新规则女子标枪的气动力特性与投掷技术

新规则女子标枪的气动力特性与投掷技术

北京体育大学田径教研室   王倩　于芳晏　左斌　曲淑华　冯晓东

　　摘要　对3支新规则女子标枪进行气动力风洞试验，通过试验发现新规则女枪的升阻比有所减小，在相同攻角下低头力矩较大，从而使标枪的飞行性能有所下降。但这些变化使标枪裁判工作的客观性和准确性大大增加了。文中还对改进女子标枪的投掷技术进行了分析并提出了建议。

　　国际田联规定，自1999年4月1日起，将在所有正式田径比赛中使用新规则女子标枪(以下简称新枪)，表1是新、旧规则(1988年规则)女子标枪的规格。由于标枪是一个细长体，标枪重心位置的变化对标枪飞行时的气动力产生影响，并最终影响标枪的飞行远度。为了了解标枪重心位置的变化对标枪飞行时的气动力参数的影响和新枪的性能，有必要对新枪的气动力特性进行深入的研究，以指导运动训练的实践。

表1　新旧标枪的规格　单位：cm,g

　  全长  重心至枪尖距离  比赛重量  枪身最大直径  
旧标枪
新标枪  220～230
220～230  95
92  605～625
600  2.5
2.5  

表2　六分量应变天平的量程和静校精度　单位：M.m

分量  轴向力  法向力  侧向力  滚动力矩  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年国际田径竞赛规则后，我们及时与国内生产标枪的厂家联系，在各厂家的大力支持下，我们获得了3支符合1999年国际田径比赛规则规定的女子标枪，对女子标枪进行了有关参数的测试，并于1998年10月在航天部701所FD-09低速风洞进行了标枪的气动力风洞试验，试验使用的是六分量应变天平，试验风速为24 m/s和26m/s，试验攻角范围为-30°～40°，间隔5°。查阅了近年来国际、国内公开发表的有关掷标枪技术的论文与资料，收集了有关数据，并据此对投掷新枪的技术进行了初步分析。

2　分析与讨论

　　从表3中可见，3个厂家制造的新规则女子标枪均符合1999年国际田联比赛规则的规定，标枪重心距离标枪尖的最大距离均小于92 cm，且相互之间的差异较小，但值得注意的是，3支标枪的重量有一定差距，运动员在选择标枪时应使用重量较轻的标枪。

表3　新规则女子标枪的部分几何参数　单位：mm,g

标枪  全长  重心至枪尖距离  重心相对位置  重量  
飞鹿
皇冠
天成  2224
2219
2215  916
915
914  41.19%
41.23%
41.26%  607.5
617.5
619.0  

　　从图1中可见，新枪的升阻比(升力与阻力的比值)有较大差异，旧标枪的升阻比值较大，最大可达到2.48，而新女枪只能达到2左右。与旧枪相比，新枪的升阻比有较显著的下降。新标枪升阻比下降的原因是由于自1988年以来，国际田径比赛规则经过数次变化，现在新规则女子标枪的尾部较1988年规则的旧标枪有较大增粗，导致阻力上升的缘故。由于升阻比上升，将使新规则标枪的飞行性能有所下降，在相同的出手速度和其它飞行初始条件下，新标枪的飞行远度将会有所下降。

图1　国产飞鹿牌女子标枪的升阻比

　　标枪飞行时，由于空气动力的合力作用点(压力中心)并不一定与标枪重心位置重合，因而会产生一个使标枪围绕其质心横轴旋转的力矩，由于这一力矩会使标枪在飞行时产生俯仰运动，因而称其为俯仰力矩。当俯仰力矩系数为正时，力矩的方向向上，其作用使标枪在飞行时抬头。当俯仰力矩系数为负值时，力矩的方向向下，其作用使标枪在飞行时低头。为了进一步分析俯仰力矩与攻角的关系，可将其变换为无量纲的系数。从图2中可见，新、旧飞鹿牌女子标枪的俯仰力矩系数有很大差异。在0°～5°的攻角内，新旧标枪的俯仰力矩系数的值均较小，因而对标枪飞行时的俯仰作用的影响也较小。当攻角增至10°以后，旧枪的俯仰力矩系数的数值有所变化，但幅度较小，而新枪的俯仰力矩系数的值却有显著变化，表现为出现一个较大的低头力矩。这一变化对标枪飞行远度的影响是当标枪以较大攻角飞行时，会有一个较大的低头力矩使标枪在飞行时过早低头而降低飞行远度，见表4。

图2　国产飞鹿牌女子标枪的俯仰力矩系数

表4　新枪对不同水平女子标枪运动员成绩的影响

原来成绩  30 m  40 m  50 m  60 m  70 m  
预计下降幅度  0～1%  2%～3%  3%～4%  4%～5%  5%～6%  

　　根据目前对标枪技术的研究，影响掷标枪成绩的因素有标枪飞行的初始条件，标枪的几何物理参数和天气因素。当后两者的因素确定时，运动员掷标枪的技术影响着标枪飞行的初始条件，从而决定了运动员的投掷成绩，见图3和图4。

图3　影响标枪飞行远度的因素

图4　影响标枪飞行初始条件的因素

　　通过实践和研究证明，对标枪飞行远度起决定作用的因素是标枪的初速度。在其它条件不变的情况下，标枪的初速度每增加1 m/s，飞行远度大约增加5 m。由于目前尚没有对新规则女子标枪进行计算机模拟计算，我们根据男子标枪的有关数据和对新女枪的实际试投成绩情况，对新女枪的飞行远度做了一个初步估计，见表4。

　　由于标枪的初速度对远度的影响是第一位的，而新枪的‘滑翔’性能有所下降，因此要提高运动员的成绩，首先应提高运动员的出手速度即标枪的初速度。根据图4，可以进一步分析提高出手速度的有效途径：如加强专项力量训练、改善运动神经-肌肉系统的协调，提高快速鞭打能力；根据运动员的实际情况，进行提高助跑速度的训练；改善助跑与用力的衔接，减小助跑速度的损失。这些措施均可有效地提高标枪的出手速度。

　　为了改进助跑与用力的衔接技术，女子标枪运动员在交叉步右脚落地后应尽量减少右腿的缓冲时间，相对延长快速蹬伸用力时间，这是减少速度损失的关键。表5中是10名男子标枪运动员(最佳成绩70～84 m)和8名女子全能运动员(最佳成绩35～45 m)的实验测试结果，表明了在交叉步右脚触地瞬间至左脚触地瞬间过程中右腿工作的3个阶段的时间参数(平均值)。

表5　掷标枪最后用力时右腿工作的阶段和时间(s)

阶段\平均时间  男子(N=10)  女子(N=8)  
被动缓冲阶段
主动蹬伸阶段
惯性前移阶段
总时间  0.105
0.090
0.030
0.225  0.161
0.062
0.013
0.236  

　　注：均以右手投掷为例，以下同

　　为了使助跑时获得的动能有效地转换为标枪的出手速度，在最用力时，加强左腿的制动和支撑用力是一个关键，通过测试证明，女子标枪运动员最后用力时左腿蹬伸用力的效果较差，在标枪出手时左膝常常不能充分蹬直，见表6。由于有的女子标枪运动员在最后用力时左膝弯曲过大，加长了缓冲时间，使动量的转换受到损失，在掷标枪时，左腿未充分蹬伸，使产生的垂直冲量较小，也减小了标枪的垂直速度，并使标枪的初速度和出手角度受到影响，因此需要加以改善。

表6　1995年田径世锦赛女子标枪前3名运动员投枪时的左膝角度(°)

姓名  左脚着地时  左膝最大弯曲时  标枪出手时  成绩  
谢科连科
迪里娅
英格伯格  162
161
172  139
150
150  150
178
180  67.56
65.22
65.16  

　　由于标枪是一个细长体，标枪飞行的初始条件对标枪的飞行远度影响极大，从图3、4中可见，标枪的飞行远度不仅取决于标枪的初速度，还取决于其它条件，如初始俯仰角速度，初始攻角、出手角度等。这意味着，如果仅有较高的出手速度不一定就能投出最好成绩，还应与其它初始条件进行最佳组合，才有投出好成绩的可能。根据对旧枪进行计算机模拟计算的结果，投掷各种旧枪的最佳出手角度在30°～32°，最佳初始攻角约为0°～-2°，此时与之匹配的最佳初始俯仰角速度和偏航角约为零。

　　而目前女子标枪运动员投掷标枪时的出手角度的差异很大，见表7。如果当时谢科连科能适当增大出手角度至32°和减小偏航角至0°，她的成绩将能达到75 m，这是一个令人震奋的成绩!对于使用新枪来说，运动员的最佳出手角度的数值将会增大2°左右，其它参数的最佳值尚需进行深入研究。

图5　初速度(V0)对标枪飞行远度的影响飞鹿65 m级旧女枪，出手角度=32°

表7　1995年田径世锦赛女子标枪前3名运动员的标枪飞行初始条件

姓名  出手速度
m/s  出手角度
°  初始攻角
°  偏航角
°  成绩
m  
谢科连科
迪里娅
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  

　　同男子标枪运动员一样，女子运动员在最初使用新枪时可能会产生一些不利的心理影响，如新标枪的手感较差，枪头明显变沉，投掷时成绩不如以前，这些均会加重运动员的心理负担。对于这种情况，教练员和运动员应给予足够的重视，否则有可能像当年男子标枪运动员的情况一样，由于对新标枪不适应，使现在一批在役的优秀女子标枪运动员过早退出运动生涯。教练员根据具体情况制定相应措施，以克服运动员的不利心理因素。

3　结论

3.1　新枪的最大升阻比在2左右，比旧枪有较大下降，使标枪的飞行性能有所下降。

3.2　当飞行攻角大于10°时，新枪会产生较大的低头力矩，使标枪过早低头落地，并使标枪的飞行距离减小。

3.3　新标枪的落地角度将会大大增加，从而使裁判工作的难度大大减小。

3.4　由于新标枪的重心前移，枪尾的最小直径较大，使新枪的最大米级数有所降低。

3.5　初速度是决定标枪飞行远度的最主要因素，在实践中应从提高运动员的专项快速鞭打能力和助跑速度两方面进行训练，减少助跑速度的损失，做好衔接动作。

3.6　较高的出手速度与其它初始条件的最佳组合才是取得优异成绩的条件。由于对新枪的最佳飞行初始条件组合尚未深入研究，对于这些条件还需进行定量的分析。

参考文献

1　贾区耀.标枪投掷运动的理论分析.气动力学，1985(1)

2　王肇明.标枪动力学与优化计算.力学与实践，1983(4)

3　周继和.投掷标枪出手角度的研究.成都体育学院硕士论文，1984

4　徐孟仁.如何选择标枪.体育科学学会论文集，1984

5　蔡国华.标枪几何物理参数及气动力特性测量.第2届全国风工程及工业空气动力学学术会议论文集，1986

6　王　倩.关于女子标枪运动员的实际最佳出手角度和初始攻角的研究.北京体育大学学报，1990(2)

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