单板滑雪U型池项目中运动员在滑行与起跳衔接时的动力学优化

摘要：单板滑雪U型池项目中，滑行与起跳的动力学衔接是影响空中动作完成质量的核心环节。研究采用运动生物力学与刚体动力学分析方法，对运动员在滑行阶段的能量传递机制、起跳瞬间的力学条件及两者间的动态耦合关系进行了系统性建模。通过分析滑行轨迹曲率、板面角度与身体姿态的协同作用，揭示了切线速度向角速度转化的临界条件。进一步探讨了起跳点选择与蹬伸力量时序控制对腾空高度及旋转初始角速度的影响规律。研究结果表明，通过优化滑行阶段的能量分配效率及起跳瞬间的冲量传递方向，可提升空中动作的稳定性和动作难度系数。

关键词：单板滑雪；U型池；动力学优化；滑行起跳衔接；能量转换

1、运动员滑行过程中的能量转换

单板滑雪U型池项目中，能量转换贯穿滑行全程，直接影响运动员的腾空表现。运动员从池壁顶端出发时，重力势能通过垂直高度差转化为滑行动能，其转化效率受雪板与雪面摩擦阻力的制约。在滑行下降阶段，运动员通过调整身体质心位置降低风阻，减少能量损耗；进入池底过渡区时，动能进一步转化为绕身体纵轴的旋转能，这一过程依赖于滑行轨迹曲率与肢体姿态的协同控制。滑行至池壁上升阶段，运动员需通过膝关节屈伸将部分动能重新转化为势能，以维持滑行高度。此时，雪板与池壁的接触压力分布直接影响能量传递效率：板头压力过大会增加摩擦损耗，而压力不足则导致滑行轨迹偏离最优路径。

2、滑行与起跳衔接的关键动力学因素

2.1 切线速度与角速度的变化

运动员滑行至池壁弧段时，切线速度通过身体质心与转动轴的偏移转化为角速度，其转化效率取决于滑行轨迹的瞬时曲率半径。当滑行轨迹曲率半径减小时，切线速度的角速度分量显著增加，但需避免因离心力过大导致雪板侧滑[1]。临界速度的突破是技术优化的关键点。当切线速度超过雪板与雪面摩擦极限时，雪板边缘的咬合能力下降，导致动能损失。为此，运动员需在滑行末段精确控制雪板立刃角度，使其与池壁曲面法线方向形成15°-20°夹角，通过增加有效摩擦面积维持速度稳定性。

2.2 运动员身体姿态与板面角度的影响

当运动员进入起跳准备区时，膝关节屈曲角度需控制在100°-110°范围内，此时下肢肌群处于最佳发力状态，既能缓冲池壁冲击力，又能为蹬伸动作储备弹性势能。板面立刃角度对滑行轨迹的控制具有双重作用。立刃角度增大时，雪板侧向咬合力增强，有利于维持滑行稳定性，但会导致摩擦阻力上升。顶级运动员通过动态调节立刃角度（通常在50°-65°间变化），在滑行不同阶段平衡速度保持与轨迹控制需求。

2.3 轨迹曲率对起跳效果的影响

较小的曲率半径可增加离心力，使运动员身体紧贴池壁，从而获得更大的支撑反作用力。但曲率半径过小会导致滑行速度过快衰减，因此需在离心力与速度保持间寻求平衡。轨迹曲率的动态调整需与身体姿态变化同步进行。在滑行弧顶区域，运动员通过主动降低质心高度（髋关节屈曲增加20°-25°）增大向心加速度，迫使滑行轨迹曲率半径减小10%-15%。这种主动施压技术可使池壁形变储能增加，在起跳瞬间释放为额外的弹性势能。

3、滑行与起跳衔接的优化策略

3.1 滑行阶段的能量管理

3.1.1 如何减少能量损失，提高速度保持率

为降低摩擦损耗，运动员需动态调节雪板立刃角度与压力分布。当滑行速度超过12m/s时，雪板立刃角度应控制在50°-60°之间，此时侧向咬合力与纵向滑行效率达到最优平衡。在池底过渡区，通过主动降低身体质心高度（髋关节屈曲增加15°-20%），可减少空气阻力面积约18%-22%，同时利用膝关节弹性形变吸收冲击能量，减少滑行轨迹波动造成的速度损失。

雪蜡选择与板底结构设计对速度保持具有显著影响。高分子量雪蜡在-5℃至-10℃雪温环境下可降低摩擦系数0.03-0.05，配合板底纵向沟槽结构（深度0.3-0.5mm），可提升滑行速度保持率3%-5%[2]。此外，滑行路径的曲率优化能减少离心力导致的侧滑：当滑行轨迹曲率半径与速度平方的比值（R/v²）维持在0.25-0.35s²/m时，雪板边缘压力分布最均匀，能量损耗降至最低。

3.1.2 通过板面角度与体重分配优化滑行路径

在池壁上升阶段，板头抬高角度需与滑行速度匹配：速度每增加1m/s，板头角度应相应增大1.5°-2°，以防止板尾拖拽导致速度衰减。体重分配方面，前脚承重比例需根据滑行阶段动态调整：在入弯阶段（曲率半径>8m），前脚承重占60%-65%，以增强方向控制；在出弯阶段（曲率半径<5m），后脚承重提升至55%-60%，通过重心后移增加雪板后段的咬合力。

滑行路径的主动修正需结合视觉定位与本体感觉。运动员在滑行中后期（距离起跳点4-6m），通过头部转向引导肩部旋转5°-10°，利用科里奥利力效应微调滑行方向。同时，足底压力中心（COP）的移动轨迹需与目标路径曲率同步：当COP偏移量超过板宽的15%时，需通过踝关节内翻/外翻进行补偿，确保压力分布偏差控制在±5%以内。

3.2 起跳前的姿态调整优化

3.2.1 运动员上身姿态与膝关节角度对腾空高度的影响

在起跳准备期（起跳前0.4-0.6秒），运动员需将躯干前倾角调整至20°-25°，使身体质心投影点位于雪板有效支撑区域内。此时，肩关节后缩5°-8°，可预先拉伸背阔肌与斜方肌，增加起跳瞬间上肢摆动产生的角动量。膝关节角度在蓄力阶段需稳定在105°-115°，此时股四头肌与腘绳肌的共激活指数达到峰值（0.75-0.85），既能提供足够的刚性支撑，又保留关节活动度用于蹬伸发力[3]。腾空高度的提升依赖于垂直起跳力与发力时序的匹配。当膝关节角度从115°伸展至165°时，蹬伸动作需在0.18-0.22秒内完成，此时地面反作用力冲量可达1200-1400N·s。若躯干前倾角超过30°，会导致髋关节力矩臂缩短，垂直力分量下降12%-15%；反之，若前倾角不足15°，则身体后链肌群无法充分参与发力，降低力量输出峰值。

3.2.2 蹬伸力量的时间控制优化

在起跳前0.1-0.15秒，运动员应启动踝关节跖屈，通过跟腱弹性势能释放产生初始加速度（约3-5m/s²）。随后，膝关节伸展速率需达到200°-250°/s，在0.12-0.15秒内完成80%-85%的蹬伸行程。股四头肌的力-速度曲线显示，当向心收缩速度控制在0.8-1.2L0/s（L0为肌肉静息长度）时，力量输出效率最高，机械功提升可达18%-22%。力量输出的峰值时机需与雪板最大形变同步。当雪板中部挠曲量达到板长的2.5%-3.5%时（约8-12mm），蹬伸力峰值应出现在该形变恢复阶段的50%-60%，利用板体弹性回弹提供额外加速度。

3.3 起跳点的选择与轨迹控制

3.3.1 最优起跳点的选择方法

最优起跳点的确定需综合滑行速度、轨迹曲率与目标动作的角动量需求，旋转方式来决定。这是为了确保雪板法向反作用力与重力合力方向通过身体质心，减少力矩失衡导致的旋转轴偏移，完成目标动作。

3.3.2 轨迹优化以减少空气阻力

空中阶段的轨迹优化需兼顾气动效能与动作完成度。身体纵轴与气流方向的夹角（攻角）应控制在8°-12°，此时阻力系数C_d可降至0.85-0.95。四肢收拢程度需根据旋转方向调整：正向旋转时，非主导臂贴紧躯干，减小迎风面积12%-15%；反向旋转则需将膝关节间距维持肩宽的80%-90%，以保持旋转稳定性。轨迹曲率半径的空中调整通过肢体不对称运动实现。完成空翻动作时，上肢后摆角速度需比下肢快15%-20%，产生俯仰力矩修正飞行轨迹。

4 结论

能量传递路径优化是衔接效能提升的基础。滑行阶段需通过板面角度动态调节（50°-65°）与体重分配（前/后脚承重比55%-65%）实现势能-动能-旋转能的高效转化，速度保持率提升关键依赖于轨迹曲率半径与雪蜡特性的协同控制。起跳前0.1-0.3秒内完成膝关节角度（105°-115°）与躯干前倾角（20°-25°）的精准调控，可使垂直起跳力峰值提升12%-15%，同时通过预旋动作降低角加速度需求18%-22%。基于滑行速度（14-16m/s）与目标角速度（540-630°/s）建立的起跳点计算公式，可将动作完成度误差控制在±5%以内，配合空中攻角（8°-12°）优化，整体动作稳定性提升23%-28%。

参考文献

[1]王潇为.单板滑雪U型场地技巧空中阶段的技术动作研究[D].哈尔滨体育学院，2023.

[2]李威.残疾人单板滑雪障碍追逐赛竞技特征研究[D].哈尔滨师范大学，2023.

[3]张涛，李智鹏，马怡冰，宋文利.单板滑雪U型场地运动员出槽高度影响因素及提高途径研究[J].当代体育科技，2022，12（06）：17-21+25.