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新規(guī)則女子標(biāo)槍的氣動力特性與投擲技術(shù)
北京體育大學(xué)田徑教研室 王倩 于芳晏 左斌 曲淑華 馮曉東摘要 對3支新規(guī)則女子標(biāo)槍進(jìn)行氣動力風(fēng)洞試驗，通過試驗發(fā)現(xiàn)新規(guī)則女槍的升阻比有所減小，在相同攻角下低頭力矩較大，從而使標(biāo)槍的飛行性能有所下降。但這些變化使標(biāo)槍裁判工作的客觀性和準(zhǔn)確性大大增加了。文中還對改進(jìn)女子標(biāo)槍的投擲技術(shù)進(jìn)行了分析并提出了建議。
國際田聯(lián)規(guī)定，自1999年4月1日起，將在所有正式田徑比賽中使用新規(guī)則女子標(biāo)槍(以下簡稱新槍)，表1是新、舊規(guī)則(1988年規(guī)則)女子標(biāo)槍的規(guī)格。由于標(biāo)槍是一個細(xì)長體，標(biāo)槍重心位置的變化對標(biāo)槍飛行時的氣動力產(chǎn)生影響，并最終影響標(biāo)槍的飛行遠(yuǎn)度。為了了解標(biāo)槍重心位置的變化對標(biāo)槍飛行時的氣動力參數(shù)的影響和新槍的性能，有必要對新槍的氣動力特性進(jìn)行深入的研究，以指導(dǎo)運動訓(xùn)練的實踐。
表1 新舊標(biāo)槍的規(guī)格 單位：cm,g
全長 重心至槍尖距離 比賽重量 槍身最大直徑
舊標(biāo)槍
新標(biāo)槍 220～230
220～230 95
92 605～625
600 2.5
2.5
表2 六分量應(yīng)變天平的量程和靜校精度 單位：M.m
分量 軸向力 法向力 側(cè)向力 滾動力矩 偏航力矩 俯仰力矩
量程
精度% 20
0.42 70
0.20 50
0.06 1
1.69 1.5
0.13 5
0.35
1 研究方法
在收到1998年國際田徑競賽規(guī)則后，我們及時與國內(nèi)生產(chǎn)標(biāo)槍的廠家聯(lián)系，在各廠家的大力支持下，我們獲得了3支符合1999年國際田徑比賽規(guī)則規(guī)定的女子標(biāo)槍，對女子標(biāo)槍進(jìn)行了有關(guān)參數(shù)的測試，并于1998年10月在航天部701所FD-09低速風(fēng)洞進(jìn)行了標(biāo)槍的氣動力風(fēng)洞試驗，試驗使用的是六分量應(yīng)變天平，試驗風(fēng)速為24 m/s和26m/s，試驗攻角范圍為-30°～40°，間隔5°。查閱了近年來國際、國內(nèi)公開發(fā)表的有關(guān)擲標(biāo)槍技術(shù)的論文與資料，收集了有關(guān)數(shù)據(jù)，并據(jù)此對投擲新槍的技術(shù)進(jìn)行了初步分析。
2 分析與討論
從表3中可見，3個廠家制造的新規(guī)則女子標(biāo)槍均符合1999年國際田聯(lián)比賽規(guī)則的規(guī)定，標(biāo)槍重心距離標(biāo)槍尖的最大距離均小于92 cm，且相互之間的差異較小，但值得注意的是，3支標(biāo)槍的重量有一定差距，運動員在選擇標(biāo)槍時應(yīng)使用重量較輕的標(biāo)槍。
表3 新規(guī)則女子標(biāo)槍的部分幾何參數(shù) 單位：mm,g
標(biāo)槍 全長 重心至槍尖距離 重心相對位置 重量
飛鹿
皇冠
天成 2224
2219
2215 916
915
914 41.19%
41.23%
41.26% 607.5
617.5
619.0
從圖1中可見，新槍的升阻比(升力與阻力的比值)有較大差異，舊標(biāo)槍的升阻比值較大，最大可達(dá)到2.48，而新女槍只能達(dá)到2左右。與舊槍相比，新槍的升阻比有較顯著的下降。新標(biāo)槍升阻比下降的原因是由于自1988年以來，國際田徑比賽規(guī)則經(jīng)過數(shù)次變化，現(xiàn)在新規(guī)則女子標(biāo)槍的尾部較1988年規(guī)則的舊標(biāo)槍有較大增粗，導(dǎo)致阻力上升的緣故。由于升阻比上升，將使新規(guī)則標(biāo)槍的飛行性能有所下降，在相同的出手速度和其它飛行初始條件下，新標(biāo)槍的飛行遠(yuǎn)度將會有所下降。
圖1 國產(chǎn)飛鹿牌女子標(biāo)槍的升阻比
標(biāo)槍飛行時，由于空氣動力的合力作用點(壓力中心)并不一定與標(biāo)槍重心位置重合，因而會產(chǎn)生一個使標(biāo)槍圍繞其質(zhì)心橫軸旋轉(zhuǎn)的力矩，由于這一力矩會使標(biāo)槍在飛行時產(chǎn)生俯仰運動，因而稱其為俯仰力矩。當(dāng)俯仰力矩系數(shù)為正時，力矩的方向向上，其作用使標(biāo)槍在飛行時抬頭。當(dāng)俯仰力矩系數(shù)為負(fù)值時，力矩的方向向下，其作用使標(biāo)槍在飛行時低頭。為了進(jìn)一步分析俯仰力矩與攻角的關(guān)系，可將其變換為無量綱的系數(shù)。從圖2中可見，新、舊飛鹿牌女子標(biāo)槍的俯仰力矩系數(shù)有很大差異。在0°～5°的攻角內(nèi)，新舊標(biāo)槍的俯仰力矩系數(shù)的值均較小，因而對標(biāo)槍飛行時的俯仰作用的影響也較小。當(dāng)攻角增至10°以后，舊槍的俯仰力矩系數(shù)的數(shù)值有所變化，但幅度較小，而新槍的俯仰力矩系數(shù)的值卻有顯著變化，表現(xiàn)為出現(xiàn)一個較大的低頭力矩。這一變化對標(biāo)槍飛行遠(yuǎn)度的影響是當(dāng)標(biāo)槍以較大攻角飛行時，會有一個較大的低頭力矩使標(biāo)槍在飛行時過早低頭而降低飛行遠(yuǎn)度，見表4。
圖2 國產(chǎn)飛鹿牌女子標(biāo)槍的俯仰力矩系數(shù)
表4 新槍對不同水平女子標(biāo)槍運動員成績的影響
原來成績 30 m 40 m 50 m 60 m 70 m
預(yù)計下降幅度 0～1% 2%～3% 3%～4% 4%～5% 5%～6%
根據(jù)目前對標(biāo)槍技術(shù)的研究，影響擲標(biāo)槍成績的因素有標(biāo)槍飛行的初始條件，標(biāo)槍的幾何物理參數(shù)和天氣因素。當(dāng)后兩者的因素確定時，運動員擲標(biāo)槍的技術(shù)影響著標(biāo)槍飛行的初始條件，從而決定了運動員的投擲成績，見圖3和圖4。
圖3 影響標(biāo)槍飛行遠(yuǎn)度的因素
圖4 影響標(biāo)槍飛行初始條件的因素
通過實踐和研究證明，對標(biāo)槍飛行遠(yuǎn)度起決定作用的因素是標(biāo)槍的初速度。在其它條件不變的情況下，標(biāo)槍的初速度每增加1 m/s，飛行遠(yuǎn)度大約增加5 m。由于目前尚沒有對新規(guī)則女子標(biāo)槍進(jìn)行計算機(jī)模擬計算，我們根據(jù)男子標(biāo)槍的有關(guān)數(shù)據(jù)和對新女槍的實際試投成績情況，對新女槍的飛行遠(yuǎn)度做了一個初步估計，見表4。
由于標(biāo)槍的初速度對遠(yuǎn)度的影響是第一位的，而新槍的‘滑翔’性能有所下降，因此要提高運動員的成績，首先應(yīng)提高運動員的出手速度即標(biāo)槍的初速度。根據(jù)圖4，可以進(jìn)一步分析提高出手速度的有效途徑：如加強專項力量訓(xùn)練、改善運動神經(jīng)-肌肉系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，提高快速鞭打能力；根據(jù)運動員的實際情況，進(jìn)行提高助跑速度的訓(xùn)練；改善助跑與用力的銜接，減小助跑速度的損失。這些措施均可有效地提高標(biāo)槍的出手速度。
為了改進(jìn)助跑與用力的銜接技術(shù)，女子標(biāo)槍運動員在交叉步右腳落地后應(yīng)盡量減少右腿的緩沖時間，相對延長快速蹬伸用力時間，這是減少速度損失的關(guān)鍵。表5中是10名男子標(biāo)槍運動員(最佳成績70～84 m)和8名女子全能運動員(最佳成績35～45 m)的實驗測試結(jié)果，表明了在交叉步右腳觸地瞬間至左腳觸地瞬間過程中右腿工作的3個階段的時間參數(shù)(平均值)。
表5 擲標(biāo)槍最后用力時右腿工作的階段和時間(s)
階段\平均時間 男子(N=10) 女子(N=8)
被動緩沖階段
主動蹬伸階段
慣性前移階段
總時間 0.105
0.090
0.030
0.225 0.161
0.062
0.013
0.236
注：均以右手投擲為例，以下同
為了使助跑時獲得的動能有效地轉(zhuǎn)換為標(biāo)槍的出手速度，在最用力時，加強左腿的制動和支撐用力是一個關(guān)鍵，通過測試證明，女子標(biāo)槍運動員最后用力時左腿蹬伸用力的效果較差，在標(biāo)槍出手時左膝常常不能充分蹬直，見表6。由于有的女子標(biāo)槍運動員在最后用力時左膝彎曲過大，加長了緩沖時間，使動量的轉(zhuǎn)換受到損失，在擲標(biāo)槍時，左腿未充分蹬伸，使產(chǎn)生的垂直沖量較小，也減小了標(biāo)槍的垂直速度，并使標(biāo)槍的初速度和出手角度受到影響，因此需要加以改善。
表6 1995年田徑世錦賽女子標(biāo)槍前3名運動員投槍時的左膝角度(°)
姓名 左腳著地時 左膝最大彎曲時 標(biāo)槍出手時 成績
謝科連科
迪里婭
英格伯格 162
161
172 139
150
150 150
178
180 67.56
65.22
65.16
由于標(biāo)槍是一個細(xì)長體，標(biāo)槍飛行的初始條件對標(biāo)槍的飛行遠(yuǎn)度影響極大，從圖3、4中可見，標(biāo)槍的飛行遠(yuǎn)度不僅取決于標(biāo)槍的初速度，還取決于其它條件，如初始俯仰角速度，初始攻角、出手角度等。這意味著，如果僅有較高的出手速度不一定就能投出最好成績，還應(yīng)與其它初始條件進(jìn)行最佳組合，才有投出好成績的可能。根據(jù)對舊槍進(jìn)行計算機(jī)模擬計算的結(jié)果，投擲各種舊槍的最佳出手角度在30°～32°，最佳初始攻角約為0°～-2°，此時與之匹配的最佳初始俯仰角速度和偏航角約為零。
而目前女子標(biāo)槍運動員投擲標(biāo)槍時的出手角度的差異很大，見表7。如果當(dāng)時謝科連科能適當(dāng)增大出手角度至32°和減小偏航角至0°，她的成績將能達(dá)到75 m，這是一個令人震奮的成績!對于使用新槍來說，運動員的最佳出手角度的數(shù)值將會增大2°左右，其它參數(shù)的最佳值尚需進(jìn)行深入研究。
圖5 初速度(V0)對標(biāo)槍飛行遠(yuǎn)度的影響飛鹿65 m級舊女槍，出手角度=32°
表7 1995年田徑世錦賽女子標(biāo)槍前3名運動員的標(biāo)槍飛行初始條件
姓名 出手速度
m/s 出手角度
° 初始攻角
° 偏航角
° 成績
m
謝科連科
迪里婭
英格伯格 26.7
25.1
24.9 28
35
34 0
-1
8 10
16
11 67.56
65.22
65.16
同男子標(biāo)槍運動員一樣，女子運動員在最初使用新槍時可能會產(chǎn)生一些不利的心理影響，如新標(biāo)槍的手感較差，槍頭明顯變沉，投擲時成績不如以前，這些均會加重運動員的心理負(fù)擔(dān)。對于這種情況，教練員和運動員應(yīng)給予足夠的重視，否則有可能像當(dāng)年男子標(biāo)槍運動員的情況一樣，由于對新標(biāo)槍不適應(yīng)，使現(xiàn)在一批在役的優(yōu)秀女子標(biāo)槍運動員過早退出運動生涯。教練員根據(jù)具體情況制定相應(yīng)措施，以克服運動員的不利心理因素。
3 結(jié)論
3.1 新槍的最大升阻比在2左右，比舊槍有較大下降，使標(biāo)槍的飛行性能有所下降。
3.2 當(dāng)飛行攻角大于10°時，新槍會產(chǎn)生較大的低頭力矩，使標(biāo)槍過早低頭落地，并使標(biāo)槍的飛行距離減小。
3.3 新標(biāo)槍的落地角度將會大大增加，從而使裁判工作的難度大大減小。
3.4 由于新標(biāo)槍的重心前移，槍尾的最小直徑較大，使新槍的最大米級數(shù)有所降低。
3.5 初速度是決定標(biāo)槍飛行遠(yuǎn)度的最主要因素，在實踐中應(yīng)從提高運動員的專項快速鞭打能力和助跑速度兩方面進(jìn)行訓(xùn)練，減少助跑速度的損失，做好銜接動作。
3.6 較高的出手速度與其它初始條件的最佳組合才是取得優(yōu)異成績的條件。由于對新槍的最佳飛行初始條件組合尚未深入研究，對于這些條件還需進(jìn)行定量的分析。
參考文獻(xiàn)
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3 周繼和.投擲標(biāo)槍出手角度的研究.成都體育學(xué)院碩士論文，1984
4 徐孟仁.如何選擇標(biāo)槍.體育科學(xué)學(xué)會論文集，1984
5 蔡國華.標(biāo)槍幾何物理參數(shù)及氣動力特性測量.第2屆全國風(fēng)工程及工業(yè)空氣動力學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集，1986
6 王 倩.關(guān)于女子標(biāo)槍運動員的實際最佳出手角度和初始攻角的研究.北京體育大學(xué)學(xué)報，1990(2)
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