國家網(wǎng)女子網(wǎng)球運動員運動狀態(tài)三維分析

國家網(wǎng)女子網(wǎng)球運動員運動狀態(tài)三維分析

網(wǎng)球場技術(shù)是網(wǎng)球場運動中最重要的一項技術(shù)。盡管發(fā)球是完全由運動員自己控制的,但它是由上下肢及軀干共同參與的復(fù)雜的全身協(xié)調(diào)運動,并不容易掌握和控制。目前對我國高水平運動員發(fā)球技術(shù)的運動學(xué)指標系統(tǒng)的分析并不多。本研究通過對國家隊網(wǎng)球運動員的大力發(fā)球的運動學(xué)指標分析,以期找到提高我國網(wǎng)球運動員發(fā)球水平的方法,并為教練員教學(xué)、訓(xùn)練提供理論依據(jù)。1研究對象和方法1.1女運動員的特點2009年在江門冬訓(xùn)的國家網(wǎng)球隊女運動員8名,身體健康。其中6名健將級運動員,2名一級運動員,受試者均在國內(nèi)外多次比賽中取了較好成績。1.2主光軸難點分析1)本實驗采用兩臺200Hz的高速攝像機對發(fā)球隊員進行定點、定焦同步拍攝。實驗拍攝開始前提前架設(shè)機器,A機放置于運動員發(fā)球站位的正側(cè)面,B機放置于運動員的正后方。兩機主光軸對準發(fā)球運動員,夾角約為90°,測試場地設(shè)計如圖1所示。2)受試者身著緊身運動短袖和短褲,在指定區(qū)域完成實驗要求動作。即右手隊員站右區(qū)發(fā)一發(fā)球,左手隊員站左區(qū)發(fā)一發(fā)球。測試指導(dǎo)語為“像在比賽一樣,全力發(fā)一發(fā)球”。每人做8次大力發(fā)球,由主帶教練站在球場另一側(cè)報好壞球,測試人員記錄結(jié)果,保證3次好球。3)使用北京體育大學(xué)視訊解析系統(tǒng)將兩臺相機采集的二維圖像進行三維重構(gòu),解析得到原始數(shù)據(jù)。應(yīng)用Qtools、Excel、Origin等數(shù)據(jù)處理軟件進行指標計算。對每個運動員的大力發(fā)球的運動學(xué)參數(shù)進行分析。1.3奧爾斯基模型本研究所采用的人體模型是前蘇聯(lián)的扎齊奧爾斯基模型。角度相關(guān)指標均依據(jù)劉卉(2004)發(fā)表的關(guān)于三維攝影解析中人體關(guān)節(jié)角度的計算方法進行定義和計算。1.4拋球舉拍階段a—網(wǎng)球大力發(fā)球技術(shù)運動階段的劃分本研究根據(jù)網(wǎng)球大力發(fā)球動作的技術(shù)特點,將發(fā)球過程分為:以下三個動作階段(圖2):拋球舉拍階段(A—B):拋球出手時刻開始,重心下降最低點時刻結(jié)束。蹬伸“搔背”階段(B-C):重心最低點時刻開始,重心到拍頭落差最大時刻結(jié)束。揮拍擊球階段(C-D):重心到拍頭落差最大時刻開始,球拍碰撞網(wǎng)球時刻結(jié)束。2結(jié)果與分析2.1拋球舉拍階段2.1.1刻球的高度拋球是網(wǎng)球發(fā)球技術(shù)中最重要的環(huán)節(jié)之一,拋球技術(shù)的好壞直接影響整個發(fā)球技術(shù)的合理性。8名受試者拋球時的運動學(xué)數(shù)據(jù)如表1所示。拋球過高或者過低都會影響發(fā)球的質(zhì)量。合理的拋球高度應(yīng)該考慮到運動員的身高和彈跳力。有研究表明身高1.8m的阿加西拋球的最大高度僅為2.84m,而擊球時刻球的高度為2.79m,即最高點與擊球點落差僅為0.056m。身高1.75m的張德培拋球的最大高度為3.25m,擊球點高度為2.69m,落差為0.56m。還有資料顯示,優(yōu)秀運動員拋球最高點與擊球點落差在0.5m左右,有些甚至在0.2m左右(B.ElliottandT.Marsh,1989)。通過比較發(fā)現(xiàn),我國球員的拋球整體偏高且拋球最高點與擊球點落差較大。其中拋球最高可達4.03m,落差為1.45m(球員身高為1.70m)。這影響了運動員擊球的準確性。本研究對8名運動員的拋球高度和發(fā)球各階段所用時間做了相關(guān)性檢驗,結(jié)果如表2所示:拋球高度與發(fā)球總用時成非常顯著性正相關(guān)(r=0.96,P<0.05),與拋球舉拍階段用時顯著性正相關(guān)(r=0.71,P<0.05)。但是與“搔背”階段所用時間、揮拍階段所用時間以及“搔背”和揮拍階段的總時間無顯著性相關(guān)。這說明,拋球的高低主要影響了拋球舉拍階段的動作結(jié)構(gòu)。2.1.2最佳舉拍角度和外展角根據(jù)網(wǎng)球發(fā)球訓(xùn)練中的經(jīng)典理論——“90°法則”,當運動員完成舉拍動作時,持拍手上肢關(guān)節(jié)應(yīng)盡量形成兩個“90°”。一個“90°”是指上臂和身體的形成一個直角,另一個“90°”是指上臂和前臂形成直角。也有研究表明上臂和軀干最佳夾角在100°±10°。這種“雙直角”舉拍實質(zhì)是為了讓肘關(guān)節(jié)遠離軀干,增加揮拍時肘關(guān)節(jié)的運動軌跡;增加肩關(guān)節(jié)內(nèi)收肌群的初長度;為“搔背”動作提供良好的上肢開始姿態(tài)。8名運動員舉拍結(jié)束時刻,肩關(guān)節(jié)外展角平均為70.62°,總體表現(xiàn)為上肢外展不夠充分,其中外展角最小為50.86°。肘角均值為84.82°,表現(xiàn)較為合理,但仍有運動員只有59.9°(表3)。2.1.3聯(lián)合社挖掘后創(chuàng)知識動作技術(shù)在高爾夫球場比賽階段的影響網(wǎng)球發(fā)球的站位方式分為兩種:foot-back(FB)和foot-up(FU)(圖3)。因為FB技術(shù)是指運動員在向后揮拍階段兩腳前后分開,直接屈膝完成腿部的緩沖。FU技術(shù)是指在此階段,運動員屈膝緩沖時,后腳向前腳靠攏的技術(shù)。8名運動員中有5名采用FU技術(shù),3名采用FB技術(shù)。正如表4所示,采用FU技術(shù)的運動員擊球點高度平均為身高的1.52倍,而采用FB技術(shù)的運動員平均為身高的1.38倍。然而對比兩種技術(shù)入場第一步的距離可知,較采用FU技術(shù)(0.37m),采用FB技術(shù)(0.55m)的運動員可以獲得更遠的入場距離。由此可見兩種技術(shù)各有優(yōu)勢,這與前人的研究結(jié)果是一致的。本研究還發(fā)現(xiàn),采用FU技術(shù)的運動員在緩沖結(jié)束可以獲得更大的軀干扭轉(zhuǎn)角度,且FU技術(shù)達到FB技術(shù)的兩倍(FU平均為18.32°,FB平均為9.3°)。對比整個發(fā)球動作技術(shù)中軀干向后扭轉(zhuǎn)角度的最大值(FU平均為30.14°,FB平均為17.93°),也得到了相同的結(jié)果。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于下肢緩沖過程中,采用FU技術(shù)的運動員后腳開始向前腳靠攏,造成骨盆相對上身的反向運動,從而增大了軀干扭轉(zhuǎn)幅度。軀干的扭轉(zhuǎn)幅度越大,對腹內(nèi)斜肌和腹外斜肌的拉伸程度也大,儲存彈性勢能并引起牽張反射。從而可以增大軀干向球方向扭轉(zhuǎn)時的力量和速度。如表5所示,8名運動員在拋球舉拍結(jié)束時刻持拍側(cè)膝關(guān)節(jié)角度為91.35°,非持拍側(cè)膝關(guān)節(jié)角度平均為104.64°。緩沖階段,膝關(guān)節(jié)屈曲幅度太小或者過大,都不能產(chǎn)生最佳的蹬伸效果。有國外資料顯示緩沖結(jié)束時刻膝關(guān)節(jié)角度在100°±10°最有利于蹬伸發(fā)力,受試運動員在膝關(guān)節(jié)的動作上表現(xiàn)較好。髖角(矢狀面)為:軀干和大腿的夾角在人體矢狀面上的投影角,髖角(額狀面)同理。本研究發(fā)現(xiàn),運動員在拋球舉拍結(jié)束時刻,即緩沖完成時,身體重心與兩腿的位置關(guān)系直接影響運動員發(fā)球的整體效果。將雙腳的趾尖與足跟點在地面上的投影連線(后簡稱足線),代表運動員雙腳的位置。作重心在地面上的投影(后簡稱重心投影)到兩足線的垂線,測得重心投影到兩足線的距離。如圖4所示,重心到非持拍側(cè)足線和持拍側(cè)足線的距離分別是d1和d2。查看表6可以發(fā)現(xiàn),8名受試者中有一部分運動員在此時刻重心投影到非持拍側(cè)足線的距離幾乎為零。這就說明身體重心幾乎完全壓在非持拍側(cè)腿上。對重心投影到非持拍側(cè)距離d1與重心投影到非持拍側(cè)距離d2的比值與8個人發(fā)球的球速做相關(guān)性檢驗,d1/d2與球速呈非常顯著性正相關(guān)(r=0.84,p>0.05)。這說明在此時刻重心越靠近非持拍側(cè)腿,越遠離持拍側(cè)腿,則發(fā)球速度越低。圖5為運動員徐××在拋球舉拍結(jié)束時刻身體姿態(tài)。結(jié)合表6的數(shù)據(jù)可知,此時她的重心壓在非持拍側(cè)的腿上。很明顯可以看出持拍側(cè)的腿在蹬伸時只是輕輕“點地”,根本沒有充分蹬地發(fā)力。從圖5中還可以看出,重心前移的主要是由于運動員髖部的前頂動作造成的。在網(wǎng)球發(fā)球過程中,兩髖向發(fā)球方向前頂可以使重心有一個向前加速的過程。但是由于運動員在蹬伸前過早頂髖或者頂髖幅度過大,所形成身體姿勢很不利于下肢的發(fā)力,導(dǎo)致網(wǎng)球質(zhì)量下降。2.1.4素質(zhì)動作技術(shù)結(jié)構(gòu)的改進從表7中可以看出8名運動員軀干扭轉(zhuǎn)和側(cè)屈幅度差異較大。在此階段軀干扭轉(zhuǎn)幅度最大的可達到48.26°,而最小的只有5.41°;軀干側(cè)屈幅度最大的達到37.16°,而最小的幾乎沒有側(cè)屈。表7中的前三個人采用了FB技術(shù),后5個人采用的是FU技術(shù)。前面研究結(jié)果表明FU有助于增加軀干的扭轉(zhuǎn)幅度。同時本研究對此階段軀干扭轉(zhuǎn)和軀干側(cè)屈幅度做了相關(guān)性檢驗,結(jié)果(r=0.68,p<0.05)表明軀干的扭轉(zhuǎn)和側(cè)屈動作有一定的一致性。因此可以推論FU技術(shù)對于軀干的側(cè)屈也有一定的幫助。國外有研究表明:緩沖結(jié)束時刻,兩肩與兩髖所形成的夾角為20°—30°較好。因此對于像韓××這種軀干扭轉(zhuǎn)不充分的運動員,改進動作的方式有兩種,一種是在其原有動作技術(shù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,增大兩肩的扭轉(zhuǎn)幅度;另一種就是將原有FB緩沖技術(shù)改為FU緩沖技術(shù)。2.2下肢概念“搔背”階段是指運動員在拋球舉拍結(jié)束時刻的身體姿態(tài)基礎(chǔ)上,下肢迅速蹬伸,使身體重心快速升起。同時持拍側(cè)上臂外旋,肘關(guān)節(jié)屈曲,球拍背向擊球點方向運動。2.2.1膝關(guān)節(jié)和鞋關(guān)節(jié)所發(fā)揮的作用力如圖6所示,髖關(guān)節(jié)角加速度(角速度斜率)首先達到最大值,隨后膝關(guān)節(jié)角加速度和踝關(guān)節(jié)角加速度逐一達到最大值。蹬伸過程中,下肢關(guān)節(jié)角加速度越早達到最大值,說明使關(guān)節(jié)伸的肌群越早發(fā)揮出其爆發(fā)力,提高了關(guān)節(jié)打開的速度。因此運動員在蹬伸階段關(guān)節(jié)發(fā)力順序為:髖——膝——踝。從解剖學(xué)上看,這是由于從髖關(guān)節(jié)到踝關(guān)節(jié),各關(guān)節(jié)肌肉生理橫斷面逐個減少,各關(guān)節(jié)所配置的肌肉力量由強變?nèi)?。蹬伸過程中,運動員快速抬高身體重心,這需要克服相當大的阻力才能完成。盡管在這個階段人體運動鏈中的各關(guān)節(jié)肌肉同時用力。但由于髖關(guān)節(jié)的肌肉的生理橫斷面大,產(chǎn)生的肌力矩也大,因此它能首先發(fā)揮其爆發(fā)力來克服阻力距,使環(huán)節(jié)產(chǎn)生角加速運動。在此基礎(chǔ)上,膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)才能逐個發(fā)揮爆發(fā)力。由表8所示,膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)在在這個階段的蹬伸幅度的離散型較大,說明受試者下肢的蹬伸動作技術(shù)個體差異較大。這和運動員個人肌肉力量素質(zhì)關(guān)系密切。本研究做了8名運動員在“搔背”階段,膝關(guān)節(jié)蹬伸幅度和蹬伸角速度之間的相關(guān)性檢驗。持拍側(cè)為r=0.24(p>0.05),非持拍側(cè)為r=-0.28(p>0.05)。這說明蹬伸幅度與蹬伸角速度之間無規(guī)律關(guān)系。2.2.2勞動過程分析圖7反映了“搔背”階段軀干運動和下肢運動的關(guān)系。當人體下肢髖角速度、膝角速度和踝關(guān)節(jié)角速度逐一達到達到最大值后,軀干的扭轉(zhuǎn)角和側(cè)屈角速度仍在增加,并在揮拍階段達到最大值。因此人體的動力鏈是從下肢到軀干,由下自上傳遞的。將8名運動員“搔背”階段和揮拍擊球階段軀干運動角度做一致化處理,取平均值。如圖8所示,軀干運動角度隨時間變化特征說明了軀干在“搔背”。運動員的軀干側(cè)屈角度從蹬伸開始就由負值向正值逐漸增大,這是因為非持拍側(cè)軀干肌肉開始收縮用力,使開軀干開始向擊球方向側(cè)屈,加速了軀干上部向擊球方向運動速度。而軀干的扭轉(zhuǎn)角開始并沒有增大反而減小了。這是因為運動員由于下肢的快速蹬伸,使得髖首先向擊球方向加速扭轉(zhuǎn)。這就造成了肩向擊球方向轉(zhuǎn)動在運動開始階段落后于髖的的轉(zhuǎn)動,從而出現(xiàn)相對的反向運動。這使得運動員的軀干在拋球舉拍階段的身體姿態(tài)基礎(chǔ)上,繼續(xù)被“扭緊”。快速的扭轉(zhuǎn)引起腹斜肌的牽張反射,軀干上部開始向擊球方向加速轉(zhuǎn)動,軀干的扭轉(zhuǎn)角逐漸增大?！吧Ρ场苯Y(jié)束時刻,扭轉(zhuǎn)角變化幅度較小,大幅度的變化發(fā)生在揮拍擊球階段,這說明身體扭轉(zhuǎn)的用力主要發(fā)生在揮拍擊球階段。2.2.3人工運動員上臂的外旋角度下肢的快速蹬伸,以及軀干向擊球方向的快速扭轉(zhuǎn)和側(cè)屈的同時,持拍側(cè)上上臂外旋,肘關(guān)節(jié)屈曲,使拍頭下垂。由于軀干的上升速度較快,在“搔背”結(jié)束時刻對軀干對上臂及球拍形成了“超越”?！吧Ρ场眲幼鞯膶嵸|(zhì)就是人體在揮拍擊球前完成超越器械動作。以運動員周×ד騷背”階段拍頭和重心高度曲線為例(圖9),拍頭和重心在垂直方向上的運動很好的反映了這個這一的過程?！吧Ρ场苯Y(jié)束時刻持拍臂的狀態(tài)如表9所示,通過與舉拍動作結(jié)束時刻持拍臂的狀態(tài)比較,可以發(fā)現(xiàn),變化最大的是上臂外旋角(平均外旋75.65°),基本上是舉拍結(jié)束時刻的2倍?？梢姟吧Ρ场眲幼鲗ι媳鄣膬?nèi)旋肌肉的拉伸幅度是很大的。這也證明了上臂的扭轉(zhuǎn)對于發(fā)球是及其重要的。在本研究對網(wǎng)球運動階段的劃分條件下,8名運動員上臂最大外旋角度并沒有出現(xiàn)在“搔背”結(jié)束時刻,而是出現(xiàn)在揮拍階段并接接近擊球時刻。8名運動員上臂最大外旋角度如表10所示,平均外旋角度平均為153.18°,但是個體差異性較大。有國外資料顯示國外優(yōu)秀網(wǎng)球運動員發(fā)球最大外旋角的范圍在165°±10°,可見我國運動員的外旋幅度仍有提高的空間。上臂的外旋并非肩關(guān)節(jié)的主動用力,而是因為軀干的快速移動,使上臂的做相對的反向運動。如果上臂旋外肌群主動用力,則可能對揮拍時的旋內(nèi)動作帶來不必要了的對抗。Bahamonde等(2000)人的研究結(jié)果表明:對于腿部發(fā)力較好的運動員,運用了蹬伸力幫助了上臂的外旋,因而需要較小的旋內(nèi)肌力(約為40Nm)矩來對抗旋外;對于下肢發(fā)力效果較差的運動員,則更多的是通過肌旋外肌群用力來達到上臂的最大外旋位置因而需要較大的旋內(nèi)肌力(約為60Nm)矩來對抗旋外。提前在肩關(guān)節(jié)加載的負荷越大,越不利于揮拍階段的發(fā)力。因此為提高我國運動員肩關(guān)節(jié)外旋幅度,應(yīng)該加強運動員腿部爆發(fā)力的練習。本研究統(tǒng)計了8名運動員“搔背”結(jié)束時刻拍頭和重心出現(xiàn)的最大落差。如表11所示運動員平均拍頭比重心低了20cm。目前尚未找到關(guān)于評價拍頭與重心最大落差數(shù)據(jù)支持。但有研究顯示阿加西在“搔背”結(jié)束時刻,拍頭比重心低18.9cm,張德培為20.5cm。這個指標可以間接反映運動員超越器械動作的完成情況,因此可作為網(wǎng)球運動的評價指標進行更深入的研究。綜上所述,在“搔背”階段運動員下肢迅速的蹬伸,軀干向擊球點方向的側(cè)屈以及持拍臂與球拍相對于軀干的向下運動形成了超越器械動作。統(tǒng)計結(jié)果表明(表12),蹬伸過程中下肢主要關(guān)節(jié)的平均角速度與重心平均上升速度呈顯著性正相關(guān)。因此,增加下肢的爆發(fā)力可以提高“搔背”動作的完成質(zhì)量。在此階段,軀干仍有背向擊球點方向的扭轉(zhuǎn),這也為揮拍擊球充分蓄積了核心區(qū)的肌肉力量。2.3人體重力狀態(tài)在揮拍擊球階段,運動員與地面的接觸很少,或者完全處于騰空狀態(tài),在忽略空氣阻力的情況下,人體僅受重力的作用。因此,在這個階段人體是一個所受合外力矩為零的封閉力學(xué)系統(tǒng),人體動量的只能從身體某一環(huán)節(jié)傳遞到另一環(huán)節(jié),并最終傳遞給球拍。2.3.1重拋球時發(fā)揮評論員的側(cè)屈特征根據(jù)前面的分析可知,軀干肌群是在揮拍擊球階段發(fā)揮爆發(fā)力的。8名運動員從拋球開始到擊球時刻,軀干的扭轉(zhuǎn)幅度為32.46°±13.93°,軀干的側(cè)屈幅度為69.09°±15.42°(表13)。軀干的這種大幅度運動可以將人體從地面獲得動能快速轉(zhuǎn)化為朝向擊球方向的動量矩。2.3.2最大速度和節(jié)段將8名運動員揮拍擊球階段,持拍側(cè)上肢關(guān)節(jié)角速度數(shù)據(jù)通過插值做一致化處理(圖10)?？梢园l(fā)現(xiàn)在此階段,本研究8名受試者持拍側(cè)上肢的運動規(guī)律是:肩關(guān)節(jié)首先發(fā)力,做內(nèi)收運動和水平外展運動,最先克服阻力使上臂朝擊球點方向運動。隨后肘關(guān)節(jié)迅速發(fā)力伸展,前臂繞肘關(guān)節(jié)想擊球點轉(zhuǎn)動,將球拍舉起。在肘關(guān)節(jié)完成發(fā)力以后,肩關(guān)節(jié)快速內(nèi)旋完成擊球。因此揮拍擊球階段,持拍臂的發(fā)力順序應(yīng)該描述為:肩——肘——肩——腕。觀察圖10中肩關(guān)節(jié)各運動角速度變化幅度和曲線的斜率,可知在揮拍擊球階段,最主要的運動為肩關(guān)節(jié)的旋內(nèi)和肘關(guān)節(jié)的伸展。BrianJ.Gordon(2006)的研究結(jié)果也證實:在臨近擊球的時刻,肩關(guān)節(jié)屈伸運動和肩內(nèi)收外展運動對于拍頭速度的貢獻率微不足道。因此從力量訓(xùn)練角度講,肩關(guān)節(jié)旋肌和肘關(guān)節(jié)屈伸肌肉是網(wǎng)球發(fā)球上肢肌肉力量訓(xùn)練的重點。通過圖11可以看出,上肢各環(huán)節(jié)的最大速度是從近端環(huán)節(jié)到遠端環(huán)節(jié)依次傳遞的。結(jié)合前面的研究可知,網(wǎng)球發(fā)球過程是一個典型的鞭打動作。通過鞭打動作,身體自下而上,從大環(huán)節(jié)到小環(huán)節(jié)依次加速和制動,動量不斷地傳遞、疊加(當然也有能量的損耗),最終是拍頭獲得巨大的運動速度和打擊力量。從圖11中還可以看出,拍頭的最大速度并沒有出現(xiàn)在擊球時刻,而是略早于擊球時刻。通過計算,8名運動員拍頭的最大速度平均為39.29m/s,比擊球時刻早0.008s。這和前人的研究結(jié)果是一致的。BruceElliot(1995)對11名優(yōu)秀運動員的研究發(fā)現(xiàn),大