新規(guī)則女子標(biāo)槍的氣動(dòng)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(duì)3支新規(guī)則女子標(biāo)槍進(jìn)行氣動(dòng)力風(fēng)洞試驗(yàn)，通過試驗(yàn)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(duì)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(jiǎn)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(gè)細(xì)長體，標(biāo)槍重心位置的變化對(duì)標(biāo)槍飛行時(shí)的氣動(dòng)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(duì)標(biāo)槍飛行時(shí)的氣動(dòng)力參數(shù)的影響和新槍的性能，有必要對(duì)新槍的氣動(dòng)力特性進(jìn)行深入的研究，以指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的實(shí)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(dòng)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(jìng)賽規(guī)則后，我們及時(shí)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(duì)女子標(biāo)槍進(jìn)行了有關(guān)參數(shù)的測(cè)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(dòng)力風(fēng)洞試驗(yàn)，試驗(yàn)使用的是六分量應(yīng)變天平，試驗(yàn)風(fēng)速為24 m/s和26m/s，試驗(yàn)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(duì)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(gè)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(yùn)動(dòng)員在選擇標(biāo)槍時(shí)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(duì)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(huì)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(shí)，由于空氣動(dòng)力的合力作用點(diǎn)(壓力中心)并不一定與標(biāo)槍重心位置重合，因而會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(huì)使標(biāo)槍在飛行時(shí)產(chǎn)生俯仰運(yùn)動(dòng)，因而稱其為俯仰力矩。當(dāng)俯仰力矩系數(shù)為正時(shí)，力矩的方向向上，其作用使標(biāo)槍在飛行時(shí)抬頭。當(dāng)俯仰力矩系數(shù)為負(fù)值時(shí)，力矩的方向向下，其作用使標(biāo)槍在飛行時(shí)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(duì)標(biāo)槍飛行時(shí)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(gè)較大的低頭力矩。這一變化對(duì)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(shí)，會(huì)有一個(gè)較大的低頭力矩使標(biāo)槍在飛行時(shí)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(duì)不同水平女子標(biāo)槍運(yùn)動(dòng)員成績的影響

原來成績  30 m  40 m  50 m  60 m  70 m  
預(yù)計(jì)下降幅度  0～1%  2%～3%  3%～4%  4%～5%  5%～6%  

　　根據(jù)目前對(duì)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(shí)，運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(shí)踐和研究證明，對(duì)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(duì)新規(guī)則女子標(biāo)槍進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，我們根據(jù)男子標(biāo)槍的有關(guān)數(shù)據(jù)和對(duì)新女槍的實(shí)際試投成績情況，對(duì)新女槍的飛行遠(yuǎn)度做了一個(gè)初步估計(jì)，見表4。

　　由于標(biāo)槍的初速度對(duì)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(yùn)動(dòng)員的成績，首先應(yīng)提高運(yùn)動(dòng)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(qiáng)專項(xiàng)力量訓(xùn)練、改善運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)員的實(shí)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(yùn)動(dòng)員在交叉步右腳落地后應(yīng)盡量減少右腿的緩沖時(shí)間，相對(duì)延長快速蹬伸用力時(shí)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(yùn)動(dòng)員(最佳成績70～84 m)和8名女子全能運(yùn)動(dòng)員(最佳成績35～45 m)的實(shí)驗(yàn)測(cè)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(gè)階段的時(shí)間參數(shù)(平均值)。

表5　擲標(biāo)槍最后用力時(shí)右腿工作的階段和時(shí)間(s)

階段\平均時(shí)間  男子(N=10)  女子(N=8)  
被動(dòng)緩沖階段
主動(dòng)蹬伸階段
慣性前移階段
總時(shí)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(shí)獲得的動(dòng)能有效地轉(zhuǎn)換為標(biāo)槍的出手速度，在最用力時(shí)，加強(qiáng)左腿的制動(dòng)和支撐用力是一個(gè)關(guān)鍵，通過測(cè)試證明，女子標(biāo)槍運(yùn)動(dòng)員最后用力時(shí)左腿蹬伸用力的效果較差，在標(biāo)槍出手時(shí)左膝常常不能充分蹬直，見表6。由于有的女子標(biāo)槍運(yùn)動(dòng)員在最后用力時(shí)左膝彎曲過大，加長了緩沖時(shí)間，使動(dòng)量的轉(zhuǎn)換受到損失，在擲標(biāo)槍時(shí)，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(yùn)動(dòng)員投槍時(shí)的左膝角度(°)

姓名  左腳著地時(shí)  左膝最大彎曲時(shí)  標(biāo)槍出手時(shí)  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(gè)細(xì)長體，標(biāo)槍飛行的初始條件對(duì)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(duì)舊槍進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬計(jì)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(shí)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(yùn)動(dòng)員投擲標(biāo)槍時(shí)的出手角度的差異很大，見表7。如果當(dāng)時(shí)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(gè)令人震奮的成績!對(duì)于使用新槍來說，運(yùn)動(dòng)員的最佳出手角度的數(shù)值將會(huì)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(duì)標(biāo)槍飛行遠(yuǎn)度的影響飛鹿65 m級(jí)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)員一樣，女子運(yùn)動(dòng)員在最初使用新槍時(shí)可能會(huì)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(shí)成績不如以前，這些均會(huì)加重運(yùn)動(dòng)員的心理負(fù)擔(dān)。對(duì)于這種情況，教練員和運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)員的情況一樣，由于對(duì)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(yùn)動(dòng)員過早退出運(yùn)動(dòng)生涯。教練員根據(jù)具體情況制定相應(yīng)措施，以克服運(yùn)動(dòng)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(shí)，新槍會(huì)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(huì)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(jí)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(shí)踐中應(yīng)從提高運(yùn)動(dòng)員的專項(xiàng)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(dòng)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(duì)新槍的最佳飛行初始條件組合尚未深入研究，對(duì)于這些條件還需進(jìn)行定量的分析。

參考文獻(xiàn)

1　賈區(qū)耀.標(biāo)槍投擲運(yùn)動(dòng)的理論分析.氣動(dòng)力學(xué)，1985(1)

2　王肇明.標(biāo)槍動(dòng)力學(xué)與優(yōu)化計(jì)算.力學(xué)與實(shí)踐，1983(4)

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(huì)論文集，1984

5　蔡國華.標(biāo)槍幾何物理參數(shù)及氣動(dòng)力特性測(cè)量.第2屆全國風(fēng)工程及工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，1986

6　王　倩.關(guān)于女子標(biāo)槍運(yùn)動(dòng)員的實(shí)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(bào)，1990(2)

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