運動員跳臺跳水運動學解析

施銀行

（福建省游泳跳水運動管理中心 福建 福州 350001）

引言

跳水需要運動員從高處的起跳板進行起跳，在騰空的過程中完成一系列動作，最后進入水中，濺起的水花越少獲得的分數就越高。我國在跳水運動方面有著長久的發展歷程和經驗，教練對跳水技術有深入的認知，在不斷的實踐中，形成有效的理論體系。其中包含了對生理學、運動學等多個學科的探究，基于力學與角度進行研究，通過計算機模擬對跳水動作進行動態模擬，獲得最佳運動學參數值，作為實踐的參考依據，為我國跳水運動事業做出貢獻。

1、研究跳水運動學的目的

跳水是我國多種比賽項目中的關鍵項目，及時克服跳水過程中存在的問題，幫助跳水運動員解決練習難題，完善運動員的動作，使其在實際比賽中取得良好的成績。想要在泳壇保持霸主地位，必須正確看待跳水動作，在對動作進行分析的同時，提升動作的技巧，對動作進行運動學研究，對于國內跳水項目具有現實意義，可以推動跳水項目更好的發展。

在比賽前期，良好的狀態是運動員需要保持和培養的。在訓練過程中，跳水運動員要保持良好的跳水狀態，需要依靠教練對動作的指導，以及運動員對跳水過程的感知。研究跳水的生物力學，可以有助于教練更加準確的對跳水運動員進行指導。跳水項目是表現性質的運動項目，在做好動作的同時要保證表現出美感。這就對運動員的基礎動作、體力、心理因素等方面提出較高要求。這些因素并非短期可以實現，需要進行長期的積累，經過科學系統的訓練才能逐漸形成。通過運動學對跳水動作進行分析，可以幫助教練和運動員進一步提升訓練的科學性。

2、運動員跳水運動學分析

跳水運動中，運動員在跳臺上的起跳和入水動作非常復雜，盡管是基本動作，但是對于技巧上有著極高的要求。運動員騰起的一瞬間表演的動作是入水的前提條件，想要做出完美的動作，需要在跳臺上完成合理的一系列動作，充分使肢體與跳臺協調起來。通過主觀經驗熟練的在跳臺上獲得有利的騰空高度，提升動作完成的質量。由此可見，在實際跳水運動中，除了對運動員自身動作進行專業培訓外，跳板的作用力，對于起跳者的影響也非常大。跳板這一過程對于跳水運動員來說具有很大的難度，對起跳技術進行研究，對于運動員跳水具有重要意義，有利于我國跳水運動長期發展。

早期的跳水更加注重理論方面的研究，對于運動員的動作沒有進行過多的表述，更多的原因是當時的條件不允許，導致研究重點偏移?，F在隨著科學技術的發展，各種先進的設備進入到體育領域，有了硬件設備的保障，便于對跳水進行深入的研究，通過對力學進行分析構建更好的理論依據，為跳水動作指導提供參考。然而，當今對于跳水動作的研究非常少，針對其開展有效的分析顯得尤為重要。

2.1、跳水動作制勝因素

事物具有不斷發展的特性，跳水運動也是如此。隨著不斷發展，跳水秉承著更快、更強的口號，朝向穩定的方向邁進。歷屆的跳水比賽中，跳臺跳水都是含金量最高的比賽項目，在跳水項目中占據重要的地位。跳臺跳水的動作對于運動員的要求非常高，需要在空中完成動作，還要表演出漂亮的入水效果。對于動作完成度來說，熟練掌握是一方面，需要運動員在訓練過程中自己與跳臺、動作進行磨合，經歷多種比賽進行有效的打磨，對于心理上也是一種磨練。需要肢體和心理同時具備嚴格的訓練，才能在比賽中脫穎而出。體育總局對國內跳水項目的動作方案做了深入研究，在對動作編排的時候，采用了波浪形等方式的編排動作。通過對動作難度的安排對動作有了更新的認識，認為跳臺跳水時需要依據運動員自身的身體因素與動作技巧進行結合，以科學的方式完成高難度動作。綜合結論表述了跳水時的動作與動作質量具有反比的關系，動作難度越大，形成的動作質量反而越低。想要提升動作質量需要綜合心理、身體等多方面的素質記性不斷配合與調整，才能在實際跳水動作中發揮出更好的表現。

2.2、跳水助跑

在跳臺跳水環節中，對于助跑有明確規定。通常組別中的一、三組被允許使用助跑，在國際賽事中只有第一組可以助跑。通常第一組的跳水難度系數非常高，在整套動作中具有重要作用。助跑動作也是需要探究的重要環節，助跑時會借助跑步和騰起的速度，增加起跳的角動量，為騰空創造出更適宜的姿態。

相關學者對跳水助跑動作進行研究，通過生物力學的對比，可以發現下擺臂式可以在運動員起跳的過程中為其增加更大的轉動動量，使身體在騰空的瞬間可以產生更大的沖量矩。另外，在對助跑進行研究的過程中，發現腳掌在助跑過程中也為動作提供了助力。助跑階段腳掌起跳，可以借助小腿將重心提高，保持利落的動作；助跑期間，有助于上下肢進行配合，幫助運動員提升起跳的動量矩；因為跳水運動無法避免水體對比賽帶來的影響，在起跳時，全腳掌助跑起跳，可以有效避免水體造成的跳臺濕滑現象。對于助跑的技術總結，可以發現助跑時運動員在最后三步進行助跑會產生明顯的騰空動作，在助跑的過程中，支撐時間會隨著助跑逐漸縮短，與跳板相比時間較短，在最后一步產生的騰空時間是最長的。

2.3、跳水起跳

起跳是跳臺跳水過程中的關鍵性因素，起跳高度對于后續比賽起著決定性作用。同時起跳又是跳水動作中的瓶頸環節，因為，跳臺跳水不像跳板，無法借助到跳板的彈力，需要運動員自身有著較好的起跳基礎。起跳的動作、位置不合理都會對后續入水效果產生直接影響。起跳的動作質量是比賽中制勝的關鍵，在日常訓練中應該將其當作重點。在起跳的時候創造出騰空的初速度，利用騰起的速度為運動員提供起跳角動量。跳臺跳水與跳板有著很大的區別，跳臺更多的是依靠運動員自身克服重力獲得騰空高度，與依靠跳板彈力的跳板項目存在較大的區別。

2.4、壓水花技術

在跳水比賽中，入水壓花是最吸引觀眾和裁判目光的動作，同時壓水花的效果好還能獲得較高的分數。壓水花對動作的要求非常高，需要起跳高度、騰空動作一個不差，一直保持到入水，這其中出了一點差錯都會導致壓水花的效果大打折扣。在實際比賽中，可以將水花壓住的運動員有很大的機會摘得桂冠。國內教練在對運動員的實際訓練過程中探尋出一些有效經驗，但是未能經過實踐使得理論說明不夠充分，無法形成系統的經驗。在國際力學研究領域，壓水花也是研究的一項重點，需要通過計算機對流固耦合問題進行模擬實驗，通過有限元分析固體與流體沖撞并得出結論。在壓水花的時候，運動員身體要入水越深越好，在進入水中的時候身體保持緊繃的狀態，肩角盡可能小。手臂力量是關鍵，同時保證運動員的身體核心要素，通常運動員的身形越小，壓水花產生的水花也就越小，反之則會濺起水花。入水速度也是關鍵要素，速度越快水花越高。對此，運動員應該盡可能采用深蹲式，在起跳過程中能夠獲得較大的蹬伸力量。又有學者認為蹬伸導致腿部用力過大，不符合跳水的美感，認為具體的跳水姿態要根據運動員自身的實際條件確定。

3、跳臺跳水的運動學建模分析

通過上述的分析可以的得知，在跳臺跳水的比賽中，運動員起跳動作涉及到角速度、騰空轉體動作等要素，現在基于跳水動作建立運動學模型，對實際涉及到的參數進行分析。

3.1、運動學基本原理

運動員在跳臺跳水的過程中，人體做出平拋運動。運動員需要在起跳騰空的瞬間到入水期間的一瞬間完成轉體等一系列的跳水動作，大量的動作都需要在不到兩秒的時間內完成，對于運動員的身體素質有著相當高的要求。運動員在身體離開跳臺的過程中，人體質心受到重力的作用，但是重力對于質心無法產生外力矩，與角動量守恒定理相符合。這樣即便運動員在空中做出任何動作，這期間動作都不會產生外力矩，整體的角動量保持不變。對此，可以根據角動量守恒定理構建跳臺跳水的模型，對跳水的運動學參數進行分析，對運動員跳水動作產生的影響進行推導。

3.2、跳水動作的角速度模型

綜合了運動員實際跳水過程中涉及到的動作，將其中的翻騰與轉體判定為難度系數較高的因素，對這兩種動作開展分析。如圖1的坐標所示，可以看到人體的慣性坐標是如何構建的。其中坐標G結尾屬于人體慣性坐標，而L結尾屬于局部坐標，圖中的（G）為人體質心。在選擇垂直方向的坐標ZG，左右方向坐標XG，以固定的質心坐標點開始移動，同時保證坐標軸方向不變。

圖1 人體慣性坐標系

局部坐標系的圓點位于L位置，是基于人體頭頂方向，左右坐標與慣性坐標一致。翻騰與轉體動作分別以XL與ZL軸進行。根據運動員產生的運動，設立轉動角度，通過兩個坐標軸對實際角動量進行計算，可以得出坐標點不變（運動員身體不變）的情況下，角動量是不變的；如果空間方向大小存在變化，角動量存在變化。

3.3、跳水動作轉動慣量模型

運動員在跳水時會涉及到多種動作技巧，根據圖2所示。對人體的不懂姿態和軀干進行分析。其中m為人體的總質量，C0為人體質心，其余m參數為身體的各部分質量；c參數為各部分質心。

圖2 人體模型

通過對國內某地區的成年人體尺寸進行綜合統計分析，獲得相關的數據，對以下的跳水動作進行分析。

屈體動作需要運動員的手臂與身體平行，保持緊繃的狀態，在出現騰空翻轉時，產生的坐標軸才會變化，其轉動慣量為；而轉體動作則是全身軀干都保持在同一直線上，在騰空翻轉時，轉體產生明顯的變化，因此會涉及到Ix、Iy、Iz三項系數，經過計算機編程后獲得結果為

通過對不同的動作進行計算可以知曉mE2在轉動慣量中一直存在，對于體型進行定義，將其定義為Bp，對其進行計算，可以知曉實際運動過程中，轉體和翻騰屬于復雜性動作，無法直接獲得參數數據，需要通過模擬計算進行分析，對轉體動作后的動作進行推斷，計算出轉動慣量，確定動作的合理角度，為運動員跳水動作設計提供依據。

圖3 屈體與轉體動作坐標

4、結論

綜上所述，依據對跳臺跳水的動作要素分析，建立了跳水運動學模型，對跳水運動員涉及到的動作進行分析。對運動員體型、動作等產生的影響和關系等進行推導和計算。獲得跳水動作的相關規律，通過模型對運動學進行推導，為跳水動作設計方案提供有效的參考數據。并且該模型不僅限于跳水領域，對于其他領域騰空表演運動學也具有意義，可以幫助提升運動員的表演能力，最大程度進行動作優化。