摆动和静止引体向上技术的力学分析

·运动生物力学· 摆动和静止引体向上技术的力学 那树森　刘静民　(清华大学,北京　100084) 摘要　在引体向上技术中, 有两种技术形式,一种为静止发力向上拉起,一种为摆动发力向上拉起。同一个人在同 等条件下, 由于采用不同技术形式,最后成绩相差十分明显。摆动拉起技术的效果之高,令人惊奇。本文在力学、生 物力学和能量转换等方面对两种技术进行分析、比较、研究,试图从中找出原理所在。 关键词　运动生物力学　技术分析　能量转化 The Mechanics Analysis of Swinging and Static Pull-up Na shusen et al ( Tsinghua University, Beijing, China 100084) Abstract　There two fo rms o f technique in t he technique o f pull-up/ chinning . One is the static initiation of streng th, the other is the swinging initiat ion of str eng th pulling upw ard. For t he same per son, under t he same condition, due t o applying different form of technique, t he effectiv enesso f sw inging pull-up is such high that make one surpr ise. I n this paper , the author tends to analysis, compare, and study these t wo fo rms o f technique, using explanation o f m echanics, biomechanics, and the tr ansfo rma tion of energ y , through which aim to find the basic principle of pull-up/ chinning. Key Words　Swinging pull-up, Static pull-up, effectiv eness, ransformation of ener gy , energ y sav ing . 前　言　引体向上有两种技术形式: 一种为静止发力向上拉起, 另一种为摆动发力向上拉起。多年教学中,在引体 向上的考核上, 只要不严,学生大都愿意采用摆动拉起技术做引体向上。与静止拉起技术相比较,在同等的身 体、器材等条件下,摆动拉起技术做引体向上的最后成绩要明显高于不摆动的静止拉起技术。为验证这两种不同 引体向上技术在成绩上的差异, 我们在清华大学一年级男生中, 挑选了不同水平、条件各异的学生 100名, 在同等 条件下做了不同技术形式的对比试验, 结果见 1。 表 1　静止和摆动拉起技术做引体向上结果统计表 样本数 平均值 差 最大值 最小值 静止 100 9. 08 2. 7191 17 4 摆动 100 17. 11 4. 0544 28 9 从表 1 中看到, 同一个人在同等条件下,由于采用了不同的技术,最后的成绩竟相差如此之大, 摆动拉起技术 的有效性之高, 确实令人惊奇。那么,其原因何在呢? 本文试图在力学、生物力学和能量转化等方面对两种技术进 行分析研究, 并找出摆动引体向上比静止发力引体向上完成次数多的原因所在。 1　力学分析 为了便于分析, 我们先把“人体”作为一个整体来进行研究, 认为人的质量全部集中在整体质心上, 手臂的拉 力方向通过质心, “人体”在摆动时看作是单质点 N 的摆动。 1. 1　静止发力 起始时, 拉力 F> 重力 mg。在上升过程中,可近似认为是竖直地匀速向上拉起 ,此时忽略人体的摆动, 拉力 F = 重力 mg 1. 2　摆动发力 此过程可分为二个阶段: 利用身体的形变和预备动作, 这是第一阶段;摆起摆至极限位置, 也就是当质心由 N ·26· 《四川体育科学》1997 年第 1 期(总第 78 期)　Sichuan spoes Sciens 1997 No. 1( No . 78 in t otal) 点运动到极限 M 点时,开始回摆的一瞬间,其切线加速度 a 为最大值这是第二阶段。 根据达伦贝尔原理, 在其低位( N )时,动平衡条件为: FN = mg 在其高位( M )瞬间时, 动平衡条件为: FM= Fø ( mg) 2= Fø 2+ Fa2 Fa= ma F ø2= ( mg) 2-Fa2 F ø= ( mg ) 2- Fa2 所以 　　F ø< mg　　即 FM< mg 因此, 摆动时向上的拉力小于静止时向上的拉力。　　图 1 静止发力　　　　　　图 2摆动发力 同时, 质心由 N 到 M 点时, 质心上升了 D因而也就储存了势(位)能, 在摆起至极限位置这一过程中, 储存的 势能可转化为向上动能, 有利于完成动作。虽然这部分势能也须由人体做功来完成, 换句话说,摆动并不比静止方 式省功, 但由于通过摆动使得 FM 减小了, 这对于臂力相对较小, 爆发力相对较差的人可以通过较好的耐力得到 弥补, 增加引体向上动作完成次数。因此,我们从力学角度可以确定,利用摆动发力技术做引体向上, 能起到省力 的作用, 从而增加完成次数。 2　生物力学分析 2. 1　双关节肌的利用效果 根据生物力学的观点, 双关节肌受激发后,在其它条件不变的情况下, 可使跨过的两个关节的全部肌肉发挥 的总肌力降低, 从而达到省力目的,我们用 sto r ck( 1951 年)提出的绞链模型来说明(见图 3) 图 3　绞链模型图 A、Aø、B、Bø均为绞链, 代表关节, K 1、K2、K 3、K 4、K 5 是弹簧测力计, 均代表肌肉, 显然, 这里 K 1、K 2、K3、K 5为 单关节肌, K 4 为双关节肌。 根据实验数据和理论计算, 负荷同为 M= 1kg 时, FK1= 7. 2N , FK 2= 10. 5N , FK3= 0N , FK 4= 8. 2N , FK 5= 3. 5N。左图的总肌力为 17. 7N , 右图的总肌力为 11. 7N , 显然, 右图中的双关节肌 K4 起了关键为 17. 7N , 右图的总 肌力为 11. 7N , 显然,右图中的双关节肌 K 4起了关键作用,从而达到了省力的要求。而在引体向上中起重要作用 的肱二头肌和肱三头肌都是双关节肌, 由于摆动,可以使双关节肌得到充分伸展,总肌力得到更为有利和充分的 利用。因此, 摆动比不摆动节省了总肌力,有利于增加完成次数。 2. 2　能量损失的分析 根据前苏联 Bijkonov 的实验证实,肌腱、韧带和肌肉的周期性作用引起的滞后现象的出现可引起组织中能 量损失的减少。静止发力和摆动发力都是具有周期性的, 但是,由极限位置摆动向上至位置的一瞬间,会有极 短的时间在惯性作用下双手离杠, 这段很短的休息时间使肌肉组织得到了很大的松弛。因此, 摆动引起的滞后作 用更强, 从而能量损失更小。另一方面, 肌肉的阻尼是导致能量损失的重要因素, 而肌肉阻尼可随应力增长 2倍至 20倍。摆动比静止应力增长小, 阻尼也相对较小, 也就减少了肌肉组织中的能量损失,有利于增加完成次数。 ·27· 那树森,等　摆动和静止引体向上技术的力学分析 3　能量转化的分析 肌肉与肌腱的生物力学性能对于运动效率有很大影响。体育运动中的力量、速度和运动的有效性等是以运动 员成功运用身体内运动系统的生物力学性能的程度为转移的。运动时的力和速度可因利用弹力而得以加大和提 高; 而技术动作的有效性,则要依靠机械的再利用和减少耗散性损失来达到。其中, 肌肉的生物力学性能对此有决 定的作用。正是通过肌肉运动完成了势能的贮存、释放和向动能转化。下面从这两个方面,讨论一下摆动与静止引 体向上的差别: 3. 1　运动的力和速度方面 我们都知道,原地纵跳这一技术动作, 下蹲后再起跳的成绩要高于不下蹲的高度, 这就是利用了肌肉预伸所 产生的弹性变力。在摆动引体向上技术中, 摆动的动作使身体产生形变,特别是腰腹及肩带部分,利用这部分肌肉 的弹性变力, 使身体产生相应的上升力和速度,会有利于向上的拉起。相反, 静止引体向上技术中由于没有这部分 上升力和速度, 必须要靠肌肉向心收缩产生向上拉力, 也就相对“费劲”得多。 3. 2　运动的有效性方面 在周期性运动中, 弹性形变势能的再利用大大减少了能量消耗。比如在引体向上中, 我们把一次向上拉起再 放下称为一个周期。摆动向上拉起放下时, 利用重力的势能, 通过身体形变,把这些重力势能贮存在肌肉中,变成 弹性势能, 为下一周期预备了能量。而静止拉起放下这一段中重力势能再利用则非常少。在肌肉与腱的结构中,贮 能要有外力对肌肉的作用, 如前臂屈肌等长收缩时, 积累不超过 2J( cobel, 1974)。摆动由于既有水平运动也有垂 直运动, 加大了外力对肌肉的作用。因此,贮能效果明显好于静止发力。贮能的多少决定于外界条件, 比如,从高处 跳下后再向上跳起, 人们会发现从 60cm 处跳下时, 跳起的高度最大,这就是这个动作的最佳贮能条件。对于引体 向上, 贮能主要在肩带、腰腹、脊柱及上臂的弹性形变。利用贮能越多,代谢所需产生的能量也就越少,动作自然会 轻松许多。周期摆动正是有效地利用了势能的转化、释放和再转化、再释放, 从而节省了能量, 有利于完成动作。而 静止发力引体向上则没有这些外部因素 ,对上肢及肩带肌肉的要求更高, 发展这部分肌肉的效果会更好。 4　利用器械有效性的分析 摆动比不摆动引体向上对器械(单杠)的作用力大。由钢等弹性材料制成的器械受力越大,变形越大, 反弹力 越大, 因而对人体产生的向上的力也就越大。如果会利用这个向上的力, 顺势而上,则对动作的完成帮助很大。当 然, 如不能顺着力的方向,而是与力的方向相抵触 ,则对完成动作没有帮助。这种原理同荡秋千一样, 会充分利用 器械反弹力的人就会越荡越高。能否很好地发挥器械的有效性, 对完成引体向上关系很大。相反,不摆动做引体向 上则利用器械的有效性不如摆动的明显。 5　结论 5. 1　综上所述,摆动发力做引体向上的次数高于静止发力 ,并不是完成动作者本身的肌肉力量加大了, 而是较充 分地利用了能量、运动的有效性等外部因素,才使完成的次数增加。 5. 2　如要以增强肌肉力量和身体素质为目的,应以静止方式引体向上为主要练习方法, 摆动方式引体向上不宜 提倡。 5. 3　正是由于静止与摆动方式在完成次数上会产生明显差异, 因而,在锻炼和考核中应从难从严要求, 这也符合 公平竞争的体育原则。 参考文献 1　B. M 扎齐奥尔斯基 . 运动器官生物力学 . 人民教育出版社, 1975 2　A. C 阿鲁因, B. H 谢鲁扬诺夫 . 运动生物力学 . 人民教育出版社, 1978 3　运动生理学 . 北京体育学院出版社, 1991 ( 1997—01—02 收稿　　1997—03—03 修回) ·28· 《四川体育科学》1997 年第 1 期(总第 78 期)