網(wǎng)球正手擊球動作的生物力學分析

張 鋒，張 健，閆莉莉

(1.齊魯師范學院 體育學院，濟南 250200；2.華東師范大學 體育與健康學院，上海 200241)

網(wǎng)球正手擊球動作的生物力學分析

張 鋒1，張 健2，閆莉莉1

(1.齊魯師范學院 體育學院，濟南 250200；2.華東師范大學 體育與健康學院，上海 200241)

基于現(xiàn)有文獻，運用錄像觀察法對網(wǎng)球運動中正手擊球的握拍、準備動作、引拍過程、擊球和隨揮進行生物力學分析。研究發(fā)現(xiàn)，提高擊球力量的重點是發(fā)揮軀干力量，重視人體運動協(xié)調(diào)鏈的整體性；頭部姿勢對于擊球力量和動作連貫性具有潛在影響；擊球隨揮動作可以微調(diào)球的落點和速度，對網(wǎng)球肘的預(yù)防有積極作用。

網(wǎng)球；正手擊球；轉(zhuǎn)動力矩；肩；動量；生物力學

網(wǎng)球是一項優(yōu)美而激烈的運動，其動作舒展，強度可調(diào)，適應(yīng)不同人群，現(xiàn)在盛行全世界，被稱為世界第二大球類運動，在我國也越來越受到人們的青睞。網(wǎng)球發(fā)力擊球的先決條件是正確合理的身體姿勢和擊球技術(shù)[1]，符合生物力學原理的正確技術(shù)動作可以避免運動損傷，改善擊球效果。

對于正手擊球的生物力學研究可以追溯到上世紀50年代。當時主要研究擊球動作的協(xié)調(diào)性、連貫性和擊球的準確性、球的旋轉(zhuǎn)、球拍速度等問題。近代已降，網(wǎng)球運動正手擊球過程中上肢和軀干的生物力學分析逐漸成為專家學者們研究的熱點[2]。盡管很久以前人們就認識到膝關(guān)節(jié)的運動在正手擊球過程中的重要性，但是迄今為止，對于網(wǎng)球中下肢運動的科學研究依然很少。

正手擊球有握拍、準備動作、引拍過程、擊球和隨揮五個步驟。本文基于以上五個擊球步驟，對正手擊球動作的生物力學原理進行解釋，并對現(xiàn)有的研究結(jié)果進行概述，為網(wǎng)球運動參與者提供參考。

1 握拍

采用末端型的握拍。握拍方式與擊球的臨場應(yīng)變有關(guān)，半西方式和西方式正手握拍是現(xiàn)在最廣泛使用的握拍方式。需要注意的是，西方式握拍會增加加速揮拍時肘部外翻壓力，增大網(wǎng)球肘發(fā)生的可能性[3]。放松的握拍有利于體現(xiàn)擊球的節(jié)奏性和流暢性和提高拍頭速度；但是緊握球拍也有益處，可以防止擊球點偏離中心而形成轉(zhuǎn)動力矩(轉(zhuǎn)動力矩是觸球時球的沖擊力和球與球拍中心的距離的矢量乘積：M=F×R)。握拍力量本身對反彈球的速度沒有明顯的影響[4]。

2 準備動作

2.1 站位

網(wǎng)球站位主要有開放式站位(身體冠狀面平行于球網(wǎng))和垂直站位(身體的冠狀面垂直于球網(wǎng)，也稱關(guān)閉式站位)。目前大多數(shù)教練員和一些網(wǎng)球教學專家都提倡采用開放式站位[5]，認為這種站位便于擊球后更快的回位。前美國網(wǎng)協(xié)主席Porter指出，開放式站位擊球利于運動員橫向移動，控制范圍更廣，地面對下肢的反作用力更大，進而產(chǎn)生更大的擊球力量。但是也有研究認為，就下半身運動協(xié)調(diào)動力鏈而言，開放式站位并不是最好的選擇[6]。Bahamonde(2003)的實驗結(jié)果表明，垂直站位正手擊球中產(chǎn)生的肩部內(nèi)旋轉(zhuǎn)矩和手腕屈轉(zhuǎn)矩的峰值明顯大于開放式站位[2]。其中手腕的屈轉(zhuǎn)矩可能對擊球的影響不大，但是肩部運動對擊球有很大影響，有研究發(fā)現(xiàn)，肩部運動為擊球時球拍提供了15%—25%的向前和向上的速度。

2.2 起動

網(wǎng)球運動中身體處于動態(tài)平衡，在所有擊球動作中頭部和上體必須保持穩(wěn)定。在準備姿勢中保持屈膝、降低重心，分腿墊步。在一場草地網(wǎng)球賽中，平均每2.5秒內(nèi)有3.09次擊球。這意味著球員平均只有1.2秒的時間移動到合適位置并選擇適當擊球方式完成一次擊球[7]。研究發(fā)現(xiàn)，在所有的擊球中，有超過四分之一的回球是倉促的，這對回球質(zhì)量影響很大，所以起動速度顯得尤為重要。對付大角度來球時，普遍采用回撤步驅(qū)動步伐[8]，在起動時，右腳抬起向左腳靠攏蹬地(以向右跑為例)，這樣可以將身體重心迅速地置于支撐面以外，破壞原有的平衡，利用地面產(chǎn)生的反作用力，為身體提供爆發(fā)性動力。

3 引拍過程

以右手持拍為例。右手持拍后引同時轉(zhuǎn)肩，肘外展，手臂以肩為軸由上往下?lián)]拍，小臂前揮。整個動作運動軌跡類似“C”型，也被稱為C型引拍，其目的是讓球拍從高點下落的時候，開始加速球拍，將勢能轉(zhuǎn)化成拍頭的部分動能[9]。膝關(guān)節(jié)彎曲，保持由低向高處移動的動作，所有的調(diào)整點都在這個狀態(tài)下完成。這種引拍方式已經(jīng)被大多數(shù)人認可。引拍過程，適當增加肌肉的初長度，使肌肉收縮時產(chǎn)生的張力也隨之增大，從而加大擊球的力量。Andrew(1997)研究表明，肌張力的大小與肌肉收縮前的初長度有關(guān)，肌肉收縮前初長度越長，產(chǎn)生的向心力就越大，肌肉做功的功率就越高。實質(zhì)上，這是超等長收縮激活更多的運動神經(jīng)元而導(dǎo)致的肌電變化[10]。在引拍和向前揮拍這兩個階段之間盡量避免停頓，Wilson(1991)認為，引拍過程中上肢的拉伸階段如有停頓，會降低彈性能量利用率。上肢運動中大約1秒的停頓就會喪失55%的儲存能量，2秒則喪失80%的儲存能量，4秒幾乎喪失全部[11]。

4 擊球過程

4.1 擊球前球拍加速的動力來源

在網(wǎng)球運動中力的產(chǎn)生始于膝關(guān)節(jié)，然后向上傳遞[12]。動力源于地面反作用力。研究證明，任何動作的有效完成都不是孤立的肌肉或肌群參與，幾乎所有動作的用力都是發(fā)軔于腿部由下而上的完成。盡管很久以前人們就認識到膝關(guān)節(jié)的運動在正手擊球過程中的重要性[13]，但是迄今為止對網(wǎng)球中下肢運動的科學研究依然很少。

圖1 半西方式正手擊球各肌肉發(fā)力階段肌電積分值、力量及所占最大力量的比例[14]

除膝關(guān)節(jié)外，擊球過程中，肩部肌肉所發(fā)揮出的力量占最大力量的比例也很高(圖1)。肩部運動為擊球時球拍提供了15%—25%的向前和向上的速度。上臂的內(nèi)旋為擊球時球拍拍頭提供了42%—44%的向前和向上的線速度[15]。Elliott(1997)也指出，上臂在擊球動作前后，有明顯的內(nèi)旋動作，這是產(chǎn)生球拍速度(接近30%—40%)的一個必要方面[16]。上臂的水平內(nèi)收為拍頭提供了20%向前和向上的線速度[2]。

4.2 擊球前加速球拍的發(fā)力機制

人體運動協(xié)調(diào)鏈是技術(shù)合理運用的基礎(chǔ)，其對人體最大力量和爆發(fā)力、身體控制能力和協(xié)調(diào)能力、疲勞的延緩和消除，以及運動損傷的預(yù)防和康復(fù)都產(chǎn)生深遠影響[17]。

Alexander(1992)證實了兩塊肌肉順序收縮比同時收縮的投擲距離更遠，如果兩塊肌肉活動之間有一定的延遲，其所做的總功最大，這正是符合了肌肉活動順序進行原理。通過視頻捕捉攝像系統(tǒng)可以觀察到，上肢各環(huán)節(jié)的運動形式表現(xiàn)為由近端到遠端次第加速。然而，“眼見未必為實”，視頻捕捉系統(tǒng)只能抓拍外在的運動形式，而對肌肉內(nèi)在發(fā)力的反映卻無能為力，事實上，上肢關(guān)節(jié)活動順序并不是“肩—肘—腕”，而是“肩—肘—肩—腕”，即以肩為軸發(fā)力[19]。

肌肉活動的順序進行可以讓運動鏈中各個環(huán)節(jié)的速度相加，讓末端的環(huán)節(jié)最終達到最大速度，肌肉活動順序進行不是簡單等同于鞭打運動[18]。肌電實驗也證實了網(wǎng)球正手擊球動作符合肌肉活動順序進行原理[14]。同時，該實驗還表示在整個擊球過程中，膝關(guān)節(jié)的脛骨前肌、肩關(guān)節(jié)的斜方肌始終處于放電狀態(tài)，這也說明，肌肉活動順序進行不能簡單等同于鞭打運動。

4.3 擊球前球拍的加速過程——兩種擊球方式

4.3.1 屈臂擊球方式

屈臂擊球是當今使用最廣泛的擊球方式。在擊球前，拍柄底部正對著來球。身體左側(cè)(非持拍手臂一側(cè))肩部向左后方伸展，使胸大肌等肌肉充分拉伸，初長度變長，伴有牽張反射，進而增進了擊球的力量和連貫性，同時也消除了左肩對右肩水平內(nèi)收的阻礙，保證了身體最大限度的旋轉(zhuǎn)。就球拍而言，其運動更接近于直線運動(沿著球拍縱軸所在直線)而非圓周運動，在這個階段，人對球拍的作用只是增加了球拍的平動動能。前臂和球拍的縱軸(長軸)垂直，也使球拍繞身體垂直軸的轉(zhuǎn)動慣量最小，便于球拍的加速[20]。擊球前上臂夾緊，肘關(guān)節(jié)屈。擊球前瞬間球拍速度達到最大，此時拍面的甜點即將觸球。球拍此時的運動狀態(tài)已經(jīng)變成圓周運動，手對球拍的拉力提供了球拍所需的向心力。在這個階段，前臂和手腕的放松，可以減少拮抗肌產(chǎn)生的阻力，使之前身體產(chǎn)生的動量最大程度地傳遞給球拍。

4.3.2 直臂擊球方式

直臂擊球方式的技術(shù)動作與屈臂擊球相近，區(qū)別在于肘關(guān)節(jié)伸直(以費德勒直臂正手進攻球為例，圖2)。研究顯示，在費德勒正拍觸球一剎那，拍頭(頂部)速度達到了130公里/小時。利用這種擊球可以擊出160公里/小時的球速。

圖2 費德勒正手直臂擊球

觀察發(fā)現(xiàn)，擊球時他已騰空，不再受地面的作用力，整個系統(tǒng)(人+球拍)的總動量矩守恒。由上述公式J=I·ω=r×mv易推導(dǎo)出，球拍的角速度和線速度都減小了。

事實上，直臂擊球的確可能提高拍頭的速度，解決上述問題我們不能只分析擊球時刻。直臂擊球方式在揮拍過程中，都是趨于直臂狀態(tài)。

(1)直臂擊球時，身體左側(cè)屈臂的轉(zhuǎn)動慣量小，易于轉(zhuǎn)動(轉(zhuǎn)動力矩等于轉(zhuǎn)動慣量乘以角加速度，τ=I·β)。造成擊球前，左側(cè)(非持拍手臂一側(cè))肩部的向左后方伸展，使胸大肌、右側(cè)肱二頭肌等肌肉充分拉伸，初長度變長，肌肉收縮時產(chǎn)生的張力F增大。

(2)在轉(zhuǎn)動角度θ一定時，直臂擊球的角速度確實略小于屈臂，這也造成手臂對球拍的作用時間t更長，由動量定理Ft=Δmv可推斷出，直臂擊球方式可以使球拍得到更大的動量。

(3)在球拍加速的過程中，人體對球拍所做的功為W=F·l。人對球拍的加速距離l(近似為弧長l=θ·r)等于手臂繞身體縱軸轉(zhuǎn)過的角度θ與轉(zhuǎn)動半徑的乘積，在轉(zhuǎn)動角度θ一定時，直臂的轉(zhuǎn)動半徑大，加速距離l大?？梢娭北蹞羟驎r，人體對球拍加速的過程中所做的功W更大，由動能定理可知球拍的動能更大。

直臂擊球正逐漸被更多的人認可，在美國網(wǎng)協(xié)(USPTA)的視頻教程中，也贊成直臂的正手擊球方式。不過直臂擊球畢竟不是完美的，現(xiàn)役網(wǎng)球運動員中屈臂擊球仍然占主導(dǎo)地位，費德勒自己也經(jīng)常用屈臂擊球方式。相對直臂擊球，屈臂擊球方式引拍和揮拍的時間更短，運動員的準備時間更加充足，而且對擊球的時刻、力量、身體的轉(zhuǎn)動及協(xié)調(diào)性的要求相對較低，穩(wěn)定性更好，對于業(yè)余網(wǎng)球選手來說應(yīng)該是更好的選擇。

4.4 觸球時間和球拍對球的作用距離

球拍觸球時間變化非常小，僅為3—6毫秒[22]。世界著名網(wǎng)球教練維克·布雷頓通過高速攝像機抓拍視頻技術(shù)和視頻分析軟件發(fā)現(xiàn)，球拍與球的接觸時間非常短暫，拍頭未發(fā)現(xiàn)翻滾過球[23]。但是，由于幾十年來球拍科技的進步和正手擊球技術(shù)的改善，尤其是正手上旋技術(shù)的進步，在一定程度上可能增加了觸球時間。賈杰臣等認為在擊球瞬間，球拍揮動速度的加快和球拍對來球的主動撞擊會降低觸球時間，而球拍隨球移動會對球的方向、落點、旋轉(zhuǎn)等產(chǎn)生微調(diào)[24]?，F(xiàn)在，網(wǎng)球拍的設(shè)計使得球拍弦床的網(wǎng)眼更大，增加了偏心矩加強球的旋轉(zhuǎn)的可能；由于球和弦床的形變增大，勢必使得觸球時間延長(大約延長了0.4毫秒)。另外，在底線型球員正手上旋擊球時，擊球點并不是球拍中心，而是擊球點偏上一些(擊球瞬間，球拍縱軸水平時，球拍平行于縱軸的兩邊分別定為上下邊框)，球拍縱弦磨損也以自上邊框數(shù)第7根為最。同時，球?qū)η蚺牡淖矒魠s并沒有產(chǎn)生很強的翻轉(zhuǎn)效果。這說明球與拍面接觸后發(fā)生了相對位移，而并非點接觸。筆者支持擊球旋轉(zhuǎn)主要來自擊球時力的作用線不通過球心而產(chǎn)生的偏心力矩，但是上述現(xiàn)象確實表明球在弦床上有相對位移，而且現(xiàn)今的上旋技術(shù)加大了觸球過程中球拍對球做的功。綜上所述，并不排除在加大擊球力量時，通過增加拍對球的作用時間和作用距離以提高對球的控制能力的可能性。正手上旋小斜線技術(shù)正是通過上述方法改變球飛行路線的。

4.5 頭部姿勢和體軸對擊球的影響

在擊球時，軀干縱軸基本保持豎直，利于身體的轉(zhuǎn)動和平衡。無論正手抽球還是反手擊球，頭部姿勢的變化對于肌群張力都產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，進而保證髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的靈活性。而非持拍手臂的合理運用對肩關(guān)節(jié)的過度轉(zhuǎn)動起到一定的抑制作用[25]。此外，根據(jù)核心穩(wěn)定性理論，頭部位置的變化對于核心肌群緊張會產(chǎn)生條件性反射，這一反射稱為頸緊張狀態(tài)反射。在正常情況下，狀態(tài)反射常受高級中樞的抑制，不易表現(xiàn)出來。根據(jù)狀態(tài)反射原理，頭部在空間的位置發(fā)生變化可引起同側(cè)肌群的緊張性增強，對側(cè)肌群的緊張性降低[26]，同時，頭部姿勢的改變可以影響肌肉的收縮力發(fā)生變化，進而影響擊球力量和動作的流暢性。

5 隨揮

隨揮動作是擊球動作的一部分，是拍對球控制的最后階段，其具有兩方面的意義。一是擊球隨揮可以保證動作的完整性，對于球的落點、旋轉(zhuǎn)、速度等起到精細調(diào)節(jié)的作用，對于擊球(回球)質(zhì)量起著關(guān)鍵性作用；二是擊球隨揮可以增加手臂移動距離，避免了擊球后緊急制動而導(dǎo)致的損傷，對因制動而導(dǎo)致的能量過耗和網(wǎng)球肘的預(yù)防都有重要的生理學意義[27]。

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Biomechanical Analysis of Tennis Forehand Shot

ZHANG Feng1, ZHANG Jian2, YAN Li-li1

(1.School of Physical Education, Qilu Normal University, Jinan 250200, China;2.School of Sport and Health, East China Normal University, Shanghai 200241, China)

Based on the existing literature and by method of video observation, the biomechanical analysis is made in this study to research the grip, preparation, backswing, batting, follow-through in tennis forehand shots. The results show that the focus of the improvement of the batting force needs the appropriate use of the trunk force and the integrity of coordination chain of human movements, head position has a potential effect on the batting force and movement coherence, batting and follow-through can slightly adjust the placement and speed of the ball and have a positive effect on the prevention of tennis elbow.

tennis; forehand batting; rotational moment; shoulder; momentum; biomechanics

2017-03-08

國家體育總局體育哲學社會科學研究項目(2292SS16029)；國家體育總局全民健身研究領(lǐng)域課題(2015B059)；甘肅省哲學社會科學規(guī)劃項目(YB023)；甘肅省體育社會科學研究青年項目(GST201666)；甘肅省高等學?？蒲许椖?2016B-003)

張 鋒(1975-)，男，山東淄博人，副教授，博士研究生，研究方向為體育教學與訓練。

G804.6

A

1008-3596(2017)04-0072-05