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器械运动力学分析与安全防护
器械运动力学分析与安全防护
---以单双杠为例
摘要
本文应用力学原理和方法研究生物体的外在器械运动的生物力学与安全防护。
狭义的运动生物力学研究体育运动中人体的运动规律。
按照力学观点,人体或一般生物体的运动是神经系统、肌肉系统和骨骼系统协同工作的结果。
神经系统控制肌肉系统,产生对骨骼系统的作用力以完成各种机械动作。
运动生物力学的任务是研究人体或一般生物体在外界力和内部受控的肌力作用下的器械运动规律,它不讨论神经、肌肉和骨骼系统的内部机制,后者属于神经生理学、软组织力学和骨力学的研究范畴(生物固体力学)。
在运动生物力学中,神经系统的控制和反馈过程以简明的控制规律代替,肌肉活动简化为受控的力矩发生器,作为研究对象的人体模型可忽略肌肉变形对质量分布的影响,简化为由多个刚性环节组成的多刚体系统。
相邻环节之间以关节相连接,在受控的肌力作用下产生围绕关节的相对转动,并影响系统的整体运动。
本文将通过对单双杠的运动力学分析研究对其的安全防护措施。
关键词:
器械运动;生物力学;安全防护
目录
摘要I
前言1
第一章单双杠技术和动作的分类2
第二章单双杠静动态技术动作分析4
2.1静态技术动作4
2.2动态技术动作5
2.2.1踏跳和推手(TAKO)5
2.2.2跑动前空翻7
2.2.3跳马的向前踏跳10
第三章单双杠运动力学分析与防护12
3.1动作形式12
3.1.1作为结果部分的缓冲动作12
3.1.2作为中间环节的缓冲动作13
3.2力学原理14
3.2.1缓冲动作的减小冲击力原理15
3.2.2缓冲动作的能量转化原理16
3.2.3缓冲动作的肌肉退让性工作原理16
3.3动作特征17
第四章双杠运动力学分析与防护19
4.1支撑19
4.2悬垂20
总结21
参考文献22
前言
认真的查找要获得对器械运动生物力学的文献总的概况是相对容易的,因为许多生物力学工作者对单双杠的技术进行了长时间的研究;并且,单双杠的技术动作常常用来解释力学原理的例子。
不过,仔细考虑一下,要完成这样的任务是非常困难的:
首先,人们将面临器械运动动作变化多样的困难;其次,大多数的文献主要是描述性的,并且很少涉及单双杠的基本原理。
显然,很多技术动作没有进行充分的研究,而如跳马这样的技术动作,虽然它是比较容易掌握和理解的,却进行了大量的研究。
即使在最近几年来,很少有作者关心单双杠的技术原理和有价值的技术动作。
大多数研究仍停留在描述阶段。
因而,我们在此试图建立对单双杠动作进行分类的基础,并且可能的话,从现有的数据归纳原理或基本的结构。
我们研究所获得的原始数据将对已经发表的数据进行进一步的补充。
在这篇文章中所涉及的研究是通过国际数据库所获得的。
虽然,这里考虑了一定数量俄文的研究文章,但大多数是来自英文,德文和法文的研究文章。
为了归纳这样大量的研究,首要的任务是对单双杠运动中众多的动作进行组织。
因此,要提出一种新的根据力学条件的严格标准的分类方法。
主要分类中特定的子类涉及技术动作与基本的单双杠器械的关系。
接下来,要根据使技术动作适应不同单双杠器械的特定条件的基本原理所确定的特性对这些子类进行评定。
这篇综述也许不能包括所有的研究文献,但是希望概括了大多数重要的研究。
在这里主要考虑与单双杠比赛有关的技术动作;因此,虽然许多基本技术动作很重要,但在本文将不涉及。
第一章单双杠技术和动作的分类
首先,单双杠的动作可分为静态和动态两类技术动作。
静态或准静态动作是由力量,柔韧性和平衡能力来决定的,动态动作则依赖于协调性和相关的动态力量。
因此,所谓的力量和静止动作(如,十字支撑),柔韧性动作(如,劈叉)和平衡动作(如,站立平衡)等都可归为静态技术动作。
由于这些静态动作不是生物力学研究的重点,因而在此我们暂不考虑静态技术动作。
另一方面,动态的技术动作占单双杠动作的大多数。
动态的技术动作将在下面进行进一步分类。
Leirich和Rieling在1968,1969年对单双杠的技术动作进行了分类的尝试。
他们根据单双杠动作开始和结束时的位置和各个身体环节相对运动的情况把单双杠动作分为8个基本的组。
这8个组分别是:
1.髋的圆周运动(翻上运动)
2.屈伸上运动
3.摆上运动
4.滚翻运动
5.转体运动
6.起跳运动
7.向上摆动和圆周运动
8.腿的摆动运动
Leirich和Rieling所描述的,以及有Schmidt(1979)进一步发展的分类方法在德国和德语国家引起了在单双杠术语和基本方法方面的广泛讨论。
然而,在国际单双杠界对于他们的工作却没有引起注意。
Thevenin(1979)和Carraso(1972)提出了比较注重实效的分类方法。
尽管这些努力,但是有关单双杠的教科书通常只适应教学的需要,只是有时将单双杠动作按跳,悬垂和支撑等动作来分类。
现代单双杠动作已经从只在一个器械上完成发展到多种器械上来完成。
例如,大回环现在已可在双杠上并带有许多变化来完成;自由单双杠的手翻转体接向后踏跳动作已被应用到男女跳马技术动作中。
这就产生了个问题,是否将单双杠的动作按照动作的身体要求来分类,而不是按特定的器械来分类。
进一步,基本的动作是要考虑的。
按照Hochmuth&Marhold在1978年提出的运动结构原理,体育动作的一般分类方法在进一步地发展。
对于单双杠动态动作目前把它们分成5类,它们是与动作的基本目的相联系的:
●第1类TAKO-从较硬或弹性表面踏跳和推手(产生最佳的身体速度)
●第2类ROVE-在垂直平面相对于一固定的或柔性的水平轴旋转运动(产生最佳和利用机械能)
●第3类ROHO-在水平面上相对于一垂直轴的旋转运动(产生最佳和利用机械能)
●第4类AIRO-空中的旋转运动(惯性力矩的最佳变化)
●第5类LAND-落地(吸收最大的机械能)
单双杠技术和动作的这样的分类方法几乎包括了所有的现代竞技单双杠的动作。
下面将回顾不同动作分类运动生物力学的研究情况。
现有很多的研究文献讨论了单双杠的技术动作,所以在此不可能概括所有的动作或动作分类。
第二章单双杠静动态技术动作分析
2.1静态技术动作
到目前为止,对单双杠静态技术动作在理论上或实验方面的生物力学研究作的很少。
对于运动生物力学而言,只有一些基本的概念可以从教科书中找到(Hay,1985;Hochmuth,1980;Kreighbaum&Barthels,1990)。
Hay(1985,p.286)指出单双杠运动员在静态技术动作中要努力使自己保持平衡,重力线与支撑面边缘的距离要尽量的远。
基于脚或手的静态技术动作在描述上没有差别。
正如在实践中可以看到的,单双杠运动员通过腕的屈以增加与地面的压力来避免身体向前失去平衡,但是还没有关于压力类型变化或关于单双杠运动员腕关节肌肉力矩的研究报道。
Prassas(1985)和Prassas,Kelly,Pike(1986)应用动力学反问题的研究方法分析了在双杠上直臂屈髋手倒立。
研究数据表明:
动作协调性较差对这一动作的影响要比肩部力量较差的影响大的多。
Prassas(1988)应用模型模拟的方法也证明了这一结果;并发现对于相类似的技术动作,身体各环节的角速度有很小波动的慢起手倒立要求平稳的,有时是较大的肩关节力矩。
髋关节角度较小的减小不能根本上减小对肩关节的力矩要求。
Zipp(1982)应用10环节的人体模型来描述和计算运动员在双杠上完成屈臂直体用力慢起动作时的腕,肘和肩关节的肌肉力矩,并计算了一名训练多年运动员成功动作的关节角度数据。
为了确定给定运动员完成技术动作的肌肉力量因素,在一等长肌力测量仪上测量每个关节的肌肉力矩,并与动作所要求的肌肉力矩进行了比较。
发现主要的差异是在较小关节角度时的肩关节力矩。
这个研究给出了对模型研究技术和经验测量相结合来改进单双杠技术动作一个很好的范例。
Brueggeman和Arampatzis(1993a,1993b)将相类似的方法应用到运动动作的研究,使用计算机来模拟单杠四周空翻下。
他们把运动员髋,肩和膝关节的最大随意肌肉力矩作为模拟的输入数据,并根据运动员离杠时的力学特性计算了运动员空中的位置和时间。
Starischka(1978)应用动力测量和肌电测量技术研究了吊环上的十字支撑。
这研究的着重点是确定对于一成功的十字支撑所需的肌肉力量。
Starischka也研制了实验装置在训练的条件下来测量肩关节的肌肉力矩。
2.2动态技术动作
2.2.1踏跳和推手(TAKO)
踏跳的目的可归结为在踏跳时产生最佳而不是最大的身体速度。
要注意这样一个事实,就是平动和转动,即踏跳时的直线和角速度,对于单双杠技术动作都是非常重要的。
同时也要注意:
对于某一特定技术动作的踏跳直线和角速度,它们相互之间的必须具有最佳的比例关系。
此外,必须考虑踏跳和推手技术动作的不同力学条件――如弹性的地板和踏跳板,以及如平衡木这样的较硬平面。
用手来完成的踏跳和推手技术动作具有相同的基本原则,但是要根据它们不同的生物力学要求进行更为深入的研究。
踏跳和推手技术动作可以用脚或手向前或向后,有时向侧面来完成。
对于以后的讨论,将初始条件进行准确的归纳是重要的,因为像踏跳和推手技术动作可以从静止或从一初始运动来完成。
根据初始的力学动量,踏跳和推手技术动作可分为5种类型。
(见表1)
表1单双杠踏跳和推手形式的分类(TAKO)
在单双杠技术动作中,从静止没有初始直线或较动量的踏跳和推手的动作是非常少见的(TAKO0)。
为了能更细致的分类,对于TAKO1-4这4类将给出一些例子。
TAKO1是在踏跳前具有平动动量但没有角动量的向前踏跳动作,例如,向前跑动空翻的踏跳(Miller&Nissinen,1987)。
这种通常双脚起跳的踏跳主要应用在自由单双杠和平衡木中。
一种几乎相同形式的踏跳可以在所有向前腾越动作中看到,这就是前手翻的踏跳(Kasamatus,Tsukahara,或Cuervo)。
没有初始角动量由手完成的踏跳事实上还没有。
TAKO2是具有平动动量和角动量的向前踏跳动作。
例如,前手翻接向前空翻的踏跳(Forwood,Clarke,&Wilson,1985)。
严格地说,这种手翻接空翻的踏跳形式可以由双脚来完成,也可以由单脚来完成。
单脚踏跳一般是在侧手翻和一前空翻之前,或者在自由操中手翻或手翻转体称为预备踏跳。
在后一种情况下,踏跳脚对于踏跳的重要作用常常在训练方法和生物力学研究中被忽视了。
在运动技术方面,准备手倒立或推手的踏跳只与接下来的手踏跳相联系的。
因此,这些单脚的预备踏跳将在下面的关于推手的部分进行讨论。
除了具有初始平动和角动量的双脚踏跳外,双臂推手也应用在自由操,平衡木和跳马中。
在跳马中,带助跑的双脚踏跳(TAKO1)与双臂推手(TAKO2)是紧密相联系的。
因为踏跳和推手之间的的第一腾空是非常重要的(Brueggemann&Nissinen,1981;Dainis,1981),这将在关于跳马这部分进行讨论。
关于TAKO2的一般结构由图1给出。
图1-具有初始平动和角动量的向前踏跳/推手,TAKO2的结构图
TAKO3是没有初始动量的向后踏跳。
例如,一空翻或由站立后手翻的踏跳(Payne&Barker,1976;Theiss,1993)。
向后踏跳的基本形式,它按照许多训练教科书讨论,常应用在自由单双杠和平衡木中。
与其相应的推手能从双杠的下法中看到,如Tsukahara下法。
TAKO4是具有初始平动和角动量的向后踏跳。
例如,后手翻或转体接后空翻的踏跳(Brueggemannwww.biyezuopin.cc,1983a,1983b;Hwang,Soe,&Liu,1990)。
这些独特的踏跳形式主要出现在自由单双杠项目中,在此以多种形式双脚踏跳然后接后手翻或后空翻,但是这样的踏跳也应用在跳马手翻转体动作中。
相似的踏跳现在应用在平衡木动作中。
不过,由于平衡木只有10厘米宽,向后踏跳动作常常失步(Theiss,1993)。
具有初始平动和角动量的向后推手是那些在
后手翻中应用的推手动作。
这些动作经常在单双杠教科书中进行定量讨论。
踏跳和推手动作的划分是下面各部分讨论的基础。
从站立向前的踏跳在此将不进行讨论,因为运动员很少应用这种技术。
在踏跳和推手之间,具有初始平动或角动量的踏跳是有一基本差异的。
不过,具有多个踏跳和推手组合的技术动作(如,在自由单双杠或跳马)将分别进行讨论。
TAKO1.具有初始平动动量的向前踏跳常应用在自由单双杠(如,向前空翻,手翻的踏跳),平衡木(如,前空翻踏跳)和跳马(如,助跑后由踏跳板的向前踏跳)中。
生物力学已经对第1和第3种情况进行了研究。
2.2.2跑动前空翻
在跑动前空翻的踏跳中,运动员必须获得完成动作所需高度的起跳速度和完成空翻旋转所需的角动量。
Hay,Wilson,Dpena和Woodworth(1977)对跨栏动作计算出了很小的初始角动量5.5kgm2/s;Nissinen(1978)测量了在踏跳前脚与地面接触时的身体重心的速度;水平速度为4.25m/s,垂直速度为1.3m/s(样本量为10)。
为了由初始状态获得所需的跳力学特征,踏跳技术使用多种不同的摆臂形式(Ellard&Kerr,1979)。
3种摆臂的形式是:
向前上方摆臂,摆臂过头顶和向后上方摆臂(Russianlift)。
最后一种技术在文献中进行了广泛的讨论。
Fortier(1969)应用每秒46格的影片分析了一名技巧运动员,但是没有给出腾空前关于踏跳的具体数据。
Brown(1974)同样应用影片技术以每秒128格的速度分析了一名单双杠运动员的reverselift和一般的前空翻。
他测量得到了对于这两种技术动作具有相同的接触时间(230ms)。
不过,这接触时间如果与Miller和Nissinen(1987)的研究结果相比较就显得太长了。
在Brown的研究中,他认为在reverselift要身体少向后倾和在踏跳时比普通的技术动作更加强调座的姿势。
这一发现与在踏跳时的少屈髋和身体前倾大相一致。
正如Russian技术
那样,摆臂和角速度的数值比传统的踏跳要大。
在Knight,Wilson和Hay(1978)对6名大学单双杠运动员的影片分析(100格/秒)中,他们认为Russian踏跳的摆臂是非常重要的。
他们获得了裁判员的评分并发现裁判员把高分给了那些在踏跳位置时躯干几乎垂直并且上臂在躯干旁或在躯干后的运动员。
Knight等估计单双杠运动员在开始踏跳后,达到他们身体重心最低位置需要40-50毫秒;并推断膝关节最大屈时与这一位置相一致。
所测量到的踏跳时间为130±20毫秒。
Miller和Nissine(1987)研究了9名大学单双杠运动员向前Rusian空翻踏跳的运动学特点(影片分析,200格/秒),同时测量了垂直和水平方向的地面反作用力。
由于踏跳是在没有缓冲垫的测力台上完成的,所以测量到的平均打击力值是体重(BW)的13.6倍。
第二个力的峰值是体重的6.1倍。
相对平均最小值是踏跳总时间的23%(平均踏跳时间为135ms)。
需要指出的是:
这最小值与身体重心的最低位置相对应。
膝关节最大屈和导致的重心与支撑点的最小距离分别是支撑时间的36%和37%处。
第二力的峰值和最大背屈发生在44%处。
这些数据说明膝和踝的伸肌群将继续作离心收缩,并获得至少的初始推力部分。
Nissinen(1978)在他的硕士论文中对摆臂对角动量影响的定量进行了比较.对于所有9名受试者,
在reverselift中的手臂环节的角动量在踏跳开始和结束时是正值(向前旋转)。
另一方面,一名受试者在作frontlift时,他的上臂环节角动量在踏跳时和身体最低时为负。
向后旋转的摆臂直到踏跳前才减速,在此时手臂有一较小的正的角动量。
这篇综述表明:
有几篇或多或少的描述性文章给出了跑动前空翻踏跳条件的总体概念。
只有Nissinen(1978)以及Miller和Nissinen(1987)考虑了膝踝伸肌群的离心收缩,从而对踏跳的原理有了更进一步的认识。
各种不同的摆臂技术对所需角动量的影响在踏跳时是很重要的。
在这方面一些有关的研究数据,但还需要进一步的研究。
跳马的踏跳和推手:
跳马包括两个腾空阶段,它们是由一踏跳或推手开始的。
跳马的主要目的是在第二腾空阶段获得一定的高度和距离。
Brueggemann和Nissinen(1981)报告了对于30名不同比赛水平的男子单双杠运动员他们重心在第二腾空的平均高度和距离之间存在显著性差异(p<0.01)。
他们同时也发现对于不同水平的运动员他们由弹板踏跳的垂直速度之间存在显著性差异(p<0.01),但是在推手后水平速度之间没有差异。
Takei(1990)的研究表明:
对于24名女子运动员完成前手翻腾越动作时其由弹板踏跳的速度与运动员得分之间存在显著相关,r=0.74。
同样地,Takei和Kim(1990)也得到了51名男子运动员在完成1988年奥运会规定动作――前手翻腾越接空翻――时其由弹板踏跳的速度与运动员得分之间存在显著相关,r=0.65。
这些结果是非常有趣的,因为在单双杠比赛中的得分并不完全代表运动员的技术动作。
运动员落地动作的稳定性对于评分系统是非常重要的。
Takei和Kim(1990)也报告了在运动员离马时身体重心的水平以及垂直速度与得分的相关系数分别为r=0.51和0.55。
将11次得分高的跳马动作与11次得分低的跳马动作进行的比较结果(Takei和Kim1990)支持了Brueggemann和Nissinen(1981)的结论:
即在腾空距离,身体重心的最大腾空高度以及第二腾空阶段的水平和垂直速度方面存在显著性差异。
因此,要更加强调在推手时垂直速度的重要性,尤其是在基本跳马的技术动作中。
踏跳的垂直速度时由在马上的支撑阶段的垂直冲量和接触马时身体重心的垂直速度所决定的。
应用模拟技术,Brueggemann和Nissinen(1981)发现踏跳的速度以及第一腾空阶段的作用要比在马上的推手阶段的作用要大。
不过,Brueggemann和Nissinen(1981)还发现对于从世界水平到少年水平的单双杠运动员,他们在马上的平均垂直接触速度是有很大差异的,而Takei和Kim(1990)报告的1988年奥运会单双杠比赛高水平组11名运动员与11名低水平运动员的平均值只有很小的差异。
然而,与评分相关系数的计算(与马接触时的垂直速度r=0.49,在马上垂直速度的变化r=0.42)表明垂直的触马速度是有积极的作用的。
Dainis(1981)的模型,它把接触阶段分为缓冲和推手阶段,使得在马上接触阶段触马时的水平速度和垂直速度变化之间的关系更加清楚。
Takei和Kim(1990),Brueggemann和Nissinen(1981)都报告了在不同水平组之间触马的水平速度有显著性差异。
为了最佳化在马上的推手阶段,关于第一腾空最有意义的研究数据清楚地表明:
在与马接触的身体重心水平和垂直速度与上面所提到的跳马质量之间一般存在正相关关系。
身体重心的垂直速度在所研究的样本中与动作的质量有密切的关系。
从这些概念和Dainis(1981)和Brueggemann(1989)模型方法可推断第一腾空阶段的时间要短。
因此,跳马时的第一腾空阶段是成功完成第二腾空阶段的重要阶段。
所有手翻的第一腾空阶段要求同时产生一适当的旋转角度,是为了在支撑阶段防止角动量的减少过大(Brueggemann,1989;Dainis,1981)。
根据前手翻减小第一腾空的时间和强调在整个飞行过程中要有足够的旋转角度的原理,最大角速度,或更切确的地说,腾空第一阶段关于身体横轴的最大角动量是非常重要的。
这点可由Breuggemann和Nissinen(1981)的研究数据的一般趋势得到清楚的解释。
其它的数据,尤其是Takei,Nohara和Kamimura(1991)的研究数据,也支持这样的一个趋势。
回顾跳马的历史发展,随在第二腾空阶段技术动作的发展,上面所讨论的第一腾空的力学特征――腾空时间,角动量(角速度),触马前的水平和垂直速度――已向在上面所讨论的方向发展(Fetz&Opavsky,1968)。
数据证明:
跳马最重要的一点是从踏跳板的起跳,它产生第一腾空的初始力学条件。
因此,由踏跳板的起跳成为由助跑所产生的动能转换为动作所需的平动和转动力学条件的关键。
2.2.3跳马的向前踏跳
在由踏跳板起跳的过程中,要产生所需的直线速度,适当的起跳角和足够的角动量。
这点与跑动前空翻的助跑所产生的那些力学特征相似。
尽管踏跳板有较大的弹性和较高的助跑速度,但是与前空翻相比,所测量到的接触时间较短,为0.10-0.11秒(Cheetham,1982;Dillman,Cheetham,&Smith,1985)。
由于对支撑开始和结束的不同定义,关于踏跳的时间也有一些不同(Takei,1990;1991b)。
从不同的研究可看到:
助跑的速度几乎要比跑动前空翻的助跑速度大90%。
跳马踏跳起跳时的角动量和速度大约比跑动前空翻起跳时高70%。
因此,跳马时运动员在踏跳开始前具有3倍于跑动前空翻起跳的动能。
这就产生了第四种起跳的技术,即手臂在身体前方保持水平;在踏跳要结束时,前倾躯干来打开手臂与躯干的角度。
虽然有很多关于跳马详细的生物力学研究,但是,由助跑动量所决定的角动量和平动动量的大小和方向这一非常重要的决定却很少引起注意。
“转换阶段”技术的理解对于运动员技术和踏跳板的最佳化是很重要的(Kreighbaum,1979)。
跳马带转体的踏跳,例如,带转体的手翻,Cuervo,Tsukahara或Kasamatsu,与上面所提到的从踏跳板起跳的前手翻踏跳没有根本差(Brueggemann,1987,p.160)。
这点同样适用于助跑,踏跳时的身体重心速度以及踏跳是关于横轴的角动量。
手翻转体跳马的第一腾空与上面所提到的原理相一致,但在助跑,踏跳和马上的支撑阶段有其自己的特点。
马上向前推手:
马上的双手推手(有时是单手推手[Zou,Lu,Chou,&Yu,1988]导致了(a)一新的身体重心飞行的轨迹方向和(b)改变了关于身体横轴的角动量。
根据推手阶段的模型,Dainis(1981)区分了缓冲阶段,在此阶段重心与手接触点的距离减小和推手阶段,在此阶段身体重心再次远离手接触点。
这模型是二身体环节的模型。
Brueggemann(1989)应用一环节的模型计算了在支撑阶段角动量的变化程度是依赖于在支撑阶段开始时身体的初始位置
和支撑时间。
此外,可以确定一个动作本身是否是ROVE的一部分,如,大回环接手倒立,或是否ROVE动作是完成一腾空动作(即AIRO类的一个动作)的先决条件。
根据运动链的自由度(DF),运动员与器械的接触形式可区分ROVE的动作。
例如,单杠摆荡=4DF:
手杠,肩,髋和膝关节,虽然膝部的运动对裁判评分的影响可忽略。
旋转方向的判断要求在通过运动链的关节屈的向后旋转或者伸的向前旋转的动力之间进行选择(Brueggemann等,1994;Gervais&Tally,1993)。
表2不同器械上ROVE的三个亚类的例子
第三章单双杠运动力学分析与防护
3.1动作形式
延长力的作用时间以减小冲力作用,在运动技术中叫缓冲作用。
以延长力的作用时间减小冲力作用为目的动作称为缓冲动作。
例如,接高速来
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