單人皮艇200米劃不同階段槳和艇的運動學分析

許貽林 曲 峰

（1.江蘇省體育科學研究所，江蘇 南京 210033；2.北京體育大學，北京100084）

單人皮艇200米是奧運會的新興項目，而水上短距離項目一直是我國的潛優勢項目，非常有望在奧運會上取得突破。皮艇運動是一項技術含量較高的項目，而劃槳動作是皮艇技術的重要組成部分[1—3]。因此，對劃槳節奏、槳葉運動、艇的運動等參數進行評價對于指導皮艇200米訓練和比賽具有重要意義。

作為新興奧運項目，在2012年之前針對單人皮艇200米的生物力學研究尚不多見。現有的研究主要集中在對200米全程中某一特定階段的劃槳技術進行分析。如許耶力[4]和張本筱[5]等人利用二維運動分析系統對男子單人皮艇200米劃起航階段的劃槳技術進行了研究。另外，丁俊杰[6]等同樣利用二維運動分析系統對男子單人皮艇200米劃途中劃階段一個劃槳周期內抓水、動力和回槳階段槳葉和艇的運動學參數進行了更加深入的研究。這些研究對于認識200米全程不同階段的劃槳技術生物力學原理，改進劃槳技術和提高運動成績發揮著重要的作用。但是，有研究發現在起航、途中和沖刺階段運動員會根據自身的競技能力以及對手的表現情況決定劃槳頻率和節奏[7—11]。Baker通過研究發現在200米劃的起航階段運動員逐步增加槳頻并在30至40米的位置實現最高槳頻；另外，隨著槳頻的增加艇速也隨之增加[7]。另外，Gomes[8]和潘梅兵[11]等人的研究也表明槳頻不僅對槳——力時間曲線產生顯著性的影響，而且對艇速也有顯著影響。基于這些研究結果，本文認為在單人皮艇200米劃起航、途中和沖刺階段運動員的槳頻和艇速等與劃槳技術密切相關的運動學參數會呈現出一定的差異性，因而僅僅針對某單一階段下的分析不能全面地揭示該項目的運動學特征。另外，尚未發現有針對不同比賽階段一個劃槳周期內各個時間段劃槳技術參數的研究。本研究的目的包括兩個方面：（1）比較一個劃槳周期內抓水、拉水和回槳三個階段槳和艇的運動學參數變化情況；（2）比較 200米劃起航、途中和沖刺三個階段槳和艇運動學參數的變化情況。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

以 11名高水平男子皮艇運動員為研究對象。他們健康狀況良好，無傷病，訓練正常。在測試正式開始前，向每名運動員說明測試目的、流程和要求并記錄研究對象的基本情況。研究對象基本情況見表1。

表1 研究對象基本情況 (n=11）

1.2 研究方法

運用三臺高清攝像機（SONY）分別對200米劃起航、途中和沖刺階段艇和槳葉的運動軌跡進行平面定點捕捉。至少保證每臺攝像機同時捕捉左、右兩個完整劃槳周期的動作，采集頻率為100Hz。測試步驟如下：（1）攝像機的架設與調試。根據文獻資料以及事先與教練員的溝通，三臺攝像機分別放置在 200米航道的 30米（起航）、130米（途中）和 190米（沖刺）處。（2）攝像機的調節。根據當天的光線情況和拍攝距離調整攝像機的焦距和俯仰角等。在每個鏡頭里面保證能采集運動員劃行8米左右的距離。（3）準備活動。每名運動員要至少完成30分鐘的準備活動。（4）正式測試。每名運動員按照比賽要求劃完一次200米的距離。

1.3 數據處理

1.3.1 運動學數據處理方法

選擇每名運動員一個完整的劃槳周期（從槳葉入水到對側槳葉入水）進行數據處理和分析。采用視訊圖像解析系統對拍攝的視頻進行平面定點解析。選擇一個完整的艇長作為比例尺對劃槳動作的二維圖像進行標定。標定完成后進行計算并轉換為TSV數據文件以獲取每個標示點二維坐標。采用低通濾波方法對數據進行過濾，截斷頻率為10Hz。使用 Qtools軟件對原始二維坐標數據進行計算以獲取艇速和槳距等參數，參數包括槳角、劃槳周期、劃槳節奏、槳頻、槳距、艇速和艇速差等。計算相關參數的平均值和標準差。

1.3.2 皮艇劃槳動作的階段劃分

選取一個完整的劃槳周期中四個特征時刻（槳葉入水、槳葉垂直于水面、槳葉出水時刻和對側槳葉入水）來劃分劃槳動作的階段。四個特征時刻見圖1。

三個劃槳階段定義如下：

抓水階段：從槳葉入水到槳葉垂直于水面（圖1A—B）。

拉水階段：從槳葉垂直于水面到槳葉與水分離（圖1B—C），抓水階段和拉水階段結合在一起形成拉槳階段。 回槳階段：由從槳葉出水到對側槳葉入水（圖1C—D）。

圖1 一個周期劃槳中動作特征時刻示意圖

1.4 統計學分析

采用SPSS18.0統計軟件對200米劃起航、途中和沖刺階段以及一個劃槳周期內抓水、拉水和回槳階段槳葉和艇的運動學參數進行統計學分析。統計方法包括單因素方差分析和皮爾遜相關分析，顯著性水平定義為α=0.05。

2 研究結果

2.1 槳角參數

在200米劃起航、途中和沖刺階段，槳葉的入水角度和出水角度均無顯著性差異（p＞0.05）（圖2）。

2.2 劃槳節奏參數

200米劃起航階段的槳頻顯著高于其它兩個階段的槳頻（p＜0.05），而途中與沖刺階段的槳頻之間沒有明顯的差異性（p＞0.05）。三個階段在抓水時間百分比、拉水時間百分比、拉槳時間百分比以及回槳時間百分比方面均不存在顯著性差異（p＞0.05）（表2）。

圖2 不同階段槳葉入水和出水角度比較示意圖

表2 不同階段劃槳節奏參數比較 (±S）

表2 不同階段劃槳節奏參數比較 (±S）

注： *表示與起航階段相比存在顯著性差異（p＜0.05）。

參數 起航 途中 沖刺槳頻（st/min） 158.19 ± 7.46 132.00±3.75* 131.83±5.53*抓水時間（%） 30.02 ± 3.32 28.79±3.69 27.23±1.92拉水時間（%） 38.29 ± 2.44 39.46±3.06 39.69±3.34拉槳時間（%） 68.31 ± 4.40 68.25±0. 75 66.92±1.89回槳時間（%） 31.69 ± 4.40 31.75 ±0.75 33.08±1.89

2.3 艇速參數

拉水、抓水和回槳階段之間的平均艇速參數均存在明顯的差異（p＜0.05）（圖3）。起航、途中和沖刺三個階段的平均艇速和最大艇速參數之間均存在顯著性差異（p＜0.05），起航階段的艇速差明顯大于沖刺階段的艇速差（p＜0.05）（表3）。此外，槳頻和平均艇速之間存在顯著性正相關關系（r=0.531,p＜0.05）。

圖3 艇速參數比較示意圖

表3 不同階段艇速參數比較

2.4 槳距參數

拉水階段的槳距參數顯著大于抓水和回槳階段的槳距（p＜0.05）。200米劃三個階段的槳距參數之間沒有明顯的差異（p＞0.05），槳頻和槳距之間存在顯著性負相關關系(r=—0.62,p＜0.05) （圖 4）。

圖4 槳距參數比較示意圖

3 分析與討論

3.1 槳角參數特征

本文的槳角參數與Baker[12]和安迪·托諾[13]等人的研究結果基本一致而且在200米劃的不同階段槳角參數變化不明顯。由此可以推斷皮艇運動員的槳角是一個比較穩定的參數，其不隨運動水平和比賽階段的變化而改變。這也在一定程度上說明了本文研究對象的技術動作較為穩定。

3.2 劃槳節奏參數特征

本文報道的劃槳節奏參數與 Plagenhoef等人的研究結果相一致[14]。Plagenhoef認為合理的拉槳時間應該占整個劃槳動作周期的 69%[14]。但是，Mann[2]、Selina[15]、Hay[16]和Sperlich[17]等人的研究結果與本文的結果不完全一致。本文認為這可能是由于不同的研究所采用的槳葉形狀不同以及運動員的競技水平差異所導致。這一觀點在Selina等的研究中得到了驗證[15]。

根據流體動力學原理，在一個劃槳周期中只有拉槳階段是動力階段，因此艇的加速只可能出現在拉槳階段。本文發現在200米劃的三個階段，隨著槳頻的下降拉槳時間百分比也隨之下降。因此，起航階段較高的拉槳時間百分比有利于彌補較短的劃槳周期時間。在高槳頻下拉槳時間占總時間的比例增加，這表明在高槳頻下并未犧牲拉槳時間，從而有利于艇的推進。由此可見，艇在起航階段的推進效果明顯優于其它兩個階段。

3.3 艇速參數特征

本文發現在一個拉槳周期內拉水階段的平均艇速參數要明顯大于其它兩個階段。這可能是由于兩個方面的原因。第一，拉水階段時間百分比高于其它兩個階段。第二，拉水時間段的槳力參數明顯高于其它階段[18]。在相對較長時間的高槳力作用下艇也會也會保持在較高的速度水平上。

本文發現在200米劃的三個階段平均艇速和最大艇速參數均存在明顯遞減的趨勢。這與 Baker[7]和鐘紅燕[19]等人的研究結果基本一致。引起這一變化趨勢的原因可能與研究對象的劃槳節奏相關。本文和 Kleshnev的研究均發現研究對象的槳頻和船速之間存在顯著性正相關關系[20]。在起航階段以較高的槳頻輸出將艇速迅速提高到最大，從而在起航階段就獲得領先的位置。起航階段的領先位置不僅對運動員的心理產生良好的影響，同時還能避免其他航道的運動員劃槳時波浪的干擾[21]。

對于皮艇這一類水上運動項目，有兩個因素會影響艇的推進效率，其中一個就是艇速的波動。由于流體阻力與艇速之間的非線性關系，艇速波動會增加其航行的阻力。艇速波動增加，艇所受到的阻力也隨之增加[22]，劃槳的推進效率隨之下降[10]。而 Kleshnev的定量研究也證實了這一點。發現艇速差每增加1%相應地比賽時間延長0.25%[9]。因此，本文進一步分析了艇速差參數。結果發現從起航到途中再到沖刺，運動員的艇速差逐漸下降。這表明在200米劃的三個階段艇速波動幅度逐步下降，從而有利于艇的向前推進。

3.4 槳距參數特征

本文發現200米劃起航階段的槳距參數明顯低于其它階段。從物理學角度，槳距受槳頻和平均艇速決定。Kleshnev報道槳頻和槳距之間存在顯著性負相關關系[20]；而槳頻和艇速存在顯著性正相關關系。因此，運動員需要通過科學的訓練，將槳頻[23]、艇速[24]、槳距和槳力[25,26]等參數合理的結合在一起以實現較大的槳距。本文在槳距參數方面同Selina[15]等報道的結果存在一定的差距。本文認為有兩個原因可以解釋這種差異。一是，不同的研究中運動員所采用的槳頻存在差異。在 Selina的研究中運動員的平均槳頻為122.16st/min，低于本文運動員的槳頻，運動員有較長的時間完成劃槳動作。這可以在一定程度上解釋前人研究報道的較高槳距。另外運動員的競技水平差異也可能會影響槳距參數。

4 結論

無論是起航、途中還是沖刺階段，一個拉槳周期內拉水階段的平均艇速要顯著大于抓水和回槳階段的平均艇速。較長的抓水時間和較大的槳力作用是產生較高的抓水階段艇速的原因。一個拉槳周期內運動員通過提高抓水時間和槳力作用產生較高的抓水階段艇速。另外，拉水階段的槳距明顯高于其它兩個階段的槳距，艇在拉水階段推進的效果明顯高于其它兩個階段。200米劃起航階段的槳頻、平均艇速和最高艇速均顯著高于途中和沖刺階段的槳頻，槳頻和平均艇速之間成正相關關系。運動員在起航階段以高槳頻輸出的方式將艇速提高到最大，從而獲得一定領先地位。而在不同階段槳距參數沒有顯著的差異，而槳頻和槳距之間存在顯著性負相關關系。運動員在不同階段通過調整槳頻以及艇的速度來達到穩定的劃槳距離這一目的。

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