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能量视域下世界高水平女子撑杆跳高技术特征研究

    更新时间:2018-04-13 13:56:54 

梁美富 许占鸣 郭文霞

摘 要:為进一步推动中国女子撑杆跳高项目快速发展,运用视频拍摄、影像解析等方法,对2015年世界田径锦标赛女子撑杆跳高项目前12名运动员撑杆跳高技术进行剖析,以能量传递为视角,揭示当今世界高水平女子撑杆跳高运动员技术特征,并对比分析李玲与其他选手技术动作的差异性,为李玲技术动作优化提供建议。认为:1)在能量获得阶段,运动员步频随撑杆倾角逐渐降低而加快,利用撑杆前翻拉力提高和保持动能;蹬伸时间先于撑杆制动时间,以较小腾起角和预先起跳来减少动能损失;体现“追杆”式助跑和“自由”式起跳的技术特征。2)在能量储存阶段,大幅度悬垂动作和快速的直腿摆动是储存能量的关键环节;较小的悬垂夹角及肩-髋-踝三关节有序的加速与制动,体现出“鞭打”式摆体的技术特征。3)能量释放阶段,团身、伸展和推杆动作时序紧密衔接和减少推杆时间是充分利用撑杆弹性势能的关键,较大的团身角和较小的伸展偏离角是人体获得最大重力势能的必要力学条件。4)李玲存在助跑速度较慢、起跳时间略晚、摆体力量不足、摆体速度和幅度较小、推杆时间较长及伸展偏离角较大等问题。针对李玲存在的问题,提出可行性建议。

关键词:能量;撑杆跳高;技术特征;女子;李玲

中图分类号:G 862 学科代码:040303 文献标识码:A

Abstract:In order to promote the rapid development of Chinese female pole vault, using video capture, image analytic and mathematical statistics, etc., this paper analyzes the technical characters of top 12 outstanding female pole-vaulters at the 15th IAAF World Championships, and reveals the technical characteristics of modern world elite female pole-vaulters from the perspective of the energy transfer characteristics. This paper also analyzes the difference between LI Ling and other contestants and puts forward suggestions for LI Ling. Conclusions: 1) In the energy gain stage, the female pole-vaulters' step frequency gradually increases with the pole angle decreasing, making full use of the pull of the pole to increase and maintain the kinetic energy; the pole-vaulters' stretch time is ahead of the rod braking time, taking smaller take-off angle and pre-jump measures to reduce kinetic energy loss; the pole-vaulters reflect "chasing pole" run-up and "free" jump technical characteristic. 2) In the energy storage stage, big hanging and straight leg swinging are the main technical characteristics of modern female pole-vaulters energy storage, smaller suspense angles and shoulder-hip-ankle orderly accelerating and braking show "whip" type body swing technical characteristics. 3) In the energy release stage, the movement of the massing, stretching and pushing closely connected and reducing the time of the push pole are the key to fully utilizing the elastic potential energy of the pole, the larger body angle and the smaller extended deviation angle are the necessary mechanical conditions for obtaining maximum gravitational potential energy. 4) There are some problems with LI Ling's technical characteristics: the speed of the run-up is slower; the take-off time is a little later; the pendulum of trunk is insufficient; the pendulum velocity and amplitude are smaller; the time of the push pole is longer; and the extended deviation angle is larger. This paper also puts forward some suggestions for LI Ling.

Keywords:energy; pole vault; technical characteristics; female; LI Ling

现代撑杆跳高技术的主要特点是通过持杆助跑获得动能,通过插杆起跳和摆体动作将动能转移到撑杆上,撑杆被迫弯曲产生弹性势能,而后人体将撑杆弹性势能再次转化为人体重力势能,腾跃尽可能高的横杆。撑杆跳高运动的典型特点就是动能、重力势能和弹性势能之间的能量转换[1]。相关研究证明撑杆与运动员之间的能量转换对运动成绩有重要影响[2-4],依照人与杆之间的能量相互作用进行划分[5-7],能增加对撑杆跳高项目理解的深度[8];然而大部分学者和教练员对“人—杆”系统内部的能量传递仍持割裂的观点,这会限制其对现代撑杆跳高技术的理解和掌握。鉴于此,本研究根据“人—杆”系统中能量的分布与变化规律,将撑杆跳高完整的动作过程划分为能量获得阶段、能量储存阶段和能量释放阶段,以能量传递为主线,对撑杆跳高运动员跳高技术进行运动学分析,揭示当今世界女子撑杆跳高运动员的跳高技术特征,以期对我国高水平女子撑杆跳高项目训练有所裨益。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

以2015年世界田径锦标赛进入决赛的12名女子撑杆跳高运动员技术特征为研究对象。运动员基本情况见表1。

1.2 研究方法

1.2.1 文献资料法

通过中国知网(CNKI)对中文文献进行检索,以“撑杆跳高”为关键词,检索时间为1997年1月1日至2017年6月22日,共检索到中文类核心期刊论文150篇,选取与本研究高度相关的29篇文献进行研读;通过PubMed和EBSCO对相关外文文献进行检索,分别以“pole vault”“pole vaulting”和“pole vaulter”为关键词,检索时间为建库至2017年6月22日,共检索到英文类期刊论文58篇,选取与本研究高度相关的33篇文献进行研读。

1.2.2 视频拍摄法

1)拍摄时间:2015年8月22—30日。

2)拍摄地点:国家体育场。

3)拍摄器材:5台JVC摄像机,型号为GC-PX100,拍摄频率为50 Hz,曝光时间为(1/400) s。

4)机位放置:1~3号摄像机位于前进方向的左侧,主光轴垂直于运动平面。1号摄像机的拍摄范围为起跳前6步至起跳完成;2号摄像机的拍摄范围为起跳前2步至身体过杆前;3号摄像机的拍摄范围为起跳离地后至完成过杆动作;4号摄像机在跑道正对面,定点拍摄运动员从撑杆触穴到过杆的过程,并记录撑杆的弯曲及转动的变化情况;5号机在看台上,记录运动员的全程助跑过程。现场拍摄如图1所示。

5)比例尺标定:侧面3台摄像机共有5个比例尺标定位置。将横杆垂直于地面,在0 m(穴斗底端)、3 m、5 m、7.5 m、10 m分别放置比例尺。利用横杆固定长度(4.5 m)和横杆上固有的标志点作为纵坐标尺。正面4号摄像机将通过水平放置的横杆作为参考体。

1.2.3 影像解析法

采用视讯录像解析系统对拍摄视频进行裁剪和逐幅解析,选用扎齐奥尔斯基人体模型,共选取19个关节点位,采用DLT法将摄像机所得图像各关节点的数据进行合成,最后生成空间坐标。解析频率为50 Hz,对所得数据采用数字滤波法进行平滑处理,截断频率为10 Hz。

1.2.4 统计学方法

1)研究指标的界定,见表2。

2)数据分析。

数据处理运用SPSS 22.0软件对解析后所得出的原始数据进行描述性统计分析和Pearson相关分析。

2 研究结果与分析

2.1 能量获得阶段运动学分析

能量获得阶段是指从持杆助跑开始到插穴起跳离地为止。能量获得主要是通过持杆助跑获得动能,包括持杆助跑和插穴起跳2个技术环节。

2.1.1 全程助跑步数、步频与撑杆倾角变化特征分析

持杆助跑主要是为了在助跑最后一步脚触及地面瞬间产生较高的水平速度,获得较大的动能,并为运动员插穴起跳做准备[9]。运动员助跑速度由步长和步频决定,相关研究[10-11]认为,步速随着步频和步长的增加而增加,但并非是线性关系,在次最大速度时,步长的贡献率相对较大。在超高速度(108.4%)时,步频贡献率为6.9%,步长贡献率为1.5%[12]。

由表3可知,持杆助跑第1阶段和第2阶段运动员步速增长以增加步长为主,为(178±16.0)步/min和(228±14.9)步/min,第3阶段为了达到最高助跑速度,步速增长以增加步频为主,为(259±20.1)步/min,女子选手全程步频呈现出由慢到快的特征。

由图2可知,运动员全程助跑步数有14步、16步、18步3种,平均助跑步数为16步,平均降杆幅度为79 °。经Pearson相关分析得知:全程助跑步数与降杆幅度显著正相关(r=0.72,P<0.01),说明世界高水平女子撑杆跳高运动员的助跑步数越多,降杆幅度就越大。由于全程助跑的降杆幅度更多地取决于运动员一开始的持杆角度,对于大多数运动员来说,助跑步数越多,开始持杆的角度也就相对较大,降杆幅度也相对较大。助跑开始持杆的角度越大,撑杆的阻力臂越小,撑杆对双臂的负荷就越小,更有利于手臂力量较弱的运动员轻松助跑加速。李玲助跑步数为14步,降杆幅度为64 °,具有较强的加速能力及对撑杆的控制能力。

2.1.2 倒4步步长、步速与撑杆倾角变化特征分析

助跑阶段倒4步是持杆助跑技术向插穴起跳技术转换的关键环节,要求运动员在最高可控助跑速度的前提下,完成精准的插杆动作。有关青年、成年女子和成年男子撑杆跳高运动员的研究[13-16]均证明,持桿助跑阶段水平速度与运动员的最终成绩呈现正相关,相关系数r在0.51~0.82。

由图3可知,运动员倒4步降杆幅度平均值为43 °,倒4步降杆幅度占全程降竿百分比平均值的54.76%,说明运动员的降杆动作主要是在倒4步助跑过程中完成的。随着降杆幅度的不断增加,降杆过程中产生的前翻拉力也逐渐增大,运动员助跑速度稳定增大能形成稳定的起跳距离,稳定的起跳距离是成功试跳的重要条件[17],协调好全程助跑过程中步长、步频和降杆幅度之间的关系是提高运动员助跑速度的关键。李玲倒4步降杆幅度与国外运动员相差不大,而倒4步占全程降竿百分比(65.72%)高于国外运动员的平均值,说明李玲完成插杆动作更加积极主动。

由表4可知,运动员的倒4步步长、步速及降杆幅度3个变量表现出协同配合的技术特征:从步长来看,倒1步步长平均值比倒2步步长平均值小0.12 m,观察视频可以发现,运动员在倒2步中通过加大步长完成举杆动作,减小倒1步步长进行积极插杆起跳动作;从步速来看,倒1步步速最快(8.30±0.24) m/s,倒2步步速最慢(8.11±0.37) m/s,倒1步步速增加以减小步长,加大步频的方式进行,更有利于增加插杆精确性,利用牵张反射增大起跳时肌肉力量;从降杆幅度来看,大小依次是倒2步>倒1步>倒3步>倒4步,倒4步降竿幅度与倒4步步速变化呈现正相关,运动员倒4步助跑呈现出“追竿式”助跑的技术特征。

2.1.3 插穴起跳阶段速度和时间特征分析

在影响撑杆跳高成绩的诸多因素中,助跑速度被认为是最主要的因素[18-19],水平速度保持得越多,越有利于能量存储和后续动作的完成。Schade[20]的研究表明,高水平女子撑杆跳高运动员水平速度为7.51~8.53 m/s。由表5可知,运动员起跳脚着地瞬间的水平速度平均值为8.57 m/s,垂直速度平均值为-0.62 m/s,起跳脚离地瞬间的水平速度平均值为6.90 m/s,垂直速度平均值为2.33 m/s,水平速度损失平均值为1.67 m/s,水平速度损失率平均值为19.48%。说明世界高水平女子撑杆跳高运动员更加追求增加起跳瞬间水平速度,降低水平速度损失率。李玲起跳瞬间水平速度(8.45 m/s)低于其他国家运动员平均值,水平速度损失率(23.31%)高于其他国家运动员平均值,说明李玲存在获得的动能较小,动能向弹性势能转化过程中损失率相对较高的问题。

由图4可知,从蹬伸时间与撑杆制动时间差值来看,运动员蹬伸时间与撑杆制动时间差值平均值为0.01 s。说明运动员的蹬伸时间早于撑杆制动时间,也就是说起跳蹬伸过程中撑杆杆头尚处于滑行阶段,蹬伸动作完成后撑杆才触及穴斗的底部。“人—杆”在插穴起跳的时间关系表明了世界高水平女子撑杆跳高运动员是预先进行起跳,呈现出的“自由式”起跳技术特征,有利于运动员高效地将动能转化为撑杆弹性势能。李玲蹬伸时间与撑杆制动时间差为0,说明在蹬伸过程中撑杆对人体形成了一定程度的制动作用,不利于动能向弹性势能的转化。

2.2 能量储存阶段运动学分析

能量储存阶段是指从起跳离地时刻开始到撑杆最大弯曲为止。此阶段主要是通过悬垂和摆体将动能转化为撑杆弹性势能,包括悬垂和摆体2个技术环节。

2.2.1 起跳、悬垂和摆体环节与撑杆弯曲程度特征分析

由图5可知,运动员起跳环节占总弯杆量平均值为14.41%,悬垂环节占总弯杆量平均值为36.67%,摆体环节占总弯杆量平均值为49.15%。Schade[21]对2005年田径世锦赛撑杆跳高研究表明:起跳阶段撑杆的弯曲量占总弯杆量的14.5%,悬垂阶段占总弯杆量的14.5%,摆体阶段撑杆弯曲量增加最多,占总弯杆量的70.1%。对比2届田径世锦赛数据可以发现:起跳环节弯杆量占总弯杆量的百分比差别不大,运动员表现为快速持杆助跑,预先进行起跳的技术特征;悬垂环节弯杆量占总弯杆量的百分比增大较为显著,说明运动员身体前移深入杆下,通過加大悬垂幅度来增加动能向弹性势能的转化效率;摆体环节仍然是能量储存的主体部分,但2015年世锦赛较2005年摆体环节所占比例下降20.95%,说明运动员更加注重通过减少水平速度的损失来加大撑杆弹性势能的储存量。李玲起跳环节(29.73%)高于其他国家运动员平均值,进一步证明起跳过程受到撑杆制动;悬垂环节(52.70%)高于其他运动员平均值,大幅度的悬垂动作利于弹性势能的存储,但对快速完成摆体动作也提出了更高要求;摆体环节(17.57%)明显低于其他运动员平均值,李玲摆动力量的不足是导致能量储存效果较差的重要因素。

2.2.2 悬垂摆体时间与撑杆弯曲程度特征分析

由表6可知,从悬垂时间来看,运动员悬垂平均时间为0.11 s。经Pearson相关分析得知:运动员的悬垂时间与悬垂动作的撑杆缩短量存在显著的正相关关系(r=0.716,P<0.01),说明对于女子选手,悬垂时间越长,撑杆弯杆量相对越大。从摆体时间来看,运动员摆体时间平均值为0.33 s,经Pearson相关分析得知:运动员的摆体时间与摆体动作弯杆量不存在显著正相关关系(r=0.230,P>0.05),说明女子选手肌肉力量较弱,主动加速摆体能力较差。从上肢与下肢摆动的时间来看,下肢摆动时间为0.21 s,躯干摆动时间为0.12 s,说明女子运动员核心力量较弱,更加注重依靠助跑过程中所获得的惯性进行下肢摆动,且下肢摆动先于躯干摆动。结合视频可以发现,运动员髋关节制动效果较好,下肢呈现直腿大幅度、快速的摆动。

2.2.3 摆体速度、幅度与撑杆弯曲程度特征分析

由图6可知,运动员摆体速度平均值为12.41 m/s,悬垂夹角平均值为98 °。经Pearson相关分析得知:运动员摆体速度与悬垂夹角存在显著的负相关关系(r=-0.668,P<0.05),说明运动员悬垂夹角越小,运动悬垂的幅度就越大,摆体速度就越快。冠军Yarisley SILVA的悬垂夹角为84 °,摆体速度达到13.78 m/s,李玲的悬垂夹角(82 °)较小,摆体速度(12.22 m/s)却低于其他国家运动员摆体速度平均值,较小的悬垂夹角虽然能充分利用助跑速度,但需要运动员具备更大的摆动力量。大幅度悬垂动作下,核心力量的不足成为限制李玲摆体速度增加的重要因素。

由表7可知,运动员下肢摆体幅度平均值为157 °,躯干摆体幅度平均值为65 °,摆动总幅度平均值为222 °,撑杆弯杆量平均值为0.99 m。经Pearson相关分析得知:运动员下肢摆动幅度、躯干摆动幅度及摆动总幅度与撑杆弯杆量都不存在相关关系(r=-0.252,P>0.05;r=0.056,P>0.05;r=-0.103,P>0.05),说明女子选手摆体动作并不能造成撑杆弯杆量明显加大,但身体各环节流畅摆动能有效地增加能量传递的效率[22],有利于弹性势能转化为人体重力势能。通过观察视频可以发现,运动员采用增大下握手的肘关节角度来提高下握手对撑杆的支撑作用,同时也取得了躯干到肩关节良好的加速与制动效果,加强肩关节力量能促进举腿和举髋动作[23],有利于增大运动员躯干的摆动速度。与国外运动员相比,李玲下肢摆动幅度(180 °)在所有运动员中最大,躯干摆动幅度(44 °)较小,说明其摆动总幅度的获得主要依靠下肢摆动的惯性,躯干摆动的贡献相对较小。

2.3 能量释放阶段运动学分析

能量释放阶段是指从撑杆最大弯曲时刻开始,至人体过杆时刻为止。此阶段主要是通过过杆技术将撑杆弹性势能转化为人体重力势能,包括团身、伸展和过杆3个技术环节。

2.3.1 人体各动作环节时间与撑杆弯杆量特征分析

由表8可知,运动员团身举腿、伸展转体和推杆的动作平均时间分别是0.33 、0.31 和0.38 s,经Pearson相关分析得知:运动员团身时间和伸展时间与H2不存在相关关系(r=-0.067,P>0.05;r=-0.319,P>0.05),推杆时间与H2呈显著负相关(r=-0.743,P<0.01),说明团身时间和伸展时间对运动员H2没有显著影响,推杆时间越短,H2增加越明显。从人体各动作环节完成时序特征来看,良好的时序特征能有效地增加运动表现[24],团身时间和伸展时间紧密衔接是能量传递的重要环节,推杆时间与撑杆反弹的时机紧密衔接能促使推杆力量与撑杆反弹力量的重合,且推杆时间越短二力重合的效果越好,越有利于增大H2。所有参赛运动员中,李玲推杆时间(0.54 s)最长,说明推杆动作与撑杆力量与撑杆反弹力量重合效果较差,对弹性势能的利用率偏低,不利于增大H2。

2.3.2 人体伸展速度与撑杆反弹垂直速度特征分析

由表9可知,运动员伸展初垂直速度平均值为3.15 m/s,撑杆反弹初垂直速度平均值为2.75 m/s,伸展初垂直速度大于撑杆反弹初垂直速度,说明运动员在伸展动作环节向上的发力更加积极主动。运动员伸展垂直速度最大值的平均值为3.86 m/s,撑杆反弹垂直速度最大值的平均值为3.52 m/s,二者相差0.34 m/s。Arampatzis[25]研究表明:高效率的能量释放过程,使运动员获得撑杆释放的能量大于运动员最初获得的能量,甚至能达到初始能量的120%[8]。在人体和撑杆垂直速度的增加量上,人体伸展速度垂直增加量的平均值为0.72 m/s,撑杆反弹垂直速度增加量的平均值为0.77 m/s,二者相差不大,说明能量释放阶段“人—杆”系统的协同程度较高,运动员对撑杆弹性势能利用较好。李玲伸展速度垂直增加量为0.36 m/s,撑杆反弹垂直速度增加量为0.96 m/s,说明“人—杆”系统的协同程度较低,撑杆弹性势能向人体重力势能的能量转化效果较差。

2.3.3 撑杆偏离角度与人体重心水平速度、弯杆量的特征分析

在能量释放过程中,运动员身体空中姿态对运动表现有重要影响[26]。团身角度反映人体在伸展动作前,躯干翻转的位置。由表10可知,运动员团身角度平均值为20 °,伸展偏离角度平均值为30 °,经Pearson相关分析得知:运动员团身角和伸展偏离角呈显著负相关(r=-0.777,P<0.01),说明运动员团身角越大,伸展偏离角度就越小。经Pearson相关分析得知:运动员团身角、伸展偏离角与H2存在相关关系(r=0.634,P<0.05;r=-0.635,P<0.05),说明运动员团身角度越大、伸展偏离角越小就越有利于增大H2。为了追求较大的H2,运动员加大躯干与水平面夹角,在向上伸展过程中,重心更贴近于撑杆纵轴,从而获得较大腾起高度。与其他运动员相比,李玲团身角(9 °)较小,伸展偏离角(36 °)较大,说明躯干摆动效果较差,身体重心产生的偏心作用较大,降低了弹性势能向重力势能的转化效率。

3 结论与建议

3.1 结论

1)在能量获得阶段,运动员步频随撑杆倾角逐渐降低而加快,利用撑杆前翻拉力提高和保持动能;蹬伸时间先于撑杆制動时间,以较小腾起角和预先起跳来减少动能损失;体现“追杆”式助跑和“自由”式起跳的技术特征。

2)在能量储存阶段,大幅度悬垂动作和快速的直腿摆动是储存能量的关键环节,较小的悬垂夹角及肩—髋—踝三关节有序地加速与制动,体现出“鞭打”式摆体技术特征。

3)在能量释放阶段,团身、伸展和推杆动作的时序紧密衔接及减少推杆时间是充分利用撑杆弹性势能的时间特征,较大的团身角和较小的伸展偏离角是人体获得最大重力势能的必要力学条件。

4)李玲助跑速度较慢,倒4步助跑节奏好,起跳时间相对较晚,撑杆对身体有一定制动作用;悬垂动作充分,但摆体力量不足,摆体速度和幅度较小,不利于创造最佳身体过杆姿态;推杆时间较长,伸展偏离角较大,降低弹性势能向重力势能转化效率。

3.2 建议

在今后的训练中,建议李玲从以下3个方面完善自身技术以实现突破。

1)提高持杆助跑专项速度,适当加大起跳点至穴斗前沿的距离,以较小的腾起角进行预先起跳练习。

2)加强核心力量和肩关节力量训练,重点体会大幅度悬垂动作与直腿摆动的快速衔接,加强运动员空间感和节奏感,完成“鞭打”式摆体技术。

3)采用吊繩进行摆体成直立倒悬姿势的专门练习,使重心更贴近撑杆纵轴,减少推杆时间,加强推杆手臂力量训练和身体柔韧性练习。

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