摘要：采用文献资料法、专家访谈法、三维高速影像解析法和数理统计法，对现阶段我国优秀女子铁饼运动员旋转技术的速度特征进行分析，得出以下结论：重心和铁饼的分速度大小及比例对运动员技术风格的形成有重要影响；“人-饼”系统在腾空和过渡阶段是最复杂和最难控制的，这两个阶段的系统变化对形成最佳技术具有决定性作用；我国运动员第二和第三旋转轴的速度传递稳定，第二轴髋关节和膝关节速度决定着位移的方式，第三轴肩关节速度同铁饼的时空特征有较大相关性。
关键词：铁饼；旋转技术；速度特征；女子运动员
中图分类号：G824.214文献标识码：A文章编号：1007-3612(2011)12-0133-05
Kinematics Analysis on Speed Indexes of “Body�discus” of the Chinese Elite Female Discus Throwers
WANG Peng1，WANG Ji�yan1，YAN Bo�tao2，XU Chong�gao2
(1.P.E.Dept.，Qujing Normal University，Qujing 655011，Yunnan China；
2.Xi’an Institute of Physical Education，Xi’an 710068，Shaanxi China)
Abstract:This article adopted the methods of literature review，expert interview，photography of three dimensional in high speed，and mathematic statistics to analyze the speed features of the rotation technique of the Chinese elite women’s discus throwers.Research conclusions: Size and proportion of component velocity of CG and discus has very important influence to form athlete’s technique style; Body�discus system at flight and transition stage is very complex and the most difficulty controllable.System changes in the two stages have the decisive effect to form personal optimum technique; the second and third rotation axis of the Chinese athletes have steady velocity transfer.Hip and knees velocity of the second axis decide the style of displacement.The shoulder velocity of third has a close relation to the space�time characteristics of discus.
Key words: retation; rotation technique; speed characteristics; female discus throwers
人体运动的运动学是研究人体或器械的空间位置随时间变化的规律性，运动学分析对运动者采取非接触性的记录研究，具有独特的实际意义［1］。人体的运动学特征是人体或动作在时间和空间以及时空方面表现出的差异特性，其中时空特征是指人体的位置和运动状态怎样随时间而变化，以及人体位置和运动状态变化的快慢程度如何，主要包括速度和加速度，是一种派生的运动学特征。运动员和器械的时空特征可以直观的反映运动员的技术特征，在研究掷铁饼旋转技术时，对运动员的时空特征进行分析有重要的实践意义。本文主要利用三维高速影像解析法对我国优秀女子铁饼运动员旋转技术的时空特征进行系统研究，以期揭示运动员在完成旋转技术时身体和器械状态随时间变化的规律，为高水平训练提供有意义的建议，丰富旋转掷铁饼技术的运动学理论体系。
1研究对象与方法
1.1研究对象本文研究对象为参加2008年全国田径大奖赛杭州站女子铁饼项目的前四名运动员，研究对象的具体情况如表1。
1.2.2专家访谈对国家队铁饼教练员以及运动生物力学专家就本文的研究进行了访谈。
1.2.3三维高速摄像法
1.2.3.1使用的仪器两台美国PULNIX公司生产的CCD高速扫描摄像头（TM-6710CL），专用计算机一台，爱捷三维立体框架一套，同型号三角架3个。
1.2.3.2拍摄步骤1）测试前，摄像机分别置于投掷圈右侧位和右后侧位，主光轴垂直于运动平面，主光轴夹角约为90度(图1) ，摄像机距离投掷圈中心的距离均为14.5 m，机高1.2 m，拍摄频率为120帧/s。
投稿日期：2010-11-12
基金项目：奥运会科研攻关与科技服务（06012）。
作者简介：王鹏，讲师，硕士，研究方向运动技术分析与诊断、体能训练。图1比赛拍摄现场机位图2）调试光圈，焦距，使拍摄图像达最佳效果。
3）赛前拍摄投掷圈内的三维立体框架，比赛结束后再拍摄一次框架。三维DLT框架的摆放：1号杆和2号杆的最外面球中心连线为X轴，指向投掷方向；2号杆的最外面球射出的X轴垂线为Y轴；Z轴为X、Y轴构成的平面的垂直方向；0号短杆指向投掷方向（图2）。
图2三维坐标示意图4）在运动员开始预摆前启动影像采集软件，中间不停机不碰机，拍摄所需完整的投掷技术。
1.2.4影像解析法使用美国运动生物力学分析系统APAS对技术录像进行量化处理，在解析过程中，采用日本松井秀治人体惯性参数模型，并依据人体模型的标准和研究需要选取20个关节点，数字化掷铁饼的完整技术，采用低通数字滤波法平滑数据，平滑系数为8，将原始数据指标保存到EXCEL软件中。
1.2.5数理统计法使用SPSS12.0软件包和Microsoft Excel 2003对录像解析出来的数据进行统计学分析和处理。
1.2.6比较分析法对研究对象的旋转技术的时空特征进行横向对比与分析。
1.2.7旋转技术阶段的划分［2］1)双支撑起转阶段：铁饼预摆结束―右脚离地（R↑）。
2)左脚单支撑阶段：右脚离地（ R↑）―左脚离地（ L↑）。
3)腾空阶段：左脚离地（ L↑）―右脚落地（ R↓）。
4)过渡阶段：右脚落地（R↓）―左脚落地（L↓）。
2结果与分析
2.1旋转阶段重心的分速度及合速度在旋转掷铁饼过程中，人是主体，是铁饼运动的动力来源［3］。身体重心速度变化是衡量投掷技术的重要指标，人体重心向投掷方向移动得越快，在最后用力时就会有更大的水平动能传向铁饼，对出手速度和投掷效果有较好的影响。对运动员重心的合速度以及分速度在各阶段的变化进行分析可以使我们获得运动员运动方向和幅度方面的信息，对理解旋转技术特征的根源和加深对旋转技术本质的认识有重要意义。
在双支撑起转阶段，四名运动员不同的重心合速度说明她们的起转方式是有区别的。孙太凤的重心合速度是最快的，表明她比其他三名运动员更早的开始旋转用力，这可能会增加她后三个阶段技术完成的难度。通过表2我们可以看出，宋爱民，李艳凤，孙太凤三个人的合速度获得的途径主要是通过水平旋转，只有马雪君的合速度主要是通过身体垂直运动获得的，而且马雪君还有一个不同，她的重心在垂直方向上占优势，重心垂直分速度达到了0.531 m/s，其他运动员在水平方向上占优势，原因是马雪君在这个阶段重心有一个上升的过程，这可能会使重心起伏较大，影响水平动能的传递。从整体上看宋爱民和李艳凤在这个阶段重心较为平稳，符合双支撑起转阶段的技术要求，马雪君和孙太凤的重心稳定性需要提高，尤其是马雪君的重心合速度在右脚离地瞬间达到了1.915 m/s。
分速度方面只有宋爱民重心是下降的趋势，其他运动员都是上升趋势，原因是宋爱民在这个阶段膝关节角度减小，这会使她在左脚蹬离地面瞬间获得较快的重心合速度，如表3所示她的瞬时重心合速度达到了2.626 m/s。李艳凤重心合速度在这个阶段是最低的，说明她在这个阶段还是以重心的稳定性为主。
在腾空阶段，四名运动员的重心合速度都成上升趋势，主要是通过提高水平速度获得重心合速度，孙太风的重心合速度上升最小，她的腾空时间最短，会在一定程度上影响她的加速距离和动作幅度，所以她不能获得更好的水平速度。在这个过程中李艳凤通过较高水平分速度获得了最快的重心合速度，平均水平速度比上个阶段增长了1.082 m/s,这也说明她的向前性是四名运动员中最好的。马雪君的重心垂直向下运动较为明显，说明她的重心起伏大，这可能和她的肢体环节运动运动有关。通过表3我们可以看出，马雪君和李艳凤的重心合速度在右脚着地瞬间要大于另外两名运动员，李艳凤达到了2.580 m/s，这是有她们的［4］技术风格所决定的，李艳凤和马雪君更重视重心的向前性，宋爱民和孙太凤则是重心的旋转。
过渡阶段，只有马雪君的重心速度没有下降，这和她在腾空阶段重心垂直分速度有关系，较大的重心垂直分速度使过渡时间尽量缩短，这也是她为什么动作幅度最大，但是过渡时间并不是最长的原因之一。宋爱民和孙太凤的重心合速度是下降最多的，一般认为过渡时间越短，重心速度应该是越快的，但是有意思的是她们一个过渡时间最短，另一个过渡时间最长，是不是说明过渡时间过快和过长都对重心合速度有影响，还是有其他原因存在，比如两人共有的特点是垂直分速度在合速度中占的比值都较高，需要更深入的研究。在左脚着地瞬间马雪君的重心合速度为2.445 m/s，是四名运动员中最大的，其次为李艳凤，这两名运动员比较注重向前性的，但是过快的重心速度不利于完成超越器械，所以李艳凤和马雪君需要控制过渡阶段的重心合速度，同时这个阶段重心合速度的大小也是判定运动员技术风格的重要指标。
2.2旋转阶段铁饼的分速度及合速度铁饼速度变化是运动员技术最直接的体现，其他运动学特征可以在铁饼速度变化上得到一定的解释。在第二个双支撑形成时运动员所获得铁饼速度就是通过旋转阶段所最终达到的目的。研究对象的铁饼速度在旋转阶段的变化特征存在明显的不同，通过表4可以清楚的看到，宋爱民和李艳凤是这四名运动员中的两个极端，在形成最后用力双支撑瞬间，宋爱民的铁饼合速度最小，李艳凤的最大，宋爱民的垂直分速度占优势，达到了6.377 m/s，李艳凤的水平分速度则占绝对优势，达到了惊人的14.712 m/s，这是由两人的技术风格决定的，宋爱民更注重旋转，李艳凤则是以重心的向前性为主。从铁饼速度上看，这两种技术各有利弊，宋爱民虽然铁饼的预行速度最小，但是她的出手角度却因此获得了保证，使她在最后用力阶段不用去考虑出手角度的问题，而李艳凤过快的水平速度则会使她必须在最后用力阶段考虑出手角度是否合理，所以宋爱民更像是一支蓄势待发的弓，可以爆发出最快的加速度，而李艳凤考虑更多的是怎样延续和增加自己已经获得速度。孙太凤的铁饼合速度在腾空和过渡连续两个阶段出现了下降，这和她在左腿单支撑旋转结束以后获得了最大的铁饼合速度是有关系的，加上她的身高体重是四名运动员中最大的，在高速运动的情况下在延续上一阶段获得的速度肯定会出现困难。铁饼合速度应该是稳定增加的一个过程，突增和骤降不利于很好的完成旋转技术，孙太凤需要适当减小左脚单支撑阶段的铁饼速度，来增加自己对铁饼速度的控制，保证最后用力阶段的稳定性。马雪君的铁饼速度变化同李艳凤的较为相似，都是前慢后快的类型，在腾空和过渡阶段平均铁饼的合速度没有出现下降，她的铁饼分速度在四个阶段的比例较为稳定，说明马雪君铁饼运行的稳定性较高，有利于完成最后用力阶段的技术。
2.3旋转阶段肩髋速度特征在旋转掷铁饼过程中，由于转轴及人体重心的变化，肩和髋转动的线速度也是在变化的。左肩在两个双支撑阶段出现两次速度峰值并明显高于右肩速,之后急剧下降,直至铁饼出手；右肩速度经过左脚单支撑旋转阶段的加速、腾空和过渡阶段的减速以及左脚着地后的重新加速；而两髋的速度则经过预摆结束后的两次不同的加速和减速。肩髋的这种速度变化成功地完成了身体的第2次扭紧及转动动量向铁饼的最后转移和传递［5］。右脚离地标志着第一单支撑阶段的开始，这时运动员整个身体的转动一定要保持平稳、自然，平稳的进入旋转，使人-饼系统一体化。从表5、表6我们可以看出四名运动员左肩都要快于右肩，右髋快于左髋，在此时左肩带动右肩转动，但是要避免突然加速，控制好肩轴和髋轴的转动角速度，不要甩左臂，拉左肩，还要考虑左右髋的速度差。从肩的速度来看，宋爱民两肩的速度差最大，达到了2.31 m/s，最小的是孙太凤只有1.186 m/s，李艳凤和马雪君的差值接近1.9 m/s；在髋速方面差值最大的同样是宋爱民，达到了1.065 m/s，最小的却是李艳凤差值只有0.109 m/s，但是李艳凤肩速的差值并不是最小的。因此从上面的分析我们可以得出，李艳风髋轴和肩轴的转动角速度差值最大，肩轴转动速度远快于髋轴，这可能是李艳凤在旋转阶段结束后获得最快饼速的原因；从起转的稳定性方面来说，孙太风的要好于其他三人，李艳凤的要差一些；宋爱民髋轴和肩轴的转动角速度是最大的，过快的速度可能会导致后续动作平稳性的降低。
左脚着地时，标志着第二次双支撑的形成，从表5、表6我们可以看出这一时相左侧肩髋的速度要大于右侧；由小到大肩髋的速度排序，宋爱民和马雪君依次是右髋、左髋、右肩、左肩，李艳凤和孙太风依次是右髋、右肩、左髋、左肩，这是由于李艳凤和孙太风在过渡阶段花费了更多的时间所造成的；在这一时相肩轴的角速度要快于髋轴1.2 m/s，表明这时我国运动员在左脚着地时已开始通过腰腹肌带动左侧上体进行强力旋转，此时旋转动量还没有完全传递到铁饼上。
旋转掷铁饼就是通过肩轴和髋轴的夹角不断变化来完成躯体的旋转向前，左右肩髋速度和肩髋轴角速度的变化决定着旋转阶段人-饼系统的稳定性，同时肩髋速度特征可以在一定程度上反映运动员的技术风格。
2.4旋转阶段“人-饼”系统的速度变化掷铁饼是人体通过旋转技术带动器械共同加速，最后将器械爆发性掷出的过程，在旋转的过程中，“人-饼”系统的整体关系对旋转技术的时效性是至关重要的。［7］在旋转掷铁饼技术中，形成整个旋转动作的始发用力的“动力源”，是位于人体重心附近的腰髋部肌群；其外围的肢体部分是协同、配合的中间环节、手上的器械则是处于这一活动体系的最远端的被动体，加起来就形成了“人-饼”系统位于这个体系重心的动力源与处于体系远端器械的整体性关系，成为使旋转动量完全转移到器械的最重要的因素，重心和铁饼速度变化的情况可以清楚的反映旋转阶段“人-饼”系统的整体性。
通过图3我们可以看出，四名运动员的“人-饼”系统速度在前两个阶段基本上都是同一种变化趋势，重心速度升高的幅度大于铁饼，说明他们铁饼后留较好，铁饼速度变化稳定，可以说她们“人-饼”系统的整体性在这两个阶段保持的较好。在腾空阶段和过渡阶段，四名运动员的“人-饼”系统出现了很大的不同，这两个阶段是旋转技术的关键阶段。这种明显的差异来源于两方面，其一是对前两个阶段个人技术特点的一种延续，我认为这部分产生的差异是不能改变的，是被动的；另外一个来源就是运动员通过对后两个阶段技术结构的理解来完成技术动作，是主动的。两种差异来源共同决定了腾空阶段和过渡阶段技术的复杂性，所以这两个阶段“人-饼”系统的整体性是最重要和最难控制的。通过图3可以看到宋爱民的铁饼和身体重心的速度变化曲线都是下降的趋势，说明宋爱民的整体性控制较好。孙太凤同宋爱民的有些相似，孙太凤的重心速度下降幅度比铁饼速度要更大些。李艳凤在腾空阶段重心和铁饼的速度变化基本吻合，重心的速度上升趋势要稍快于铁饼，这会导致她较早的铁饼加速。马雪君的铁饼速度相对于比较稳定的重心速度有减速的趋势。
图3四名运动员“人-饼”系统的速度曲线 如图3所示，在过渡阶段，李艳凤和马雪君的“人-饼”系统速度变化较为相似，都表现为重心速度开始下降，铁饼速度开始上升，只是李艳凤重心速度下降的时间要早一些。而孙太凤则和宋爱民较为相似，两人不同的是，孙太凤重心速度在过渡阶段前半段加速不快，是她在过渡阶段用时过长的原因之一，宋爱民有个明显的不同就是她重心有一个很短暂的加速和减速过程，同时铁饼速度也并没有上升，这可以使她获得更短的过渡时间和更大幅度的用力姿势，但是也会导致铁饼加速较晚。
通过对四名运动员在旋转阶段“人-饼”系统速度变化的分析，可以看出在腾空阶段和过渡阶段“人-饼”系统的整体性变化是很复杂的，既有主动的可控因素，又有被动的非可控因素。我们要处理好被动和主动的关系，以及具有内在联系的前因后果，正确结合自己的个人特点组合技术，形成个人技术的最佳化。
2.5旋转阶段旋转轴的速度特征背向旋转掷铁饼技术是由旋转来完成对铁饼的预加速，只要有旋转就会有旋转轴，不同技术风格的运动员，旋转轴也会出现差异，人体只有围绕着稳定的旋转轴才能完成有效的旋转。有的学者［8］认为在掷铁饼过程中会产生四个旋转轴，其中旋转阶段占了三个。在旋转阶段第二个和第三个旋转轴最为重要，第二个旋转轴是完成旋转技术的动力源，第三个旋转轴起着承上启下的作用，决定着最后用力技术的顺利完成。［1］旋转掷铁饼的转动轴是非实体轴，转动形式属于典型的有支点无实体轴的转动，用旋转轴上的运动员关节合速度来确定分析旋转轴的时空特征，可以使我们更深入的研究旋转技术。
表7以左脚为支点的第二旋转轴左侧关节平均合速度m/s
旋转掷铁饼的第二旋转轴主要是以人体的左侧关节为轴，从表7我们可以看到四名运动员的左侧关节合速度的平均值从下到上基本呈递增的趋势，平均合速度在肘关节出现了跳跃式上升，上升幅度达到了2.867 m/s，说明第二旋转轴是以运动员的下肢和躯干为主体，上肢更多的是维持身体的姿势和平衡。我们一般认为越靠近旋转轴的其合速度也越小，髋关节的平均速度要小于膝关节关节，说明髋关节要比膝关节更靠近旋转轴，这是因为髋关节更靠近重心，如表2所示，在左脚单支撑旋转阶段研究对象重心的平均合速度为1.344 m/s，几乎等同于髋关节。在表7中，值得注意的是膝关节的标准差最大，这主要是由宋爱民和李艳凤膝关节速度差异造成的。宋爱民是唯一髋关节的平均速度要大于膝关节速度的运动员，而李艳凤则是膝关节速度最大的，这是由两人的技术风格［4］决定的：宋爱民在左脚单支撑旋转时更注意旋转，所以更靠进重心的髋关节平均合速度要快些；李艳凤更注重向前性，所以她膝关节速度会更快，使她能够更快的转向投掷方向，有利于她左腿充分的蹬伸，增加平动的距离。
如表7和表8所示，第三旋转轴各关节平均合速度由下到上的趋势同第二旋转轴相同，肘关节的上升幅度达到了2.747 m/s，从整体上可以认为我国运动员旋转阶段旋转轴的转动较为稳定。由于左脚单支撑旋转阶段的旋转加速，使得第三轴的主体关节平均合速度都要大于第二轴，说明旋转速度得到了很好的传递。宋爱民的肩关节平均合速度是最小的，相对应的是上肢的三个关节平均合速度也是最小的，李艳凤上肢关节的平均合速度是四名运动员中最大的，其他两名运动员也有相同的规律，再加上表4中宋爱民和李艳凤的饼速特征，说明第三轴的肩关节平均合速度的大小决定着最后用力形成时铁饼的时空特征。分析表8，我们还可以发现李艳凤最大的上肢关节平均合速度，并不是从下到上依次递增，她的髋关节是研究对象中最慢的，只有1.559 m/s，这说明她在这个阶段，右髋提前进行了有效的控制，包括稳定性和转速，更早的开始了最后用力，使她获得了四名运动员中最快的铁饼速度。
3结论
1）研究对象的重心合速度在各个阶段都是由不同的垂直和水平分速度的组成，这些分速度的大小及比例决定着运动员获得什么样的重心位移特征，同时对她们的节奏和技术风格的形成起着重要的作用。2）在旋转技术完成瞬间，李艳凤和宋爱民的铁饼合速度分别是最大和最小的，不同的是李艳凤水平分速度占的比例大，宋爱民垂直分速度占的比例大，说明分速度的比例关系同最后获得合速度大小有较大的相关性。孙太凤在左脚单支撑阶段铁饼速度较快，导致腾空和过渡阶段铁饼速度下降。马雪君是研究对象中铁饼速度变化最稳定的。3）在左脚单支撑阶段，宋爱民右髋的速度最大导致她重心轨迹偏向左，孙太凤最慢的右髋速度和最快的右肩速度使她的重心轨迹偏右。李艳凤在过渡阶段过快的肩关节速度是她获得较快饼速的主要原因之一。在形成最后用力双支撑瞬间，我国运动员的肩轴角速度要大于髋轴，说明我国运动员已经开始最后用力。4）“人-饼”系统在腾空和过渡阶段会出现较为明显的差异，李艳凤需要控制在腾空阶段重心的速度，防止过早对铁饼加速。宋爱民在过渡阶段重心和铁饼速度的不一致，使她缩短了过渡时间，获得更大的用力幅度，但是不利于获得较快铁饼合速度。5）分析研究对象旋转轴的时空特征可以发现：第二旋转轴髋关节比膝关节更靠近旋转轴，髋关节和膝关节的合速度决定着运动技术风格倾向于旋转还是向前性位移；构成第三旋转轴的关节平均合速度要大于第二旋转轴，第三轴肩关节平均合速度的大小同最后用力形成时铁饼的时空特征有较大的相关性。
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