太极拳腾空飞脚向内转体180°的运动生物力学对比分析研究

刘小平  

江西九江学院  体育学院  江西  九江  332005   OICQ：418267324

摘要：腾空飞脚向内转体180°是武术新竞赛规则太极拳难度动作，本文选取上海体育学院武术队运动员六名，运用上海体育科学研究所生物力学实验厅的Motion Analysis运动分析解析系统，进行运动学和动力学同步测量。找出其运动生物力学规律，以期对训练有所指导作用。

关键词：腾空飞脚向内转体180° 运动生物力学  对比分析

Biomechanical Analysis and Comparison of Taijiquan Action——Flying Kick with Backward Turning at 180°

Xiaoping Liu

（Institute of P.E. of  Jiujiang University  Jiujiang Jiangxi 332005, China）

Abstract ： Flying Kick with Backward Turning at 180° is a prescribed action of difficulty in the latest rule of Wushu contest. Synchronic measurement in kinematics and dynamics is taken with six Wushu athletes on the Motion Analysis System in the biomechanics lab of Shanghai PE Research Institute .The mechanism of it in biomechanics is found out to instruct the training.

Key words：Flying Kick with Backward Turning at 180°; Biomechanics   Comparison Analysis

1  研究目的

腾空飞脚向内转体180°是新竞赛规则太极拳难度动作，据统计，九运会该动作总的失误率达93.7%^[9]。本文拟从对太极拳腾空飞脚向内转体180°技术的运动学、动力学参数进行测量、描述、计算，准确地把握该技术动作形成的运动学、动力学的规律，从而为运动员尽快更好地完成腾空飞脚向内转体180°提供理论依据，也为其它难度动作的顺利完成提供方法论参照。

2        研究方法 

2.1 文献检索法

查阅运动生物力学、运动生物力学测量、运用运动生物力学解决体育运动技术问题和武术运动技术问题等方面的文献资料。

2.2 专家咨询法

调查访问武术专家、生物力学专家和武术教练员。

2.3 多机同步测量法 

2.1 Motion Analysis 运动分析系统解析法

利用上海体科所生物力学实验厅美国生产的Motion Analysis运动分析系统的4台红外线摄像机对每个运动员进行摄像采样，再经三维坐标分析计算，完整记录动作过程中人体各关节点位置三维空间坐标的原始数据，再解析出角位移、角速度、角加速度、位移、线速度、加速度等。

2.2 三维测力台测试法

利用上海体科所美国生产的型号为Analog R/C ASC I三维测力台测取运动员起跳和着地时动力学参数：Fx、Fy、Fz、Mx、My 。        

2.3 对比分析法

对各运动员成功的动作特点与失败的动作特点进行运动学和动力学参数的进行分析对比综合出该动作的一般技术特征。

3  研究对象

以上海体育学院武术队六名运动员为研究对象。一级运动员五名，武英级运动员一名。

4  实验测试

4.1 实验仪器设备

Motion Analysis 运动解析系统由四架高速红外摄像机及其跟踪显示器、型号为Analog R/C ASC II测力台和计算机处理中心组成，三者由同步器相连。三维标定框架一台。另有标志物Marker。日本产Sony牌数码摄像机一台。

4.2 实验测试现场布置

实验现场布置

4.3 实验测试过程

在上海体育科学研究所生物力学实验厅运用美国Motion Analysis 公司生产的Motion Analysis 运动解析系统对这六名运动员的腾空飞脚向内转体180°动作进行运动学和动力学同步测试。在一名运动员的二十个测试点贴上Markers,运动员提膝独立站在测力台上完成腾空飞脚向内转体180°，四台红外摄像机同步进行摄像。每动作取样时间为7秒，红外摄像机取样频率是120幅/秒，测力台取样频率是1000次/秒。其余运动员如是依次进行。实验测试点为从左肩到右足尖的二十个标定点。

5  研究结果与分析

5.1动作阶段的划分和动作完成情况判断

在六名运动员所做的十次动作中各自选择其中有特征的动作一次，将整个动作划为：起跳预蹲到独立平衡六个阶段。：最大预蹲到独立平衡六个特定时刻。

以起跳前和着地后右脚与X轴夹角变化、拍脚时右肩与右足尖Z轴坐标大小比较判断动作完成情况，发现：运动员A1拍脚不过肩，转体度数较小；运动员A2拍脚不过肩，转体度数很小；运动员A3拍脚不过肩；运动员A4拍脚不过肩，转体度数小；A5拍脚不过肩；运动员A6着地后向右侧小跳。

5.2 起跳蹬伸阶段的运动学和动力学表现及对比分析

5.2.1 起跳角（起跳时髋关节中心与足尖连线和地面水平线Y轴的夹角）

起跳角反映的是起跳时运动员重心与起跳点之间的位置关系，反映了起跳前重心移动的幅度，也反映冲量在不同方向的大小分布状况。运动员A6有着较大的起跳角，因此，他在垂直方向有较大冲量，贮备了较大的垂直方向动量。

5.2.2 起跳蹬伸阶段

左膝角最大值

起跳蹬伸阶段左膝角最大值反映的是左小腿的摆动幅度。运动员A2、A3、A5有着较大的摆动幅度；运动员A1、A4、A6有着较小的摆动幅度。

5.2.3 起跳时刻右手臂与X轴的夹角

起跳时刻右手臂与X轴的夹角反映的是右手臂挥动范围，运动员A1、A6有着较大的挥臂范围。

左腿摆直和右手臂较大幅度的上摆能提高身体的重心，加大地面对人体的支撑反作用力及提高人体对额状轴的动量矩贮备。有利于右腿在前方的拍脚高度，运动员A6即为此例。

5.2.4 起跳蹬伸阶段

肩髋夹角角速度

起跳蹬伸阶段肩髋夹角角速度变化趋势是：运动员A1、A3、A4、A5都是从正峰值减小到零向负值转变，运动员A2、A6则相反。

肩髋夹角角速度反映了左髋关节先动还是左肩关节先动。可以看得出运动员A1、A3、A4、A5在起跳蹬伸阶段是左髋关节先动。起跳蹬伸阶段左腿摆直后再屈膝向左后带回，加大了地面作用力的偏心力矩，把动量矩贮备在左腿及躯干左下侧。

5.2.5 起跳蹬伸阶段右髋角速度、右膝角速度、右踝角速度比较

运动员A1、A6在大多数时间里的右髋角速度、右膝角速度、右踝角速度依次减小，运动员A2则相反。运动员A3、A4、A5则右膝角速度较快。

从髋、膝、踝角角速度比较来看，起跳蹬伸阶段运动员A2、A3、A4、A5的各关节的运动顺序是小关节先动，违反了关节活动顺序性原理，起跳的右腿力量没有得到充分的发挥。

5.2.6 踏跳时间

运动员A2、A3、A4的踏地时间短，踏跳时间较长有利于重心在垂直方向的加速。

5.2.7 起跳蹬伸阶段的动力学表现

起跳蹬伸阶段运动员A3 、A5有着较大的My负峰值。 运动员A2 、A6的值则很小。

Mx是使身体向前后转的偏心力矩，运动员A5的正峰值远大于其他运动员的值；My是使身体向左右转的偏心力矩，运动员A3的负峰值最大，其他依次为运动员A5、A4、A1、A2、A6。这是运动员A5、A1、A3转体度数较大的决定性因素。

5.3 腾空阶段的运动学表现

5.3.1 腾空时刻右髋角速度

腾空时刻的右髋角速度反映的是身体右侧动量矩对髋额状轴的大小，运动员A6具有大得多的右髋角速度，因此他具有对于其自身转动惯量大得多的对髋额状轴的动量矩。这源于他具有较大的起跳角。

5.3.2 腾空拍脚后左膝角的变化幅度

运动员A2和A5拍脚过后左膝角有较大幅度的变化，运动员A1为最小。

5.3.3 腾空拍脚时刻右膝角速度

腾空拍脚时刻右膝角速度反映的是右小腿收回还是伸展。腾空拍脚时刻运动员A2、A4的右膝角速度仍为正值，即还没有收回右脚。运动员A5有着最大的收腿速度，为-310.01 Degrees/s 。

拍脚后左膝角的变化幅度大小与拍脚后身体转动度数有着密切的联系，因为当左膝以较大幅度打开时，由于重力矩的作用，较大幅度地损失了身体对额状轴的动量矩。腾空阶段整个身体动量矩守恒，所以身体对垂直轴的动量矩增加。当左膝以较大幅度打开时，左腿对额状轴转动惯量增加，转动速度减慢制动，同时把动量矩传递于躯干，这一点从左肩速度和右膝速度加快可以看出，躯干转动速度加快使身体右侧向左后转去。运动员A2、A5左膝角有着较大幅度的变化，有利于转体。当然这还与运动员右膝的角速度有密切的联系，即收腿的快慢和适时。右小腿在与右手相击后及时快速地收回，减小了身体对纵轴的转动惯量，加速了身体的旋转速度。运动员A5这两个值都较大，所以转体幅度大；运动员A3次之。

5.3.4 腾空拍脚阶段的躯干倾角变化幅度

腾空阶段运动员A6的躯干倾角变化幅度最小，运动员A3、A5次之。

腾空阶段躯干倾角有较小幅度的变化有利于右脚拍起高度，因为起跳后躯干稍微后仰，再反向前倾加速然后较快地制动，有利于动量矩向右下肢传递，同时也减小了因为重力矩的作用人体对髋关节额状轴动量矩的损失，加速右腿向上运动。运动员A6即为此例。躯干倾角有较小幅度的变化，则躯干对地面垂直轴的转动惯量也有较小的变化，有利于身体绕对地面垂直轴的旋转。

5.3.5 腾空时间

运动员A1、A5、A6有着较长的腾空时间，以运动员A6最长；运动员A2、A3、A4则相反，以运动员A4最短。

腾空时间决定于起跳时重心的速度，尽管运动员A2、A4有着较大的Fz的峰值与自身体重的比，但起跳腿没有充分利用关节活动顺序性原理，起跳蹬伸时踏地时间短；运动员A3的Fz的峰值与自身体重的比较小、踏地时间短且起跳腿没有充分利用关节活动顺序性原理，使重心得不到充分的加速，因而腾空时间短。

5.4 着地阶段的运动学表现

恰当的着地角（着地时髋关节中心与足尖连线和水平线Y轴的夹角）是着地稳定的重要条件，它反映着地时人体的重心与着地点之间的位置关系。反映了着地后缓冲重心移动的幅度，也反映冲量在不同方向的大小分布状况。恰当的着地角有利于地面支撑反作用力和及其力矩克服身体碰撞地面时所具有的动量和动量矩。运动员A1、A3、A5转体度数大且着地成功。因而着地角以90° 左右为宜。运动员

A6的着地角较大，地面支撑反作用力和及其力矩没能克服身体碰撞地面时所具有的动量和动量矩，因而他向右跳出。运动员A2、A4以较小的着地角稳定着地则是与其碰撞地面时所具有的动量和动量矩相适宜的。

6  结论

6.1 为了获取较高的动作腾空高度，运动员在起跳蹬伸阶段应充分发挥关节活动顺序原理，让起跳腿大关节先活动，即髋关节——膝关节——踝关节的循序进行；

6.2 起跳蹬伸阶段，左腿摆动时应摆直然后屈膝向左后带动，使左髋领先于左肩向左后运动；右手臂以较大幅度向上直摆；右髋积极前送以大腿带动小腿使右脚与右掌迎击；

6.3 右脚在拍脚后及时收回，左膝角以较大的幅度打开有利于转体的完成；

6.4 躯干倾角在腾空拍脚阶段应有较小幅度的变化；

6.5 着地角90°左右为宜。

7  参考文献

1.叶永延等. 运动生物力学.第二版[M]，北京：高等教育出版社，2000，241-247

2.李杰等. 国际武术套路竞赛规则[J]. 北京：人民体育出版社，2004， 23-24