浙江省優(yōu)秀青年男子排球運(yùn)動員強(qiáng)攻扣球手臂揮擺動作運(yùn)動學(xué)與表面肌電學(xué)分析

鄭兆云

在排球眾多技術(shù)中,觀眾最喜歡觀看的無疑是扣球技術(shù)動作,因?yàn)樗撬屑夹g(shù)中得分率最高的。有研究表明,強(qiáng)攻扣球在反攻中占有主要地位,女子大約占70％,男子約占80％以上,而在接發(fā)球進(jìn)攻中強(qiáng)攻扣球也占大約30％～40％[9,11],可以看出,強(qiáng)攻扣球是得分的重要手段,同時萬京一等人認(rèn)為,揮臂擊球是扣球各項(xiàng)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵[6]。目前,對排球扣球動作的研究主要是通過攝像解析法單純地從運(yùn)動學(xué)角度進(jìn)行外部動作結(jié)構(gòu)的分析,而且,多是對助跑起跳階段進(jìn)行研究。華立軍等人[3]對男子助跑起跳階段下肢肌肉的活動情況進(jìn)行了表面肌電分析與研究；呂品對女子排球運(yùn)動員扣球助跑階段的起跳技術(shù)進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析[4]；Clutch和 David[14]以加拿大國家男子排球運(yùn)動員為研究對象進(jìn)行了扣球助跑起跳技術(shù)的運(yùn)動學(xué)研究,發(fā)現(xiàn)起跳中髖關(guān)節(jié)伸展早于膝、踝關(guān)節(jié)；華立軍等人[3]對男子排球運(yùn)動員4號位扣球動作進(jìn)行了下肢表面肌電的分析,發(fā)現(xiàn)臀大肌、股四頭肌和小腿三頭肌等伸肌群在起跳過程中發(fā)揮著重要的作用。

從以上的一些研究能夠看出,對扣球技術(shù)動作的研究主要集中在助跑起跳技術(shù),而缺少對扣球揮臂動作上肢肌肉工作原理方面的研究,本研究使用高速攝像和表面肌電儀從外部技術(shù)動作結(jié)構(gòu)和內(nèi)部肌肉工作原理兩個方面同步研究排球揮臂扣球動作,這對于運(yùn)動員提高技術(shù)動作以及提高擊球效率都具有重要的意義,同時,對排球運(yùn)動員上肢肌肉專項(xiàng)力量訓(xùn)練也具有重要作用。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

本研究選取浙江省青年排球隊的7名男子運(yùn)動員為受試者,受試者身高為 190.4±3.15 cm,體重 75.9± 5.1 kg,年齡16.9±1.5歲,運(yùn)動年限2.7±1.3年。

1.2 研究方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與材料

兩臺美國生產(chǎn)的troubleshooter高速攝像機(jī)、芬蘭Mega公司生產(chǎn)的8通道M E 6000遙測表面肌電儀、Ag-cl表面電極、酒精棉球、彈性繃帶、三角架、三維框架、500 W照明燈、皮尺、排球10個。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計方案

在測試開始之前每名受試者進(jìn)行15 min的熱身活動,同時向受試者講清楚實(shí)驗(yàn)的程序,整個實(shí)驗(yàn)過程得到受試者的允許。由1名二傳手在3號位傳球,令受試者在在排球場地4號位起跳做強(qiáng)攻扣球動作,由于配合問題可能不會保證二傳手每一次傳球都能使4號位起跳有最佳扣球效果,因此,每名運(yùn)動員做5次扣球動作,最后再由專家確定最佳的一次扣球動作為研究對象,為了保證每一名選手都有相近的扣球動作,令受試者將球扣在對面的5號位。動作階段劃分,根據(jù)以往一些學(xué)者的研究將扣球動作分為助跑期、起跳期、空中擊球期和落地期4個部分[11](圖1）。本研究的重點(diǎn)為空中扣球階段,而且通過反復(fù)觀察攝像發(fā)現(xiàn),這個階段根據(jù)動作結(jié)構(gòu)不同還應(yīng)該劃分3個期：

1.引臂后拉期,此期特點(diǎn)是起跳開始后上臂上提一定程度后外旋并且后拉至最大位置。

2.甩臂擊打期,從引臂后拉期結(jié)束到手接觸球階段。3.擊打作用期,手與球開始接觸到球離開手。

圖1 運(yùn)動員扣球全過程示意圖

1.2.3 數(shù)據(jù)采集與處理

1.2.3.1 表面肌電數(shù)據(jù)采集與處理

選取受試對象的三角肌前束、三角肌后束、肱二頭肌、肱三頭肌、胸大肌、背闊肌、前臂腕屈肌群、前臂伸肌群為測試肌肉,使用雙極測試方法,這樣可以降低信號串線(crosstalk）[10],兩個記錄電極放在肌肉隆起的正中線上,兩記錄電極之間的距離為2 cm,參考電極放在附近的骨性突起處。粘貼電極之前用砂紙打磨皮膚,然后用酒精擦凈,以降低測量時候由皮膚碎屑引起的高阻抗。用彈性繃帶將電極線捆綁在肢體周圍,以防止因?yàn)殡姌O線抖動引起基線漂移,采用遙測方式對扣球揮臂動作時肌肉的電活動進(jìn)行記錄,采樣頻率設(shè)置為1 000 Hz。

在正式記錄肌電信號之前,首先進(jìn)行幅值標(biāo)準(zhǔn)化處理(normalization）,最大幅值測試方法采用 Peter Konrad中使用的方法對肌電信號進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,即將每一個人需要測試的每一塊肌肉在扣球過程中的肌電振幅除以該塊肌肉在等長最大隨意收縮下的最大肌電幅值,用％MVC來表示,這樣可以消除一些生理和測量干擾因素[12],為了減少誤差,最大肌電幅值測試進(jìn)行3次,取3次最大值的平均值作為基準(zhǔn)參考值。

對采集到的原始肌電信號進(jìn)行10～500 Hz的帶通濾波,然后使用均方根法(公式1）進(jìn)行全波整流,再使用移動平均窗法(moving average window）[8]進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑(公式2）,窗口寬度定為0.01 s,步長為2個采樣點(diǎn),圖2為三角肌前束整流后平滑效果。

I為均方根振幅的指數(shù),i為第幾個原始數(shù)據(jù),n=[1, N+1,2N+1,…],N為計算均方根的點(diǎn)數(shù)。

Yi為經(jīng)過移動平均窗法平滑后的時間序列,Xi為整流后的時間序列,K為正整數(shù),移動平均窗法是對整流后的時間序列每2k+1或者2k個觀測值取平均值,最后輸出的序列就是平滑后的時間序列 Yi。

圖2 三角肌前束平滑濾波后效果示意圖

表面肌電學(xué)相關(guān)指標(biāo)定義：

肌肉激活程度,將所測試的某塊肌肉某一段劃分時期內(nèi)的均方根振幅值平均值除以該塊肌肉等長最大隨意收縮時最大幅值,用％MVC表示,同一塊肌肉在不同階段時期的比較可以反映該塊肌肉的激活程度,該值越大表明激活程度越高。

1.2.3.2 運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)采集與處理

高速攝像機(jī)的拍攝速度設(shè)置為250 fps,快門速度為1/1 000。首先給運(yùn)動員扣球側(cè)的肢體關(guān)節(jié)處貼上熒光膠布,這樣做是為了便于解析技術(shù)動作時數(shù)字化描點(diǎn)。兩臺troubleshooter高速攝像機(jī)分別放在運(yùn)動員扣球手的側(cè)面和正面進(jìn)行三維拍攝,正面攝像機(jī)放在受試者的背面以防止網(wǎng)的遮擋,兩臺攝像機(jī)的主光軸大約成95°,調(diào)整兩臺攝像機(jī)到運(yùn)動平面的距離直至將運(yùn)動員的動作全部收錄進(jìn)去, x軸正方向?yàn)榍斑M(jìn)運(yùn)動方向,y軸為垂直方向,z軸為左右橫移方向。

使用美國的APAS運(yùn)動解析軟件將收集到的影像圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,人體模型選擇日本松井秀治模型,再添加附加點(diǎn)作為球的模型,采用6Hz截止頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑,得到位移、速度、角度、角速度等參數(shù)。

運(yùn)動學(xué)相關(guān)指標(biāo)定義：

背弓角,空中擊球動作期間,肩關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)三點(diǎn)連線形成的最小夾角。

揮臂角,空中跳起引臂后拉預(yù)備擊球時,肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)三點(diǎn)連線形成的最大夾角。

揮臂速度,擊球瞬間手指末端的三維合速度。球出手速度,球脫離手后產(chǎn)生的三維合速度。

圖3 排球運(yùn)動員扣球時背弓角示意圖

圖4 排球運(yùn)動員扣球時揮臂角示意圖

1.2.3.3 攝像與表面肌電同步方案

通過遙測表面肌電儀的外發(fā)觸發(fā)器觸發(fā)兩個燈源,這兩個燈源分別放在兩臺高速攝像機(jī)前面,在啟動肌電儀記錄開始后,按下 mark鍵可以產(chǎn)生觸發(fā)過程,第一個 mark標(biāo)志表示動作開始點(diǎn),第二個mark標(biāo)志表示動作結(jié)束點(diǎn),肌電中出現(xiàn)mark點(diǎn)時刻和兩臺攝像機(jī)同時拍攝到的燈源時刻就是三機(jī)的同步點(diǎn)。

1.2.4 數(shù)理統(tǒng)計法

使用SPSS 11.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,所有數(shù)據(jù)用±SD表示,采用皮爾遜相關(guān)分析方法進(jìn)行相關(guān)分析,顯著性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為a=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同階段肌肉激活情況

從表1中能看出,在跳起扣球的引臂后拉期三角肌前束的電活動最強(qiáng),為39.8±22.4％MVC,說明在此階段神經(jīng)系統(tǒng)動員較多的支配三角肌前束的運(yùn)動神經(jīng)元,三角肌前的主要作用是完成上臂在肩關(guān)節(jié)處的前屈,完成引臂動作。而作為其拮抗肌的三角肌后束電活動要低于三角肌前束,這樣可能是為了保證主動肌積極發(fā)揮作用,順利完成上臂及前臂的揮擺,而提拉上臂之后,上臂后拉動作則主要依靠三角后束收縮來完成,因此,三角肌后束的電活動水平也比較高,為28.1％±9.8％MVC。在此階段,肱二頭肌也表現(xiàn)出較高的電活動水平,為24.5％±16.7％ MVC,原因是肱二頭肌有兩個功能,肱二頭肌長頭肌可以使上臂在肩關(guān)節(jié)處前屈,這也正符合這個階段的動作特點(diǎn)；另一個功能是肱二頭肌短頭肌可以使前臂屈曲,前臂靠近上臂,肱二頭肌短頭腱使肘關(guān)節(jié)屈曲實(shí)際是通過牽張反射作用,為下一個階段前臂在肘關(guān)節(jié)處伸蓄能[15],以至于在下一個階段產(chǎn)生更強(qiáng)的伸肘動作,同樣,它的拮抗肌肱三頭肌在這個階段電活動水平較弱,體現(xiàn)了一種協(xié)調(diào)性。由于胸大肌具有使上臂屈曲的功能,所以,在這個階段也體現(xiàn)出一定的電活動水平,而背闊肌主要參與引臂后的后拉上臂動作,因此,也產(chǎn)生一定的電活動。同時,還發(fā)現(xiàn)在這個階段前臂屈腕肌群和伸腕肌群電活動水平較弱,說明此時腕關(guān)節(jié)處于一種放松狀態(tài)。

在甩臂擊打期,我們能看到前臂的屈腕肌群和伸腕肌群電活動水平比上臂前拉期明顯增大,說明此階段要加固腕關(guān)節(jié),而且,屈腕肌群的電活動水平要明顯高于伸腕肌群,說明腕關(guān)節(jié)處于屈曲狀態(tài),這樣有利于擊球。在這個階段肱三頭肌電活動強(qiáng)烈,因?yàn)殡湃^肌積極收縮可以使前臂在肘關(guān)節(jié)處充分伸展,有利于擊球。背闊肌表現(xiàn)為較高的電活動水平,是因?yàn)楸抽熂∈湛s可以使上臂帶動前臂后伸,而胸大肌在肩關(guān)節(jié)角度超過一定范圍后,可以使上臂后伸[5],這樣兩者共同的作用是使上臂在肩關(guān)節(jié)處積極后伸從而帶動前臂甩動,再加上肱三頭肌的作用,最終使手關(guān)節(jié)像一個鞭稍一樣鞭打,這從內(nèi)部肌肉工作原理方面解釋了排球扣球動作屬于鞭打動作[16]。

在擊打作用期各塊肌肉電活動水平進(jìn)一步增加,肱三頭肌、前臂伸腕肌群、前臂屈腕肌群電活動都已經(jīng)超過了等長最大隨意收縮時的水平,分別為114.7％±67.4％、120.5％±75.3％、112.3％±100.3％,這可能超出了線形評估肌肉電活動水平的范圍,出現(xiàn)放電水平高于等長最大隨意收縮的水平,還有一種可能就是受試者在做等長最大隨意測試的時候并沒有發(fā)揮出最大力量,也可能會造成該值過于偏大,如果受試者在做等長最大隨意測試的時候確實(shí)是發(fā)揮了最大力量,說明在動力性下做最大隨意收縮會比在靜力性下做最大隨意收縮下產(chǎn)生更大的肌電幅值,那么,在最大等長收縮下產(chǎn)生的肌電幅值作為標(biāo)準(zhǔn)化的基準(zhǔn)幅值方法可能受到質(zhì)疑,所以,在該方面的研究還有待于進(jìn)一步探討。但是,本研究中肱二頭肌和肱三頭肌電活動水平增加的結(jié)果也符合蔡豐任的研究結(jié)論,即預(yù)追求擊球瞬間的最大力量,必須強(qiáng)化肱二頭肌和肱三頭肌的力量訓(xùn)練[1]。在擊打作用階段前臂伸腕肌群和前臂屈腕肌群電活動水平進(jìn)一步增強(qiáng),可以大大增強(qiáng)腕關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性,從而能對抗擊球瞬間球的反作用力,最終對球產(chǎn)生一個很大的沖量。

另外,從圖5中可以清楚地看出,在各個階段拮抗肌都有電活動,當(dāng)然,所有拮抗肌的電活動水平都比主動肌弱,這體現(xiàn)出高水平運(yùn)動員在完成扣球揮臂動作時肌肉的協(xié)調(diào)性。主動肌電活動水平高,從而使主動肌強(qiáng)烈收縮,這樣可以保證揮臂動作有一個動力來源,而拮抗肌在不同階段都表現(xiàn)出不同的電活動水平,從而保證拮抗肌在每個階段都有不同程度的收縮,而拮抗肌積極收縮可以提供反向力矩,研究表明,在鞭打動作中要使末端環(huán)節(jié)獲得較大的速度,近端環(huán)節(jié)必須要有起制動作用的反向力矩[13],本研究中三角肌后束、肱二頭肌以及前臂伸肌群這些拮抗肌收縮能夠在肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)以及腕關(guān)節(jié)處提高關(guān)節(jié)反向力矩,這樣使相應(yīng)的環(huán)節(jié)能夠及時制動,從而使運(yùn)動環(huán)節(jié)表現(xiàn)為依次加速-制動的特征。另外,郭峰[2]等人對高水平拳擊運(yùn)動員后手直拳技術(shù)動作的研究,發(fā)現(xiàn)上肢拮抗肌積極收縮與防止關(guān)節(jié)損傷有關(guān),因此,本研究中拮抗肌表現(xiàn)出強(qiáng)烈的電活動也可能與防止運(yùn)動員揮臂扣球時上肢損傷有關(guān)。

表1 本研究受試者扣球動作不同階段肌肉激活情況一覽表 (n=7）

2.2 空中扣球階段運(yùn)動學(xué)分析

從表2中能夠看出,在所調(diào)查的7名優(yōu)秀男子青年排球運(yùn)動員中,在空中姿勢變量中,背弓角為130.2°±4.7°,揮臂角為113.2°±6.1°,最后出手球速為23.5±0.7 m/s,目前,國內(nèi)針對女子排球運(yùn)動員扣球揮臂動作的運(yùn)動學(xué)分析數(shù)據(jù)較多,而男子方面的研究較少,本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果與這些學(xué)者報道的數(shù)據(jù)相近[7]。在排球扣球動作中,胸向前挺出,上下肢向后屈曲,這種姿勢是為了維持身體在空中的平衡,因?yàn)樾叵蚯巴Τ鍪谷梭w重心向前,而下肢和上肢向后屈曲可以彌補(bǔ)重心向前引起的不穩(wěn),這稱為補(bǔ)償性平衡,這是背弓角的一個重要意義。另外從表2中能看出在擊球瞬間,肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、手的三維合速度分別為4.1±0.4 m/s、6.5±0.9 m/s、11.3±1.9 m/s、23.5± 0.7 m/s,表現(xiàn)為各個關(guān)節(jié)的速度依次增加,這是動量傳遞的結(jié)果。根據(jù)鞭打原理,各個環(huán)節(jié)依次制動加速,作為鞭梢的手最后速度最大。從環(huán)節(jié)角速度看,肩關(guān)節(jié)角速度、肘關(guān)節(jié)角速度、腕關(guān)節(jié)角速度分別為811.7±125.5°/s、1123.6±156.7°/s、1 276.9±346.1°/s,符合角動量傳遞原理,可見,無論是關(guān)節(jié)的線速度還是環(huán)節(jié)的角速度,都是從近端關(guān)節(jié)向遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)逐漸增加,這體現(xiàn)出高水平運(yùn)動員扣球揮擺技術(shù)動作良好的協(xié)調(diào)性。

圖5 本研究受試者扣球動作主動肌與拮抗肌不同階段的電活動情況圖

表2 本研究受試者空中扣球動作特征變量一覽表 (n=7）

從表3中結(jié)果可知,球出手速度與背弓角、揮臂角以及揮臂速度的相關(guān)系數(shù)r分別為 -0.512(P＜0.05）、0.484(P＜0.05）、0.611(P＜0.01）。背弓角越小,最后球出手速度越快,正如前面所定義的背弓角是空中擊球動作期間,肩關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)3點(diǎn)連線形成的最小夾角,當(dāng)起跳后準(zhǔn)備扣球過程中,首先是胸部向前挺起,下肢和上肢向后拉伸,人體在空中形成一個即將彈射的“弓”形,在這個過程中胸腹部、肩部肌肉被充分拉長,根據(jù)牽長-收縮循環(huán)原理(stretch shortening cycle SSC）[11],在隨后發(fā)生的收腹、揮臂、甩腕過程中儲存在胸腹部和肩部肌肉被充分拉長的勢能就會釋放出來,再加上腹部和上肢肌肉自身收縮產(chǎn)生的力量,最終會產(chǎn)生一個瞬間極大的爆發(fā)力,那么,這個角越小,“弓”就拉得越滿,最后產(chǎn)生的效果也就越明顯。因此,背弓角對于最后的鞭打效果至關(guān)重要。

對于揮臂角來說,與球出手速度的相關(guān)系數(shù)r為0.484 (P＜0.05）,揮臂角是指空中跳起引臂后拉準(zhǔn)備擊球時,肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)3點(diǎn)連線形成的最大夾角。這個角度的大小則反映了扣球臂在揮臂之前肩關(guān)節(jié)肌肉被拉長的程度,角度越大,則三角肌前束被拉長程度就越大,原理和背弓角是一樣的。

揮臂速度與球出手后速度相關(guān)系數(shù)r為0.611(P＜ 0.01）,說明揮臂速度影響著最后的出手球速。根據(jù)動量守恒定律可知,擊球瞬間球體所產(chǎn)生的動量皆來自于手臂揮擺而產(chǎn)生的動量經(jīng)手傳遞給球體,由公式I=mv可知m為質(zhì)量,v為速度,手臂揮擺產(chǎn)生的很大動量傳遞給球,由于球的質(zhì)量很小,而且,質(zhì)量是固定的,因此,手臂揮擺產(chǎn)生的動量越大,最后球的速度就越大,從表2中能看出,揮臂速度為16.7 m/s,而最后球出手球速為23.5 m/s。

表3 本研究受試者空中擊球階段影響最后球速的因素一覽表 (n=7）

3 結(jié)論與建議

本研究通過對浙江省男子青年排球隊的7名運(yùn)動員的空中扣球揮臂動作進(jìn)行運(yùn)動學(xué)與表面肌電學(xué)分析發(fā)現(xiàn),在空中扣球階段的不同時期,同一塊肌肉所發(fā)揮的作用是不一樣的。高水平運(yùn)動員在揮臂扣球動作中,揮臂側(cè)上肢各個關(guān)節(jié)點(diǎn)的速度由近端向遠(yuǎn)端依次增加,符合鞭打技術(shù)原理。通過表面肌電研究發(fā)現(xiàn),拮抗肌在鞭打動作中提供反向力矩起到制動作用,因此,為了能夠達(dá)到最佳的鞭打效果,在平時力量訓(xùn)練中可能應(yīng)該多關(guān)注一些拮抗肌的訓(xùn)練。同時發(fā)現(xiàn),起跳后準(zhǔn)備扣球時的背弓角和揮臂角對最后球出手的速度有一定的影響。但是,由于受表面肌電儀測試通道數(shù)的限制,未能測試出更多相關(guān)肌肉對完成扣球動作的影響,有待今后深入研究。

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