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運用加速度傳感器對田徑運動進行力學分析

田徑短跨運動是許多競技運動的基礎,為提高短跑和跨欄運動員的成績,眾多教練員摸索了很多訓練方法,教練員對訓練效果的經驗和判斷起了很好的決定性作用。 短跑和跨欄運動是典型的周期性運動,其項目專項能力包含多種因素,其中一個重要因素是運動員的肢體高速擺動能力
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論文摘要

  田徑短跨運動是許多競技運動的基礎,為提高短跑和跨欄運動員的成績,眾多教練員摸索了很多訓練方法,教練員對訓練效果的經驗和判斷起了很好的決定性作用。

  短跑和跨欄運動是典型的周期性運動,其項目專項能力包含多種因素,其中一個重要因素是運動員的肢體高速擺動能力。有研究者利用傳感器技術在步態和部分運動項目分析中做過一些定量測試研究。然而,對短跨專項訓練現場的實時定量化的測試評價和監控有大量的內容有待研究。

  目前運動生物力學在運動技術分析方面主要以錄像為載體,分析周期比較長,很難實時地運用到訓練現場的監控研究中。傳感器等力學檢測手段對訓練過程進行實時的檢測跟蹤和監控反饋,是對訓練過程的重要支持,對當前高水平運動訓練有迫切需要。

  運動生物力學近年來的發展,為從力學角度定量研究不同專項訓練的強度、效果和運動能力評價方面提供了有效的方法和手段。特別是運動傳感器具有體積小、重量輕、數據準確、實時性好、無人為誤差的特點,能在運動員本體感受尚未消失的情況下,及時客觀地反饋測試和分析結果,達到改進運動技術、監控訓練效果的目的,從而提高訓練的有效性和針對性,減少訓練過程的盲目、過度疲勞和損傷,促進訓練效果和運動成績的提高。

  本研究通過加速度傳感器這一有效的力學檢測手段,對田徑運動進行力學分析,可以舉一反三地運用到其他運動項目的訓練分析和定量化評價中去。

  短跑和跨欄,依賴的是運動員的肢體強有力的高速交替,實現人體的短距離高速移動。為了取得成績,運動員必須具有高頻率的快速擺動能力。包括擺臂和擺腿,如肩擺、髖擺、膝擺等。在專業訓練中,為了提高擺動能力運用了多種訓練動作,如,小步跑、高抬腿跑、仰臥蹬伸、俯臥打腿、弓步擺臂、定步長高速跑、后踢腿跑等,有時還利用橡皮帶作為運動負荷進行高速擺動訓練。

  本研究是運用加速度傳感器測量技術,對田徑短跨運動員的專項擺動訓練中的頻率、力度、幅度等進行實時定量檢測,從而對運動能力和訓練效果進行現場評價和即時反饋的有益探索。

  1、研究方法

  1.1主要研究內容和思路

  憑借肢體周期性的有力擺動,達到快速身體移動的效果,是田徑短跨項目的重要特點。短跑和跨欄都是典型的周期性運動項目。短跑的每一復步、跨欄的各欄之間都表現出典型周期變化,而在起跑和沖刺階段體現的是周期節奏變化的技術特點。

  本研究利用加速度傳感器測量裝置,測試田徑短跨運動項目的肢體周期性擺動訓練過程,對江蘇省主要短跨隊員的專項訓練進行定量測試和監控研究。實時獲得精確的力學參量,為短跨項目運動訓練提供定量的力學評價和參考。

  短跨專項訓練很多都是在一定力量負荷下的高速擺動,負荷阻力有的來源橡皮帶,也有來自器械阻力或者克服自身慣性和重力。為客觀評價運動員的能力狀況,監控訓練效果,本研究測試的是無附加負荷的周期性擺動作,利用加速度計便捷實時地獲取擺動過程的力學參數,反饋測試結果并實現動態的信息回饋。

  1.2研究對象

  江蘇省優秀田徑短跨運動員,男子10名,身高:(187.5±6.2)cm,體重:(73.5±4.1)kg,年齡:(19.8±2.9)歲;女子3名,身高:(169.3±0.6)cm,體重:(57.7±4.0)kg,年齡:(24±2.0)歲。

  1.3測試方案與被測的訓練動作

  選取的訓練動作1.小步高速跑、2.中抬腿跑、3.抬腿跑、4.仰臥交替蹬伸、5.俯臥交替打腿、6.弓步高速擺臂。

  1.4測試工具和測試方法

  測試工具為三維加速度傳感器。量程:±16g。采樣頻率:400Hz,重量:<40g。硬件由傳感器單元和數據無線接收單元組成。測試中,被測肢體裹上絨面的彈性繃帶,傳感器用“尼龍搭扣”(也叫“刺毛魔術貼”,VELCRO)粘貼在運動員的被測部位,見圖1。傳感器和運動肢體形成良好的隨動,從而精確地獲取運動部位的加速度數據。

  2、研究結果與分析

  2.1擺動動作力學數據

  擺動頻率:肢體擺動快慢是短跨運動員的基本能力素質,教練員會讓運動員盡可能快速地擺動,但究竟有多快?兩個運動員之間或運動員今天和昨天訓練有多少差距?憑經驗并不能定量描述。傳感器獲取精確的擺動頻率可作為評價短跨運動員快速擺動能力的定量指標。

  擺動最大加速度:加速度是與力量直接相關的物理量,加速度的大小實際上反映了擺動力量的大小,最大加速度是擺動強度的重要分析指標。

  速度和幅度:通過加速度的積分計算,可以得到擺動過程的速度和擺動幅度,這是控制訓練質量和強度的重要數據。

  屈伸加速度比率:測試中發現,運動員高速擺動的兩個方向力度經常是不對稱的,可能與動作習慣或專項特點有關系,這種差別是短跨運動的影響因素。在等動力學測量中常用屈伸力量比評價運動員力量素質能力。用加速度計在高速運動過程中測得力量屈伸比更能反映運動員在專項運動中表現出來的用力特點和力量素質。

  高頻持續能力:運動員以自己最高速度擺動,會出現疲勞,隨之動作減慢,強度降低,這種持續能力,反映了短跨運動員高速下的專項耐力。這種耐力過去比較難以定量,而隨動加速度傳感器實時記錄了全部擺動過程的加速度曲線,包括幅度和頻率,同時準確地計算維持高強度擺動的持續時間(高速耐力)。

  通過實時的聲響提示方式,對運動員的訓練過程實現信號回饋。當運動達到一定頻率和幅度的時候,電腦發出持續聲響;一旦運動員由于疲勞,降低了擺動頻率或幅度的時候,該“鼓勵聲響”立即停止。幫助運動員進行高速耐力保持的訓練。同時及時記錄下高速擺動的持續時間,作為訓練的評價結果。

  大家都知道,基礎力量是必須的,然而快速力量才是短跨運動的精髓。本研究對短跨項目的高速周期性擺動能力的測試和輔助信號回饋訓練,能對影響專項能力的主要因素進行客觀地評價。

  2.2短跨運動員專項訓練中擺動的快慢(頻率)

  短跨運動員的肢體擺動速度(頻率)是教練員、運動員最關心的運動能力之一。本研究顯示小幅抬腿跑(大腿抬高300左右)的動作頻率能達到平均(203.8±15.8)次/分鐘。隨著抬腿幅度的增加,頻率逐漸降低。中等幅度(大腿抬高500左右)擺動頻率(172±15.4)次/分鐘。高抬腿跑(大腿抬高接近900)頻率平均(149.7±14.3)。仰臥伸髖擺動達(153.7±25.8)次/分鐘。

  俯臥屈膝交替打小腿達到(176.2±25.4)次/分鐘。弓步擺臂的頻率和中幅抬腿跑的頻率接近為177.0±23.0次/分鐘。2013年全國田徑錦標賽100m比賽中,我國男子大約46~48步,女子50~52步,按照男女的成績計算,總平均步頻男子大約在134~139次/分鐘,女子大約在141~147次/分鐘。

  由于起跑階段步頻較慢的影響,實際途中跑的最高頻率比上限略高,接近高抬腿的實測頻率。

  本研究顯示,短跨運動員的動作頻率和動作幅度在一定范圍內呈現高度負相關(p<0.01)。運動員的高擺動頻率只在小幅擺動中表現出來,但是每個運動員的最高擺動頻率并不是隨著擺幅的減少而無限提高。當擺動幅度小到一定程度,無論怎樣努力,擺動頻率也是有限的,這時測得的擺動頻率是該運動員所能達到的極限動作頻率。

  運動員的動作頻率只能在相同動作幅度下才能互相對比。小幅抬腿跑(小步跑)反映短跨運動員個體的極限頻率,高抬腿跑接近個人100m實際步頻。有文獻指出,個體的最高頻率和運動員的神經類型、先天因素關系密切,力量素質更容易通過訓練得到提高。本研究測試發現,不同運動員在不同動作上擺動快慢的能力有顯著差異,俯臥交替屈膝訓練中運動員孫XX、劉X和許XX的擺動明顯比其他運動員快,分別達到:213.2次/分鐘、211.3次/分鐘、197.0次/分鐘。

  2.3短跨運動員專項訓練中的最大速度

  對于短跨運動員的專項擺動訓練,除了頻率,還有一個重要方面就是擺動過程中的最大速度。擺動頻率保持不變的情況下,擺動幅度越大,擺動過程達到是速度就越大。通過加速度記錄的曲線容易算出擺動的最大速度。實際上擺動的速度等于加速度對時間的積分。也就是:

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  本研究計算了每個運動員連續4次擺動的最大速度平均值(見表1)。

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  2.4短跨運動員專項訓練的擺動平均幅度

  擺動的幅度是動作練習的基本參數。表2顯示不同動作擺動在具體幅度上的定量化差異。研究發現,作為監控和評價運動員動作的力學參數,擺動幅度在專項訓練中應該有規范要求。擺動幅度可以通過加速度數據實時計算得到,也可以通過錄像分析獲取。加速度計的實時測試和信號回饋,實現了訓練過程中動作幅度的精確控制,保證訓練的質量。

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  2.5短跨運動員專項訓練擺動的最大加速度

  在原始的加速度曲線上,加速度變化的峰值大小,即擺動的最大加速度,出現在動作的轉向時刻,由運動員超等長收縮的反方向爆發力制動形成。在沒有外界撞擊的折向中,轉向越積極有力,加速度越大(峰值)(見表3)。

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  測試結果顯示,爆發式用力,特別是超等長收縮制動(如鞭打動作),產生很大的加速度值。根據最大加速度的大小就能了解運動員的動作過程超等長訓練效果。腳是最有力的運動末梢。在大腿固定不動的情況下,小腿的交替往復蹬踢動作,踝關節處的折返加速度能達到(16.1±5.6)g。從隊員之間的測試結果看,許XX、孫XX、許XX的俯臥屈膝擺動的爆發力比其他運動員大。劉X的弓步擺臂比較有力度。

  2.6短跨運動員專項訓練擺動加速度雙向對比(屈伸比)

  田徑短跨專項訓練中,兩個方向擺動的用力不同,造成兩方向加速度的比例不同。表4顯示了是專項訓練中,最大加速度在兩個方向的比例。在抬腿跑的動作中和地面撞擊,形成較大的向上加速度。撞擊加速度雖然峰值比較大,時間卻較短,對速度的貢獻不大。真正起作用的是持續用力對速度的貢獻。

  圖2是孫XX俯臥屈膝動作的加速度曲線,顯示向下蹬伸力量大于向上屈膝力量,動態屈伸比為0.69。

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  弓步擺臂訓練中,本研究定義屈伸比為向前擺臂屈和向后擺臂的最大加速度之比。大部分運動員在擺臂過程中向后比向前積極(見圖4),然孫XX和許XX正好和大多數短跑運動員相反,其擺臂的前擺加速度大于后擺的加速度(見圖3),她們倆向前擺動比向后的更加積極用力,是因為動作習慣,還是跨欄運動特點,需進一步測試分析。

  2.7短跨運動員專項訓練高速擺動的持續能力

  田徑短跨運動員保持高速擺動的時間,是高速耐力的體現。在加速度計測試中,記錄下動作過程中達到的最高平均頻率,讓運動員堅持保持高速大幅度運動。當運動員疲勞后其3次擺動平均頻率或幅度達不到最高平均值的70%,測試結束,其有效地高速運動時間,作為評價短跨運動員高速耐力,有效判斷運動員高速擺動持續能力的依據。

  測量運動員的高速耐力并實時反饋,可以有效刺激短跑跨欄運動員的高速保持能力的訓練,提高后程的運動速度(見圖5)。

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  2.8短跨運動員專項訓練擺動能力的綜合評價

  短跨專項訓練測試中,運動員在保證動作幅度的情況下,動作頻率越大,專項能力越強。同一個運動員不同時段的訓練、不同運動員不同部位的訓練之間的差異,可以評價訓練的效果、運動員的進步情況,發現優勢和薄弱環節,為訓練提供一些參考。

  3、結論

  通過隨動方式獲取田徑短跨擺動訓練過程的加速度數據發現,江蘇短跨隊員孫XX、許XX具有良好的膝關節高速伸屈力量;孫XX的髖部動態高速蹬伸力量相對不足;劉X的高速動態擺臂力量非常優秀。和其他運動員不同的是,孫XX和許XX的弓步擺臂的向前力度大于向后的力度,原因有待繼續研究。

  短跨專項訓練中的最大加速度,是評價運動員超等長爆發力的直接指標。在較小幅度專項動作中,傳感器精確獲取個體極限頻率,對判斷運動員的高速專項素質有意義。加速度生物回饋訓練,可隨著運動員的動作頻率或動作力度變化,在達到臨界點時,以聲響給出生物刺激信號,實現實時訓練回饋控制和評價目的。加速度計記錄的高速動作的保持時間,評價短跨運動員的高速耐力有實際應用價值。加速度計在高速動態狀況下測得的力量屈伸比,較通常通過等動力量測量設備測得的短跨運動員肌肉力量的屈伸比更接近比賽實際的專項力量,對評價運動員的專項力量素質有幫助。對各運動員不同部位的動作的加速度測量和相關力學參數計算,可以發現部位上的優勢環節和薄弱環節,實現針對性的訓練改進。

  本研究建立了訓練過程的專項能力與力學參數之間的聯系。

  參考文獻
  [1]盛懿欽.孫海平教練跨欄訓練的手段與方法[J].體育科研,2013,34(4):36-38.
  [2]劉芳,袁革.中外優秀男子100米運動員身體形態、步長、步頻與最好成績特征分析[J].成都體育學院學報,2012,38(8):59-62.
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