游泳动态阻力测量数据的计算处理方法

专利名称：游泳动态阻力测量数据的计算处理方法
技术领域：
本发明涉及一种游泳运动员训练时的游泳动态阻力测量数据的计算处理方法。
背景技术：
游泳是人体在水中凭借肢体动作和水的相互作用力而获得前行的一种技能活动。在大众健身方面是一项老少皆宜、妇孺皆知、开展广泛的群众体育娱乐项目，在竞技体育方面因其占比赛中的金牌之多而成为各国争夺优势的重点项目。在当今日趋激烈的竞技游泳竞赛中，依靠“减少阻力或增加推进力”的方法去赢得比赛，一直是广大的教练员、运动员、科研人员努力追求的目标。因此分析影响人体在水中受到的阻力大小、影响因素等等，制定更为有效的游泳动作技术，从而提高运动员体能的利用率，更是人们关注的热点。
游泳过程中各种阻碍人体在水中前进的力统称为水阻力。其中的静态阻力和动态阻力是按人体在水中是否运动来区分的。所谓静态阻力是指人体在水中处于某一固定姿势下滑行或被牵引时所受到的阻力；动态阻力是指人体在水中游进时姿势变化，产生运动而受到的阻力。此外，按阻力性质可将阻力分为摩擦阻力、压差阻力和波浪阻力三种。静态阻力和动态阻力均可由摩擦阻力、压差阻力和波浪阻力构成，不同游速下上述阻力成分占总阻力的比例会发生变化。
静态阻力的测试研究已经开展得很多，有水中牵引、流动水槽方法等，测试对象为模型或人体。国内外对静态阻力的研究起步较早，取得了不少有价值的成果。多数研究认为静态阻力的大小，除了与牵引速度有关系外，还与人体形态参数、身体浸没在水中的深浅程度、水质水温、环境湿度等许多因素有关。
动态阻力除了与上述影响因素均有关之外，更重要的是与人体运动有关，它既包含了人体某一姿势、某一速度下的静态阻力，又包含了在这一速度下由于姿势改变所引起的阻力，两项合并在一起统称为动态阻力。
动态阻力反映游泳运动中受到的真实阻力。相对静态阻力而言，人们对动态阻力的认识还存在不同的理解，因此动态阻力的测量形式变得复杂得多，没有形成相对统一、规范、成熟的测试方法和装置，测试结果的可比程度也受到影响。
目前国外的几种动态阻力测试方法，按时间顺序有1)Di Prampero等(1974)生物能量转换法(Bioenergetic Method)。
2)Kent和Atha(1975)模型法(Model Method)。
3)Clarys等(1979)匀速牵引法(Towing Method)。
4)Toussaint等(1988)动态阻力测量系统(Measuring active dragsystem，简称MAD method)。
5)Kolmogorov和Duptisheva(1992)速度扰动法(Velocity PerturbationMethod)。
6)Takagi等(1999)日本水槽中的动态阻力实验装置。
7)Wilson等(2003)新西兰水槽中的动态阻力实验装置。
国内有国家体育总局科研所联合清华大学、北京航空航天大学的有关实验室开展了相关的研究。
人体在水中游进时，水作用于人体上的力可称其为水动力。当人体或人体某部分受到于游进方位上的水动力(为简化起见，下文中水动力均特指游进方位上的水动力)与游进方向一致时称其为推进力；反之，则称为阻力，并且为了区别于人体保持固定姿势在水中滑行时所受到的水阻力(通常称为静态阻力)，将游进时所受到的阻力称为动态阻力。游泳中只有人体与水相互作用，水动力是改变人体在水中游进运动状态的唯一外力。动态阻力和推进力都是水动力的表达形式，与动作技术有着紧密的联系，它们的大小是评价游泳技术优劣的唯一标准。
对于整个人体而言，当水动力与游进方向一致时可称其为(净)推进力，而当水动力与游进方向相反时可称其为(净)动态阻力，如将水动力记为Ff，推进力记为Fp，动态阻力记为FAD，那么就有如下关系式Fp＝Ff(当Ff＞0时)和FAD＝Fd(当Ff＜0时)………………………………………………(1)由于人体在水中身体表面各部分所受到的水压是不同的，因此，人体某些部分上作用的水动力是与游进方向相反的，也就是说产生的是阻力，而在另一些部分上作用的水动力是与游进方向相同的，也就是说产生了推进力，从这个意义上讲，作用于整个人体上的水动力是所有局部的动态阻力和推进力的合力，即它们的代数和，可记为如下关系式Ff(水动力)＝FAD(动态阻力)+Fp(推进力)…………………………(2)从更细的层面上分析，对应于上述(1)或(2)所定义的动态阻力FAD和推进力Fp分别又可分为两部分所组成，一部分是由于人体姿势不断的改变而使阻力发生变化，另一部分是仅由于肢体的运动而引起的水动力的变化，若将前一部分阻力记为FPD′(始终为负)，后一部分产生的力记为Ff′(可正可负)，那么就有如下关系式FAD＝FPD′+Ff′(FPD′+Ff′＜0时＝以及Fp＝FPD′+Ff′(FPD′+Ff′＞0时)……………………………(3)FPD′与静态阻力有类似之处，因为仅仅是姿势对阻力的影响，而Ff′则纯粹是由运动决定的动态力。其实，上述关系式(3)仅仅是一种理论上的意想，因为它忽略了运动对流场改变的影响。但它表明了这样两个事实①运动对动态阻力有很大的影响，将FPD′误认为动态阻力(Kent和Atha，1975；李良标等编著《运动生物力学》，1991)是不正确的；②推进力只能在运动的过程中产生。
依据上述对动态阻力的定义，纵观国外对动态阻力的研究现状，绝大部分的研究均试图从第二个层面(即按上述(2)的定义)去研究游进过程中的动态阻力。A.R.Vorontsov和V.A.Rumyantsev(2001)介绍了国外研究动态阻力的几种方法，仰红慧等(2004)对国外动态阻力的测试研究进行了评述Clarys等(1979)、Toussaint等(1988)、Kolmogorov和Duptisheva(1992)的研究均欲从水动力中分解出真正意义上的动态阻力FAD(即随时间而变的动态阻力)，然后根据人为要求运动员匀速游的实验条件下，建立Fp＝FAD的关系式，即匀速游进状态下的推进力等于动态阻力。
人体与船体不同，在游进过程中他并不存在固定不变的推进力部件和阻力部件，它们是浑为一体的，因此在第二个层面(即按上述(2)的定义)上欲从水动力中分解出真正意义上的动态阻力是十分困难的，甚至可以说是不可能的。为此，研究者们均在一些缺乏严格力学关系的假设条件下，只能大致地求得在匀速游进时人体所受到的平均动态阻力(其实，对于宏观意义上的匀速游进而言，平均推进力等于平均阻力的说法也是错误的，严格地说应该是推进力的冲量等于动态阻力的冲量)，将原本所具有的动态阻力特性作了静态化的处理，显得十分勉强但也无可奈何。这无论是对所得研究结果数值的准确性还是对平均动态阻力的静态化特征而言，都导致他们的研究结果缺乏实际的应用价值，不能有效地指导游泳训练实践。
而Kent和Atha的研究只是做了不同游泳姿势的静态阻力，即第三层面上的FPD’；Di Prampero等采用的是间接测量法，即用最大吸氧量与附加阻力的线性关系去推算的，是早期的做法；日本水槽中的设计看上去十分复杂，装置也很庞大；新西兰水槽的设计用绳连接(属于软连接)，只能测拉力(阻力)，因此设置的水流速度必须高于运动员所能达到的最高速度，这与运动员实际的游速相差甚远，不能客观反映运动员实际游泳水平下的水动力变化情况。
综合水动力的实验方法和研究成果，发现测试方法复杂、多变，并且还存在研究者理解和认识的不同带来研究方法、测试形式的不同。多数水动力研究的文献都是用计算平均力的处理方法来评价整个运动过程的动态阻力(Clarys，1979；Toussaint等，1988；Kolmogorov and Duptisheva，1992)，其实是掩盖了力动态变化的事实。自由泳和蛙泳的动态力曲线的波动程度是有很大差别的，自由泳曲线波动小、曲线平稳；蛙泳曲线上下起伏，波动大。试想，两条波动规律完全不同的曲线，用计算平均力的方法处理，完全可能得到平均力相等或接近的结果，根本反映不出动态力变化孰优孰劣的过程，这也正是Toussaint等(1988)、Kolmogorov和Duptisheva(1992)的研究结果难以被应用的原因。
上述分析表明水动力的阶段性变化特点反映了动态阻力问题的复杂性，首先需要在概念上的正确理解才能在这个基础上进行实验。将水动力作静态化的处理，即计算一个动作周期的平均值，掩盖了不同动作阶段、不同运动速度下人体对水产生不同影响的特征，有关研究结果均表明了取平均值的方法无法揭示动态力的变化规律。从理论上分析运动员被匀速牵引时的受力变化，在一个完整的动作周期内，运动员从滑行姿势开始到滑行姿势结束，不论是做腿部的收腿蹬腿运动、还是做手部的划水伸臂动作，其某些环节产生的加速运动必然与另些环节的减速运动的力大小相等，方向相反，两者互相抵消，使人体仍旧保持匀速运动状态。
与此同时，动态平均力的大小与牵引速度的关系，表现出与静态阻力相一致的趋势，随速度的下降而减小。因此，以往以平均值代替动态阻力的研究中，常用F＝AVb的拟合方程来计算动态阻力，同样无法揭示动态力的变化规律，使得在一个完整周期里取平均值的方法失去了应用价值。有研究已经发现运动员之间的技术差异对水动力的影响大小，还发现水动力对形态参数、静态阻力的依赖没有静态阻力那么突出，这些结果均显示出水动力的动态特征。
事实上动态力的实质是动的结果，它与静态阻力有着本质的区别。它既不是动态力减去某个静态力的剩余力，也不是某个速度的函数，而是受运动速度、身体姿势、动作频率等诸多因素变化的曲线，运动所带来的身体周围流场的变化是难以计算的，有许多不确定因素的影响，真正的水动力测试是非常困难的。

发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种游泳动态阻力测量数据的计算处理方法。本发明能够比较准确地反映不同动作阶段受到的力是推进力还是阻力，推进力和阻力的变化情况与动作技术的关系等等。本发明与将动态阻力平均化的处理方法有本质的区别。
本发明所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实现。
一种游泳动态阻力测量数据的计算处理方法，包括如下步骤1、通过一游泳动态阻力测量装置获得同步采集的游泳测试者水动力和游泳姿势图像信息数据；2、根据游泳测试者各种不同泳势的特点，将采集的游泳姿势图像信息数据的每一个动作周期分成两个或两个以上的阶段，并确定每一阶段的时间起止点；3、根据每一阶段的时间起止点，对采集的水动力数据按阶段进行数据的平均值计算并存储。
在本发明的计算处理方法中，采集的水动力数据必须先进行平滑处理。
本发明较现有的国内外的动态阻力计算方法有突破和创新。根据国内外的研究状况，规避陷入研究难点而又无实效的误区，按照上述(1)对推进力和动态阻力的定义，去分析游泳技术对推进力和动态阻力的影响，从而反过来对动作技术进行诊断。净动态阻力和净推进力的可测性以及它们对游进速度所起的决定作用，这两点使得本发明的测量数据的计算处理方法与运动实际紧密结合有了可行性的实施方案，同时也为对游泳技术进行开拓性的运动学、动力学综合分析研究提供了依据。
以下结合附图和具体实施方式
来进一步说明本发明。


图1为本发明的游泳动态阻力测量数据的计算处理方法的处理界面图。
图2为本发明的游泳动态阻力测量数据的计算处理方法的水动力数据分阶段计算处理的界面图。
具体实施例方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式
，进一步阐述本发明。
一种游泳动态阻力测量数据的计算处理方法，包括如下步骤1、通过一游泳动态阻力测量装置获得同步采集的游泳测试者水动力和游泳姿势图像信息数据；2、根据游泳测试者各种不同泳势的特点，将采集的游泳姿势图像信息数据的每一个动作周期分成两个或两个以上的阶段，并确定每一阶段的时间起止点；3、根据每一阶段的时间起止点，对采集的水动力数据按阶段进行数据的平均值计算并存储。
如图1所示，同时可进行4人次的运动图像与水动力数据的同步观察。以找到动作阶段与时间的起止点。按游泳技术动作划分阶段的一般方法，可将上肢的划水动作分为若干动作阶段，将下肢的打腿动作分为若干阶段；同时还可以进行分解游或配合游的技术阶段划分。
如图2所示，对水动力的分阶段进行数据的平均值计算的操作时，可根据菜单说明进行文件——调入原始的力数据，保存处理后的结果等剔除毛刺——消除一些突变的数据，变为仅有小毛刺的曲线数据插值——按图像采集频率大小，将力的采集频率与图像的频率一致数据平滑——多种数据平滑方法，将曲线变为一条平滑的曲线(如图2所示)截取周期——按图1获得的时间起止点点击，就能获得这一段时间内的力的平均值，并在“平滑数据”栏里显示，并在“文件”栏里保存。
下面通过申请人所做的蛙泳技术对阻力、推进力影响的研究来进一步说明本发明。
1、研究方法和研究对象1.1研究对象4名蛙泳男队员，平均年龄19岁，平均身高1.84m，等级为国际健将和健将。
1.2研究方法理论分析法，实验测试法，数理统计法。
1.2.1实验过程设计动态阻力与运动速度、动作姿态、动作频率均有关系，为此在实验设计时考虑了以上三方面的影响因素。用自行研发游泳测力系统，以变频电机带动牵引钢丝绳，匀速牵拉运动员，分5档速度，与此同时传感器记录下牵引钢丝绳所受到的力；同步拍摄运动员侧面水下动作图像，以蛙泳腿部动作为例，要求运动员双手握住牵引钢丝绳，上肢保持平衡分3档频率(5次动作完成时间为10、8、6s)，按频率节奏完成腿部技术动作。
2.2理论分析当匀速牵引运动员时，运动员受到的水平合外力为零，即在一个动作周期内的平均牵引力F牵等于平均阻力FD，而这个平均阻力FD是由静态阻力FDP和动态阻力FDA构成的，所以F牵＝FD＝FDP+FDA。
由于腿部动作幅度较大，速度变化比较明显，因此根据速度和动作结构又将腿部动作分为几个阶段(见下面的数据处理设计中的两个预备实验)，结合水下的同步技术录像，截取运动员在某一动作阶段的平均牵引力FP与对应速度下相同姿势的静态阻力值FDP相比较若FP-FDP＞0，即FDA＞0，得到的就是动态阻力，这时人体的动作增加了阻力，对应的就如蛙泳的收腿动作过程；若FP-FDP＜0，即FDA＜0，得到的是动态推进力，这时人体的动作产生了动力，对应的就是蛙泳的蹬腿动作。因此在整个游泳动作周期的运动过程中，动态阻力和推进力是统一体，均是由于人体动作的改变带来的结果，从这个角度上推断，测量动态阻力的方法适用于测量动态推进力。
2.3两个预备实验因为腿部动作幅度较大，速度变化也比较大，因此需要获得大致的身体重心水平速度运动规律和与之相对应的动作的静态阻力大小。预备实验一是通过水下平面图像解析，获得运动员在一个动作周期内的髋关节水平速度变化曲线，髋关节的水平速度最接近人体重心的水平速度，数据经平滑处理后的运动特征时刻的即速度值见表1。
由表1可发现收腿动作的速度变化从2.114m/s下降到0.383m/s，蹬腿动作的变化从0.383m/s到1.611m/s，整个速度变化范围比较大。为此，结合水下同步录像画面，将整个收腿和蹬腿动作周期以膝关节屈90°为分界位置，各分为两个动作阶段，速度分界值设定在1.0m/s附近，4个动作阶段的划分及牵引速度的设置见表2。
表1蛙泳运动髋关节在特征时刻的即时速度变化值

表2蛙泳腿部动作的阶段划分及牵引速度设置

预备实验二是测定两种姿势的静态阻力。一种姿势为收腿开始时刻的身体姿势接近人体的流线型姿势，主要应用于速度在1.0m/s以上的阶段1和阶段4，另一种姿势为最大收腿时刻的身体姿势，主要应用于速度在1.0m/s以下的阶段2和阶段3。两种姿势在不同牵引速度下的静态阻力值见表3。
表3流线型姿势和最大收腿姿势的静态阻力

对每一次恒定速度下的牵引力F-t变化曲线，均找到对应水下技术动作图像的同步起点，以动作划分的分界画面确定牵引力曲线的取值阶段。当牵引速度＞1m/s(1.25m/s-2.50m/s)的F-t曲线上截取阶段1和阶段4的力变化值，静态阻力取流线型姿势的阻力值；当牵引速度＜1m/s(0.13m/s-0.63m/s)的F-t曲线上截取阶段2和阶段3的力变化值，静态阻力取最大收腿姿势的阻力值。通过动作阶段的划分来截取力值变化的范围，可以更加细致、准确地反映蛙泳收腿、蹬腿过程中静态阻力、动态阻力的变化情况。
2、结果与分析2.1频率设置与完成情况的比较实验要求运动员在被牵引的同时，以3种不同频率完成腿部动作，即每个动作完成时间为2s、1.6s和1.2s。3种频率分别代表了蛙泳200m、100m、50m途中游速度的频率要求，有实际应用背景。运动员完成情况良好，一个动作周期的实际完成频率平均为1.96s、1.56s和1.25s。同时发现3种不同频率下滑行时间、收腿时间、蹬腿时间的组成有特点蹬腿时间基本一致，完成时间相差无几，由此可见一个动作周期的频率变化主要由滑行时间和收腿时间的不同而造成的，结果见表4。
表4 3种频率的收腿时间和蹬腿时间比较

2.2收腿动作阶段的动态阻力变化蛙泳收腿动作的阻力变化规律，研究表2中的阶段1和阶段2的动态阻力。不同频率下收腿到膝关节角为90°时的动作阶段1，收腿动作的静态阻力、动态阻力和总阻力(总阻力＝平均牵引力)的变化结果见表5。
表5不同频率下收腿到膝关节角屈90°时(阶段1)收腿动作的阻力变化

表5中收腿阶段1的时间有长短，牵引速度从大到小(均在1m/s以上)，但动态阻力值相差不大，2.496-1.472m/s的3挡牵引速度下动态阻力为9.865kg、9.145kg和9.953kg，说明牵引速度的改变、动作频率的改变对收腿阶段1的动态阻力变化影响甚微，体现出动态阻力是人体运动固有特性的反映，受外界因素影响较小的特征。收腿阶段1的静态阻力随速度的下降而减小成为了总阻力减小的主要因素。两种阻力在总阻力中占有的百分比随速度的下降静态阻力的百分比逐步下降，从56.9％下降到35.8％，而动态阻力的百分比逐渐上升，从43.1％上升到64.2％。
当收腿动作进入阶段2、身体运动速度小于1m/s以后，动态阻力占总阻力的百分比显著增加，到达最大收腿时刻时运动速度接近零，此时静态阻力仅为0.451kg，动态阻力为6.228kg，总阻力为6.679kg，动态阻力占总阻力的93.25％，成为影响阻力大小的决定性因素。总阻力变化随速度的下降而减小，整个收腿阶段5档速度从2.50m/s到0.125m/s(牵引速度1至5档)的总阻力、静态阻力、动态阻力的变化结果见表6。
表6显示总阻力和静态阻力随速度变化的规律与流体力学理论与实验基本吻合，相比之下动态阻力的变化受速度的影响较小。如果说静态阻力是正确认识游泳技术的基础，与人体形态、姿势有关，那么动态阻力则更加注重它的实用价值，与游泳运动相关，直接反映了人体运动对水的作用效果，是人体形态和运动动作的综合函数。因此，动态阻力的研究与分析对游泳运动实践将产生比静态阻力更大的实际意义。
表6蛙泳收腿动作阻力随速度的变化表

权利要求
1.一种游泳动态阻力测量数据的计算处理方法，包括如下步骤1]、通过一游泳动态阻力测量装置获得同步采集的游泳测试者水动力和游泳姿势图像信息数据；2]、根据游泳测试者各种不同泳势的特点，将采集的游泳姿势图像信息数据的每一个动作周期分成两个或两个以上的阶段，并确定每一阶段的时间起止点；3]、根据每一阶段的时间起止点，对采集的水动力数据按阶段进行数据的平均值计算并存储。
2.根据权利要求1所述的计算处理方法，其特征在于，采集的水动力数据必须先进行平滑处理。
全文摘要
一种游泳动态阻力测量数据的计算处理方法，其首先通过一游泳动态阻力测量装置获得同步采集的游泳测试者水动力和游泳姿势图像信息数据；然后根据游泳测试者各种不同泳势的特点，将采集的游泳姿势图像信息数据的每一个动作周期分成两个或两个以上的阶段，并确定每一阶段的时间起止点；最后根据每一阶段的时间起始点，对采集的水动力数据按阶段进行数据的平均值计算并存储。本发明较现有的国内外的动态阻力计算方法有突破和创新。本发明按照对推进力和动态阻力的定义，去分析游泳技术对推进力和动态阻力的影响，从而进一步对动作技术进行深入分析与诊断。
文档编号G06F19/00GK1932793SQ20061002821
公开日2007年3月21日 申请日期2006年6月27日 优先权日2006年6月27日
发明者仰红慧, 陈森兴, 魏文仪, 陈忠良, 余卫东, 徐心浩, 李旭鸿 申请人:上海体育科学研究所, 仰红慧