动力学分析法（精选8篇）
动力学荧光分析法是荧光分析新技术中的一种，通常利用慢反应，在反应开始之后和到达平衡之前的某一期限内进行测量。由于化学反应的速率与反应物的浓度有关，在某些情况下还与催化剂（有时还包括活化剂、阻化剂或解阻剂）的浓度有关，因而，可以通过测量反应的速率以确定待测物的含量，这正是动力学分析法定量测定的依据，所以该法也称为反应速率法[1]。动力学分析法的特点
动力学测量是一种相对的测量值，只测量反应检测信号的变化。在反应过程中，那些不参与反应的物质或仪器因素，对于反应监测信号值的贡献保持不变，因而并不干扰。其次，某些类似的物质，虽然也能发生反应，但反应速率不同，这样便有可能创造一定的条件，使得在测量期间内只有待测物的动力学贡献才是有意义的。这两种原因，使得动力学分析法有可能比平衡法具有更好的选择性。
动力学分析法还具有灵敏度很高、操作比较快速、易于实现自动化和可用来测定密切相关的化合物等优点。
当然，动力学分析法也有它的某些限制[2]。首先，所使用的反应半衰期应在5ms-1h之间。其次，要必须严格的控制温度、ph、实际浓度、离子强度等反应条件和其他可能影响反应速率的因素。第三是动力学测量的信噪比在本质上要比平衡法小，因为只有反应的一小部分被用于测量。
2动力学分析法的类型
动力学分析法主要包括如下三种类型：非催化法、催化法、酶催化法。非催化法是通过测量非催化反应的速率而测定某种反应物的浓度。此法的灵敏度和准确性都不比催化法，不过它常用于有机物的分析。基于各种相似组分与同一试剂的反应速率的差异，可应用差示动力学分析法进行同时测定。
催化法是以催化反应为基础来测定物质含量的方法。在合适条件下，催化反应的反应速率与催化剂的浓度成正比，因此，可用于测定某些对指示反应有催化作用的痕量物质，也可用于测定某些对催化反应起助催作用或抑制作用的物质。由于测量的对象并非催化剂本身，而是经“化学放大”了的其他物质，因而此法的灵敏度很高，检测限常可达ng或pg级。
酶催化法则是基于酶催化的反应，这类反应的突出特点是它的特效性和高灵敏度，不仅可用来测定酶的活性，也可用来测定底物、活化剂和抑制剂。在合适条件下，酶催化反应的初始速率与酶浓性成正比，当底物浓度较低时，初始速率也正比于底物的浓度。同时，酶催化反应的初始速率也与活化剂的浓度呈正比，与抑制剂的浓度成反比。
上述三种方法中，催化法尤其是酶催化法更为人们所青睐。不过，这里值得一提的是，酶催化法虽然具有高灵敏度和特效性的优点，但也具有酶的不稳定性、存储期短和价格昂贵的缺点，所以模拟酶的研究一直是人们所致力的工作。应用
动力学荧光分析法在实际应用中非常广泛。如，利用酶催化法可进行每的测定及底物的测定。利用非催化法可进行无机物的测定和有机物的测定。
先如今，动力学荧光分析法已经成为一种成熟的分析方法，随着科学事业的发展，我们将会进一步对其原理、特点和发展状况做出更深的研究。
参考文献
系统动力学 (SD) 是麻省理工学院福瑞斯特 (Forrester J.W.) 教授于1956年提出的, 是一门研究系统动态复杂性的科学。其产生的背景是在第二次世界大战以后, 随着工业化进程的推进, 一些国家的社会问题日趋严重, 比如城市人口剧增、失业、环境污染、资源匮乏等, 系统动力学正是基于这些问题应运而生。许多学者采用系统动力学方法来研究各国的社会经济问题, 涉及到经济、能源、交通、环境、生态、生物、医学、工业和城市等广泛的领域[1]。
中国于20世纪70年代末引入系统动力学理论, 国内部分学者参与了系统动力学在中国的应用研究工作, 王其藩、苏懋康、胡玉奎、许庆瑞、杨通谊、陶在朴等专家是系统动力学研究的先驱和积极倡导者[2]。经历了30多年的研究与发展, 系统动力学研究与应用在中国取得了飞跃发展, 并且在企业管理、城市规划、产业发展、科技管理、生态环保、海洋经济等应用领域取得了巨大进步[3]。
本文的目的是利用社会网络分析法来研究分析国内系统动力学的研究成果、研究热点和作者合作情况等, 为系统动力学的未来研究提供参考与指导。
1 数据来源与研究方法
1.1 数据来源
本研究的数据源选取CNKI中《中国学术文献网络出版总库》, 检索的条件主要限制如下:篇名=“系统动力学”, 时间跨度=2000-2014, 期刊来源=核心期刊, 精确匹配, 检索时间为2014年7月1日, 共检索到1288篇文献, 用SATI软件去重复后得到1283篇文献, 获得的全部文献的题录信息包括篇名、作者、机构、关键词、摘要、基金、刊名、年、期和分类号等以Endnote格式保存。本文后续的研究围绕1283条题录来展开。
1.2 研究方法及工具
本文的研究方法采用社会网络分析法, 主要研究工具包括:文献题录信息统计分析工具SATI和Ucinet软件。本文将CNKI中Endnote格式的文献题录信息导入SATI软件, 该软件通过对期刊全文数据库题录信息的字段抽取、频次统计, 生成的共现矩阵直接导入Ucinet软件进行处理分析。采用社会网络分析方法对表征文献外部特征的时间、作者、机构、研究主题等数据进行统计分析, 直观反映了系统动力学领域的成果数据及分布的基本状况、研究主题的分布等基本情况。
2 系统动力学的数据分析
2.1 系统动力学研究的成果年限分布
从图一数据可以看出, 国内系统动力学发文数基本呈逐年增长趋势, 特别是2005、2007、2012年的文献量增长速度较快, 其他年度的发文量增减不大, 趋于稳定的状态, 2014年69篇文献只是上半年数据。从2000—2014年发文量来看, 虽然系统动力学是个成熟的理论, 但是不同时期对其理论的运用情况不同, 这是由于政策、环境和关注度等方面的影响[4]。
2.2 系统动力学的共词分析
在共词分析中, 为了便于对共现频率的运算, 利用SATI软件生成共词矩阵, 由于受到网络结点的限制, 本文只对50个高频词进行共词分析, 形成一个50×50的共词矩阵。如表一所示, 该矩阵是对称矩阵, 表中对角线上的数值为该关键词在文献中出现总的频次, 表中非主对角线单元格上的数值为两个关键词共现的次数。同时出现在一篇文献中的两个关键词容易判断文章的主题脉络, 同时根据两两关键词出现频次的高低可以发现论文的研究热点。在表一中, 系统动力学出现674次, 通过组配与其他高频词在同一篇文献中出现的次数, 发现系统动力学与仿真共现的频次是70, 与模型共现频次是41, 表明共有70篇论文的关键词同时标引了系统动力学和仿真, 41篇论文的关键词同时标引了系统动力学和模型, 也就是有70篇文章的研究主题论述了系统动力学与仿真的关系, 41篇文章的研究主题论述了系统动力学与模型的关系。由此可以看出, 研究系统动力学与仿真、模型的文献有较多, 这是由于系统动力学理论在解决社会经济复杂问题方面发挥重要作用[5]。
2.3 系统动力学的共现网络分析
共现网络分析是文献集中的词汇对或名词短语共同出现形成一个共词网络, 显示这些词对的关系及其规律, 实现对学科结构、研究热点、学科发展动态的分析。图二中每个节点代表一个关键词, 点的大小表示关键词在社会网络中的中心度大小, 节点之间的距离反映两者之间的亲疏关系, 通过K-cores的分析, 红色的点所代表K值最大的关键词处于研究的核心位置, 也是系统动力学研究领域的热点与核心。
国内外共词网络都是以系统动力学、仿真和动力学为中心, 向四周辐射, 研究文献围绕系统动力学、仿真和动力学来展开。从图二可以看出, 国内系统动力学领域研究热点主要有:系统动力学、仿真、动力学、动力学分析、动力学特征、模拟、系统动力学模型、转子系统、稳定性、多媒体动力学、虚拟样机、非线性等[6]。
2.4 系统动力学的作者合作度网络分析
利用SATI软件统计作者发文量, 排名前五依次是:何芝仙、闻邦椿、桂长林、李震、秦大同, 他们的发文依次:16、13、11、10、8。可见, 这些作者是国内系统动力学领域的专家, 引领该领域的研究与发展。
笔者对1283篇文献数据进行过滤和整理后, 利用SATI软件生成50×50矩阵导入Ucinet软件中, 构建一个基于作者合作度的合作关系网络, 去掉没有连线的节点后, 如图三所示。作者合作关系网络图的节点间连线反映了作者之间的合作相关度, 可以看出, 图三网络中有三个较大的子网:第一团队:刘超、陆启超、张伟、曾鸣和李晨;第二团队:孙军、李震、桂长林和何仙芝;第三团队:张锁怀、谢友柏、朱爱斌和刘梦军, 代表这三个团队的作者相关度较高。这三个合作团队在系统动力学领域的研究中发挥主导作用。但从整体上来看, 作者合作图谱的连线稀疏, 网络中大多数节点之间没有连线, 关联程度非常低, 表明目前大多数作者不存在合作与交流情况, 国内系统动力学领域还没有形成一支成熟的研究队伍。
3 结束语
根据以上对国内系统动力学研究的分析, 结合近几年来系统动力学发展的现状, 通过社会网络分析方法分析国内系统动力学的研究成果并做出以下判断:
第一, 从文献数量来看, 国内学术界对系统动力学的关注度较高, 由于政策、环境和技术需要运用系统动力学来研究中国可持续发展问题:人口、自然资源和能源、生态环境、经济与社会等, 2005、2007、2012年文献量增长速度较快, 近年来, 系统动力学在中国可持续发展问题研究发挥重要作用。
第二, 国内系统动力学的研究热点主要有:系统动力学、仿真、模拟, 系统动力学模型, 动力学特征、非线性、转子系统、稳定性、虚拟样机, 动力学分析与非线性等。
第三, 国内系统动力学的研究前沿涉及供应链、水资源、旅游、人口、教育、保健、土地、贸易、竞争情报等相关问题, 未来系统动力学的研究将着力解决中国可持续发展问题。
第四, 从系统动力学作者合作情况来看, 国内系统动力学领域的作者合作度不高, 没有形成核心的合作团队, 未来需要系统动力学领域的专家及学者加强合作与交流, 系统动力学的研究成果才能更好地服务于能源、生态环境、社会与经济发展等问题。
参考文献
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关键词:市场动力学;社会网络分析;复杂网络;计算机模拟;新产品接受
市场动力学(Market Dynamics)是一类关于市场现实的崭新研究,该类研究希望以尽可能自然的方式刻画市场现象的关联、动态与交互特点(丁海欣,2010)。本文将主要讨论市场动力学如何可能从关联的角度反映市场动态现象。内容上主要包含如下三部分内容:功能角度的网络分析;结构角度的网络分析;通过具体的研究实例展示网络结构对于刻画市场动力现象的重要意义。
一、 社会网络分析:网络的功能分析
社会网络分析(Social Network Analysis)是当代西方主流社会学一个重要的研究方向,作为一种研究范式和一个具体的研究领域,被社会学之外的其他社会科学与自然科学学科广泛接受。从思想史的角度看,对网络或关系的重视具有悠久的历史,但在早期的研究中网络或者表现为比喻,或者只在抽象的意义上得到应用。现代意义上的社会网络分析与上述意义上的网络不同,它不仅重视对网络的分析,更重视量化分析。
社会网络分析的中心概念是网络,即交互作用单元之间的关系,对关系重要性的强调指导了与之相关的理论发现、模型构建及其应用,并使得社会网络分析成为一种独特的研究视角。根据Wasserman & Fraust(1994),社会网络分析除了强调交互主体之间关系的核心重要性之外,以下四个设定也具有重要意义:其一,行动者(Actor)及其行动被视为相互依赖而不是相互独立的;其二,行动者之间的关系联结(Tie)被视为资源传递与“流动”的渠道,其中资源既可以是物质性的,也可以是非物质性的,比如信息;其三,以个体为焦点的模型认为网络结构环境或者为行动者提供机会,或者对其行为提供约束;其四,网络模型将结构(社会、经济、政治等)概念化为行动者之间持久的关系模式。
社会网络分析思想进一步通过其所提出并论证的具体研究理念体现其对于市场动力学建模所具有的价值,比如嵌入(Embeddedness)思想。在论文《经济行为与社会结构:嵌入问题》中,Granovetter(1985)认为经济行动深深嵌入到社会关系中(经济行动是社会行动的一个特殊类别),受各种非经济因素的影响,因此应该从行动者所处的社会关系之中去解释经济活动。只有这样,才能克服以往经济学与社会学研究中存在的过度社会化与低度社会化问题,从而更好地说明经济活动及其与之相关的社会关系结构。
嵌入体现在个体之间的具体关联上。不同的关联则可能存在强弱之分。Granovetter(1973)于其著名论文《弱联结的优势》一文提出了联结的强度问题:关系联结具有强弱之分,弱联结(Weak Tie)与强联结(Strong Tie)在人际之间、组织之间以及个体与社会之间发挥着不同的作用。强联结主要维系着群体、组织内部的联系,而弱联结则在群体之间、组织之间充当信息桥,在群体间建立起纽带关系,使社会系统成为可能。
社会网络分析主要从功能意义上确定了市场动力学分析中重视网络的合法性与必要性。从存在性上讲,网络结构可能存在于消费者之间,也可能存在于企业之间,以及企业——消费者之间,所有这些存在的网络都有其意义并将发挥其影响。而从形态上看,这样的网络往往可能具有多重性,比如,在消费者之间,就不仅可能存在信息网络,同时也可能存在归属网络等(Krackhardt,1992),这些具有不同功能的网络可能具有并不完全相同的拓扑结构,并且不同的网络往往并不重合。而且对于不同的消费对象,消费者之间的网络结构也会存在差异(Janssen,M.A.,Jager, W.,2003)。
企业之间通常也会存在关联。市场往往具有不同类型的企业,不同的企业或者相互合作以完成对消费者需要的满足,比如供应链体现出的合作关系。企业之间也可能是竞争的,因导向性竞争而形成关联。或者甚至可能是竞争合作的。所有这些关系都需要在具体市场动力学建模中给予必要的重视。
二、 复杂网络:网络的结构分析
复杂网络(Complex Network)是关于不规则网络的研究。复杂网络所研究的对象往往涉及大量的网络节点及其关系,因此与传统的图论模型不同,复杂网络主要关注网络的统计特征,从统计角度刻画网络的拓扑结构,并进而展开其他相关研究。
在复杂网络研究兴起之前得到广泛研究的两类网络分别是规则网络与随机网络(Random Network)(Newman, 2003)。其中规则网络高度聚集,但不具有小世界性;随机网络具有小世界性,但不具有明显的聚集特性。虽然上述网络得到大量研究,却不能对于现实中的网络结构作出良好表示,因为现实中的网络可能既不是完全规则,也不是完全随机的。
为了对现实中的网络小世界性作出解释,Watts与Strogatz在1998年于Nature提出了一个被称为Watts-Strogatz网络(简称WS网络)的小世界模型。其构造算法如下:(1)从规则图开始:考虑一个含有N个点的规则网络,它们构成一个环,其中每个节点都与它左右相邻的各K/2节点相连,K为偶数。(2)随机化重连(Rewiring):以概率p随机地重连网络中的每个边,即将边中的一个端点保持不变,而另外一个端点取为网络中随机选择的一点。其中规定,任意两个不同的节点之间最多只能有一条边,并且每一个节点都不能有边与自身相连。
按照上述算法,p=0对应于规则网络,p=1对应于完全随机网络,通过调节p值就可以控制从规则网络到完全随机网络的过渡。
现实中的很多网络不仅具有小世界性,而且其连接度具有幂律形式,比如Internet等。针对该现象,Barabási与Albert在1999年于Science撰文提出一类无标度网络以解释幂律分布网络的产生。该论文提出了如下两个一般的解释机制:(1)增长机制(Growth):网络因为新节点的加入而不断扩张;(2)偏好连接机制(Preferential Attachment):新节点更偏好与那些具有较高连接度的节点相连接。这种现象也被称为“富者更富”(Rich Get Richer)或“马太效应”(Matthew effect)。
当前关于复杂网络的研究便主要受到以上两个典型研究的激发与促进,取得丰富成果,并在很多领域得到应用(Albert,R.,Barabási,A.-L.,2002;Newman,M. E. J.,2003; Boccaletti,et al.,2006)。
对于市场动力学建模而言,目前复杂网络所提供的关于网络拓扑结构的说明将为具体的市场动态现象建模提供结构上的支持。结构决定功能(Strogatz,2001),复杂网络将具体化通过社会网络分析所提出的关系结构并确定其功能。
复杂网络目前更多的研究主要集中于关于网络拓扑结构的讨论,但这一切并不是终点,所有关于结构的讨论都是为了更好地了解演化现象在网络结构下的动态演变(Dynamics)。根据Barabási(2009),复杂性科学的未来要求就是去理解那些被认为具有复杂性的系统的行为,而下一步需要解决的问题就是去理解那些发生在网络上的动态过程。Newman(2003)也指出,复杂网络中最重要的研究方向很可能就是关于对那些发生在网络上的过程与行为的理解。这首先取决于对于网络拓扑结构的揭示与建模。关于网络结构性理解的重要性对于市场动力学研究同样成立,并且成为具体问题讨论与建模的关键支持之一。
三、 一个示例:网络结构下的新产品接受研究
消费者对于新产品的接受(或创新扩散)具有重要意义。原因在于创新首先是当前社会进步的关键维度,并被视为现代性的一个最好指示,其次,新产品接受更具有隐喻的意义,在所有的社会变化中,都很可能存在着与上述现象相似的过程,比如群体对于新观念的接受。
根据网络分析的要求,新产品的潜在接纳者往往处于一定的社会关系下,受到其他采纳者选择的影响,对于这种影响可以概括地称之为口碑效应(Word of Mouth, WOM)。市场动力学研究利用基于主体的建模方法,可以对发生在不同网络结构下的新产品接受过程作出模拟(详细分析可参看第一作者博士论文相关章节)。结果如图1所示。
首先对图1结果与模拟作出简单说明。图中1-2所示结果分别表示Barabási-Albert网络(简称BA网络)与WS网络下不存在口碑效应的虚拟接受过程;图中3-4分别表示BA网络与WS网络下存在口碑效应的新产品接受过程,在后两种情况下,与每个消费者距离不超过2的消费者的选择行为都将对未采纳新产品的消费者的采纳行为发生影响。每种情况模拟20次,模拟时间长度为300回合,潜在采纳者为200人。
图1揭示出了明确的信息,其一,口碑效应显然对于新产品接受具有重要影响。与不存在口碑效应的对应过程相比,存在口碑过程的新产品接受在最终接受比例上要远远超过前者,从数值上看,不存在口碑效应的过程,模拟结束时的采纳比例不超过0.5,而存在口碑过程的最终采纳在0.9左右;从接受过程上看,两类情况显然表现为不同的接受路径,在有口碑过程的新产品接受中,可以看出非常清晰的接受跃迁,而这显然对应于口碑效应的促进作用。
其二,不同的网络结构下的结果也存在差异,可以看到, 虽然BA网络下的平均最终接受结果与WS网络下的平均最终接受结果大致相同(前者为0.941 5,后者为0.882 5),但从过程角度看,BA网络下的接受跃迁显然强于WS网络的接受过程。事实上,针对两类情景的非参数检验(Ma-nn-Whitney U检验)结果显示,无论是从过程的角度,还是从结果角度看,两类网络均存在统计显著性差异。
事实上,两者在接受“跃迁”上的差异很大程度上起源于相应网络结构的度分布,BA网络中存在明星式的节点(Star Node),如果这样的节点一旦采纳,则将从两个方面促进对新产品的接受,其一,从连接的人数上,可以对更大范围内的潜在接受者施加其影响,从而可能极大地促进对新产品的接受;其二,从影响的权重上,高的节点度在模拟中意味着高的影响加成,从而进一步推动对新产品的接受(节点“权重”的影响参看文献)。
四、 结语
论文首先从一般意义上简要介绍了市场动力学如何从功能与结构角度把握市场动态现实中的网络关系问题,并通过示例揭示了重视市场过程中存在的网络关系的必要性、可能性及其所具有的重要意义。希望这样的展示能够为类似研究提供一定的启示。当然需要指出的是,对于不同的问题情境,往往可能需要选择合适的关系拓扑。从构成一项完整的市场动力学研究而言,对于网络的关注往往只构成其底层基础,从实现的角度看,仍然需要其它知识(比如,与情景主体相关的理论)与技术(比如,基于主体的建模)的支持。
参考文献:
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作者简介:丁海欣,山东大学管理学院博士生;苗旺,山东大学管理学院博士生。
可折叠航天结构展开动力学分析
以欧拉参数为广义坐标(准坐标),相对角速度和相对移动速度为广义速率,采用Kane方程的Huston形式建立多体系统的运动力学方程.由伪上三角分解求约束Jacobi矩阵的正交补阵,约简约束力,从而将运动方程由微分几何方程(DAE)变为常微分方程(ODE),并由Gear法对ODE积分求出运动历程.最后给出一伸展臂数值分析算例.
作 者：陈务军 关富玲 陈向阳 Chen Wujun Guan Fuling Chen Xiangyang 作者单位：浙江大学土木工程系空间结构研究室,杭州,310027刊 名：计算力学学报 ISTIC EI PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF COMPUTATIONAL MECHANICS年，卷(期)：16(4)分类号：V418-5关键词：可折叠航天结构 运动学方程 展开动力学分析
直升机舰面动力学分析模型
建立了舰船甲板上直升机旋翼,机体耦合动力学分析模型,导出了其运动方程.无铰旋翼采用当量铰、刚硬桨叶模型,采用准定常理论计算桨叶气动力并计人旋翼动力人流的.影响;假设机体是刚性体并在弹性起落架上作六自由度运动.舰船具有6个运动自由度,并考虑直升机在甲板上的不同位置及舰面流场等因素.
作 者：胡国才 孙建国 刘湘一 HU Guo-cai SUN Jian-guo LIU Xiang-yi 作者单位：胡国才,刘湘一,HU Guo-cai,LIU Xiang-yi(海军航空工程学院飞行器工程系,山东烟台,264001)孙建国,SUN Jian-guo(海军航空工程学院新装备培训中心,山东烟台,264001)
刊 名：海军航空工程学院学报 ISTIC英文刊名：JOURNAL OF NAVAL AERONAUTICAL AND ASTRONAUTICAL UNIVERSITY 年，卷(期)： 23(5) 分类号：V212.4 关键词：直升机 舰面动力学 稳定性 分析模型采用割线坐标系对机械臂的运动进行了描述,并分快变和慢变两方面进行逆动力学问题的`分析与求解.在对快变部分逆动力学性质的分析中发现,快变部分精确的逆动力学解是发散的.在进行柔性机械臂逆动力学求解时,应在慢变的意义上进行.文中给出了一种去掉系统快变部分的简单方法,并进行了逆动力学求解.数值仿真结果表明,该处理方法是合理的.
作 者：田中旭 刘正兴 陆佑方 作者单位：田中旭(上海大学,CIMS及机器人中心,上海,200072)刘正兴(上海交通大学,工程力学系,上海,200030)
1 基本扣球研究及研究方法介绍
按照不同的分类方法可以将扣球技术分为多种形式, 如:快攻、强攻 (节奏) ;勾手、单脚起跳、正面等扣球 (动作方法) 、前后排扣球 (区域) 等。排球扣球分为3阶段:助跑起跳、腾空击球、落地缓冲[2,3]。助跑时, 身体重心应该缓慢下移以减少助跑时能量的耗费, 以提升速度, 制动、步幅 (最后一步) 对助跑的速度有着重要影响, 速度最大值会出现在最后一步。因此, 起跳时应该对起跳高度、摆臂速度、实际扣球及击球位置给予主要关注[4]。在身体腾空击球的i过程中, 身姿是击球前的准备, 其好坏直接影响着速度的快慢。排球的扣球是利用髋关节轴心进行“<”型鞭打, 速度最快, 同时效果也最好。而影响击球速度的因素还有很多, 如:上肢关节用力度、腰腹用力度等。此外击球时手型的选择、击球点的选择、过网点的选择都影响着扣球的整体效果。我国对助跑起跳好坏的因素研究较少, 这为本文研究提供了良好的契机。不过研究扣球的角度很多, 如:生物力学、运动学、动力学等, 本文亦从动力学角度进行了深入的探讨, 因为动力学研究内容丰富, 研究效果也较好。最常见的是对足底进行压力分布进行测试, 此外还有i等速测试。对扣球进行的研究一般都是应用三维测力台[5]。跑跳动作是众多体育运动的特点, 而跑跳的主要动力来源就是脚步蹬地力和上肢摆动存在的反作用力, 两种力反作用与地面 (地面反作用力) , 地面反作用力会形成一个向前上方的推动力, 而这个力 (方向、大小、时间、梯度) 正好可以被三维测力台测试出来。当前有压电式及应变式测力台, 后者对准静态力或者静态力都有较好的测试效果, 且对动态力 (动作频率不高) 的测试效果尚可, 但是压电式测力台与应变式正好相反, 压电式能够测试动态力, 且对冲击力有较好的测试效果, 但是对静态力的测试效果不尽如人意[6]。本文研究的扣球动作使用的是动态力, 因此, 笔者选用了压电式测力台 (瑞士Kistler) , 以更好的测试力的效果。
2 研究内容
2.1 研究对象
研究对象选取山西大学女排队 (曾获得全国第二届地排球赛高校女子组冠军) 平均成绩前10名女子排球队员, 研究对象在进行测试前 (一周) 没有进行比赛或者强度较大的训练, 且身体状况在测试当天无异常, 研究对象的基本情况如表1所示。
2.2 实验动作的测试仪器
本文使用4台Kistler (瑞士) 三维测力、2个数据 (模拟) 采集器、1台电脑、若干数据线对起跳阶段反作用力 (地面) 测得数据进行分析了研究, 并分析比较了强攻前排四号位和强攻后排六号位。KISTLER使用的采集频率是1000赫兹, 时间间隔为5秒, 且研究对象的双脚不能超出四块测力台的范围, 所扣之球不出界不下网。
2.3 测试数据的相关处理
10名研究对象中有7名为右臂扣球, 3名为左臂扣球, 为了计算研究的便利, 将3名研究对象的数据进行左右交换 (人体对称性) , 统一10名研究对象为右臂。测试软件结果筛选导出之后, 使用EXCEL软件进行相关计算, 并对冲量、力值、功率等指标进行统计学处理。进行测试时邀请专家进行点评, 选取最好的结果进行研究分析。测试结果虽然由4台测力台分别记录, 但是由于无法区分左右脚的数据, 所以合成一台大测力台进行数据分析[7], 同时为了使测试数据具有统计学价值 (可比性) , 笔者首先进行了标准化处理, 即使用每个研究对象所测力值除以个人体重, 然后在进行其他数据处理。
3 动力学结果与分析
3.1 力值 (Fz) 在垂直方向的时间曲线 (起跳阶段)
由于排球队员起跳扣球的前后时间不一致, 笔者为了研究的方便, 对起跳时间进行了归一。从图4可以看出, 力值的时间曲线是单峰走势。一般的跳跃有两种形式, 一种是原地纵跳, 其力值的时间曲线为双峰走势, 另一种是助跑起跳, 其力值为单峰时间曲线, 峰值在蹬伸时出现, 所以排球的起跳属于跳跃中的助跑起跳。从缓冲阶段可以看出, 时间曲线出现了相当长的一段平缓曲线, 这是因为缓冲时几乎利用右脚, 而左脚着落时缓冲基本结束, 导致右脚与地面之间的作用力持续减小, 与此同时, 身体重心随着左腿摆动向前而出现了前移, 测力台所受重力持续增大, 重力与反作用力互相抵消, 因此, 才会出现平缓的一段时间曲线。从图1-2可以看出, 同类型技术在起跳时段上的标准化力值 (Fz) 的时间曲线走势相同;从图3-4可以看出, A型扣球的平缓时间无论在前排还是在后排都比B型扣球短, 且A型扣球形成的平缓坡度高于B型;同时A型扣球的时间曲线峰值大于B型, 且时间也早于B型。
注:A型起跳技术, 幅度大的摆臂动作, 明显的双臂后引, 起跳特征在前后排表现比较明显, 是普通技术 (研究对象9名) ;B型起跳技术, 幅度小的摆臂动作, 基本没有双臂后引, 充分的下肢缓冲, 但是起跳特征在前后排表现明显, 是特殊技术 (研究对象1名) (下同) 。
3.2 比较分析力值 (标准化) 参数
从表2可以看出, A型扣球技术的前后排蹬伸力在相对力和绝对力的峰值上无显著差异 (P值大于0.05) , 只是后排蹬伸力在峰值上大于前排;B型扣球技术的蹬伸力在峰值的表现同A型技术, 且无论是前后排相对值还是前后排绝对值, A型都大于B型的峰值 (蹬地力) , 产生这一结果的原因是A型动作造成的地面反作用力大于B型。Fxy是地面与人体的摩擦力, 从表2中可以看出, AB型技术的后排摩擦力都要小于前排, 产生这一结果原因是排球队员要控制自身的速度及起跳的方向, 避免身体过于前冲造成越界或是触网, 故摩擦力大, 相对而言后排队员没有这样的顾虑, 故其摩擦力小。在垂直方向上 (缓冲结束) 的相对力值和绝对力值是地面与人体的作用力之一, 其大小与腾空高度存在联系, 前人认为两者有明显正向相关, 且可以作为重要的起跳力学指标。但是综合表2-3分析, 两者并无必然的正相关。A型技术的缓冲结束无论在前排还是在后排, 相对力值和绝对力值的峰值都不存在明显差异 (P大于0.05) , 且力峰值与腾空高度表现并不一致。结合B型技术更能证实这一点, B型扣球技术在腾空中的表现与A型相当, 甚至腾空高度后排要高于前排, 所以力峰值只是评价腾空高度的一个参考, 而不是充要条件。从表3可以看出, A型扣球在腾空高度上亦不存在前后排的明显差异 (P值大于0.05) , 只是在数值上后排力值小于前排力值, 而B型的后排力值却大于前排力值, 这与缓冲结束时的腾空高度表现一致。相对同类型而言, 其结果符合其他学者的研究结论[8], 即:肌肉在下肢的能量储存可以在缓冲结束时刻得到反映, 力值越大 (缓冲结束时刻) , 肌肉势能储存的就越多, 由势能转化为向上的势能也越大。综上所述不能把力值作为腾空高度的充要条件。B型扣球在前后排的相对力值和绝对力值上都要小于A型扣球, 但是其腾空高度要高于A型扣球。
3.3 蹬伸功率和冲量分析结果
笔者在其他学者的研究基础上[10], 与排球扣球本身的特性紧密结合, 选择了本文代表爆发力的三个指标:蹬伸冲量、蹬伸功率 (平均) 、缓冲冲量。从表4可以看出, 在三个指标中, 只有扣球起跳的缓冲冲量在前后排之间具有显著差异性 (P=0.04, <0.05) , 后排的缓冲冲量和小于前排, 这代表前排扣球相对于后排而言缓冲更加充分, 制动效果更好, 这样也就能够更好地控制向前的身速, 存储更多的下肢肌肉势能, 完成更好的向上起跳动作;而后排的缓冲时间比前排短, 得不到足够的缓冲, 制动效果差, 导致动量的减少和助跑速度 (水平方向) 降低, 致使起跳方向向前而不是向上, 速度在水平方向上较大。相对A型而言, B型后排的缓冲冲量之和远大于前排, 这恰好与A相反, B型技术后排制动更加有效, 缓冲更加充分。因为B型的助跑方式在前后排没有差异, 几乎不存在水平方向上的速度, 而是向上起跳 (A型后排向前) , 所以B型后排扣球没有动力减少和水平助跑速度降低的问题, 外加在后排进行扣球时, 距离球网比较远, 必须使腾空高度更高, 这样才能获得更广阔的扣球空间。所以B型的缓冲时间要长, 缓冲必须足够充分, 制动效果才更好, 下肢肌肉的势能存储的就更多, 起跳高度才更高。相对缓冲冲量和而言, 在同类型扣球中, 蹬伸冲量之后与其平均功率均不存在前后排的显著差异, 前排均小于后排。A型后排在扣球时不仅要具备较高的高度, 而且还需具备较快的向前水平速度, 所以需要更强的蹬伸爆发力, 这就导致后排的蹬伸冲量之和大于前排的冲量和。B型扣球在后排的冲量之和虽然也大于前排, 但是其需求点与A型不同, B型在后排需要有足够的腾空高度进行扣球, 故必须加大蹬伸力度, 蹬伸冲量之和后排大于前排。笔者在进行平均蹬伸功率计算时借鉴了其他学者的计算方法, 即:平均蹬伸功率=重心速度*力值 (均为垂直方向) , 这种方法能够反应速度力量 (下肢肌肉群) 在蹬伸起跳时的发挥水平。从表4可以看出, AB型扣球在前后排不存在显著差异, 只是存在数值上的差异而已, 同类型前排平均功率要比后排平均功率小, 这代表前排下肢肌肉所发之力更小, 爆发力小于后排。且进行AB型纵向比较时可以看出, A型 (平均蹬伸功率) 要强于B型, 因为从表4可以明显看出A型的前后排功率要大于B型。这结果与腾空高度的相关性看似不同于其他学者的研究成果 (腾空高度与蹬伸功率表现高度正向相关) , 事实上却不与其他学者的结论相悖, 因为前人研究的是同类型的起跳, 而以上针对的是不同类型起跳爆发力的分析。所以在分析问题时要具体问题具体分析, 对起跳动作进行研究时, 要结合多种指标进行全面发热综合分析。
4 结论
力值 (标准化) 的时间曲线是单峰走势, 时间曲线在缓冲阶段出现了相当长的平缓曲线, 且峰值在蹬伸时出现。从蹬伸力、摩擦力、腾空高度上看, A型扣球技术的前后排蹬伸力在相对力和绝对力的峰值上不存在显著差异, 同时A型都大于B型的峰值 (蹬地力) , AB型技术前排摩擦力都要大于后排, 且摩擦力与腾空高度不存在必然的正相关, 摩擦力峰值只是评价腾空高度的一个参考指标, 而不是充要条件;从腾空高度角度来看看, A型扣球不存在前后排的明显差异, 只是后排力值小于前排力值而已, B型的后排力值大于前排力值, 这与缓冲结束时的腾空高度表现一致。从爆发力角度分析, 扣球起跳缓冲冲量之和在前后排之间存在显著差异, 后排的缓冲冲量之和小于前排, 这代表前排扣球缓冲更充分, 制动效果更好, 这样不仅能够更好的控制向前的身速, 而且能够存储更多的下肢肌肉势能, 完成更好的向上起跳;蹬伸冲量之和与其平均功率前后排均不存在显著差异, 前排均小于后排。AB型在后排都需要更强的蹬伸爆发力, 以保证扣球效果, A型后排之所以大于前排, 是因为在扣球时要同时具备较高的高度和较快的向前水平速度, B型在后排只需要足够的腾空高度;同类型后排平均功率要比前排平均功率大, 这表明后排下肢肌肉所发之力更大, 爆发力大于前排。综上所述, 综合三种指标分析出的蹬伸力与腾空高度在不同类型的扣球技术之间并不存在正相关关系, 总之分析问题时要具体问题具体分析, 对起跳动作进行研究时, 必须要结合多种指标进行全面综合分析, 以便找出影响起跳效果的综合因素, 为教练和队员日常训练或比赛提供更好的策略。
摘要：目的研究排球扣球技术的动作结构及活动特点。方法使用一块 (四台三维测力台合并一台) 三维测力台对排球的扣球技术进行动力学测试。结果双手臂的扣球缓冲时间 (预摆技术) 与地面反作用力成反比, 缓冲时间越短, 地面反作用力越大。结论教练及运动员在比赛或训练时必须要考虑垂直力值、缓冲及蹬伸冲量和蹬伸功率对扣球技术的综合影响, 以不断提高教练教学水平及运动员训练效果, 提升排球扣球得分效率。
关键词：排球,扣球,动力学,动作结构,特征
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学生在解决动力学问题时，有以下几方面倾向值得注意。1、许多学生对物理概念、规律、公式记得很熟，但却不能通过思维把握所研究问题的实质，不能把研究的问题纳入到相应的知识系统中去。当他们处理比较具体的物理问题时，不善于根据各种可能变更的情况，舍去非本质因素，不能从问题中抽象出合理的、可用规律公式解决的物理模型。他们对所研究的物体何种情况可以看成质点，何种情况不能看成质点常常把握不定；对什么情况下必须考虑重力，什么情况下可以忽略重力感到含糊不清。在学习万有引力这部分内容时，学生对“物体的重力并不等于地球对物体的引力”这一结论表示怀疑。他们认为，这种讲法与静力学中“重力的方向指向地心”的说法相矛盾。产生这种疑问的根本原因是物理模型中是否应该考虑地球自转弄不清楚。学生不能灵活的根据实际情况从不同角度抽象物理模型。这种心理障碍使他们对以上这类问题认识不清。
2、学生往往不善于分析、综合所研究问题中物体间的相互联系。动力学问题的核心，在于对研究问题中涉及的物体各力学量进行分析与综合，找出它们的联系，确定解题各环节中的研究对象。实际表明，由于学生综合能力与分析能力较弱，因而比较难于理清物体系整体和物体个体之间的关系，进而不能从复杂的问题中找出研究的对象。比如学生作过这样一道题：一根轻质弹簧上端固定，下端挂一质量为m的平盘。盘中有一物体，质量为M。当盘静止时，弹簧长度比自然长度伸长了L。今向下拉盘使弹簧再伸长⊿L后停止。然后松手放开。设弹簧总处在弹性限度内，刚刚松手时盘对物体的支持力等于多少？学生在解决这个问题时，在选取研究对象上表现出以下两种心理障碍：一种是将物体和平盘始终连为一个物体；另一种是将物体和平盘始终隔离研究。前者无法得出结果，后者则难于得到结果。只有头脑灵活、思路开阔的学生容易从整体和局部对象研究的结合上敏捷的找到解题思路：先将物体和平盘“合”在一起求放手时的瞬时加速度，再将物体和平盘“分”成两份求此时平盘对物体的支持力。但一般学生较难产生这种思维形式。
3、由于学生日常经验的负迁移作用，学生难于将生活经验表现为一个整体过程的动力学问题分开考虑。譬如，在日常生活经验中锤子把钉子钉入木板是一个整体运动过程。虽然学生学了动量守恒和动量定理，但他们总不容易把锤子和钉子的作用看作一瞬间碰撞过程，而把钉子克服木板阻力进入木板看成另一分过程，结果使他们把这类复杂的多过程问题错误的简化。
4、学生综合分析问题能力的差异也是影响解决力学问题的重要因素。解决动力学问题的途径较多，各种途径的适用条件及研究对象的鉴别又较为复杂。在解决综合问题时能力差的学生对选择哪种途径解决问题常常感到棘手，表现为缺乏明确的目的性，喜欢靠盲目的尝试与猜测去探求解题的途径。
5、习惯思维的影响也是学生解决较为综合的动力学问题的一种心理障碍。这也是目前教学研究中讨论较多的“思维定式”问题。一般说来，学生思维都有先入为主的习惯，这样，先掌握的知识对后继的学习内容有可能产生不良的干扰作用。如牛顿运动定律结合匀变速运动公式是解决动力学问题的起步方法，学生掌握较为牢固，但随着知识的深化，这种思维定势的学生在解决变加速运动问题时，也不适当的运用这种解题模式，甚至部分学生不去判断物体运动的类型就选用它去解题。这除了说明学生对匀变速运动公式的适用条件缺乏认识外，也说明定势的心理因素对思维的影响。
6、学生对知识的理解要经历不同阶段。学生和教师对这种阶段性的认识模糊，也会给动力学问题的解决带来困难。大家知道，参照系是研究物体运动的前提。教师如果不在教学中强调现阶段的定律、公使只能在静止或匀速运动的参照系成立的话，学生就会产生错误。比如，对在圆盘上与圆盘相对静止的物块的受力分析问题就会感到困难，对船上的人与浮在水面的船相互作用而运动时不选船作参照物也会感到困惑，他们甚至会在一个公式填上选用不同参照系的状态量而使解题错误。
7、学生物理量概念不清也是影响解决动力学问题的重要因素。主要涉及以下内容：
（1）定义式与决定式的区别和联系；
（2）改变量与变化量的区别和联系；
（3）状态量与过程量的区别和联系；
（4）瞬时量与平均量的区别与联系；
（5）矢量与标量的区别与联系；
8、学生认识个别问题属性较易，认识某一类问题的共同属性较难。能量关系是动力学问题的主线，学生往往不能从能量传递和转化的角度看待各种多质点相互作用的问题。在教学中学生做过这样一道题：“一质量M为0.8千克的物块放在光滑水平面上，先用销钉固定。一质量m为0.2千克的子弹，以200米/秒的速度水平射向物块，子弹穿出时速度为100米/秒。然后拔除销钉，子弹仍以200米/秒的速度水平射向物块，求物块和子弹的最终速率。”应该说，这是一道综合程度较高的动力学问题。开始学生感到对此题无法下手。一旦教师引导大家将该题两种设计情况的能量关系理清，他们马上对问题的解决得心应手。该题的整个能量关系是这样的：
物块固定时子弹的初动能：子弹射出后动能（保留）、子弹与物块系统的内能（转化）；
物块自由时子弹初动能：子弹射出后动能（保留）、物块的终了动能（传递）、子弹和滑块系统的内能（转化）；
9、学生解决动力学问题的能力还取决于掌握这些内容所必需的基本知识。教学中系统性原则要求教学循序渐进，原因是后学的内容必须有先学的知识开辟道路。众所周知，对物体准确地进行受力分析是解决各种力学问题的基础。此外对物体运动过程中外力做功的分析同样重要。基础知识较差的学生不能根据物体运动的具体物理过程确定外力做功的正负，功的多少，不能区别各种不同性质的力作功的特点：哪些力做功与路径无关；那些力做功与路经有关；那些力不管在什么情况下都不做功。教学实践表明，学生对这些基本知识掌握比较薄弱，给动力学规律的运用造成障碍。
