文摘

为了减少运动员的体型的影响在跳水的难度系数,更合理的身体形状修正系数的计算方法提出了基于最初的计算规则,跳水难度系数。首先,最初的跳水难度系数的构成和影响因素之间的关系进行了分析和各种结构零件完全澄清。第二,建立耦合的非刚性体动力学模型和2-body模型是用来模拟复杂的跳水动作,并得出结论,潜水时间与体型呈正相关。最后,空气流动和入水的跳水分别讨论,困难体型系数的计算模型修正,建立了最初的难度系数修正。结果表明,每个动作的难度系数明显增加。这有效地避免了体型对跳水难度系数的影响。

1。介绍

潜水是一个美丽的水上运动。这是一个运动的运动员各姿势跳入水中从高处或从潜水设备,完成一定的姿势,和入水与特定的动作。在跳水比赛中,运动员将执行空中姿态的变化空气,如弯曲,身体直,膝盖,和其他姿势。随着空中姿态的变化,整体的转动惯量变化,辗转反侧的速度和角度也陪同的目的为了实现控制弯曲的身体在空中的姿态(1]。

通常,当潜水判断,主要考虑两个因素,旋转和美学。空气旋转运动员的两种基本形式是辗转反侧2]。扔一个绕水平轴旋转方向垂直,旅行,旋转旋转时的纵向(从头到脚)运动员的身体3]。的主要因素影响运动员的完成空中旋转初始姿态,势能在起飞期间,角速度,调整天线的姿势,和运动员自身的力学特性和生理功能。许多因素共同形成一个非常复杂的互动关系(4]。

技术运动的动作难度系数反映了困难的运动。动作的难度系数是反映在角(或匝数),运动员完成在空中辗转反侧。正确的完成空中行动和角(或数字圈)的扔,把完成,以及完美的着陆(水、净)在完成空中行动,是重要依据评估运动员获得高分。

跳水运动员的竞争性能取决于裁判的评分。国际游泳联合会(国际泳联)给相应的难度系数不同的跳水动作。裁判在比赛中根据一定的公式计算基于性能的运动员在完成动作的表现,进入水的影响。运动员的动作完成得分,这是乘以难度系数的行动,行动的最后得分是运动员。人们普遍认为,“理想表现最好的大小和比例”(5]。当筋斗从动力学的角度分析,“大小和比例”转化为每个部位的惯性。由于民族差异来自不同国家的选手,运动员的体型(身高和体重)将受先天因素的影响,同样的跳水动作有不同的要求,不同的身体类型的球员。研究表明,轻量级运动员体型优势当完成潜水6]。如果完成抛的难度与身体类型,然后潜水运动的难度系数国际泳联规定可能不反映公平,和有必要纠正现有的难度系数。

本文试图结合生物学理论和物理知识建立一个耦合的非刚性的身体动力学模型探索潜水时间和身体形状之间的关系。分别研究潜水的地上部分和水部分建立一个体型调整难度系数计算模型,修改原来的难度系数,旨在更好地确保公平竞争,同时,为运动员和教练提供引用当他们从事潜水的训练难度高。

2。基本假设

为了解决这个问题,我们提出以下假设某些条件:(1)假设每个运动员都能完成潜水系数与各种困难(2)假设编制难度系数表直接相关的标准身高和体重潜水员(3)假设每个运动员获得的初始角动量是相同的(4)假设运动员的上半部分和下半部分的比例设置为1:1,弯曲辊的长度h/ 2和塔克辊的长度h/ 2

3所示。名词解释和符号的解释

3.1。名词解释

3.1.1。角速度

围成一圈以弧度为单位,弧度旅游在一个单位时间是角速度和单位弧度/秒。

3.1.2。角动量

在物理学中,这是一个物理量与物体到原点的位移和动量。它代表粒子的速度矢量遍历区域或刚体转动的暴力程度在固定轴上。

3.1.3。转子

转子是指一个旋转的身体支撑轴承。例如,一个对象没有转轴,如一个光盘,可以被视为一个转子采用刚性连接或额外的轴。

3.1.4。转动惯量

转动惯量是刚体的惯性测量绕轴旋转。它只取决于形状、质量分布和位置刚体的轴线和无关刚体绕轴的转动状态(如角速度的大小)。

3.2。符号描述

本文所涉及的主要变量(1)代表中央车身骨架下的惯性矩;(2)代表主轴坐标系下的惯性矩;(3)代表了纯粹的筋斗动作时间;(4)代表时间用于将行动;(5)代表了k阶段分解后的潜水行动;(6)代表着时间用于k阶段;(7)的惯性矩筋斗行动;(8)代表了惯性矩的转向行动;(9)代表的总时间从一开始就进入空气流动的水,也就是说,自由落体的时间;(10)代表了运动员完成空气流动的时间,大概的功能h和米;(11)代表了从运动的完成时间运动员入水;(12)代表了运动员的身高;(13)代表了运动员的体重;(14)表示时间标准身高和体重的运动员完成空气流动;和(15)代表了时间的完成运动下的运动员入水标准身高和体重。

4所示。的组成和影响因素分析跳水难度系数

4.1。问题的分析

国际泳联已经确定相应的操作代码和难度系数为每个潜水行动在跳水比赛规则,决定协议的行动组的差异,竞争项目,设备高度、动作姿势,和翻转的数量。困难的程度与跳水运动员的起飞方法(运动员的正面脸和翻筋斗的方向在起飞)和空中运动(翻筋斗的数量和扭曲,身体的姿势)。当得分,裁判给一个动作得分从10 0根据运动员在完成动作的表现和入水的效果。然后,动作的运动员的得分计算完成根据一定的公式,这分数乘以完成行动的得分;困难因素是运动员的动作的最后得分。

为了深入分析确定规则的国际泳联10米跳台跳水难度系数,本研究首先整理动作元素对应于跳水难度系数,明确了每个元素之间的关系,然后分析每个部分的难度系数在此基础上,和规则的具体动作的难度系数10米平台解释道。

4.2。解决这个问题

4.2.1。准备跳水难度系数的组合

跳水的难度系数是衡量跳水的难度。它首先行动的难度分为5个部分定性地从逻辑的观点,然后定期给一些必要的量化标准子项和子元素的每个部分,科学计算方法适用于给每一个子项的大小,最后找到困难的程度。这五个部分是翻筋斗,空中姿态,扭曲,起飞方法,自然进入水中。这五个部分的难度系数之和决定了实际完成跳水动作难度系数。(1)翻筋斗。翻筋斗(代号为一个国际旅游联合会等等)是主要的技术动作的一部分,所以它应该被包括在困难组件。决定性的因素是翻筋斗的循环次数。周期更困难,反之亦然,紧随其后的是高度,这将直接影响到完成翻筋斗。从国际泳联的规定可以看出,最大的难度系数在过渡增加1又1/2跟头翻筋斗是0.4,然后增加2个半翻筋斗的难度系数是0.2,难度系数和增加对于每个额外的半圈,分别为0.4,0.2,和0.8,这表明,该扔的难度系数情况不是线性单调递增。(2)空中姿势。空中姿势(B)是指运动员采用不同的姿势如直,派克,塔克,或任何位置在潜水过程中,操作的难度不同。从连接的角度来看,困难的决定因素的姿势是姿势本身,而且影响因素的方向跳和翻滚的循环次数。值得注意的是,一些起飞的组合方法和空中姿态对困难的程度(有一个负面影响1]。(3)旋转。旋转(C)也是主要的技术方面的行动。困难的主要决定因素是旋转本身的数量。更多的星期更加困难,反之亦然。影响因素是起飞的方法和抖动的情况。同样的旋转和抖动的情况下,武器站的难度系数高于向前,向后,向内,反身起飞(3]。(4)起飞的方法。起飞(D)是一个向前,反向潜水或向后,向内,或者胳膊站潜水。的难度动作各不相同。因此,起飞的方法也应该作为逻辑组成的难度动作,决定因素是筋斗情况和高度。反身扔的难度系数明显高于向前,向后,向内扔。在此基础上,武器站的难度系数是进一步改善。其中,武器站的获得者的难度远高于其他翻筋斗的情况。(5)不自然的入水。最简单的动作理解,比如将向前和向内半筋斗,1又1/2痉挛,被认为是自然进入水中,所以他们不占的比例很难组成,反之亦然;判断为不自然的入水。如果运动员没有看到水面在进入水中,然后它被认为是这样的条目是逻辑上的困难。的决定因素和困难包括方向跳和翻筋斗的循环次数。此外,国际田联规定,所有动作与捻度均匀。这个项目不计数。

4.2.2。部分相关性跳水难度系数

的影响和连接五个部分可视化。图中的每个圆代表上述五个部分难度系数,和箭头指示的方向影响的部分,如扭转形势的难度(C)被推翻。翻筋斗的影响(一个起飞)和方法(D),箭头一个和D指出C。这幅图如下(图1)。

如果一套完整的跳水动作的难度系数是记录为DD,公式如下:

结合实际的跳水动作代码示例和分析,例如,307年10米跳台上的难度系数C(反向转动三个半的膝盖)操作如下:3.4 = 2.7 + 0 + 0 + 0.3 + 0.4,5257B(向后把两个半转三周半)。操作的难度如下:4.1 = 2.1 + 0.3 + 1.5 + 0.2 + 0。

5。时间为运动员之间的关系来完成每个跳水动作和身体类型

5.1。问题分析

“一旦跳水和体操运动员开始做一个筋斗抛和扭曲,他们似乎经常保持一个固定的体型,所以刚体可以用来代表这些相量(合理7]。“骨架的刚性意味着它可以认为只有通过改变关节角,姿态发生改变。因此,人体很容易建模为一组刚性段通过关节连接。因此,在生物力学,更常见的是把身体视为multirigid段系统[8- - - - - -13]。

因此,本文首先推导欧拉方程的一个版本变形刚体从理论(12]。然后使用双体模型,展示了如何使用该模型实现扭翻筋斗。首先,整个潜水过程分为五个阶段。然后,作者改进了计算总时间的五个阶段实现模拟由通和其他研究人员。最后,作者使用控制变量法对整个潜水过程中,身高和体重是唯一的两个变量。它可以知道身高和体重间接影响整个潜水阶段的总时间影响转动惯量(2,14,15]。

5.2。解决这个问题

5.2.1。分析运动员跳水在空中

空气将和翻筋斗是跳板跳水运动员的基本动作,和角动量守恒的基本物理原理支配所有运动包括波澜,(16]。运动员的头朝下在波澜,好像绕着一个轴从左到右穿过他的腰,如图2。回转运动,运动员在空中旋转主轴或舞者,类似于从头到脚绕轴旋转。几乎所有最复杂的跳水动作涉及多个跟头,或轮流。运动员在空中后,如果忽略空气的阻力,它不会受到外部影响的时刻,和它的角动量保持不变。然而,角动量不变意味着角速度的乘积和惯性矩不变,这并不意味着角速度也保持不变。

5.2.2。欧拉方程耦合的刚体模型

(1)模型建立。让恒角动量矢量在空间固定帧是1。刚体动力学通常使用一个刚体框架,因为这个框架的惯性矩不变(17- - - - - -21]。改变从一个坐标系统到另一个是由旋转矩阵 ,这样 刚体结构的向量l被描述为一个运动矢量,其长度不变,因为 。刚体的角速度Ω框架是一个向量的 对于任何一个向量 。即使耦合刚体系统,惯性矩通常不是常数,和刚体框架仍然给出了简单的运动方程。

身体的运动方程的变形与角动量的矢量 在刚架 ,那里的角速度 由以下公式给出 ,在哪里 转动惯量和吗 是“动量变化”产生的形状改变。耦合的刚体模型, 在哪里是质量,重心的位置,是相对定位、相对角速度的是这样的, 对所有 ,的张量是身体的惯性 。金额超过了所有科目包括引用部分。

运动员有很多数学模型以及每个运动员不同的复杂性。使用人体模型通常可以划分为骨盆、腹部、上肢、下肢和其他部分根据惯性特性,可以根据需要减少到更少的细分(22]。在这项研究中,它将假定的手腕和脚踝关节是固定的。与身体的其他部位相比,手和脚都相对较轻,所以关节运动可以忽略。因此,运动员可以简化成一个10-body模型,包括一个躯体,一个头,两个上臂,两个前臂连接到手中,和两个大腿和小腿与脚。这通常是最小的身体碎片接受一个真实的模拟。

研究和分析的条件下,为了使torsion-tossing模型尽可能的简单,只有一个双体模型需要考虑一个铰链接合部位除了左臂相对于身体是固定的吗 。在图中,和身体的重心,左胳膊,分别和C是总质心。在这里,双体模型如图3是用于研究之间的关系n词和米翻筋斗的潜水者不同的身体类型(身高和体重)和运动员的身高和体重。

在实际的潜水过程中,米通常是一种半整数和n通常是一个整数向前或向内,或将向后或逆转。本研究将集中在向前把扔,如5132D,5134年D,5136D(在这里,只有任何位置被认为是暂时和弯曲和随后可能会考虑把)。

基于上述分析,本研究将建立一个双体理论模型,在惯性矩的变化我和角动量的变化的详细Bharadwaj et al。23]。

(2)模型的分析。首先,我们描述的潜水项目平台潜水员执行n转过身,米波澜。通过使用一组预先确定的运动,一个简化的双体模型用于模拟。如图4,整个组运动是左臂绑架,内收,上下运动。整个模拟过程包括5个阶段为代表年代_n=(1、2、3、4、5),奇怪的舞台是一个刚体运动系统没有变形(左臂移动),和偶数和变形阶段是一个过渡阶段。具体过程如下。

在阶段所花费的时间是由 。为了方便起见,在每个阶段 ,我们使用的相对时间t相反的绝对时间离开的时刻。惯性矩、角动量和角速度是用 根据中心刚体框架和用 主轴坐标系下。因为不同的身体类型的运动员在跳水的转动惯量也不同,运动员的身高和体重的转动惯量有关。为方便分析和比较,假设初始角动量的运动员是相同的。因此,角速度为时间t在不同的帧。函数,除非特定的评估在特定的时间执行。

翻筋斗的潜水员使用两个关键职位和翻转。两个关键的姿势是布局和转折。为了区分这两种形状,翻筋斗的时候表示为和翻转的时间表示为 。

在舞台上 ,运动员从平台规定的垂直速度和角速率 。自从关于惯性主轴角速度,它对应于一个稳定的旋转角动量不变 ,所以运动员只有翻筋斗。角动量的矢量在起飞和整个潜水过程中保持不变(24]。

在舞台上 ,运动员准备运动。手臂运动导致身体的其他部位旋转相反的方向倾斜,触发器将和潜水的抛阶段。

在舞台上 ,运动员执行抛在刚体运动。为了使翻转使分析更容易,我们分析的主要框架。在整个潜水过程起着至关重要的作用,因为它确保了运动员达到正确的匝数之前回到翻筋斗。

在舞台上 ,运动员执行另一个转换结束时并返回到布局位置。

在舞台上 ,运动员返回到纯筋斗行动和决定了运动时间,以确保正确的方式进入池头入水。简而言之,我们使用控制匝数和使用 控制数量的波澜。

空气潜水时间包括在每个时间之和的五个阶段,即

通过调节垂直速度起飞期间,运动员可以控制时间在一定程度上的空气。这是假设 这里为方便计算。

使用数值模拟的结果Bharadwaj et al。23角动量),1是任意的,结果如下: 在哪里

其中, ,为了方便我们的分析 ,

5.2.3。解决方案和惯性矩的分析模型

假设运动员的上半部分和下半部分的比例设置为1:1,弯曲的长度h/ 2和塔克的长度h/ 2 (25,26]。

(1)当弯曲惯性矩。当运动员在空中弯,原理图如下(图5)。

假设运动员的质心位于2/3的脚和绕质心的转动惯量

(2)当塞惯性矩。当运动员把卷在空中,原理图如下(图6)。

假设运动员的质心位于1/2远离头部和绕质心的转动惯量

(3)在扭转惯性矩。当运动员在空中转折,原理图如下(图7)。

运动员旋转身体,假设半径的长度是一样的肩膀长度,设置在20厘米,和转动惯量如下:

根据公式所得的欧拉方程模型耦合的刚体,

可以看出,当高度较高,翻滚运动的惯性矩和惯性矩的旋转运动将会增加,但由于前的系数远远大于后者,研究表明,转动惯性的“边际的重要性,所以转动惯性的影响可以忽略不计,和整体吗增加(27]。因此,运动员的时间完成每个潜水行动与运动员的身体类型呈正相关。

6。身体修正系数的计算模型

6.1。问题的分析

基于研究之间的关系每个跳水运动员完成动作的时间和身体类型,得出每个跳水运动员完成动作的时间呈正相关运动员的体型。因此,当运动员完成一整套动作相对较长的时间,所花费的时间调整身体状态准备进入水是相对较少,以及完成动作的难度相对比较大,所以有必要加校正因子的身体类型。

整个跳水运动员的过程分为空气运动和身体扩张。通过分析三大体型的前跳水世界杯,找到一个最优体型作为操作的难度系数的标准修改空气流动的部分。然后,它通过分析垂直调整姿势和飞溅的水进入的部分。

6.2。解决这个问题

首先,整个过程分为空气潜水运动和身体膨胀到水里,和所花费的时间在空中运动部分是记录 。其次,相应的计算公式 最初的难度系数,空中运动的困难部分是记录 ,起飞的困难部分是记录 ,和身体的困难扩大到水里被记录 。因为它已经假定每个运动员的初始角动量是相同的,这里的困难校正不考虑起飞的部分;也就是说,起飞的难度是一部分不动。

6.2.1。分析的难度系数修正空中潜水的一部分

从激烈的竞争中可以看出经验和实际情况,运动员越快完成了空气流动所需的空气流动的一部分,即短 ,离开的时间准备水域运动,更有利于完成分高。

因此,对于运动员不同高度和重量的,假设他们最初的角动量是相同的,他们满足的角动量守恒定律28- - - - - -30.]:

因为运动员有不同的高度和重量,惯性的时刻 是不同的。运动员的身高和体重越大,惯性矩越大,和角动量守恒定律:惯性矩越大,运动员的角速度越低,所需的时间也越长,完成所需的空气流动,哪个更不利的。入水动作和影响过程简要描述如下:

从上面的分析,众所周知,薄运动员体型优势在辗转反侧时动作,应设置和体型系数修正。因此,本文使用运动员的空气流动正确的校正系数原跳难度。

6.2.2。修改的难度系数分析潜水主体扩大到水里的部分

从与水面接触的所有入水,溅的大小形成运动员入水后直接影响最终的竞争结果。因此,“水压力”是跳水入水的关键阶段(31日,32]。

水是一种液体,液体的基本物理性质。根据阿基米德原理,形成的水溅在潜水是由于运动员需要紧缩同样体积的水是人体的水面时,运动员入水,和水的水挤出表面溅溅的形式(33,34]。

根据我们的研究,水溅的大小主要与下列因素有关:(1)运动员的身体的大小。在正常情况下,喷雾的大小正相关运动员的身体的大小。特别是对于平台跳跃运动员,体积越大,更多的水将退出时水面进入水和大导致的可能性较大的色斑。相反,飞溅小。(2)入水速度。水进入的越快,势头在水面的影响就越大。水的表面张力的作用下,水喷雾越快挤出的水面会逃跑,这可能会让水溅更高。相反,水会飞溅低。(3)用塑料布覆盖区域。当一个运动员进入水的空气,身体之间的接触面积越大,水面,水花越大。相反,根据流体力学的要求,尽量使身体垂直入水,减少用塑料布覆盖区域。这将是更小。(4)体型。体型细长,与匀称的肌肉线条。顶部和底部结束的体型是流线型,这将在身体表面形成一层气流增强体表面之间的粘度和水流。在水的表面张力的作用下,位移降低,水行是细长的,减少飞溅。相反,它可能会产生更大的色斑。

从这个分析,我们可以知道的阶段进入水是直接关系到运动员的身体类型。此外,理想的入水角应该是直的身体是垂直于水平面。这是有关空气流动时间消耗的水进入调整时间。这已经被认为是在前面的修正过程。为方便分析,这里不考虑。

6.2.3。难度系数修正潜水的地上部分

基于身体的分析类型的前三名前世界跳水世界杯,如表所示1,前三名的平均身高男人的潜水员是1.67米,女子是1.55米。结合相关研究,相信最好的潜水的身高是1.65米,这将被用作标准作为行动的难度的基础35]。世界卫生组织给身体身高和体重之间的关系:

男性的潜水员的高度1.65米花在空中和用途当他的身高增加 。不考虑起飞的部分 ,运动员方面花的时间 和部分直接影响整个过程的难度系数。因此,增加或减少的比率来作为校正系数。当困难系数的部分 如下: ,难度系数将会增加,也就是说,

因为第二个问题给的结论是,每个跳水运动员完成动作的时间与运动员的身体类型,呈正相关 这里不考虑。总之,新的困难 修正后

6.2.4。修改跳水难度系数的身体进入水中

因此,纠正难度系数运动员终于获得的

7所示。比较分析的难度系数和原始系数修正

7.1。研究的想法

首先,分析每一个代码的组成元素10米跳台上的行动,开始的五个困难因素的结构 ,使用修改后的计算公式的运动员的跳水难度系数修改难度系数,最后添加总难度系数。

7.2。研究方法

样本中的数据导入到Excel软件;使用运动员的跳水难度系数的修正公式计算最终结果。

7.3。结果分析

结果如表所示2。每个动作的难度系数修正已明显增加,这就证实了先前的结论。随着高度的增加,重量也会增加比例。这样的运动员在空中执行的动作。更多的时间和更占主导地位的运动员的身高和体重,他们必须克服困难。同时,所花费的时间准备入水将减少,这将影响水压力的影响,最终导致一个较低的分数。这应该受到身体类型,所以修改后的难度系数比原来的难度系数更美好。因此,最初的困难体型系数修正的修正系数,和新获得的难度系数可以更准确地反映真正的困难的跳水运动员不同的身体类型。

8。结论

这项研究的结果表明,运动员的时间完成每个潜水行动与运动员的体型呈正相关。随着高度的增加,体重增加比例。等更多的时间一个运动员需要在空中,和更少的时间准备入水。因此,薄的运动员有一个体型的优势。之间的比较分析修改难度系数和原始系数表明,修正后的每个动作都有显著增加,难度系数和修改后的难度系数考虑了更多的公平。

本文结合物理理论和数学建模方法来解释人体的影响类型的时间完成跳水运动员。它提供了理论支持运动员10米跳台上的突破困难的运动,并提供与困难的平台跳跃运动员和教练。科学训练提供了基础。

在现实生活中,困难增加边际效用的影响,也就是说,跳水的难度越大,难度系数就越大。这项研究没有考虑的边际效应增加困难。因此,在后续研究中,最初的难度系数将在等级调整实现的优化模型。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究受到了教育的人文和社会科学研究重大项目部门安徽省(SK2019A1161),安徽哲学社会科学规划项目(AHSKY2017D11)和省级优秀青年人才的高校基金会安徽省(gxgwfx2018030)。