精英舉重運動員級別調整的關鍵技術特征變化研究：以石智勇69/73 kg級抓舉為例

但林飛，李建設，石智勇，閆家祥，顧耀東

舉重是奧運會最古老的項目之一，1896年首屆奧運會就被列為正式比賽項目，也是我國的傳統優勢項目。在中國舉重隊成績的背后，得益于“訓練-科研-保障”一體化的專項科學競訓監控（陳小平， 2018）。20世紀80年代，我國學者就開始采用高速攝影、三維測力及同步技術等生物力學手段對舉重技術特征進行了探究（李岳生等， 1981； 王云德 等， 1984）。其中，因運動學參數采用非接觸式測量方法，可以在比賽場景下采集數據，因而被廣泛應用于動作技術診斷。關于抓舉，我國學者總結出“近”“快”“低”“準”的技術原則，“近”指杠鈴重心上升過程中須靠近人體重心；“快”指依靠伸膝伸髖發力提升杠鈴上升速度；“低”指積極主動身體下蹲盡量降低杠鈴回落距離；“準”指發力部位和節奏準確，提鈴以伸膝為主，發力以伸髖為主（劉北湘 等， 2008；秦硒， 1998）。抓舉不僅是絕對力量的反映，更取決于神經-肌肉-骨骼整合系統對動作完成的控制，因此可引入連續相對相角（continuous relative phase，CRP）作為評價神經肌肉對動作控制的運動學依據（林輝杰 等， 2012； Davis et al.， 2019； Romanazzi et al.， 2015）。

國際舉聯對2024年巴黎奧運會舉重項目的級別進行了重新界定，將原14個級別縮減至10個級別，這就意味著有些運動員將不得不進行體質量級別的調整，而體質量級別調整對精英運動員是巨大的挑戰，體質量增大需要運動員追求更大的杠鈴重量，體質量降低必然導致運動員肌肉量的流失和絕對力量的下降，兩者都可能導致舉重技術的變化。石智勇（以下簡稱“石”）是2016年里約奧運會和2020年東京奧運會2屆奧運會冠軍，其體質量由69 kg級增大至73 kg級，在不同體質量級別上蟬聯奧運冠軍，是我國乃至世界舉壇不可多得的成功案例。對石體質量級別上調前后的抓舉技術進行生物力學分析診斷，既可為其個人鞏固在新級別的技術優勢提供科技支撐，又可為其他優秀運動員上調級別提供技術參考。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

以石2個體質量級別的抓舉技術動作為研究對象，2016—2020年分別以69 kg級和73 kg級參賽的信息如表1所示。

表1 石智勇2016—2020年參賽信息Table 1 Participation Information of SHI Zhiyong from 2016 to 2020

1.2 研究方法

1.2.1 定點定焦攝像法

在2016—2020年中國舉重隊重大比賽現場，采用2臺攝像機（SONY，日本）分別固定于舉重臺前方的左右兩側約45°方向上，2臺攝像機距離舉重臺中心約15 m，在水平面上通過舉重臺中心主光軸之間的夾角約90°，拍攝頻率為25幀/s，同步采集完整的抓舉技術動作。拍攝前，預先采用PEAK三維標定框架對比賽場地進行三維空間坐標標定，標定后的拍攝過程中保持攝像機位置和焦距等拍攝條件不變（圖1）。

圖1 攝像機現場設置示意圖Figure 1. Schematic Diagram of Camera Site Setup

1.2.2 三維錄像解析法

采 用SIMI-Motion7.50（SIMI Reality Motion Systems GmbH，德國）三維運動解析系統對視頻進行處理，解析的采樣頻率為50 Hz，運用截斷頻率為6 Hz的低通濾波對原始數據進行平滑處理，使用DLT計算空間坐標（圖2）。三維坐標系X軸為前后方向，Y軸為左右方向，Z軸為垂直方向。確立17個關鍵環節標定點包括頭、左右肩、左右肘、左右腕、左右髖、左右膝、左右踝、左右腳尖和杠鈴左右端點建立人體模型。

圖2 三維運動分析直角坐標系示意圖Figure 2. Schematic Diagram of the Cartesian Coordinate System for 3D Motion Analysis

1.2.3 下肢協調性

采用MATLAB軟件（Mathworks，美國）分別對石69 kg、73 kg級數據進行處理，將解析所得運動學參數進行線性插值至時相100%。將下肢關節角度、角速度依據最大值、最小值標準化至＋1～-1［公式（1）、（2）］。

將標準化后的關節角度、角速度帶入公式（3）計算相角值。

同時，利用近端關節值減去遠端關節值得出CRP［公式（4）］。

為定量評價抓舉過程中關節間協調性，引入相對相位角均值（MARP）［公式（5）］。

引入抓舉各個階段內的相對相位角變異系數（DP），對各個關鍵環節內下肢關節間動作的穩定性進行量化［公式（6）］。

式中，θ代表關節角度，ω代表關節角速度，i代表抓舉過程中某一時間點，選取抓舉過程中P為時間點個數。

1.2.4 統計方法

使用SPSS 24.0進行統計分析，MARP和DP用平均值和標準差表示（M±SD）。采用獨立樣本t檢驗對2個級別MARP、DP進行檢驗，統計學顯著水平設置為α＜0.05。

2 抓舉階段劃分

劃分動作結構是抓舉技術診斷的首要工作環節（金季春 等， 2020），根據抓舉過程中的杠鈴運動學參數和下肢關節角度變化，國內外學者多將完整的抓舉動作劃分為4～6個連續的動作階段（劉功聚 等， 2019； 王雷等， 2011； 朱厚偉 等， 2017； Nagao et al.， 2019）。為便于分析抓舉過程中的力學原理，結合石個人技術特點，本研究將抓舉動作劃分為6個階段（圖3）：M1伸膝提鈴階段（圖3a→b）、M2引膝提鈴階段（圖3b→c）、M3伸髖發力階段（圖3c→d）、M4慣性上升階段（圖3d→e）、M5制動接鈴階段（圖3e→f）和M6接鈴完成階段（圖3f→g）。

圖3 抓舉動作各階段劃分時刻特征畫面Figure 3. Characteristic Screen of Each Stage of The Snatch Action

3 結果與分析

3.1 準備姿勢參數分析

準備姿勢的合理與否將直接影響發力的效率，合理的準備姿勢是成功抓舉的前提（但林飛 等， 2019）。本研究采用相對握距及相對站距計算方法（相對握距=握距÷臂展長度×100%，相對站距=站距÷下肢長度×100%），算得石69 kg級時的相對握距為60.24%、相對站距為56.70%，73 kg級時的相對握距為61.32%、相對站距為73.80%。相較于原級別，73 kg級時石的相對握距增寬1.08%（表2）。握距增寬有利于降低提鈴所需送達的最終高度，且寬握距便于下蹲時重心的降低，但增寬的握距將對運動員固肘肌群的力量提出更高要求。相較于握距，73 kg級時石的相對站距變化更為明顯，相對站距增寬17.10%。站距的增加將降低直立撐鈴的最終杠鈴高度，減小直立撐鈴階段的做功，且雙足構成的支撐面更大，但過寬的站距可能會增加膝關節損傷的風險（吳紫瑩 等， 2021）。

表2 石智勇69 kg級和73 kg級準備姿勢參數表Table 2 SHI Zhiyong 69 kg and 73 kg Weight Class Prepare Posture Parameters

在抓舉準備姿勢控制中，雙手鎖握目的是增加握杠的牢固性（Musser et al.， 2014），抬頭挺胸是為了調動腰背大肌群參與提鈴發力（吳紫瑩 等， 2021）。73 kg級時石的軀干前傾角度較69 kg級增加4.38°，軀干前傾的目的一是為了減小提鈴的“兩心”距離，縮短提鈴過程中的阻力臂；二是為了增加伸髖肌群、軀干伸肌的提鈴發力參與度（王向東 等， 2009）。下肢關節角度的姿態控制是技術分析的重點，一般稱為準備姿勢的臀位。臀位的高低由運動員的伸膝、伸髖肌群力量和身體形態差異所決定，膝關節角度＞90°即為高臀位，膝關節角度＜90°即為低臀位（李建英 等， 2010）。石在2個級別均采用低臀位的身體姿位，73 kg級時的下肢關節角度更小（表2）。從人體力學角度來看，較小的下肢關節角度可充分拉長伸膝肌群肌肉初長度，對伸膝肌群參與提鈴發力更加有利（劉功聚等， 2019）。

3.2 杠鈴運動學參數分析

M1階段是用時最長的階段，石在2個級別的M1階段用時均超過整個杠鈴上升過程總用時的50%。較69 kg級，73 kg級時石的杠鈴垂直速度增大0.14 m/s，杠鈴垂直加速度峰值增大0.64 m/s2（表3）。提示，73 kg級別時石的M1階段可能存在發力過度的問題，但這需要結合下肢蹬伸發力效果進一步深入討論。有研究認為，優秀運動員提鈴發力過程大致存在2種杠鈴運動學參數變化模型，杠鈴垂直速度在M1～M3階段內持續上升更符合能量經濟性（朱厚偉 等， 2019）。相較于69 kg級別，73 kg級時石的杠鈴垂直速度在M2階段增加了1.7 m/s，符合杠鈴垂直速度變化模型中更優異的運動表現。根據瞬時功率計算公式可得，石69 kg級時的峰值功率為4 023.22 W，73 kg級時的峰值功率為4 190.05 W，更大的峰值功率說明發力效果提升明顯（王雷 等， 2011）。雖然69 kg級時石的杠鈴加速度峰值要比73 kg級時大，但在引膝階段存在明顯加速度負值（圖4）。M2階段中，73 kg級時石的杠鈴所獲發力初速度遠大于69 kg級，這可能是影響M3階段杠鈴峰值速度的重要原因。

圖4 石智勇69 kg級和73 kg級杠鈴運動學參數“時變圖”Figure 4. SHI Zhiyong 69 kg and 73 kg Weight Class Barbell Kinematics Parameters “Time-Varying Diagram”

表3 石智勇69 kg級和73 kg級杠鈴運動學參數表Table 3 SHI Zhiyong 69 kg and 73 kg Weight Class Barbell Kinematic Parameters

在M4階段中，73 kg級時石的相對慣性上升用時較69 kg級時增加4%，杠鈴推進距離增加5.70 cm，提示，73 kg級時石的甩臂翻腕對杠鈴發力初速度利用更好。相對杠鈴垂直高度峰值（相對杠鈴垂直高度峰值=杠鈴垂直高度峰值÷身高×100%）是影響抓舉成功率的重要因素（劉功聚 等， 2019） ，石級別上調前后相對杠鈴垂直高度峰值分別為72.66%和75.66%，均達70%以上。在極限抓舉重量下，運動員身高（x）與杠鈴垂直高度峰值（y）間存在線性關系：y=0.920x-0.295，由此可知，石在極限抓舉重量下杠鈴垂直高度峰值應為124 cm（朱厚偉 等， 2017）。根據所測數據，73 kg級別時的杠鈴垂直高度峰值要高于該極限值，由此預測石的抓舉成績仍存在提升空間。接鈴指標是影響抓舉成敗的重要因素，優秀運動員接鈴用時和杠鈴回落距離均小于普通運動員（劉北湘 等， 2008）。在接鈴過程（M5～M6）中，69 kg級時石的杠鈴垂直回落距離為16.70 cm、接鈴用時為0.52 s，73 kg級時的杠鈴垂直回落距離為14.30 cm、接鈴用時為0.44 s，級別上調后石的接鈴用時和杠鈴回落距離均有所縮短（表3）。其中，73 kg級時石的制動接鈴階段用時縮短0.06 s，由此說明石級別上調后的接鈴過程更加積極。M5階段中，69 kg級時石的杠鈴速度回落峰值為-0.79 m/s，73 kg級時為-0.61 m/s。有研究認為，杠鈴回落速度越大，向下的沖量也將增大，這是導致接鈴失敗的重要成因（羅新功 等， 1997）。73 kg級時石的制動時間更短，杠鈴回落速度峰值也更小，提示，石在下蹲接鈴時的技術質量有明顯提升。

3.3 下肢關節運動學參數分析

伸髖伸膝大肌群是2次發力過程中的“動力源”，在提鈴發力階段兩大肌群又起著不同主導作用（但林飛 等，2021）。M1階段中，69 kg級時石的髖膝踝角速度分別為156.25 （°）/s、250.75（°）/s、74.83（°）/s，73 kg級 分 別 為168.42 （°）/s、241.71 （°）/s、90.96 （°）/s，膝關節角速度快于髖踝關節角速度（表4）。該階段中，膝關節是距離杠鈴重心最近的關節，如果髖關節過早參與提鈴發力，可能會影響腰背部大肌群參與引膝發力，也被認為是導致抓舉失敗的重要原因（Nagao et al.， 2019）。在M2階段中，69 kg級時石的膝關節回屈角度為11.23°，73 kg級為3.56°（表4）。73 kg級時石的引膝回屈角度比原級別小7.67°，原級別大幅度的引膝可能是造成杠鈴上升過程中出現加速度負值的原因，在級別上調后的引膝技術明顯改進。在M3階段中，下肢蹬伸肌群應爆發出最大力量使杠鈴上升速度到達峰值，下肢發力應以伸髖肌群發力為主，伸膝肌群發力為輔（但林飛 等，2021）。該階段中，69 kg級時石的髖、膝、踝關節角速度峰值分別為409.16 （°）/s、459 （°）/s、323.73 （°）/s，73 kg級分別為413.80 （°）/s、504.62 （°）/s、374.18 （°）/s（表4）。2個級別石的伸膝角速度均快于伸髖角速度（圖5），提示石的伸膝肌群參與下肢發力更多，建議關注其伸髖肌群力量。

圖5 石智勇69 kg級和73 kg級下肢關節角度參數“時變圖”Figure 5. SHI Zhiyong 69 kg and 73 kg Weight Class Lower Extremity Joint Angle Parameters “Time-Varying Diagram”

表4 石智勇69 kg級和73 kg級下肢關節運動學參數Table 4 SHI Zhiyong 69 kg and 73 kg Weight Class Kinematic Parameters of Lower Extremity Joints

在M4階段中，運動員身體重心迅速下降以完成接鈴準備，優秀運動員的身體重心下降加速度要大于重力加速度，即通過主動屈髖屈膝下蹲形成身體失重狀態（王向東等， 2009）。該階段中，69 kg級時石的髖、膝、踝關節角速度谷值分別為-588.25 （°）/s、-630.71 （°）/s、-380.71 （°）/s，73 kg級分別為-588.38 （°）/s、-679.04 （°）/s、-462.23 （°）/s（表4）。在2個級別中，膝關節回屈角速度最快，而踝關節回屈角速度最慢，說明主要由屈膝深蹲來降低身體重心。相較于69 kg級，73 kg級時石的膝踝關節回屈角速度更快，說明級別上調后屈膝深蹲更加迅速有力，伸膝肌群的抗離心收縮能力可能更強（圖5）。接鈴完成階段，69 kg級時石的髖、膝、踝關節角度分別為37.28°、34.02°、84.21°，73 kg級分別為42.68°、35.31°、74.46°（表4）。2個級別均呈現出“屈髖屈膝”接鈴，這是由運動員身體形態和技術特點所決定的（吳紫瑩 等， 2021）。

3.4 抓舉的穩定性參數

Rossi等（2007）研究了優秀運動員抓舉過程中的杠鈴重心運動軌跡，得出3種杠鈴重心在矢狀面的運動軌跡（圖6）。在理想狀態下，最優的運動軌跡應該是垂直于杠鈴中線做直上直下運動。但人體并不是簡單的機械杠桿系統，而是由骨骼、肌肉、韌帶所組成的受高級神經活動控制的復雜運動系統。結合人體力學規律，最優的杠鈴重心運動軌跡應呈現出“S”型（Mastalerz et al.， 2019； Nagao et al.， 2020）。有學者建立了抓舉過程中的人體多剛體模型，通過對3種抓舉模型的能量消耗計算，結果顯示，圖6b中的軌跡C可能是最為經濟的杠鈴運動軌跡（Lyons et al.， 2017； Musser et al.， 2014）。石在2個級別時的杠鈴重心上升軌跡與軌跡C較為接近，符合優異的杠鈴重心運動軌跡模型。但需注意的是，級別上調后石的提鈴過程存在較為明顯的杠鈴重心前移，隨后再通過引膝動作調整杠鈴與身體位置（圖7）。有研究認為，第一次發力過程中杠鈴重心前移會增加提鈴的機械功，不利于抓舉的經濟性（Nagao et al.， 2020）。

圖6 杠鈴重心在矢狀面的運動軌跡Figure 6. Movement Trajectory of the Barbell Center of Mass in the Sagittal Plane

圖7 石智勇69 kg級和73 kg級抓舉穩定性參數“時變圖”Figure 7. SHI Zhiyong 69 kg and 73 kg Weight Class Snatch Stability Parameters “Time-Varying Diagram”

在“兩心”距離移動范圍中，69 kg級時石的移動范圍為22.20 cm，73 kg級為23.10 cm（表5）。有研究表明，優秀運動員抓舉過程中的最大“兩心”距離一般不超過20 cm（劉平 等， 2005； Liu et al.， 2018），而石在2個級別中的“兩心”距離均＞20 cm，說明存在“兩心”距離過大的問題，造成這一結果可能與翻腕提肘技術有關，建議石可以進行小公斤多次數的高抓、直立抓、懸垂抓等專項輔助動作的糾錯練習。杠鈴重心橫向偏移是指杠鈴重心在人體冠狀軸上的偏移，代表左右方向上的平衡。69 kg級時石的偏移范圍為3.70 cm，73 kg級為3.80 cm，2個級別的偏移范圍均＜4 cm（表5）。69 kg級時石M5～M6階段軀干角位移為7.72 °，73 kg級為14.97°（表5），石級別上調后軀干前傾度增加說明接鈴動作完成度高，腰背肌群參與支撐作用更大，有利于提升接鈴過程的穩定性（劉平 等， 2005；Lyons et al.， 2017）。原級別中軀干前傾度不夠使背部肌群支撐不穩，可能是導致杠鈴重心偏向身體重心后的重要原因。針對接鈴過程軀干前傾度不足的問題，建議加強腰背部大肌群力量，進行次最大重量的抓支撐輔助練習。

表5 石智勇69 kg級和73 kg級抓舉的穩定性參數Table 5 SHI Zhiyong 69 kg and 73 kg Weight Class Stability Parameter of Snatch

3.5 抓舉的協調性參數

發力指標是分析評價抓舉技術優劣的重要依據（劉北湘 等， 2008），而發力效果取決于下肢主動肌、拮抗肌和協同肌的相互配合。CRP作為評價神經肌肉對動作控制的運動學依據，同相與反相的關節間協調特征被認為是一種相對穩定的動作控制策略，CRP越小表明動作控制穩定性越好（Davis et al.， 2019）。對比2個級別的抓舉過程，石的髖-膝、膝-踝關節間MARP均不存在顯著差異，說明級別上調后的下肢關節間協調性無明顯變化（表6）。有研究表明，髖-膝關節間MARP＜30°，而膝-踝關節間MARP＞30°，髖-膝關節間MARP越小則耦合性越強，發力協調特征越穩定（Davis et al.， 2019）。DP越大說明關節間的協調性特征更加多變，下肢發力時的動作穩定性越差（Romer et al.， 2019）。在73 kg級時石抓舉過程中的髖-膝、膝-踝關節間DP均減小（表6），神經肌肉的控制穩定性更強（Khuyagbaatar et al.， 2017）。由此可以認為，石在級別上調后，抓舉技術較原級別更加固定，技術動作穩定性明顯提升。

表6 石智勇69 kg級和73 kg級下肢關節相對相位角均值及變異系數Table 6 SHI Zhiyong 69 kg and 73 kg Weight Class MARP and DP of Lower Extremity Joints

抓舉的2次發力過程中，不同階段的下肢三大關節參與度也存在差異。下肢關節間CRP參數中，CRP為正值時代表近端關節引導遠端關節，CRP為負值時代表遠端關節引導近端關節（Park et al.， 2021）。在M1階段中，69 kg級時石的髖-膝關節間CRP更大，而73 kg級時的膝-踝關節間CRP更大，說明級別上調后石的伸膝關節占主導優勢（圖8）。這反映出石在2個級別時采用了不同的提鈴發力策略，級別上調后的伸膝肌群參與提鈴發力更多，提示石的提鈴技術進行了明顯的改進。M3階段中，石在級別上調后的髖-膝、膝-踝間CRP均大于原級別（圖8），說明髖關節逐漸起主導作用，伸髖肌群參與發力階段更多。本研究結果與此前研究結論一致，提鈴階段以伸膝肌群發力為主，發力階段以伸髖發力為主（但林飛等， 2021）。

圖8 石智勇69 kg級和73 kg級同側下肢關節相對相位角“時變圖”Figure 8. SHI Zhiyong 69 kg and 73 kg Weight Class CRP of Ipsilateral Lower Extremity Joints “Time-Varying Diagram”

4 結論與建議

4.1 結論

1）石在級別上調后，相對站距增寬，引膝過程的膝關節回屈幅度更小，下肢發力肌肉控制穩定性更強，抓舉動作技術質量明顯提升。

2）石在2個級別中，杠鈴重心橫向偏移參數均控制的比較理想，但“兩心”距離移動范圍均過大。

3）根據石杠鈴最大垂直高度預測極限抓舉重量，表明上調級別后的成績仍有進一步提升的空間。

4.2 建議

1）石在2個級別中均出現“兩心”距離過大和接鈴不穩問題，建議加強其腰背部大肌群力量訓練，進行高抓、直立抓、懸垂抓、抓支撐等專項輔助練習。

2）本研究僅對石級別上調前后的抓舉技術變化進行了研究，但級別調整導致技術變化的生物力學機理，有待繼續探究。