動(dòng)量矩守恒定律在排球扣球技術(shù)動(dòng)作中的應(yīng)用

1、動(dòng)量矩守恒定律在排球扣球技術(shù)動(dòng)作中的應(yīng)用摘要：目前排球扣球技巧研究的主要方式依然是單純的體能訓(xùn)練并從中提取經(jīng)驗(yàn)，這一方法 在實(shí)際使用中有著較大的局限性與主觀性，難以實(shí)現(xiàn)排球扣籃技巧的提升。本文研究運(yùn)用生 物力學(xué)，對(duì)排球扣球的技巧以及動(dòng)作進(jìn)行分析，總結(jié)歸納動(dòng)量矩定理及動(dòng)量矩守恒定律運(yùn)用 到排球扣球技術(shù)中的一些規(guī)律，從而進(jìn)一步規(guī)范排球的扣球動(dòng)作與技巧，為排球扣球訓(xùn)練提 供更多的理論依據(jù)，為排球?qū)ｍ?xiàng)技術(shù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：動(dòng)量矩定理；排球；扣球；應(yīng)用引言本文從生物力學(xué)的角度出發(fā)，對(duì)排球中的扣球技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的探究，并對(duì)運(yùn)動(dòng)員在扣 球完成動(dòng)作中分步動(dòng)作進(jìn)行了科學(xué)合理的分析和研究，尤其是助跑、起跳等

2、?？矍蚣夹g(shù)在排 球比賽中占有十分重要的地位。但是它的動(dòng)作技術(shù)卻十分復(fù)雜，而且需要排球隊(duì)員在空中擊 球，完成扣球動(dòng)作，這樣的高難度要求使得扣球的技術(shù)含量相當(dāng)高1。Gasser 和 Newcomer 在有關(guān)于排球扣球技術(shù)動(dòng)作的研究，突破性的利用陰極射線示波器代替 傳統(tǒng)的檢流計(jì)顯示出肌肉活動(dòng)的電信號(hào)，從而更好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體機(jī)能的檢測(cè)，并因此獲取 了 1944年的諾貝爾獎(jiǎng)2。在20世紀(jì)初期，Pratt在研究中證實(shí)扣球過(guò)程中肌肉收縮其本質(zhì)是 肌纖維的募集而不是神經(jīng)沖動(dòng)的大小。并且在之后的研究中，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)了同心型針 電極，誘導(dǎo)型針電極，以及多導(dǎo)電極，引導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)單位電位。而在近代，隨著EMG設(shè)備的

3、不斷發(fā)展與進(jìn)步，信號(hào)分析技術(shù)也開(kāi)始逐步的應(yīng)用到了排球扣球技術(shù)之中，金星有關(guān)于扣球 過(guò)程中動(dòng)量矩守恒的研究，并且將這一信號(hào)與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)扣球過(guò)程中肌肉 信號(hào)的定量分析，并實(shí)現(xiàn)了肌電圖操作的進(jìn)一步簡(jiǎn)化，從而為動(dòng)量矩守恒的具體應(yīng)用提供了 條件。李毅鈞，伊藤章，市川博啟在排球后排扣球空中擊球動(dòng)作的三維高速錄像解析指 出具體的扣球動(dòng)作中，動(dòng)量守恒定律也適用于這一過(guò)程，并且對(duì)這一過(guò)程中的動(dòng)量守恒進(jìn)行 分析可以更好地掌握扣球技巧，從而全面提升扣球的效率，提高運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)能力，全面提 升運(yùn)動(dòng)能力3。在本文的研究中，研究將排球運(yùn)動(dòng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，在排球的扣球技術(shù)方面，計(jì)算 機(jī)技術(shù)也完全憑借著自

4、身的獨(dú)特的計(jì)算技巧以及計(jì)算方式取得了極好的成果，不僅可以在最 短的時(shí)間內(nèi)分析出命中的概率，并且還可以通過(guò)大量的數(shù)據(jù)分析，挖掘出信息背后潛在的概 率信息，從而為運(yùn)動(dòng)員制定更加合理準(zhǔn)確的訓(xùn)練方式奠定良好的基礎(chǔ)。研究方法動(dòng)量矩定理下面筆者先簡(jiǎn)單介紹一下動(dòng)量矩定理：存在一個(gè)剛體，設(shè)其對(duì)剛體中某軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1,而且受恒定力矩M的作用，另外，剛體的角加速度0也為恒定值。我們?cè)O(shè)該剛體在t1 時(shí)刻的角速度值為wl, t2時(shí)刻的角速度為w2，則我們可以得出公式：M（2 一 S）= I W2 一 I W（1）然后將M設(shè)為變力矩M（t）則有：M（t）dt = I w2 I W （2）對(duì)于一個(gè)剛體來(lái)說(shuō)，其動(dòng)量矩的增

5、加量實(shí)際上就等于剛體所受到的沖量矩。從沖量矩的 定義我們可以得知其實(shí)際等于力矩與時(shí)間相乘所得到的數(shù)值，其準(zhǔn)確的物理含義是外力矩對(duì) 剛體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)的累積。動(dòng)力矩的物理含義則會(huì)表示為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角速度的相乘所得到的 數(shù)值。在實(shí)際情形中，外界的作用力會(huì)導(dǎo)致沖量矩的變化，進(jìn)而導(dǎo)致剛體動(dòng)量矩的變化4， 所以我們總結(jié)：外力矩對(duì)剛體所做的實(shí)際作用的時(shí)間越長(zhǎng)，剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)效果所發(fā)生的變化效 果也會(huì)越大。從動(dòng)量矩的理論中我們可以看到：在一些體育運(yùn)動(dòng)中，無(wú)論是體育器械的轉(zhuǎn)動(dòng)還是運(yùn)動(dòng) 員，的局部肢體或者整體的轉(zhuǎn)動(dòng)，沖量矩可以充分表示外力的作用效果，而剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài) 則可以用動(dòng)量矩來(lái)表示，并且我們還可以運(yùn)用動(dòng)量矩定理對(duì)

6、運(yùn)動(dòng)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行定量計(jì) 算。但是從實(shí)際情形來(lái)看，人體與剛體存在著相當(dāng)大的誤差，在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)員的 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是不斷變化的5,所以，在tl時(shí)刻時(shí)，該運(yùn)動(dòng)員的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量設(shè)為II，在t2時(shí)刻時(shí)， 運(yùn)動(dòng)員的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量設(shè)為I1,在此種情形下，我們需要對(duì)動(dòng)量矩定理進(jìn)行相應(yīng)的變化，應(yīng)該 改寫(xiě)為：Mt = I2w2 - I1W（3）計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析下空中擊球主動(dòng)增大肌力矩相關(guān)關(guān)系我們將動(dòng)量矩定理與物體實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相結(jié)合可得，通過(guò)增大上肢肌肉對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的 外力矩，而且還可以通過(guò)增大環(huán)節(jié)對(duì)肢體關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。想要增大運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中 的肌力矩，可以通過(guò)增大人體肌肉的收縮力，還可以增大運(yùn)動(dòng)員肌力臂。筆者

7、調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)： 在排球扣球技術(shù)動(dòng)作中，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員完成空中擊球動(dòng)作的過(guò)程中，為了獲得最大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， 此時(shí)，運(yùn)動(dòng)員需要對(duì)前臂肌群進(jìn)行屈腕動(dòng)作，而對(duì)屈指肌群進(jìn)行收縮動(dòng)作，并且需要對(duì)其進(jìn) 行克制操作，將運(yùn)動(dòng)員的手及手指移動(dòng)到腕關(guān)節(jié)處，并在此完成屈曲動(dòng)作，這樣做會(huì)使此處 的肌肉的收縮，進(jìn)而使得動(dòng)量在運(yùn)動(dòng)員的上肢各環(huán)節(jié)逐漸進(jìn)行累積，最后獲得最大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量6。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是在腕關(guān)節(jié)處快速?gòu)澢直?，完成完整連貫的擊球動(dòng)作，目的是獲得最大的擊球力量。Table1 body movementsDirection of movementSwing arm directionSwivel directionMove f

8、orwardleftTurn leftMove backwardsrightTurn rightmove to the leftleftTurn leftmove to the rightrightTurn right在此動(dòng)作完成過(guò)程中，我們需要注意的是非擊球臂，其會(huì)在擊球前的時(shí)間內(nèi)快速形成“背弓”，在此過(guò)程中，非擊球臂會(huì)向上擺動(dòng)。在擊打排球前，運(yùn)動(dòng)員會(huì)首先向前方擺動(dòng)非擊球臂，這樣是為了讓擊球臂的肌肉群進(jìn)一步增大非擊球臂肌肉群與擊球臂肌肉群之間的距離， 這樣不僅會(huì)增大了擊球臂擊打排球時(shí)上肢的力量，而且還會(huì)大幅度增加擊球臂肌肉群的兩者之間的工作距離，從而會(huì)間接增加手臂擊打排球向前方擺動(dòng)的角動(dòng)量，

9、而非擊球臂則會(huì)做出向前擺的姿勢(shì)，目的是為了大幅減少非擊球臂對(duì)運(yùn)動(dòng)員腰部的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，從而達(dá)到加大擊球 臂角速度的目的7。擊球之前，我們所做的合理的屈肘動(dòng)作，目的是讓主動(dòng)肌收縮、隆起進(jìn)而獲得更大的肌拉力角，同時(shí)肌力臂隨之增大。筆者調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)：訓(xùn)練好排球扣球技術(shù)， 不僅需要運(yùn)動(dòng)員完善規(guī)范的扣球動(dòng)作，還要注意肌肉力量的訓(xùn)練。External ObliqueExternal ObliqueIntamal ObliqueRectus .AbdominalsFigure 1Muscle composition討論與分析我們結(jié)合轉(zhuǎn)動(dòng)定理和動(dòng)量矩定理的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)運(yùn)動(dòng)員局部肢體的轉(zhuǎn)動(dòng)和身體整體轉(zhuǎn)動(dòng) 動(dòng)作進(jìn)行了

10、初步的探究，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析：3.1 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析對(duì)肢體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量影響研究當(dāng)排球運(yùn)動(dòng)員的肌力矩確定時(shí)，我們會(huì)選擇減少相關(guān)關(guān)節(jié)對(duì)運(yùn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這樣做 的目的是增大揮臂時(shí)角速度。所以，我們總結(jié)出：在空中擊球時(shí)，運(yùn)動(dòng)員會(huì)進(jìn)行一系列的屈 肘動(dòng)作，以求通過(guò)合理的縮短揮臂動(dòng)作，達(dá)到減少以肩為軸的揮動(dòng)半徑的目的，進(jìn)而達(dá)到最 終減少運(yùn)動(dòng)慣量的目的。根據(jù)先前提到的公式Mt=I(w2 w1)可得，運(yùn)動(dòng)員可以通過(guò)一系 列合理的措施(減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)來(lái)增大揮臂時(shí)的角速度，這樣是為了可以增加手臂擊球時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng) 的角速度，提高運(yùn)動(dòng)員揮臂時(shí)的初速度8。通過(guò)邊揮臂邊伸肘這樣一系列相關(guān)動(dòng)作，起到加 長(zhǎng)上肢轉(zhuǎn)動(dòng)距離的作用

11、，根據(jù)相關(guān)公式V= WR可得，在運(yùn)動(dòng)員揮動(dòng)手臂的角速度已經(jīng)確定 時(shí)，上肢伸的越直，手臂揮動(dòng)的半徑就會(huì)越大，而得到的線速度也會(huì)越大，這樣進(jìn)行的扣球 就會(huì)越有殺傷力。這種揮臂的方法雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是卻很有力量。不僅能扣高弧度球，還 能扣低角度或者平角度的弧度球。筆者建議排球愛(ài)好者們?cè)趯?shí)際訓(xùn)練和比賽中，多多使用此Figure 2 Chemical composition增大偏心力矩的作用研究所謂偏心力就是外力的作用效果并不會(huì)穿過(guò)實(shí)際物體的重心。一個(gè)物體如果受到偏心力 的作用，這將會(huì)對(duì)實(shí)際物體的質(zhì)心產(chǎn)生相應(yīng)的偏心力矩。由轉(zhuǎn)動(dòng)定理知道，在此情形下產(chǎn)生 的力矩將會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的質(zhì)心產(chǎn)生實(shí)際存在的角加速度。另外

12、如果該實(shí)際物體此時(shí)處于騰空狀 態(tài)，那么實(shí)際運(yùn)動(dòng)就會(huì)既能轉(zhuǎn)動(dòng)又能平動(dòng)9。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員擊球時(shí)，應(yīng)該對(duì)排球作用一個(gè)相對(duì)合理的偏心力作用，這樣就會(huì)使得扣出來(lái)的球的實(shí)際效果呈向上旋，我們通過(guò)伯努利定律可知，當(dāng)實(shí)際物體運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還附帶著旋轉(zhuǎn)，這樣物體就會(huì)做曲線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)手接球發(fā)生失誤，提高己方的勝率10。前方，這樣做的目的就是為了使排球產(chǎn)生一個(gè)向前的偏心力矩，通過(guò)公式表達(dá)：若設(shè)外力的作用線與排球的距離長(zhǎng)度為R,偏心力為F,那么我們可以由公式得出，偏心力矩M= FR, 根據(jù)相關(guān)定理可得，通過(guò)增大偏心力矩M就能夠讓排球產(chǎn)生一個(gè)向上旋的作用效果。所以， 我們總結(jié)：當(dāng)運(yùn)動(dòng)員擊球時(shí),通過(guò)將手指微微張開(kāi),以掌心的作

13、用為主,全部手掌覆蓋過(guò)排 球，在手臂伸直時(shí)的最高處的正上方處擊打排球的后中部處，與此同時(shí)，我們還要主動(dòng)用力 彎曲手腕和手指，并對(duì)排球產(chǎn)生一個(gè)向前推壓的作用效果。這樣不僅可以達(dá)到增大F的實(shí)Figure 4 Changes in chemical substances3.3 動(dòng)量矩守恒定律及其在扣球動(dòng)作技術(shù)中的應(yīng)用我們從動(dòng)量矩定理進(jìn)行合理的推理：假設(shè)剛體所受的合外力為零的條件，其動(dòng)量矩保持不變，這就是完整的動(dòng)量矩守恒定律。其在數(shù)學(xué)上的表達(dá)式：當(dāng)M= 0時(shí)，Iw=恒矢量 人體動(dòng)量矩守恒的條件是人體不受沖量矩的作用當(dāng)運(yùn)動(dòng)員處于騰空狀態(tài)時(shí)，此時(shí)重力完全作用于質(zhì)心，而且重力不對(duì)基本軸產(chǎn)生力矩 因此，通過(guò)這

14、些條件我們可以得出：當(dāng)運(yùn)動(dòng)員處于騰空狀態(tài)時(shí)，此時(shí)人體的動(dòng)量矩不會(huì)改變， 但是我們需要注意的是動(dòng)量矩在物理上屬于矢量，其方向與角速度方向一致，因此我們可以 得出結(jié)論：盡管人體在空中會(huì)做出許多復(fù)雜的動(dòng)作，但是運(yùn)動(dòng)員的總動(dòng)量矩卻完全是由騰空 瞬間的原始條件所決定的。另外，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員處于騰空狀態(tài)時(shí)，通過(guò)借助人體姿態(tài)的多重變化和環(huán)節(jié)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而完成使人體轉(zhuǎn)動(dòng)速度的變化的轉(zhuǎn)換，或者是動(dòng)量矩在基本軸之間的 轉(zhuǎn)換，但是總的來(lái)說(shuō)，總動(dòng)量矩的大小或者方向都不會(huì)改變，符合動(dòng)量矩守恒定律。The Law of Consen atioa of Momentum and Ils SpikeTeclmiqueNitrog

15、enoNitrogenorgencarbon diosideo tiierFigure 5The Law of Conservation of Momentum and Its Spike Technique環(huán)節(jié)的相向運(yùn)動(dòng)，眾所周知，人體運(yùn)動(dòng)中的相向運(yùn)動(dòng)屬于基本的力學(xué)規(guī)律。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員扣 球起跳時(shí)，身體處于完全騰空狀態(tài)，此時(shí)，身體呈反弓形，目的是便于運(yùn)動(dòng)員擊球時(shí)的軀體 和上肢做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但是人與球的整體之間卻不存在外力矩作用，這就表示人與球之間整體 上的動(dòng)量矩的矢量和為零。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員擊球時(shí)，除了人體上肢外，并不存在其他的動(dòng)作。從牛頓第三定律的角度來(lái)說(shuō)， 球與人會(huì)產(chǎn)生相互作用力，球?qū)θ说淖饔眯Ч沁\(yùn)動(dòng)

16、員身體的上部沿著身體的橫軸向運(yùn)動(dòng)員 的后方產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)量矩。這樣的結(jié)果會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)員扣球力量的大大減小，與此同時(shí)，由于人 體支點(diǎn)處于運(yùn)動(dòng)中，具有不穩(wěn)定性，也會(huì)導(dǎo)致扣球的穩(wěn)定性大大減小。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行扣球的動(dòng)作時(shí)，此時(shí)腰腹部為主要的發(fā)力點(diǎn)，充分向下蹬直身體。達(dá)到增 大身體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的目的，與此同時(shí)，運(yùn)動(dòng)員身體還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)量矩，此動(dòng)量矩的方向是沿 著運(yùn)動(dòng)員身體的橫軸向前。我們可以從動(dòng)量矩守恒定律得到合理的解釋：排球運(yùn)動(dòng)員還會(huì)自 動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)的運(yùn)動(dòng)。另外，排球運(yùn)動(dòng)員通過(guò)自身的強(qiáng)大的協(xié)調(diào)能力，將自身力量集中在 手中，這樣做就會(huì)有利于運(yùn)動(dòng)員增強(qiáng)擊球時(shí)所產(chǎn)生的力量。當(dāng)排球運(yùn)動(dòng)員擊中排球時(shí)，上肢 與下肢會(huì)發(fā)生相

17、對(duì)運(yùn)動(dòng)，這樣就會(huì)在這兩者之間產(chǎn)生一對(duì)動(dòng)量矩，此動(dòng)量矩大小在數(shù)值相等 但方向卻相反，另外還有可以相互抵消的特點(diǎn)。與此同時(shí)，這樣做相對(duì)運(yùn)動(dòng)還會(huì)使得腹直肌等大部分肌肉發(fā)生拉長(zhǎng)的變化，這樣就會(huì)間接提高這些肌肉群在接下來(lái)收縮的力量的強(qiáng)度。并且為最后從空中著地做最后的相關(guān)準(zhǔn)備。fetThe composition of the chemical substance in tlie cell after exercisen p rote： in并且為最后從空中著地做最后的相關(guān)準(zhǔn)備。fetThe composition of the chemical substance in tlie cell after

18、exercisen p rote： in Mois-ture hico&eFigure6 Material composition空中角速度的改變和動(dòng)量矩在軸間的轉(zhuǎn)移，在這一過(guò)程中，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員選擇扣球時(shí)，通過(guò) 揮動(dòng)手臂來(lái)鞭打排球，以此將擊球的力量傳遞到合適的地方。力量傳遞的過(guò)程是通過(guò)運(yùn)動(dòng)員 身體中的各個(gè)關(guān)節(jié)來(lái)進(jìn)行相互作用，經(jīng)過(guò)這樣的相互作用，身體中的沖量會(huì)不斷發(fā)生變化。具體的過(guò)程是運(yùn)動(dòng)員身體通過(guò)身體的各個(gè)相鄰的關(guān)節(jié)的收縮，達(dá)到對(duì)遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)的產(chǎn)生一定加 速度的目的。結(jié)論在此次的研究中，主要通過(guò)將計(jì)算機(jī)技術(shù)中的數(shù)據(jù)分析技術(shù)與實(shí)際的動(dòng)量矩守恒定律在排球訓(xùn)練以及技術(shù)動(dòng)作等方面的關(guān)系進(jìn)行了全面的分析與研究。

19、在這一過(guò)程中，通過(guò)數(shù)據(jù)分 析，將實(shí)際訓(xùn)練中的每一個(gè)動(dòng)作都進(jìn)一步的實(shí)現(xiàn)規(guī)范，并且通過(guò)大數(shù)據(jù)分析找出其中存在的規(guī)律，從而選擇出一種更加適合運(yùn)動(dòng)員排球扣球技巧訓(xùn)練的方法，并且將動(dòng)量矩守恒與計(jì)算機(jī)技術(shù)完美的融合，兩者之間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，找出彼此之間的共同之處以及在實(shí)際的訓(xùn)練中有待 進(jìn)一步提升與完善的部分，從而更好地實(shí)現(xiàn)技巧的更新，從而更好的推動(dòng)計(jì)算機(jī)技術(shù)在排球 訓(xùn)練中的應(yīng)用。面對(duì)著存在的問(wèn)題，研究者與被研究者都應(yīng)該積極努力，全面協(xié)調(diào)，從而在 這些困難與不足之間找出適合突破的道路，從而利用這一技術(shù)進(jìn)行弱點(diǎn)的補(bǔ)足。面對(duì)存在的 問(wèn)題，應(yīng)該積極地正視，利用這一技術(shù)，全面的推動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步以及技巧的更新，在信息時(shí) 代不

20、斷發(fā)掘計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，從而全面的推動(dòng)整個(gè)運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的革新與全面的 進(jìn)步。參考文獻(xiàn)Nieto-Vesperinas M. Optical torque: Electromagnetic spin and orbital-angular-momentum conservation laws and their significanceJ. Phys.rev.a, 2015, 92(4):47-49Shi X, Gruppelaar H, Akkermans J M. Effects of angular-momentum conservation in unified pre-equi

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