关键词:
跳台滑雪
起跳技术
空中飞行技术
惯性测量单元
运动生物力学
计算流体力学
仿真
气动特性
摘要:
研究背景与目的
跳台滑雪(Ski Jumping)属于我国冬奥潜优势项目,运动过程中起跳与空中飞行阶段的技术完成质量对运动表现影响程度最大,因此统称这两个重要阶段为关键技术环节。目前国内针对跳台滑雪关键技术环节的研究工作较少,多数为理论分析或定性研究、偶见仿真模拟分析,实地测试的定量研究较少,这限制了跳台滑雪项目的发展。随着科技技术的发展,先前研究中存在的局限性不断被新技术的应用所解决,如无线传输技术,惯性传感技术,仿真模拟技术等。借鉴并汲取国外先进技术是促进我国跳台滑雪项目发展的一个重要手段。
基于此,本研究开展关键技术相关的调研、测试、仿真研究工作。研究首先对比中国冬奥参赛运动员同世界顶级水平运动员之间的成绩及关键技术特征差异,探讨中国运动员目前存在的技术不足,引出关键技术动作的测试需求。其次根据跳台滑雪项目的高危特点,应用可穿戴测量设备捕获运动员的关键技术执行情况,为后续关键技术动作仿真研究提供基础数据支撑。最后针对难以测量的运动环节,应用三维建模技术和计算流体力学(CFD)仿真技术,探讨技术水平差异对空中飞行姿态气动特性的影响,寻找出相对最优的飞行姿态参数组合,探索起跳与空中飞行动态过程中人/板系统气动特性的变化规律及内在联系。旨在为运动员优化关键技术动作环节、教练员训练指导以及加深项目理解提供科学依据和理论指导,以提升运动员的运动表现。
研究方法
研究一国内外关键技术动作比较分析中,记录2022年北京冬奥会跳台滑雪比赛中国内外运动员的成绩及相关运动学参数,运用德国Simi Motion运动捕捉分析软件解析冬奥比赛视频影像,获得起跳和空中飞行关键技术的运动学参数。运用独立样本T检验分析国内外运动员的成绩及相关运动学参数差异。
研究二关键技术动作特征研究中,选取跨界跨项国家队、黑龙江省队、吉林省队的8名男性运动员,在吉林北大壶滑雪场雪上训练基地的中型跳台场地一侧连续架设7台Simi Motion高速摄像机,采样频率200Hz,长距离拍摄起跳和空中飞行关键技术的执行情况。在起跳及着陆坡区域一侧各架设一台Fastcam Mini WX100高速摄像机,采样频率500Hz,重点捕捉运动员起跳关键技术、着陆技术以及飞行距离。同时运动员穿戴基于惯性测量单元(IMU)的Xsens MVN Link人体运动捕捉系统,采样频率240Hz。雪鞋内置入Moticon Science传感器鞋垫,采样频率50Hz,实现运动全域实时运动学、动力学特征变量采集。运用曲线相关与计算均方根误差(RMSE)验证时间序列下视频解析数据与IMU数据的一致性。
研究三关键技术动作仿真研究中,建立具备跳台滑雪项目特征以及身体形态特征的人/板系统精细化实体模型。使用KSCAN20复合式三维扫描仪扫描国外品牌Slatnar雪板的三维形态结构。使用多功能气象站实时采集跳台附近的气候特征参数。基于视频解析数据,应用CFD仿真技术对比国内外运动员稳定飞行时的气动特性差异。基于IMU捕获数据,从飞行姿态舒展性角度选取影响气动特性的下肢髋、膝、踝关节角度以及迎风角四个因素,应用CFD仿真技术进行四因素五水平,共计20个模型的仿真试验,形成飞行姿态舒展性基线。从飞行姿态稳定性角度选取影响气动特性的身体与雪板夹角、雪板间相对倾角、雪板V型夹角三个影响因素,基于正交试验设计应用CFD仿真技术从多因素耦合角度进行三因素五水平,共计25个模型的仿真试验,根据趋势图分析和单目标优化结果确定飞行姿态的最优参数组合。构建起跳至空中飞行的相对动态过程,基于IMU捕获数据,应用CFD仿真技术进行8名男性运动员,10个特征时刻点,17次成功跳跃动作,共计170个模型的仿真试验。运用统计参数映射(SPM)中的独立样本T检验比较连续性数据之间的统计差异。采用Pearson相关性分析探索起跳至空中飞行阶段气动特性与飞行距离之间的关系,以及两个关键技术间的气动特性关系,统计结果通过Origin 2024软件的Correlation Plot功能绘制成可视化的相关系数矩阵图。
研究结果
研究一国内外关键技术动作比较分析:
(1)标准台上,中国运动员在起跳速度数量级上没有表现出明显差异,而在速率增量(Δ1)、着陆速度等变量上明显小于国外运动员(P<0.05),以至于在飞行距离上表现出较大的水平差距(P<0.01)。大跳台上,中国运动员在起跳速度数量级上同样没有表现出明显差异,而在速率增量(Δ1)、AT 30M速度、速率增量(Δ2)、着陆速度等变量上明显小于国外运动员(P<0.05),以至于在飞行距离上表现出更大的水平差距(P<0.01)。
(2)中国与国外比较,运动员起跳蹬伸开始较早(ΔTa)且先伸髋后伸膝,总体花费时间较多(T_总),蹬伸及出台角度偏大,蹬伸方向为前斜上方且靠上。运动员起