女子撑竿跳高各阶段指标对运动成绩的影响

潘 旭,郑 哲,刘功聚,潘慧炬

(1.浙江师范大学，浙江 金华 321004；2.浙江体育职业技术学院，浙江 杭州 311231)

0 前 言

撑竿跳高运动经历木竿时代、竹竿时代、金属竿时代、玻璃纤维竿时代，不同时代运动员使用的器材、采用的技术动作都有所不同。玻璃纤维撑竿的出现，使撑竿跳高的技术发生了巨大变化。如图1所示，现代撑竿跳高是将助跑和起跳获得的动能储存为撑竿的弹性势能，再通过释放弹性势能转化为人体重力势能，获得高度的竞技运动。通过中国知网查找关于撑竿跳高的文献，发现目前国内撑竿跳高的研究，主要集中在助跑和起跳阶段，对于起跳后腾空阶段的研究较少。王鹏(2014)[3]、王国杰(2015)[4]、许占鸣(2017)[5]和梁美富(2018)[6]对腾空阶段的运动学特征进行了研究。

以往的研究中，研究运动学的指标对运动成绩影响时，是以运动员越过的横杆高度作为因变量，本文以运动员质心高度(质心最高点)作为因变量，且以往研究中很少对失败试跳进行研究，撑竿跳高比赛最终都是以运动员失败试跳结束的，所以探讨失败原因对于运动员来说，是最为迫切及实际需要的。本研究将基于采集到的2019年全国室内田径锦标赛总决赛(杭州站)女子撑竿跳高的数据，探讨影响运动员质心最大高度及试跳成功/失败的因素。

图1 撑竿跳高能量转化阶段示意图

1 研究对象与研究方法

1.1研究对象

以2019年全国室内田径锦标赛总决赛(杭州站)女子撑竿跳高运动健将以上运动员(表1)的技术动作(助跑最后2步和起跳至推竿环节)为研究对象，共34次试跳，具体跳次见表2。

1.2 研究方法

1.2.1 三维录像解析。为了获取运动特征数据，本研究采用两台SONY(HDR-FX1000E)摄像机，同步定点、定焦拍摄运动员助跑最后2步和起跳至推竿过程。两台摄像机分别放置于比赛场地两边看台上(图2)，摄像机高约为5m，两台摄像机主光轴夹角约120°，拍摄频率25帧/s，赛前采用辐射式PEAK框架对运动空间进行标定。后期运动技术的数字化采用德国SIMI Motion8.0运动分析系统对运动员的技术视频进行解析，解析频率为50场/s(每帧拆为2场)，为获取人体指标数据，本研究在解析系统中确立15个人体环节标记点(头、左肩、右肩、左肘、右肘、左手、右手、左髋、右髋、左膝、右膝、左踝、右踝、左脚尖、右脚尖)，原始位置数据采用8Hz低通滤波对关节点数据平滑，运用DLT法计算空间坐标。人体质心计算采用Hanavan人体数学模型。

表1 本研究对象基本信息一览表

1.2.2 技术指标界定。

步速：前一步着地瞬间至下一步着地前身体质心平均速度，单位(m/s)。

质心最高点：质心同地面最大垂直距离，单位(m)。

起跳离地Vz：起跳离地瞬间垂直方向的速度，单位(m/s)。

起跳离地Vx：起跳离地瞬间水平方向的速度，单位(m/s)。

Vz增加量：起跳离地瞬间垂直方向的速度-着地瞬间垂直方向的速度，单位(m/s)。

Vx损失量：起跳着地瞬间水平方向的速度-起跳离地瞬间水平方向的速度，单位(m/s)。

下手推竿躯干角：下手推离撑竿瞬间身体躯干角(躯干角是两肩中点与两髋中点连线与水平面夹角)，单位(°)。

质心与横杆距离：人体质心最高点距横竿的水平距离，单位(m)。

起跳环节：起跳脚着地时刻至起跳脚离地时刻。

悬垂环节：起跳脚离地时刻至身体形成最大背弓时刻。

摆体环节：身体形成最大背弓时刻至撑竿最大弯曲时刻。

团身环节：撑竿最大弯曲时刻至起跳腿最小髋角时刻。

伸展环节：起跳腿最小髋角时刻至下手推竿时刻。

推竿环节：下手推竿时刻至上手推竿时刻。

表2 研究跳次一览表

图2 本研究现场布置示意图

图3 各动作环节特征时刻画面

2 结果与分析

2.1 各阶段指标与质心高度的关系

2.1.1 助跑阶段。助跑是运动员动能的来源，有国外研究表明助跑速度与跳高成绩有显著的正相关，柿崎繁信(2005)[7](r=0.85，P<0.01)，田村熊志(2012)[8](r=0.80，P<0.05)，本研究提取“倒二步”和“倒一步”的步速。通过皮尔逊相关性检验“助跑步速”与质心高度的关系，结果见表3。

表3 助跑阶段各指标与质心高度相关性

注：**表示在0.01水平(双侧)显著相关；表4同

图4 V倒二步与质心高度相关关系

图5 V倒一步与质心高度相关关系

由图4,5、表3可知，“助跑步速”与质心高度呈现出高度的正相关，皮尔逊相关系数分别为0.731、0.749，该阶段指标结果与前人研究一致。进一步证明助跑阶段步速是决定成绩的重要因素之一。

2.1.2 起跳阶段。根据王国杰(2015)[4]、梁美富(2018)[6]等前人研究，提取以下指标：起跳离地Vz、起跳离地Vx、Vz增加量(离地Vz-着地Vz)、Vx损失量(着地Vx-离地Vx)、起跳瞬间质心腾起角度、起跳时间(指起跳着地瞬间到离地瞬间所用的时间)。通过皮尔逊相关性检验上述各指标与质心高度的关系。

表4 起跳阶段各指标与质心高度相关性

图6 起跳离地时水平速度与质心高度相关关系

图7 起跳离地时垂直速度增加量与质心高度相关关系

由图6，7、表4可知，起跳离地时Vx与质心高度呈现出显著的正相关关系，即水平速度越快，质心就越高。离地时Vz增加量、腾起角度与质心高度呈现出显著负相关，即起跳时质心腾起角度不宜过大。起跳角度由起跳离地时质心垂直分速度(Vy)与水平分速度(Vx)的比值大小决定。由于在起跳的同时，需要插穴竖竿制动，如果垂直分速度的值过大，就会导致起跳角度较大，不利于充分利用水平速度[9，10]。

图8 离地瞬间质心腾起角度与质心高度相关关系

2.1.3 起跳后腾空阶段。腾空阶段可细分为：悬垂、摆体、团身、伸展、推竿环节。这阶段目前国内研究较少，王鹏(2014)[3]探讨了撑竿的弦长变化，得出“弯竿量”与下手推竿时垂直速度呈现出正相关关系。王国杰(2015)[4]分别提取了悬垂、摆体、伸展各环节的垂直速度和水平速度及所占的时间比例。梁美富(2018)[5]也提取了“弯竿量”这一指标，分别计算了起跳、悬垂和摆体环节“弯竿量”的百分比，及摆体速度、幅度与“弯竿量”的关系。在实践研究中发现不同运动员使用的撑竿的竿长、弹性系数(倔强值)不同，所以不同运动员之间比较“弯竿量”可比性稍差。通过查阅文献发现起跳后的悬垂、摆体、伸展环节最终是为了创造最佳的身体过竿姿势[5]。因此提取指标：下手推竿躯干角(下手推离撑竿瞬间身体躯干角)

将下手推竿躯干角度与质心高度进行曲线拟合，结果是二次曲线。模型R2=0.19，显著性水平P=0.004<0.01，结果如图9。

图9 下手推竿躯干角度与质心高度关系

由图9可知，下手推竿时躯干角在40°～50°范围内质心高度较高，可以为运动员和教练提供参考。

2.2 影响成功失败的因素

将“质心高度未达到横竿高度的6次试跳”剔除，剩余28次试跳，接下来探讨质心高度达到横竿高度而失败的原因。

2.2.1 助跑阶段。将成功组、失败组的“助跑步速”指标进行独立样本T检验结果如表5。

表5 助跑阶段指标独立样本T检验

由表5可知，当质心高度达到横竿高度时，助跑速度对成功失败没有显著影响。

表6 起跳阶段指标独立样本t检验

2.2.2 起跳阶段。将成功组、失败组起跳阶段指标：起跳离地Vz、起跳离地Vx、Vz增加量(离地Vz-着地Vz)、Vx损失量(着地Vx-离地Vx)、质心腾起角度、起跳时间，进行独立样本T检验。

由表6可知，“起跳离地Vz”、“Vz增加量”和“质心腾起角度”对试跳的成功/失败是有显著影响。

“起跳离地Vz”成功组(2.17±0.23)小于失败组(2.43±0.23)，说明起跳离地时垂直速度速度不宜过大，引入ROC曲线(图10)确定“起跳离地Vz”临界值[11]，曲线显著性P=0.007<0.05。通过计算约登指数=敏感度+特异性-1，约登指数最大值对应的“起跳离地Vz”即为临界值[12]，通过计算得出“起跳离地Vz”临界值为2.21m/s，即“起跳离地Vz”不宜超过2.21m/s，超过该临界值试跳失败几率会大大增加。

“Vz增加量”成功组(2.11±0.3)小于失败组(2.37±0.32)，说明起跳离地时垂直速度增加量不宜过大，过大会导致“起跳离地Vz”速度超过临界值。

“质心腾起角度”成功组(18.95±2.1)小于失败组(20.73±2.25)，说明起跳腾起角度过大会导致人体过于向上，向前的水平分速度就会减少，进而会影响弓竿效果影响动能转化为撑竿的弹性势能。通过ROC曲线(图10)确定“质心腾起角度”临界值，曲线显著性P=0.032<0.05。通过计算得出“质心腾起角度”临界值为19.03°，即质心腾起角度不宜超过19.03°，超过该临界值试跳失败几率会大大增加。

图10 “起跳离地_V垂直”ROC曲线

2.2.3 腾空阶段。将成功组、失败组腾空阶段指标：“下手推竿躯干角”和“质心与横杆距离(人体质心最高点距横竿的水平距离)”进行独立样本T检验。结果见表7。“质心与横竿距离”这一指标的提取参考闫慧(2015)，运动员在腾空过竿中身体的质心轨迹最高点往往不能完全出现在横杆正上方，这在一定程度上降低了人体质心高度的利用率，因此为了更有效地利用质心高度，就应该尽可能地使运动员质心轨迹的最高点处于横杆正上方[13]。

图11 “起跳瞬间质心腾起角度”ROC曲线

变 量M±SD成功(n=15)失败(n=13)tP下手推竿时躯干角度(°)46.21±10.2040.07±9.791.6180.118质心最高点与横杆距离(m)0.14±0.110.38±0.28-2.9580.010

由表7可知“质心与横杆距离”对试跳的成功/失败是有显著影响的，成功组(0.14±0.11)小于失败组(0.38±0.28)，进一步说明质心最高点与横杆越近试跳成功的概率越高。通过ROC曲线(图12)确定“质心与横杆距离”临界值，曲线显著性P=0.005<0.05。通过计算得出“质心与横杆距离”临界值为0.24m，即“质心与横杆距离”不宜超过0.24m，超过该临界值试跳失败几率会大大增加。

图12 “质心与横杆距离”ROC曲线

结合上述结果，对徐惠琴、任梦茜、陈巧玲的指标进行评价，具体指标如下表。

表8 失败试跳各指标

徐惠琴二跳中“起跳离地Vz”“质心腾起角度”稍偏大，最主要失败原因是过杆时身体距离横杆较远徐惠琴4.55一跳中“质心与横杆距离”偏大。如果徐惠琴控制好过杆的身体姿势，试跳成功率将有明显提升，按照目前质心能达到的4.68m高度，成绩能达到4.6m，甚至更好。

任梦茜4.5二跳“起跳离地Vz”“质心腾起角度”均偏大，任梦茜4.15一跳“起跳离地Vz”“质心腾起角度”偏大，最主要失败原因是过杆时身体距离横杆较远，如果任梦茜起跳质心腾起角度降低，控制好垂直分速度，试跳成功率应该能明显提升。

陈巧玲以分站赛最好成绩4.40m进入决赛，但在决赛中表现欠佳，由表8可知，主要原因“质心腾起角度”偏大，且过杆时身体距离横杆较远。腾起角度过大，过分追求向上起跳，急于上杆。应减小腾起角度充分利用水平速度，增加离地瞬间身体向前的动量[9,10]。

3 结 论

3.1 “助跑步速”、“起跳离地水平速度”与质心高度呈现出高度的正相关；“离地时垂直速度增加量”、“起跳瞬间质心腾起角度”与质心高度呈现出显著负相关；下手推杆时躯干角在40°～50°范围内质心高度较高。

3.2 当运动员质心高度高于横杆时，试跳失败原因主要是“起跳离地垂直速度”、“起跳瞬间质心腾起角度”和“质心与横杆距离”，提高试跳成功几率“起跳离地垂直速度”不宜超过2.21m/s，“起跳瞬间质心腾起角度”不宜超过19.03°，“质心与横杆距离”不宜超过0.24m。