刘永浩

(西安工业大学 体育学院,西安 710032)



背向滑步式掷铅球的三维运动学分析*

刘永浩

(西安工业大学 体育学院,西安 710032)

摘要：为探索优秀男子铅球运动员个体动作技术特征；文中利用瑞士产AOS高速摄像运动捕捉系统，其中两台摄像机以120帧/s拍摄频率进行三维同步拍摄，截断频率为6 Hz；建立20个关键点的人体和器械模型，数据解析应用美国产Kwon3D软件进行解析；应用EXCEL2003进行数据处理。得到铅球投掷各个阶段的关节角度、耗时、末速度、肢体位移、铅球出手速度、高度、角度等运动学参数及相关动作特征画面人体棍图或铅球运动轨迹.通过对两名样本运动学参数的分析，得出铅球的运动成绩构成中，出手初速起主导作用，出手角次之，出手高度作用最小.

关键词：运动员；背向滑步;铅球；三维运动

背向滑步与旋转推铅球是现代铅球投掷技术两大主流，而背向滑步推铅球为国内多数运动员所采用,如获得2008年全国田径锦标赛前八名的7名男子铅球运动员均采用背向滑步推铅球技术[1]，2012 年第30 届奥运会同时闯入奥运会前八名的3名中国女子铅球队员[2-4].从运动生物力学角度分析，铅球运动为斜抛运动，水平位移主要与出手初速度、出手角度和出手高度3参数共同决定的[5-9].铅球高水平运动成绩与有效技术密不可分.因此，研究背向滑步推铅球三维运动学具有重要的现实意义.铅球投掷技术既有共性特征，也一定存在个体差异.前人许多研究主要针对其共性研究较多.文献[10]对现阶段在役优秀男子铅球运动员的投掷技术进行了系统诊断和分析，得出了投掷技术共性特点.文献[11]根据世界田径锦标赛男子铅球决赛选手成绩的生物力学报告数据，对运动员投掷技术进行了生物力学分析.

而铅球投掷技术个体差异较大，国内研究中优秀铅球运动员投掷技术个案分析鲜有报道.故本研究目的是通过三维运动解析探索优秀男子铅球运动员个体动作技术特征，以期为个体技术改进提供帮助，强化其技术训练具有重要指导意义，也将对高校铅球技术教学提供理论依据.

1研究对象与方法

1.1研究对象

国家健将级铅球男子运动员2名，无重大病史，身体健康.①样本1，年龄24岁，身高1 930 mm，体重122 kg.②样本2，年龄28岁，身高1 910 mm，体重110 kg.为保证测试准确性，测试前24 h未进行力量训练，且运动能力良好.

1.2研究方法

1.2.1实验测量法

利用瑞士产AOS高速摄像运动捕捉系统，两台摄像机(型号：S-PRI(plus))以120帧/s拍摄频率进行三维同步拍摄，截断频率为6 Hz；其中一台正对投掷方向右侧面，置另一台于同侧面，两台摄像机相距20 m，主光轴夹角60°，机高1.2 m.空间坐标标定应用三维框架进行.三维现场示意图如图1所示.

1.2.2人体-器械模型建立及解析误差

建立20个关键点的人体和器械模型(铅球重7.257 kg，数据解析应用美国产Kwon3D软件进行解析；通过人工打点处理，人工打点误差为0.70 cm.

1.2.3数理统计法

应用EXCEL2003进行数据整理,用SPSS 15.0进行统计分析.所有数据用平均数±标准差描述，统计方法采用独立样本T检验，以P<0.05为显著性差异，以P<0.01为非常显著性差异.

图1　三维摄影现场示意图

2结果与分析

在训练中，根据三维立体定机摄影摄像测量方法解析得到铅球运动员背向滑步推铅球动作运动学参数.图2～图8分别示意了不同角度解析的人体棍图,从图2～图7中，可直观地看到关键动作姿势特征画面,以便供教练员、运动员、科研人员观察技术动作细节，再结合数据，使得教练员，尤其是运动员对自己的技术有深刻理解，在以后的技术改进中有所感悟.图8分别表示两名运动员铅球的运动轨迹图，表明了铅球从开始到铅球出手瞬间的运动轨迹.

图2　样本1开始阶段重心最高人体棍图

据铅球动作结构特点,文献[12]将背向滑步铅球运动分为开始阶段、滑步阶段、过度步阶段、最后用力阶段共4个阶段.以右手投掷为例，本次实验中开始阶段是指从左脚跟在最高点时到右脚离地前动作过程； 滑步阶段是指从右脚离地到右脚落地动作过程；过度步阶段是指从右脚落地到左脚落地动作过程；最后用力阶段是指从双支撑开始到铅球出手为止动作过程.

图3　样本1重心最低时人体棍图

图4　样本1铅球出手瞬间人体棍图

图5　样本2开始阶段重心最高人体棍图

图6　样本2重心最低时人体棍图

图7　样本2铅球出手瞬间人体棍图

图8　样本1和样本2的铅球轨迹图

开始阶段关节部分指标见表1,在开始阶段，样本1右肘关节、右肩关节、右髋关节和样本2相比，根据独立样本T检验，并不具有显著性差异，P值分比为0.36，0.77，0.81，0.98.一般而言，持球姿势越接近身体中心轴,各关节角度越小，姿势越紧凑，人和器械结合的完整性越好，更利于快速移动.样本1右肩关节、右肘关节角度Δα变化较样本2的大,对于快速运动身体姿势的控制不利.样本1开始阶段用时较长，主要和样本1右髋关节、右膝关节角度变化较大有关见表2.

由表2可以看出,在滑步、过渡步阶段样本1用时较样本2小,表明样本1的滑步、过渡步阶段相互衔接较紧密,这两部分衔接速度结构较合理.而样本2从开始阶段到滑步阶段衔接紧密，速度结构整体分布较合理.

背向滑步推铅球过程中，人、铅球是连续加速,各个阶段都必须重视速度和加速度的变化.实际上铅球动作是连贯整体,只是为了研究的需要才人为划分阶段的，所以其动作技术必须强调整体效果.

最后用力阶段时间特别要注意，在合理的范围内，和铅球出手速度紧密相关.

表1　开始阶段关节部分指标

表2　各阶段时间比较表

由表2可看出，样本2的用力时间为0.267 s，样本1的用力时间为0.250 s.在一定的范围内,假设作用力F相等,用力时间越长,根据动量定理，铅球获得出手速度越大.在用力阶段，样本2用时间较长,所以铅球出手速度较大.而样本1用力阶段用时较短，铅球出手速度相对较小.由表1关节角度变化、时间变化，得出以上结论，与表3的实测值相符.

样本1的滑步距离较样本2长,可能的原因是步幅大小不同所致见表3.在铅球最后用力阶段增大铅球工作距离的关键因素中，样本1双支撑距离、铅球做功距离较样本2短，是导致铅球出手速度较小主要因素之一.由表3可以看出,在用力阶段，Y方向距离样本2较长,铅球用力阶段最低到最高点斜线距离也较长，说明样本2对铅球做功距离较长，是样本2铅球出手速度较大的原因之一.

在各阶段样本1使得铅球所获得的速度占出手速度的百分比较低,而样本2较高，见表4.文献[13]认为优秀运动员在推铅球过程中铅球在滑步阶段获得速度一般为出手速度15%左右；过渡步阶段铅球的速度应保持不变或略有增加,达到出手速度的15%～20%左右,显然，样本1比例不符合这一规律，而样本2基本符合这一研究结果.因此，从整体看样本2的动作速度结构较合理,样本1应加强动作技术衔接训练，使其速度结构比例接近或符合优秀运动员的比例，其运动成绩将会有较大提高.在训练中，教练员、运动员应针对样本1每一环节,细化技术,教练员时刻加以提示，科研人员实时加以动作跟踪分析，及时反馈给教练员、运动员，使其动作技术更加连贯，比赛成绩将会有大的进步.

表3　距离参数比较表

表4　各阶段速度比较表

(出手速度=滑步末速/过渡步末速)“%”为滑步速度在出手速度的百分比，动量转移占比越高说明动作运用越合理

特别是在铅球运动“速度一节奏结构”技术中，特定阶段的基本技术为掌握完整技术打基础.“过渡步阶段”(滑步后从右脚落地到左脚落地)的速度结构是研究完整技术中的一个重要指标.因为起着承上启下的作用“过渡步阶段”是完整技术中非常重要的环节.该环节动作的衔接好坏将直接影响最后用力加速的效果.该阶段为最后用力形成较为合理的身体姿势，并保持或适当增加铅球在滑步中获得的速度.以往训练中，因为过分强调超越器械动作的完成,注意了动作效果,忽视了速度结构，导致过渡步阶段速度过慢，破坏了合理完整技术速度结构,抑制了运动成绩的进一步提高.

诚然,高水平运动员训练课中除了技术训练外，还有力量、柔韧等训练,这些因素也是影响运动成绩的主要因素之一.使力量等素质和技术训练紧密的结合起来,训练效果将会更好，对运动成绩的提高有更大的促进.

样本1右肩关节、右肘关节角度在铅球出手瞬间较样本2的大,表明1上肢伸展较充分,而2的右肘关节打开角度较小.1的左踝关节角度、左膝关节、左髋关节在铅球出手瞬间较2的小,提示1的下肢伸展相对较差见表5.因此，在铅球出手瞬间，样本1应充分伸展下肢，而2应充分伸展上肢.出手高度这一参数和个子高低、手臂长短有关，样本1的个子较高，加之出手瞬间，1具有腾起动作，因此样本1的铅球出手高度较高.结合表5，相比较世界部分优秀铅球男女运动员的出手角度(男，出手角度均值35.8°±1.4，成绩均值21.55±0.50；女，出手角度均值36.1°±1.3，成绩均值21.39±0.72)，表明样本1的出手角度为49.7°较大，而2的出手角度为39.4°较合理.

表5　铅球出手瞬间相关指标

研究认为推铅球的出手角度在37°～41°之间，小于45°[14].铅球运动是抛射点高于落地点，故其最佳出手角度不是45°.文献[15]在对世界优秀运动员出手参数及成绩进行分析，认为优秀运动员理想的出手角度为37°～ 39°.忽略其它因素，如果出手初速度和出手高度固定不变，最理想出手角度是41°～42°.因专项技术特点和个体解剖结构特点，实际上优秀运动员出手角度大多数低于理论上的出手角度，而采用35°～39°.在此出手角度范围内，也许更有助于整体肌肉力量的传递、转化，提高出手初速度.

由落点低于抛射点地点的抛射距离公式

(1)

式中：s为距离；V0为铅球出手速度；α为铅球出手角度；h为铅球出手高度；g为重力加速度.实验相关参数代入式(1),经计算得样本1，S=18.99m，样本2,S=19.55m.

在铅球训练中，为了减少运动损伤，应用较轻的6 kg铅球训练，发现其技术动作并没有改变[16]，这对于预防损伤有很好作用.在以前的训练中，样本1出现过运动损伤，除了身体机能、肌肉疲劳等其它因素外，通过多次投掷动作技术测试分析，发现确实存在的动作技术上缺陷.由于以前训练，动作技术优劣判别主要是依靠教练员经验训练，几乎未应用运动生物力学手段做相关技术诊断.若一个运动员首先不是以提高技术的途径来不断提高专项成绩，而试图通过发展最大力量，提高成绩，那么他将可能出现最佳技术与运动素质严重失调，或出现随时受伤的风险.

根据式(1)可以计算成绩的理论值.假设样本1在铅球出手速度、高度不变的情况下，出手角度适当减小(在合理范围内)，由49.7°降到41°，由计算得出，成绩增加近0.6 m.假设样本1在铅球出手高度、角度不变的情况下，出手速度若有0.1 m·s-1的提高，成绩将会增加近0.9 m.样本2也具有同样的情形.铅球出手速度对铅球成绩的提高，较之在一定范围内减少出手角度带来的微小损失，起到主要作用.因此，在训练中要狠抓技术细节，在此基础上加大力量训练，运动成绩将会有进一步的提高.

本研究也存在一定的局限.实验中测试存在系统误差,应用软件处理人体建模进行的人工打点也存在人为误差,故所解析数据存在一定的误差.我们应用训练的动作技术解析的数据进行研究，而训练和比赛情况是具有一定差别的.希望教练员、对运动员要注意区别.特别是运动员应对自己的技术优势或不足真正有所了解,为自己的技术改进有所帮助，也希望本研究能为高校铅球教学提供动作技术指导.

3结 论

根据三维立体定机摄影摄像测量方法解析数据发现，在各阶段样本1掷铅球所获得的速度占出手速度的百分比较低,从整体看样本2动作速度结构较合理.

根据实测值计算再次证明，在合理的范围内，比较而言，铅球的运动成绩构成中，出手初速起主导作用，出手角次之，出手高度作用最小.

建议运动员反复观看自己训练录像，在训练过程中加强力量训练和动作技术改进，提高出手速度的同时有意识控制铅球出手角度.加强技术训练监控力度，以便使自己的尽快建立起新的技术动作，使得运动成绩有较大提高.

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(责任编辑、校对张立新)

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Three-Dimensional Kinematic Analysis of Back Gliding Shot Put

LIU Yonghao

(School of Physical Education,Xi’an Technological University,Xi’an 710032,China)

Abstract:The study was to explore technigal features of elite Male Shot Putters’ actions.The AOS high-speed camera system made in switzer land,were used,with two of the cameras synchronously recording the actions from different angles (the recording frequency is 120 frames/sec and the cut off frequency is 6 Hz).The human body and equipment models at 20 key points were established.Kwon 3D software and EXCEL2003 were used to analyze and process the experimental data.The kinematic parameters at each stage were obtained,such as joint angle,elapsed time,final speed,physical displacement,shot speed,height,angle as well as the human stick graph or screen shot trajectory.Through analyzing the kinematics parameters obtained from two samples,it is concluded that,in the configuration of shot putting performance,the follow-throw velocity is dominant,the throw angle takes second place and the throw height is of the least importance.

Key words:elite athlete;backward glissade;shot;three dimesional motion

DOI:10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.05.009

收稿日期：2016-04-25

基金资助：陕西省教育厅科研项目(15JK1361)

作者简介：刘永浩(1977-)，男，西安工业大学讲师，主要研究方向为体育教学与运动训练.E-mail:liu3991@163.com.

文献标志码:中图号：G804.66A

文章编号：1673-9965(2016)05-0394-07