新規(guī)則女子標槍的氣動力特性與投擲技術

北京體育大學田徑教研室   王倩　于芳晏　左斌　曲淑華　馮曉東

　　摘要　對3支新規(guī)則女子標槍進行氣動力風洞試驗，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，從而使標槍的飛行性能有所下降。但這些變化使標槍裁判工作的客觀性和準確性大大增加了。文中還對改進女子標槍的投擲技術進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)則女子標槍(以下簡稱新槍)，表1是新、舊規(guī)則(1988年規(guī)則)女子標槍的規(guī)格。由于標槍是一個細長體，標槍重心位置的變化對標槍飛行時的氣動力產(chǎn)生影響，并最終影響標槍的飛行遠度。為了了解標槍重心位置的變化對標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行深入的研究，以指導運動訓練的實踐。

表1　新舊標槍的規(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  
舊標槍
新標槍  220～230
220～230  95
92  605～625
600  2.5
2.5  

表2　六分量應變天平的量程和靜校精度　單位：M.m

分量  軸向力  法向力  側向力  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)定的女子標槍，對女子標槍進行了有關參數(shù)的測試，并于1998年10月在航天部701所FD-09低速風洞進行了標槍的氣動力風洞試驗，試驗使用的是六分量應變天平，試驗風速為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)表的有關擲標槍技術的論文與資料，收集了有關數(shù)據(jù)，并據(jù)此對投擲新槍的技術進行了初步分析。

2　分析與討論

　　從表3中可見，3個廠家制造的新規(guī)則女子標槍均符合1999年國際田聯(lián)比賽規(guī)則的規(guī)定，標槍重心距離標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支標槍的重量有一定差距，運動員在選擇標槍時應使用重量較輕的標槍。

表3　新規(guī)則女子標槍的部分幾何參數(shù)　單位：mm,g

標槍  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，舊標槍的升阻比值較大，最大可達到2.48，而新女槍只能達到2左右。與舊槍相比，新槍的升阻比有較顯著的下降。新標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)則女子標槍的尾部較1988年規(guī)則的舊標槍有較大增粗，導致阻力上升的緣故。由于升阻比上升，將使新規(guī)則標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，新標槍的飛行遠度將會有所下降。

圖1　國產(chǎn)飛鹿牌女子標槍的升阻比

　　標槍飛行時，由于空氣動力的合力作用點(壓力中心)并不一定與標槍重心位置重合，因而會產(chǎn)生一個使標槍圍繞其質心橫軸旋轉的力矩，由于這一力矩會使標槍在飛行時產(chǎn)生俯仰運動，因而稱其為俯仰力矩。當俯仰力矩系數(shù)為正時，力矩的方向向上，其作用使標槍在飛行時抬頭。當俯仰力矩系數(shù)為負值時，力矩的方向向下，其作用使標槍在飛行時低頭。為了進一步分析俯仰力矩與攻角的關系，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)，新舊標槍的俯仰力矩系數(shù)的值均較小，因而對標槍飛行時的俯仰作用的影響也較小。當攻角增至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。這一變化對標槍飛行遠度的影響是當標槍以較大攻角飛行時，會有一個較大的低頭力矩使標槍在飛行時過早低頭而降低飛行遠度，見表4。

圖2　國產(chǎn)飛鹿牌女子標槍的俯仰力矩系數(shù)

表4　新槍對不同水平女子標槍運動員成績的影響

原來成績  30 m  40 m  50 m  60 m  70 m  
預計下降幅度  0～1%  2%～3%  3%～4%  4%～5%  5%～6%  

　　根據(jù)目前對標槍技術的研究，影響擲標槍成績的因素有標槍飛行的初始條件，標槍的幾何物理參數(shù)和天氣因素。當后兩者的因素確定時，運動員擲標槍的技術影響著標槍飛行的初始條件，從而決定了運動員的投擲成績，見圖3和圖4。

圖3　影響標槍飛行遠度的因素

圖4　影響標槍飛行初始條件的因素

　　通過實踐和研究證明，對標槍飛行遠度起決定作用的因素是標槍的初速度。在其它條件不變的情況下，標槍的初速度每增加1 m/s，飛行遠度大約增加5 m。由于目前尚沒有對新規(guī)則女子標槍進行計算機模擬計算，我們根據(jù)男子標槍的有關數(shù)據(jù)和對新女槍的實際試投成績情況，對新女槍的飛行遠度做了一個初步估計，見表4。

　　由于標槍的初速度對遠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，首先應提高運動員的出手速度即標槍的初速度。根據(jù)圖4，可以進一步分析提高出手速度的有效途徑：如加強專項力量訓練、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，進行提高助跑速度的訓練；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槍的出手速度。

　　為了改進助跑與用力的銜接技術，女子標槍運動員在交叉步右腳落地后應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鍵。表5中是10名男子標槍運動員(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換為標槍的出手速度，在最用力時，加強左腿的制動和支撐用力是一個關鍵，通過測試證明，女子標槍運動員最后用力時左腿蹬伸用力的效果較差，在標槍出手時左膝常常不能充分蹬直，見表6。由于有的女子標槍運動員在最后用力時左膝彎曲過大，加長了緩沖時間，使動量的轉換受到損失，在擲標槍時，左腿未充分蹬伸，使產(chǎn)生的垂直沖量較小，也減小了標槍的垂直速度，并使標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  

　　由于標槍是一個細長體，標槍飛行的初始條件對標槍的飛行遠度影響極大，從圖3、4中可見，標槍的飛行遠度不僅取決于標槍的初速度，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，還應與其它初始條件進行最佳組合，才有投出好成績的可能。根據(jù)對舊槍進行計算機模擬計算的結果，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。

　　而目前女子標槍運動員投擲標槍時的出手角度的差異很大，見表7。如果當時謝科連科能適當增大出手角度至32°和減小偏航角至0°，她的成績將能達到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)的最佳值尚需進行深入研究。

圖5　初速度(V0)對標槍飛行遠度的影響飛鹿65 m級舊女槍，出手角度=32°

表7　1995年田徑世錦賽女子標槍前3名運動員的標槍飛行初始條件

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擔。對于這種情況，教練員和運動員應給予足夠的重視，否則有可能像當年男子標槍運動員的情況一樣，由于對新標槍不適應，使現(xiàn)在一批在役的優(yōu)秀女子標槍運動員過早退出運動生涯。教練員根據(jù)具體情況制定相應措施，以克服運動員的不利心理因素。

3　結論

3.1　新槍的最大升阻比在2左右，比舊槍有較大下降，使標槍的飛行性能有所下降。

3.2　當飛行攻角大于10°時，新槍會產(chǎn)生較大的低頭力矩，使標槍過早低頭落地，并使標槍的飛行距離減小。

3.3　新標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　初速度是決定標槍飛行遠度的最主要因素，在實踐中應從提高運動員的專項快速鞭打能力和助跑速度兩方面進行訓練，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行定量的分析。

參考文獻

1　賈區(qū)耀.標槍投擲運動的理論分析.氣動力學，1985(1)

2　王肇明.標槍動力學與優(yōu)化計算.力學與實踐，1983(4)

3　周繼和.投擲標槍出手角度的研究.成都體育學院碩士論文，1984

4　徐孟仁.如何選擇標槍.體育科學學會論文集，1984

5　蔡國華.標槍幾何物理參數(shù)及氣動力特性測量.第2屆全國風工程及工業(yè)空氣動力學學術會議論文集，1986

6　王　倩.關于女子標槍運動員的實際最佳出手角度和初始攻角的研究.北京體育大學學報，1990(2)

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