蹦床跳高运动员的受力测试

2022-06-23浏览次数:108

蹦床跳高运动员的受力测试


By Jernej Sirk, NVH Application Engineer, Dewesoft


这个项目的发起纯粹是出于对杂技演员身上可能起作用的力量的好奇心。我们设定这个目标是为了测量杂技演员在蹦床上跳跃时身体所承受的实际力量——并与最好的杂技团队之一——“扣篮魔鬼”合作。最初的预测是: 蹦床越大,杂技演员受到的力就越小——但是,力越大,快乐就越大吗?

由于 Dewesoft 在汽车碰撞测试方面有丰富的经验,我们认为比较不同大小的蹦床上运动员所受的力和人体在汽车碰撞中所承受的力会很有趣。除了好奇的部分,我们的目的也是看看这种跳跃是否对运动员太危险。

蹦床跳

蹦床是相当简单的工具或设备设计体操或娱乐用途。蹦床由一块绷紧的结实织物组成,织物由一个钢架内的螺旋弹簧拉伸而成。用于上下跳跃的织物本身并不具有弹性,弹性是由弹跳时储存势能的弹簧提供的。

弹簧是使事情发生的原因——基于两个物理定律:

▶  罗伯特 · 胡克弹性定律: 伸展弹簧所需的力与伸展的长度成正比
▶  艾萨克 · 牛顿第三运动定律:对于每一个作用力,都有一个大小相等的反作用力。当你在蹦床上跳下来时,弹簧反作用力大小相等,方向相反——你被弹回到空中。


蹦床运动诞生于1936年,当时美国体操运动员乔治 · 尼森发明了现代蹦床。第一届美国正式锦标赛于1954年举行,10年后,第一届世界锦标赛在英格兰举行。同年,来自参与国的官员成立了国际蹦床协会。自2000年以来,蹦床体操一直是奥运会项目的一部分。

蹦床

我们开始比较三种不同蹦床上的力量测量结果:

▶  小型蹦床
     小型蹦床,也被称为弹跳者,是一种弹跳垫,直径小于1米-3英尺3英寸,高出地面约30厘米(12英寸)的蹦床。

▶  奥运蹦床
     奥林匹克蹦床通常被认为是17英尺长,10英尺宽。然而,官方规格的蹦床是用公制定义的,精确地说是5米长、3米宽、1.15米高,也就是16.5682英尺 x 9.54724英尺 x 3.78937英尺。

▶  超新星蹦床
     这些蹦床有一个较大的垫子弹簧计数较低,确保有较少的紧张在跳垫,因此没有那么多的力量需要得到一个强大的反弹。这个尺寸允许更多的跳越者在垫子上互动和合力。



图1. 在空中准备好一个空中扣篮


扣篮魔鬼

蹦床跳跃表演者的自然选择是灌篮魔鬼-DD 小队-一个世界著名的斯洛文尼亚杂技表演与蹦床杂技篮球。从卢布尔雅那开始,他们的成功之路始于2004年,当时一群对杂技扣篮充满激情的4个朋友决定与世界分享我们对蹦床运动的热爱。

多年来,这个团体已经发展到包括70多名杂技演员,其中25名是专业表演者。除了两次获得杂技扣篮世界冠军外,他们还获得了两项吉尼斯世界纪录——一项是最高的前空翻扣篮,另一项是蹦床上最长灌篮。

测量设置

尽管应用程序是独一无二的,但测量本身并不是什么新鲜事或特别的东西。问题是要建立一个适当的轻量级和小尺寸的配置,能够测量作用在运动员身体上的力量。

图2. 奥运蹦床上的跳跃测量。

最后,我们给杂技演员配备了一个背包,里面装有所需的测量设备。我们用了一个小背包,里面放置了一台平板电脑,我们把 DS-IMU1传感器和 GPS 天线连接起来。

DS-IMU1惯性导航系统测量 GPS 的位置、高度、侧倾-俯仰-下巴。和加速力。GPS 天线提供了必要的 GPS 信号的良好精度。GPS 天线连接到 IMU 设备,通过 USB 电缆连接到 PC 机。数据直接存储在平板电脑上,使用 DewesoftX 数据采集软件。



Dewesoft DS-IMU1是多传感器的组合,包括陀螺仪、加速度计、磁强计、压力传感器和高速 GNSS 接收器。再加上复杂的算法,它提供准确的位置,速度,加速度和方向,即使在最苛刻的条件下。

在测量开始之前,我们调整了传感器轴向并设置了对平板电脑的远程桌面访问,以便我们能够观察在测量期间捕获的数据。


测量

虽然很难将在迷你蹦床上跳跃的快乐与在超新星上跳跃的快乐相提并论,但我们的预测在一定程度上得到了证实。请记住,1 g 的重力定义为地球上的重力加速度 -9.8 m/s 2。

在迷你蹦床上,跳跃的力量在 x 轴上达到6.9 g,在 z 轴上达到8G ——起跳时的综合重力相当于一辆汽车以25公里/小时的速度撞墙。

在奥运蹦床上,只有 z 轴。在最高的跳跃过程中,重力达到了8.4,与以20公里/小时的速度撞墙相似。

在超新星蹦床上,来自更多杂技演员身体的力量可以转移到跳跃者身上——这是为最高高度而设计的。最大的作用力是在 x 轴上,因为跳跃者在他的背上跳跃,这里达到了14.6 g 的作用力,这相当于30公里/小时的汽车碰撞。




总结

正如视频中所描述的,根据蹦床的大小,有各种重力作用于运动员的身体上。这些力量从6到14G 不等,相当于25-30公里/小时的车祸。我们惊奇地看到反弹到运动员身上的力量的高强度。

关于危险方面,我们的结论是,虽然重力是相当高和意想不到的,跳蹦床是安全的,因为减速力仍然远远低于汽车碰撞,因为它的灵活的影响面。

那么,力量越大,快乐就越大,这又如何呢?在这种情况下,可以公平地说,体型并不重要——无论如何,在蹦床上跳跃是很有趣的。