摘要:
查阅了近年来国内、外学者运用运动生物力学的原理和方法对竞技体操的研究。旨在了解目前国内竞技体操的发展现状，了解运动生物力学在竞技体操方面研究的发展趋势。从查阅结果看，运动生物力学在体操方面的研究相对较少，从已有的研究来看，研究的选题内容逐渐扩大，研究手段夜日趋丰富。运动技术诊断在运动生物力学研究中占主流，但研究的方法得到了进一步完善，测试仪器精确度水平也不断提高。
1 前言
体操作为我国传统优势项目，一直担负着为我国争金夺银的重任。多年来，在世界大赛中，多次为国家赢得巨大荣誉。在2008 年北京奥运会上，中国体操队斩获了 9 枚金牌，包括男子、女子团体、男子全能、鞍马、单杠、双杠、自由体操、吊环和女子高低杠，整体实力已达到了巅峰。［1］但随着国际体操的不断发展和规则的变化，其他国家的竞技实力也逐渐增强，与我国的差距逐渐减小。这要求我们在体操技术动作的难度上不断地研究，以期提高动作难度，获得更高的起评分，以及在动作创新上下功夫。
运动生物力学是生物力学( Biomechanics) 的一个重要分支，主要是应用力学原理和方法研究生物系统的结构和功能。运动生物力学也是体育科学中的一门重要学科，对我国体育事业的发展起着至关重要的作用。特别是在各体育项目中的技术分析、运动训练、设计和改进运动器材、装备和设备、预防运动损伤等发挥着重要作用。［2］本研究综述了近年来国内、外学者对竞技体操在运动生物力学方面的相关研究，为今后的进一步研究奠定基础，为教学训练提供数据参考和理论依据。
2 竞技体操的发展趋势
竞技体操是展示人体在跑动、支撑、悬垂、腾空中，精确地控制身体，巧妙地借助器械，完成复杂而优美动作的竞技项目。［3］无论是翻腾、飞行、平衡或静止，竞技体操技术动作的四大因素，即“难”、“新”、“美”“稳”是在竞技场上取胜的关键。因此，“难”与“美”的高度统一始终是技术发展的总趋势。
创新是竞技体操的重要特征，创新是竞技体操发展的灵魂。没有创新体操便失去了生命力。［4］纵观世界大赛可以清楚地看到，没有独创的高难动作和自己的技术风格，要想获得世界冠军是不可能的。一个独创的难新动作往往能为体操技术的发展开辟一个全新的领域。［5］场地器材和保护设备的完善与更新．也促进着新技术的产生。我们从跳马所应用器材的改变就可以看出，更新后的器械为踺子类上板起跳动作提供了广阔的创新空间，高低杠两杠之间距离的加大。又为飞行动作的发展提供了优越的条件，再加上规则的导向，创新动作更是成为比赛不可缺少的因素。［6］
延长运动员运动寿命成为体操发展的新动向，［7］我国运动员的运动寿命相对西方各国来说较短，有些运动员 14、15 岁左右就已经成为老运动员了。
17、18 岁左右就可能考虑退役，尤其是女子。而像俄罗斯、罗马尼亚等国家有
些运动员直到 26、28 岁还作为主力活跃在赛台，其中男子更为明显。例如白俄罗斯的老将伊万科夫 26 岁雄风依旧，28 岁的保加利亚选手朱切夫完成动作的高质量和稳定性仍然优于许多年轻选手。8］而延长运动员运动寿命主要是对伤病的预防和康复治疗。
3 运动生物力学在竞技体操中的研究与发展
3． 1 运动生物力学在竞技体操中的理论研究
运动生物力学基础理论的研究、运动生物力学方法学作为运动生物力学的基础学科一直以来都能够得到一定的重视，只有具备稳定的基础才能够有所突破与发展，理论与方法学的研究近年来都比较稳定，研究投入略有上升。［9］如钱竞光编著的《体操运动生物力学》，将经典理论力学与具体体操动作巧妙结合起来，不但解决了体操运动的具体问题，也建立了一套体操运动的生物力学理论。［10］
3． 2 运动生物力学在竞技体操中研究方法的发展
由于竞技性体操属于难度技能类项目，因此，动作技术研究成为体操科学研究的主要内容之一。体操技术研究主要是指竞技性体操的技术研究。研究的主要内容有基本技术、高难度技术、连接技术等。运动生物力学对体操技术的研究主要是运动学、肌电学以及动力学分析等研究方法，对高难度、创新动作进行分析，［11］研究和改进和创新动作，为教练员对高难度动作训练提供理论参考。
3． 2． 1 运动学分析
随着运动生物力学的发展，检测手段从二维摄影技术发展到三维立体摄影，随着摄像技术的不断进步，从一开始每秒 25帧的普通摄像机捕捉到后来的每秒 1000 以上的三维高速摄像机。［12］随着高速摄像机采集频率越来越高，还有一些更为精确定位的三维动作捕捉系统，包括 ARIEL、MOTION ANALYSIS、VICON、QUALISYS、像 ei 等系统也越来越多的应用到运动生物力学的研究过程中。
宋雅伟、钱竞光通过 ARIEL 影片解析系统，对 7 名江苏籍一线体操运动员和陆斌的跳马前手翻直体前空翻转体 540°动作技术的运动学参数进行比较分析，运动员需增加助跑速度，以获得较大速度上板; 踏板时，减小膝关节角度，提供蹬伸所需条件; 缩短第一腾空时间，积极主动撑马，为做较大背弓需保持适宜髋膝角度; 推手短促有力，注意延长第 2 腾空的时间及这阶段身体形态和用力方式的控制。［13］钱竞光、苏扬等通过 MO-TION ANALYSIS 红外捕捉系统对 13 名运动员的鞍马全旋动作进行同步拍摄、运动学分析，总结出鞍马全旋一周中，双臂支撑阶段耗时所占比例基本一致，单臂支撑阶段耗时所占比例基本一致，且前者所占比例明显少于后者。［14］岳卫亚等采用人体三维转动新的运动学指标和方法—卡尔丹角及绝对角速度对江苏队健将级运动员吕军海跳马侧手翻直体侧空翻转体 990°高难技术动作进行了全过程测试分析，揭示了该高难动作技术三维转动规律以及侧翻、空翻、转体技术特征，为我国运动员发展和改进此类动作技术提供了全新的理论和实践上的参考依据［15］
3． 2． 2 表面肌电分析
随着人们对表面肌电信号的深入了解，肌电测试系统也逐渐被使用到运动生物力学的研究中，用肌电测试系统测量人体内部机制的参数，从而形成可量化的内外兼顾的测量数据。［16］从发展趋势可以看出，三维运动学分析结合肌电分析和测力系统分析越来越受到研究者的关注。国外学者通过表面肌电对竞技体操项目的研究相对较多。
SYLVAIN M． BERNASCONI 等使用表面肌电测试仪器，针对不同辅助器械帮助下完成体操吊环阿扎良动作，选取肩部 11块肌肉进行了表面肌电测量和分析。目的是比较在两种不同辅助训练器械下完成阿扎良动作时肩部肌肉的激活情况。结果显示，菱形肌、冈上肌、三角肌( 前、中、后束) 、肱二头肌、肱三头肌有显著差异( P ＜0． 05) 。［17］Manuel Jorge Almeida Campos 对一名国家队高水平体操运动员使用 12 种不同器械来完成水平十字动作时肩部8 块肌肉的肌电信号进行了采集、处理和分析，对所选 8 块肌肉的表面肌电进行组间、组内相关性分析和共激活情况分析。［18］
苏杨使用美国 Noraxon 公司的 TeleMyo 2400R 表面肌电信号采集系统和红外三维影像解析系统对鞍马全选动作进行了同步分析，得出了在鞍马全旋过程中参与的肌肉及各肌群之间具有明显的节律性等特征。［14］牛健壮等通过拉力传感器的测试，并配合高速摄影机、遥测肌电仪的同步测试和研究，探讨吊环项目中 5 个动作在后摆振浪过程中测力曲线变化的趋势，为技术动作的教学与训练提供了有关理论依据。［19］
3． 2． 3 多体动力学模拟仿真分析
人体是一个非常复杂的弹性体，人体肌肉的收缩规律极为复杂，特别是对人体各关节间内力和内力矩的测算与控制在实际中仍是一个未解决的问题。但是，有一个方法已经被人们所共识，就是把人体看作由多个刚体组成的多刚体系统。［20］随着多体系统动力学的发展和计算机的普及，人体动态模型方法越来越多地运用于体操训练实践。用高速摄影机拍摄体操运动员的动作，并进行影片解析，获得运动员运动过程中的位置、速度、加速度、角度、角速度、角加速度等运动学参数，和由人体数学模型获得的人体惯性参数一起输入计算机程序，可求出对应于各个广义坐标的关节力矩和力。再通过力矩和力的输入并对微分方程组进行积分求解，来模拟和控制动态模型的动态过程。［21］
钱竞光等根据多体动力学原理，进行了单杠后摆空翻再握创新动作的计算机设计和实验训练，建立了模拟人体运动的动力学模型。通过动力学模型可以设计新动作，并确定其设计是否合理，运动员能否完成，怎样才能完成，以促进技术创新，减少伤害，提高成功率。［22］苏杨和李广凯用 LIFEMOD 仿真软件分别对体操鞍马全旋动作进行了计算机多体动力学建模与仿真和蹦床起跳动作进行了模拟仿真。［14］通过计算机模拟仿真，先通过反向动力学分析技术动作过程中各肌肉和关节的肌肉力和关节力，再通过正向动力学分析模拟创新动［23］
计算机模拟仿真是体操技术动作创新研究的一种趋势，它通过反向动力学分析运动过程，通过改变肌肉力、关节力等参数再经正向动力学模拟创新动
