網(wǎng)球雙手反拍擊球最后用力階段軀干的生物力學(xué)分析

林 鋒，劉 煒，郭 林，李小濤，李小生

網(wǎng)球比賽中，使用最多的技術(shù)是正反手擊球技術(shù)，且大部分球員反手擊球技術(shù)弱于正手。在當(dāng)今世界網(wǎng)壇中，世界排名前十的頂尖高手中僅有一位使用單手反拍擊球技術(shù)，而其他的90%均使用雙手反拍擊球技術(shù)。根據(jù)網(wǎng)球運(yùn)動員擊球的動作分析，擊球力量是通過軀干傳遞到上肢，軀干、肩關(guān)節(jié)周圍肌肉放電的變化對于最后需要上肢完成的技術(shù)動作來說是很重要的，它可以反映出技術(shù)動作的合理性。目前，一些學(xué)者以肩髖角為研究指標(biāo)，研究軀干及軀干部肌肉在各項(xiàng)運(yùn)動中的扭轉(zhuǎn)能力，本文重點(diǎn)研究軀干、肩關(guān)節(jié)相關(guān)的肌肉在雙手反拍擊上旋球技術(shù)中的生物力學(xué)特點(diǎn)，以期為網(wǎng)球運(yùn)動員及教練員提供有價值的信息。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

西安市高校優(yōu)秀網(wǎng)球運(yùn)動員（男生）10名，平均年齡：（23.3±1.23） 歲，平均身高：（176±6） cm，平均體重：（68±8.3）kg，均為底線型雙手反拍握拍運(yùn)動員，網(wǎng)球運(yùn)動生涯在7年以上，運(yùn)動等級國家二級，身體健康，無傷病。

1.2 研究方法

運(yùn)用文獻(xiàn)資料法、專家訪談法，查閱和了解大量運(yùn)用肌電圖技術(shù)進(jìn)行的研究；運(yùn)用肌電圖技術(shù)對雙手反拍擊球時軀干、肩關(guān)節(jié)相關(guān)肌肉放電時刻、持續(xù)時間進(jìn)行測試；利用MegaWin軟件進(jìn)行圖像與信號處理；最后，用SPSS軟件對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)處理，得出相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

芬蘭MEGA Electronic 公司制造的ME6000 16通道無線遙測肌電測試儀一部，隨機(jī)附帶MegaWin2.4軟件。電極為三電式差動輸入電極，兩個藍(lán)色的為肌電輸入端，黑色為參考電極。同步高速攝像機(jī)兩臺，通過數(shù)據(jù)線將肌電儀和攝像機(jī)分別連接到電腦（見圖1）。

圖1 實(shí)驗(yàn)測試儀器間鏈接圖Figure 1 Interlinkage between the Test Instruments for the Expenriment

1.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)置及連接

兩臺高速攝像機(jī)分別放置在受試者左側(cè)、左側(cè)前方，距測試中心11 m處，機(jī)子架設(shè)高度90 cm。用同步裝備將其連接，拍攝頻率是120 幀/s，兩攝像機(jī)主光軸夾角在60～90°之間。肌電采樣頻率1 000 HZ、小攝像機(jī)采樣頻率的設(shè)定保證圖像清晰（起到同步作用）。通過數(shù)據(jù)線將肌電儀和小攝像機(jī)分別連接到電腦。

1.2.3 測試肌肉

依據(jù)Tijana Ivan?evi?等（2008）[7]學(xué)者分析德約科維奇完成雙手反拍擊球特點(diǎn)：一、在后擺引拍過程中，即手臂帶動拍頭按照類似于“悉尼港灣”(Sydney harbour)的軌跡運(yùn)行，完成這一動作的主要肌肉有左右三角肌、肱二頭?。欢?、在前揮擊球過程中，完成轉(zhuǎn)髖、轉(zhuǎn)肩、揮拍擊球動作的肌肉有左側(cè)股四頭肌、左側(cè)臀大肌、左右腹內(nèi)外斜肌、右側(cè)背闊肌、左側(cè)三角肌、左右側(cè)胸大肌、左側(cè)肱二頭肌、右側(cè)肱三頭肌、左側(cè)屈腕肌和右側(cè)伸腕肌等完成。并結(jié)合以上肌肉的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)特征和表面肌電測試儀器對肌肉所在人體位置的表里的要求，選取左側(cè)腹外斜?。↙斜）、右側(cè)腹外斜?。≧斜）、右側(cè)背闊?。≧闊）、左側(cè)三角肌前部（L角）、右側(cè)三角肌后部（R角）、左側(cè)胸大?。↙胸）、左側(cè)肱二頭?。↙肱）和左側(cè)肱橈?。≧橈）等8塊肌肉。

1.2.4 測試動作

底線半開放式雙手反拍擊上旋球動作全過程（準(zhǔn)備姿勢到隨揮結(jié)束），擊球方向?yàn)橹本€。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

三維高速攝像數(shù)據(jù)處理：利用Apas System進(jìn)行圖像裁剪。首先，設(shè)定頻率為120 HZ；其次，對3D文件進(jìn)行濾過，選用7 HZ的截斷頻率進(jìn)行數(shù)字濾波平滑；最后，得出運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

雙手反拍擊球過程分為3個階段：后擺引拍階段、前揮擊球階段、隨揮階段。本研究重點(diǎn)對雙手反拍擊上旋球軀干相關(guān)關(guān)節(jié)的速度、肌肉發(fā)力的順序、大小進(jìn)行了分析。

2.1 兩種不同引拍方式

借助兩臺高速攝像機(jī)同步記錄被測者關(guān)節(jié)和球拍運(yùn)動學(xué)特征，運(yùn)動學(xué)特征結(jié)果顯示：一、兩種不同的向后引拍軌跡，一種直線向后擺動引拍（見圖2右側(cè)），另一種向后上畫弧線，再向后下畫弧線，拍頭軌跡類似“悉尼港灣”(Sydney harbour)（見圖2左側(cè)）；二、前揮擊球階段的揮拍軌跡相似，即朝著球向前上揮拍（見圖3）。

圖2 兩種不同揮拍軌跡的擊球技術(shù)圖解Figure 2 Batting Technique with Two Different Swing Tracks

圖3 前揮擊球的揮拍軌跡圖解Figure 3 Swing Tracks of Fore Batting

2.2 肌電圖特征

表面肌電信號（sEMG） 圖是借助于表面電極引導(dǎo)、放大、顯示和記錄所獲得肌肉收縮時的電信號，具有較大的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性。其電信號的振幅和頻率反應(yīng)了肌纖維募集水平和肌纖維興奮傳導(dǎo)速度等生理性因素，測試誤差與電極的位置、皮膚溫度、肌肉運(yùn)動方式等因素有關(guān)。

借助于表面肌電測試儀，得出肌肉收縮放電特征。

（1）球拍觸球瞬間（見圖4中4號紅旗時刻），8塊肌肉先后出現(xiàn)持續(xù)性較強(qiáng)的放電現(xiàn)象，且在4號紅旗時刻放電振幅和頻率高的肌肉有左側(cè)三角肌前部、左側(cè)肱二頭肌、左側(cè)肱橈肌。

圖4 張x原始肌電圖Figure 4 Original EMG of Zhang

（2）使用Megawin2.4軟件對10名測試者的8塊肌肉進(jìn)行積分化處理，得出相應(yīng)肌肉的積分肌電值。結(jié)果顯示（見圖5）：前揮擊球階段髖關(guān)節(jié)與肩關(guān)節(jié)間的肌肉IEMG值從大到小依次為：左側(cè)三角肌→右側(cè)三角肌后部→右側(cè)腹外斜肌→左側(cè)胸大肌→右側(cè)背闊肌→左側(cè)腹外斜肌。

圖5 n名受試者前揮擊球階段各肌肉的積分肌電平均值Figure 5 Average Integral EMG Values of the Muscles of the Subjects at the Phase of Fore Batting

（3）測試者擊球前后持續(xù)放電是指在拍頭觸球時刻向前和向后的一段時間內(nèi)，各測試肌肉的一次短時間、連續(xù)性、振幅穩(wěn)定的放電過程。利用Megawin軟件對原始肌電圖進(jìn)行處理，結(jié)果顯示（見圖6、7）：髖關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)間的軀干肌肉放電順序依次為：三角肌前部→右側(cè)三角肌后部→左側(cè)胸大肌→右側(cè)腹外斜肌→右側(cè)背闊肌→左側(cè)腹外斜?。卉|干肌肉放電的持續(xù)時間由長到短：左側(cè)三角肌前部→左側(cè)胸大肌→右側(cè)三角肌后部→左側(cè)腹外斜肌→右側(cè)背闊肌→右側(cè)腹外斜肌。

圖6 n名受試者擊球前后各肌肉持續(xù)放電開始時刻的平均值Figure 6 Average Values of the Starting Time of the Continuous Muscle Discharge of the Subjects before and after the Battings

圖7 名受試者擊球前后各肌肉持續(xù)放電時間的平均值Figure 7 Average Time of the Continuous Muscle Discharge of the Subjects before and after the Battings

3 分析與討論

結(jié)合雙手反拍擊上旋球的運(yùn)動特點(diǎn)，重點(diǎn)分析引拍階段、前揮擊球階段運(yùn)動學(xué)特征出現(xiàn)肌肉興奮收縮的肌電圖特征，進(jìn)而探討高校網(wǎng)球選手雙手反拍擊上旋球技術(shù)特點(diǎn)。

3.1 引拍階段的動作技術(shù)

網(wǎng)球運(yùn)動由于使用的球拍、球的規(guī)格，如球拍長度、球拍重量、球的重量、球的彈性等，使其運(yùn)動技術(shù)區(qū)別于隔網(wǎng)持拍的其它運(yùn)動項(xiàng)目，如引拍幅度、引拍的路線等?，F(xiàn)在世界頂尖網(wǎng)球選手雙手反拍的揮拍方式幾乎都是類似“悉尼港灣”(Sydney harbour)，這種揮拍方式的引拍階段呈現(xiàn)出向后上的一個大弧線。而測試學(xué)生的引拍方式出現(xiàn)兩種，一種直線后擺，另一種是向后上的一個大弧線（見圖2）。

兩種引拍方式的優(yōu)缺點(diǎn)做一比較。第一種直線后擺式，優(yōu)點(diǎn)在于引拍路線的距離短，相同的外力作用下引拍所需的時間少（見表1、2）。缺點(diǎn)在于引拍結(jié)束向前揮擊球過度時，需要外力作用改變原有運(yùn)動方向，依據(jù)牛頓第一定律，直線引拍類似于在水平面的直線運(yùn)動，要將初始的運(yùn)動方向改變180°，只有通過人體的相關(guān)肌肉的興奮收縮，產(chǎn)生相反的外力，改變揮拍的方向，并且在方向改變的過程中有動作的停頓。因此直線引拍將造成人體相關(guān)肌肉的額外收縮， 從人體工效學(xué)角度來看[8]，人體的生理能量沒能完全轉(zhuǎn)化為拍頭的動量。第二種弧線式引拍優(yōu)點(diǎn)在于引拍向前揮擊球過度時盡可能減少了能量的損耗，即生理能量（肌肉收縮）→拍頭勢能→拍頭的動能；從肌纖維發(fā)揮最大收縮角度分析，弧線式引拍技術(shù)的連貫性動作有利于肌纖維從預(yù)先拉長快速轉(zhuǎn)入向心收縮，肌肉能夠發(fā)揮出最大的爆發(fā)力；從運(yùn)動學(xué)角度分析，較大的動作幅度增加了肌肉工作的距離，同時增加了球拍的加速過程。缺點(diǎn)在于引拍所需的時間長（見表2），在把握擊球時機(jī)上有一定的影響。從測試的結(jié)果（見表1、2）可以看出，現(xiàn)在高校雙手反拍的直線式引拍技術(shù)多于弧線式引拍技術(shù)，而國際職業(yè)選手的雙手反拍幾乎都采用弧線式技術(shù)，這可能在于直線式引拍節(jié)奏的掌控要易于弧線式。針對這一特點(diǎn)，高校網(wǎng)球選手應(yīng)加強(qiáng)弧線式引拍節(jié)奏的練習(xí)，以減少擊球過程中能量的消耗，從而提高擊球質(zhì)量。

表1 直線式引拍所需時間（單位：s）Table Ⅰ Time Needed for Flat Backswing (s)

表2 弧線式引拍所需時間（單位：s）Table Ⅱ Time Needed for Arc Backswing (s)

肩髖角是指軀干在旋轉(zhuǎn)時肩軸與髖軸在水平面所成的夾角，一般以髖軸為參照系，它能反映身體在完成動作時，軀干的扭轉(zhuǎn)能力，即彈性勢能。從表3可以看出，引拍結(jié)束時，直線式引拍的測試者平均肩髖角（34.178°）小于弧線式引拍的肩髖角（40.425°）。結(jié)合兩種不同引拍方式的動作過程進(jìn)行分析（見圖2），弧線式引拍時，左右手臂向后上弧線引拍動作，使測試者的軀干上部、肩部周圍的軟組織得到了一定的拉伸，擴(kuò)大了肩軸與髖軸的夾角。因此，本研究認(rèn)為弧線式引拍時測試者軀干周圍肌肉預(yù)拉長效果比直線式引拍時更充分，從而有利于軀干周圍肌肉的快速收縮，使軀干扭轉(zhuǎn)的彈性勢能更強(qiáng)。

表3 兩種不同引拍技術(shù)引拍結(jié)束時刻肩髖角（單位：°）Table Ⅲ Shoulder and Hip Angles at the Conclusion of the TwoDifferent Backswing Technique

3.2 前揮擊球階段動作

前揮擊球階段是從引拍結(jié)束的下一刻開始，到拍頭觸球結(jié)束瞬間（見圖3）。從圖2、3可以看出兩種不同擊球方式的前揮擊球軌跡相似，其相關(guān)肌肉的興奮收縮方式相似。

3.2.1 軀干周圍肌肉的IEMG

在擊球過程中，前揮擊球階段的動作特點(diǎn)：充分地轉(zhuǎn)肩，同時左側(cè)上臂進(jìn)行水平屈和內(nèi)收的復(fù)雜多軸運(yùn)動，前臂做屈和內(nèi)旋的雙重運(yùn)動。這一階段脊柱的螺旋式旋轉(zhuǎn)、肩關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動都起到了能量的傳遞和遞增的作用。而脊柱、肩關(guān)節(jié)周圍肌肉的興奮收縮是產(chǎn)生軀干旋轉(zhuǎn)的主要根源。圖5中兩側(cè)肩關(guān)節(jié)的肌肉放電最大，即左右三角肌。結(jié)合左側(cè)三角肌前部、左側(cè)胸大肌、右側(cè)三角肌后部、右側(cè)背闊肌的解剖位置，在近固定時，左側(cè)三角肌前部、左側(cè)胸大肌收縮，有使左側(cè)上臂伸、水平屈的作用；右側(cè)三角肌后部、右側(cè)背闊肌收縮，有使右側(cè)上臂伸、外展作用。圖5軀干左側(cè)肌肉的IEMG略大于右側(cè)肌肉，這體現(xiàn)了網(wǎng)球雙手反拍擊球時左手臂為運(yùn)動主導(dǎo)者，與網(wǎng)球運(yùn)動雙手反拍技術(shù)相符。

圖5中軀干周圍有扭轉(zhuǎn)能力的肌肉放電量小，即左右腹外斜肌。結(jié)合雙手反拍前揮擊球的方向分析（見圖3），軀干以脊柱為軸向右螺旋式旋轉(zhuǎn)。根據(jù)脊柱左右兩側(cè)腹外斜肌的解剖起止點(diǎn)位置，可知左側(cè)腹外斜肌主動收縮(下固定)會形成軀干以脊柱為軸向右旋轉(zhuǎn)，右側(cè)腹外斜肌主動收縮則向左旋轉(zhuǎn)，根據(jù)M=F·r，r不變情況下，合力F越大，M越大，物體轉(zhuǎn)動的作用就越大?？梢耘卸?，只有左側(cè)腹外斜肌收縮的主動力遠(yuǎn)大于右側(cè)腹外斜肌的收縮阻力，就可以產(chǎn)生足夠大的向右旋轉(zhuǎn)的合力，那么軀干向右旋轉(zhuǎn)的角速度就越大。圖5中右側(cè)腹外斜肌的IEMG（11.1667 uvs）略大于左側(cè)腹外斜肌的IEMG（9.6667 uvs），可能阻礙脊柱向右的旋轉(zhuǎn)（當(dāng)然，不能排除深層肌肉腹內(nèi)斜肌收縮的效果）?？梢?，在軀干以脊柱為軸旋轉(zhuǎn)時，被測試選手的左右腹外斜肌的協(xié)調(diào)收縮存在一定的問題，建議在日常的軀干以脊柱為軸旋轉(zhuǎn)訓(xùn)練中，加強(qiáng)左右腹外斜肌興奮收縮與舒張的協(xié)調(diào)配合練習(xí)。由于本研究僅研究各測試肌肉的放電情況，未涉及左右腹外斜肌收縮的合力大小，調(diào)控機(jī)理研究，有待于進(jìn)一步研究。

3.2.2 軀干周圍肌肉的sEMG節(jié)奏特征

嚴(yán)波濤等人[9]（2000）對動作節(jié)奏進(jìn)行了詳細(xì)的論述，他們認(rèn)為動作節(jié)奏規(guī)定了整體動作中各個動作細(xì)節(jié)的準(zhǔn)確開始時間和與身體素質(zhì)相適應(yīng)的動作持續(xù)時間，還認(rèn)為個人的最佳動作節(jié)奏應(yīng)該是與自己身體素質(zhì)相一致的動作細(xì)節(jié)在時間上的精細(xì)安排一致。動作的完成有賴于相應(yīng)肌肉的預(yù)拉長和收縮，及最佳動作節(jié)奏應(yīng)該與相應(yīng)肌肉收縮能力相一致的興奮收縮細(xì)節(jié)在時間上的精細(xì)安排一致。

雙手反拍擊球技術(shù)力量的傳遞是自下而上的方式，即肌肉收縮先后順序：下肢肌肉、軀干肌肉、肩部肌肉、手臂肌肉，表現(xiàn)在身體各關(guān)節(jié)運(yùn)動的速度在不同時間達(dá)到最大值。本研究對采用弧線式引拍技術(shù)的4名測試者關(guān)節(jié)運(yùn)動的速度進(jìn)行分析（見表4），從整體上看，表4中的下肢關(guān)節(jié)最大速度（Vmix）出現(xiàn)時刻（t）明顯早于肩關(guān)節(jié)以上的關(guān)節(jié)，且各關(guān)節(jié)點(diǎn)達(dá)到最大速度時間的順序可以反映人體環(huán)節(jié)在擊球動作過程中的用力的順序[9]，因此測試者在擊球動作過程中相關(guān)肌肉收縮順序大體符合運(yùn)動特征。其中測試者10的關(guān)節(jié)最大速度順序是較為理想的發(fā)力順序；測試者7左側(cè)髖關(guān)節(jié)的t早于左側(cè)膝關(guān)節(jié)；測試者8左側(cè)肘關(guān)節(jié)的t早于左側(cè)肩關(guān)節(jié)；測試者9左側(cè)髖關(guān)節(jié)的t早于左側(cè)膝關(guān)節(jié)，左側(cè)腕關(guān)節(jié)的t早于左側(cè)肘關(guān)節(jié)，這些現(xiàn)象有可能體現(xiàn)了個體運(yùn)動節(jié)奏與自身素質(zhì)相一致的動作細(xì)節(jié)在時間上的精細(xì)安排。

表4 測試者部分關(guān)節(jié)擊球前最大速度（單位：Vmix）、其相應(yīng)時刻（單位：s）Table Ⅳ Top Speed (Vmix) and Corresponding Time (s) of Some of the Joints of the Subjects before the Battings

圖6、圖7中分別是測試者在完成動作過程中肌肉收縮在時間上排序和持續(xù)時間長短的結(jié)果，圖6明顯的特征是軀干部肌肉（左右腹外斜肌、右背闊肌）收縮開始時間晚于肩關(guān)節(jié)周圍肌肉（左右三角?。┖椭怅P(guān)節(jié)周圍肌肉（左側(cè)肱二頭?。┑氖湛s開始時間，圖7的特征是左右三角肌、左側(cè)肱二頭肌的收縮持續(xù)時間明顯長于軀干部肌肉。結(jié)合圖6可以看出，軀干部肌肉收縮開始到結(jié)束的過程中，左右三角肌、左側(cè)肱二頭肌的收縮還未結(jié)束，這樣從各肌肉持續(xù)收縮的銜接上分析，各肌肉持續(xù)收縮的先后順序?yàn)椋簭淖笥腋雇庑奔?、右?cè)背闊肌、左右三角肌、到左肱二頭肌，即一種較理想的肌肉興奮收縮順序。因此，本研究認(rèn)為高校優(yōu)秀網(wǎng)球選手在雙手反拍擊上旋球過程中，軀干肌肉收縮的精細(xì)安排是較多地依賴軀干以上關(guān)節(jié)周圍肌肉興奮收縮持續(xù)時間長短的布局完成的；而對軀干部肌肉收縮在時間上先后興奮收縮次序依賴較少。同時，本研究也認(rèn)為動作細(xì)節(jié)在時間上的精細(xì)安排應(yīng)該是肌肉收縮在時間上先后順序和持續(xù)時間長短兩者共同協(xié)調(diào)完成的。

4 結(jié)論

4.1 雙手反拍擊上旋球技術(shù)動作，采用不同引拍方式，對軀干的扭轉(zhuǎn)程度有一定影響。采用弧線式引拍方式，軀干的扭轉(zhuǎn)程度更充分。

4.2 前揮擊球階段，高校優(yōu)秀選手軀干周圍左右兩側(cè)扭轉(zhuǎn)肌群收縮與舒張協(xié)調(diào)能力較差，如左右腹外斜肌、背闊肌、胸大肌。建議訓(xùn)練中以增加軀干兩側(cè)扭轉(zhuǎn)肌群協(xié)調(diào)性練習(xí)。

[1] 劉瑛慧.我國優(yōu)秀女子鏈球運(yùn)動員的技術(shù)分析[D].北京:北京體育大,2005: 34-37.

[2] 邰崇禧,劉昌亞,汪康樂,屠麗芳.我國優(yōu)秀女子鏈球運(yùn)動員顧原旋轉(zhuǎn)技術(shù)的運(yùn)動學(xué)分析[J].成都體育學(xué)院學(xué)報,2005,31(5):67-69.

[3] 譚晶.我國優(yōu)秀女子壘球運(yùn)動員擊球揮擊動作技術(shù)的生物力學(xué)分析[D].北京:北京體育大學(xué),2006:16-21.

[4] 趙雙印,李元敬.健將級女子鐵餅運(yùn)動員最后用力階段肩關(guān)節(jié)運(yùn)動損傷的生物力學(xué)分析[J].中國臨床康復(fù),2006,10(20):40-42.

[5] 尹彥,曲峰.對我國優(yōu)秀女子鐵餅運(yùn)動員王鈺投擲技術(shù)的三維運(yùn)動學(xué)分析[J].山西體育科技,2007,27(4): 14-18.

[6] 胡啟權(quán).我國優(yōu)秀青年男子網(wǎng)球選手正手大力擊上旋球動作的生物力學(xué)分析[J].體育科研,2009,30(2):69-70.

[7] Tijana Ivancevic等.BIOMECHANICAL ANALYSIS OF SHOTS AND BALL MOTION IN TENNIS AND THE ANALOGY WITH HANDBALL THROWS, Ph-ysical Education and Sport Vol.6,No1,2008,pp.51–66.

[8] 嚴(yán)波濤,王清. 運(yùn)動生物力學(xué)能量學(xué)研究進(jìn)展[J].體育科學(xué),2009,29(4):69-75.

[9] 嚴(yán)波濤,吳延禧,苑廷剛,等.網(wǎng)球發(fā)球技術(shù)的生物力學(xué)分析[J],體育科學(xué),2000,20(4):80-85.