling Phase

LIU Gui-bao
（Heilongjiang Vocational College of Winter Sports， Harbin 150001， China）

With the method of motion image analysis， the paper analyzes the phase characteristics of the double poling technique in the starting phase and the fi nal phase from the video of a Swedish skier Kalla who won the champion of ladies 10Km free cross-country skiing in 2010 Winter Olympics. With the method of video perspective dynamic scale， it also analyzes the skier's corresponding changes of poling angle and trunk angle， which will further reveal the kinematic characteristics of the skier's muscle fatigue in the upper limb double poling technique. The results show that the cross country skier endured the muscle fatigue in the middle and long distance race， which kinematic characteristics is that during a double poling the skier had to mainly prolong the poling phase by shortening the recovering phase and correspondingly enlarge the poling angle and trunk angle. It indicates that the poling strength become smaller， which hinting the infl uence of muscle fatigue on the poling strength and technique. The internal structure change of poling phase and recovering phase in the double poling technique will help to understand the kinematics characteristics of muscle fatigue. It may take the ratio of poling duration and recovering duration as a reference for improving the methods and plan of the specialized training of individual strength endurance.

poling phase； cross country skiing； fatigue； kinematics

G863.13

A

1002–3488(2016)02–0014–05

2016–01–17；

2016–01–22

劉貴寶(1974–)，男，黑龍江哈爾濱人，碩士，研究員，研究方向為運動生物力學與體育器材。