運(yùn)動生物力學(xué)測試儀器在足球技術(shù)動作診斷中的應(yīng)用

張承意，牛健壯，牛 崢，任祥鈺，邵妮娜，高妮娜，于雪梅

（西安電子科技大學(xué)體育部，陜西 西安 710071）

1 國內(nèi)有關(guān)足球運(yùn)動生物力學(xué)方面的研究現(xiàn)狀

運(yùn)動生物力學(xué)研究對足球技術(shù)動作的發(fā)展至關(guān)重要，運(yùn)動生物力學(xué)研究能夠確定足球技術(shù)動作的技術(shù)原理，建立合理的動作模型，作為運(yùn)動員技術(shù)診斷和改進(jìn)訓(xùn)練教學(xué)方法的理論依據(jù)。同時，可減少運(yùn)動過程中的運(yùn)動損傷，促進(jìn)科學(xué)訓(xùn)練，等等。對近20年來我國關(guān)于生物力學(xué)視角下關(guān)于足球技術(shù)動作的研究成果總結(jié)后發(fā)現(xiàn)，我國目前關(guān)于足球技術(shù)生物力學(xué)分析的研究數(shù)量并不多，主要集中在關(guān)于足球教學(xué)訓(xùn)練方法及運(yùn)動傷病的防護(hù)等方面。近年來，我國高度重視足球運(yùn)動的發(fā)展，國家在足球基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和足球體制建立健全等方面都投入了大量的人力、物力，在這樣的背景下，與足球技術(shù)動作測試方法方面的相關(guān)理論研究和建設(shè)就顯得相當(dāng)關(guān)鍵。

2 運(yùn)動生物力學(xué)的研究方法及測試手段評述

運(yùn)動生物力學(xué)的測試主要以3個方面為主：運(yùn)動學(xué)方面的攝影分析、動力學(xué)方面的測力系統(tǒng)、生物學(xué)方面的肌電研究。研究發(fā)現(xiàn)，由于傳統(tǒng)的影響分析方法發(fā)展的時間較長，較為成熟，所以傳統(tǒng)的影像分析方法仍然是運(yùn)動生物力學(xué)獲取研究參數(shù)的主要手段。近年來，這一傳統(tǒng)方法也有了更深入的進(jìn)一步發(fā)展，由以前的低速攝影分析技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在的高速攝像分析技術(shù)，攝影技術(shù)發(fā)展至今越來越精確可靠。圖像分析法也獲得了很大的發(fā)展，現(xiàn)代生物力學(xué)中運(yùn)用DLT由平面二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到三維立體坐標(biāo)，為足球技術(shù)動作運(yùn)動生物力學(xué)研究提供了更加準(zhǔn)確可靠的參照和數(shù)據(jù)。足底壓力測試系統(tǒng)及三維測力臺系統(tǒng)應(yīng)用于分析運(yùn)動員在做出不同技術(shù)動作時足底受力的特點(diǎn)，結(jié)合理論研究，得出并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。肌電生物學(xué)測量系統(tǒng)在運(yùn)動生物力學(xué)領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用，使得肌肉生物測量獲得的數(shù)據(jù)參數(shù)更加準(zhǔn)確和精確，而現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展使得研究測量的方法手段更為廣泛，儀器精度更高。同時，一些傳統(tǒng)的研究方法，如實(shí)驗(yàn)法、文獻(xiàn)研究法、理論分析法等在足球技術(shù)動作的運(yùn)動生物力學(xué)研究中運(yùn)用仍然非常普遍。Vicon系統(tǒng)是世界上第一個設(shè)計(jì)用于動作記錄與捕捉的光學(xué)系統(tǒng)，Vicon因其準(zhǔn)確的技術(shù)性能及其較強(qiáng)的可操作性獲得了廣泛的應(yīng)用，其不僅運(yùn)用在體育訓(xùn)練、生物力學(xué)等研究方向，也廣泛應(yīng)用于機(jī)器人遙控、人體工程學(xué)研究等方面，為運(yùn)動生物力學(xué)研究提供了更好的研究設(shè)備和條件。

3 從技術(shù)動作上分析我國足球技術(shù)的運(yùn)動生物力學(xué)評述

3.1 頭頂球技術(shù)

頭頂球是足球比賽中的重要技術(shù)動作，尤其是在禁區(qū)附近的進(jìn)攻及防守，會頻繁地運(yùn)用到頭頂球技術(shù)。周世孝對前人的理論成果進(jìn)行了總結(jié)研究，指出前人在進(jìn)行頭頂球生物力學(xué)研究時所用到的主要實(shí)驗(yàn)儀器包括三維測力臺、大型工具顯微鏡（30倍）、CCFT、計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)等，其主要通過實(shí)驗(yàn)法、理論法等研究方法，對頭頂球損傷進(jìn)行了研究，指出正確的頭頂球技術(shù)有助于減少運(yùn)動損傷，延長運(yùn)動壽命。對于頭頂球的運(yùn)動學(xué)研究，國內(nèi)開展得較早，基于人體全身的視角，采用的設(shè)備儀器主要包括在當(dāng)時較為先進(jìn)的日本攝影技術(shù)、三維圖像解析系統(tǒng)、立體紅外線標(biāo)志點(diǎn)二維錄像拍攝等。對于頭頂球的肌肉學(xué)研究主要采用EMG（肌電儀）及高速攝影機(jī)等。

3.2 腳背內(nèi)側(cè)踢球技術(shù)

腳背內(nèi)側(cè)踢球技術(shù)在所有足球踢球技術(shù)中運(yùn)用次數(shù)最多，也是足球技術(shù)動作中最為基礎(chǔ)和關(guān)鍵的動作。李明通過對蘇州大學(xué)2000級體育系足球?qū)Ｐ薨嗟?5名學(xué)生及蘇州大學(xué)校足球代表隊(duì)的15名高水平足球運(yùn)動員進(jìn)行研究，運(yùn)用三維立體攝影與分析，采用多臺高速攝影機(jī)所拍攝的錄像及照片，對其進(jìn)行數(shù)字化處理后得出運(yùn)動員踢球時肌肉的肌電數(shù)據(jù)，計(jì)算出有關(guān)的運(yùn)動學(xué)參數(shù)。同時提出協(xié)調(diào)能力是基本的運(yùn)動能力，對完成技術(shù)動作具有重要作用，在運(yùn)動中起到了控制全身的作用，對于完成腳背內(nèi)側(cè)踢球技術(shù)也很關(guān)鍵。

3.3 腳背正面踢球技術(shù)

腳背正面的部位是指系鞋帶的部位，由于使用腳背正面踢球時，人體腿部肌肉及關(guān)節(jié)的基本運(yùn)動方式一致，同時腳部與球的接觸面積較大，出球準(zhǔn)確性較高，較為穩(wěn)定，而擺腿踢球動作較其他踢球動作順暢，因而出球力量更大、速度更快。部義峰采用高速攝影技術(shù)及定點(diǎn)拍攝的方法，對10名高水平運(yùn)動員進(jìn)行生物力學(xué)測試，提出與球速相關(guān)的各項(xiàng)指標(biāo)包括助跑，大腿擺速小腿擺速及腳的速度，而其中各項(xiàng)指標(biāo)中，腳觸球前的水平速度與出球速度相關(guān)值最高（0.872）。運(yùn)動員踢球時小腿擺動幅度大、擺速快，運(yùn)動員踢球腿重心的移動速度也就越大，而擺動距離不變，這樣的踢球方法出球力量大，速度快。

3.4 旋轉(zhuǎn)球技術(shù)

王尼分析了旋轉(zhuǎn)球的物力學(xué)原理，指出球在運(yùn)行過程中，因?yàn)榭諝庾枇Ψ较虻脑颍蚯帮w行的球下半部分表面空氣阻力與球體表面的環(huán)流相對流動，導(dǎo)致空氣流動速度相對減慢，足球在飛行過程中的上半部分表面空氣的阻力與空氣環(huán)流方向一致，所以上半空氣流動速度較快。根據(jù)伯努利原理，空氣流動速度快氣壓較小，而空氣流動速度慢氣壓大的原理，球的上半部分空氣壓力小，而下半部分空氣壓力大，會對球產(chǎn)生一個向上的推力，這種推力就會導(dǎo)致球在空中的旋轉(zhuǎn)。

3.5 擲界外球技術(shù)

馮超提出，手臂運(yùn)動的質(zhì)量直接影響到球的距離，即手臂運(yùn)動的階段，身體的角度越大，肘的角度越小，手臂運(yùn)動的速度就越快。在擺臂階段，當(dāng)球離開手時，腕關(guān)節(jié)的固定可以提高鞭動作的末端連桿的速度，并有助于提高球的速度，使球運(yùn)行距離更遠(yuǎn)。遠(yuǎn)距離投球不僅可以依靠上肢力量完成長距離的球運(yùn)動，還應(yīng)該是一個動員全身肌肉的順序，整個身體從下到上擺動，可以拋出一個很遠(yuǎn)的球。

4 從研究方法上分析我國足球技術(shù)的運(yùn)動生物力學(xué)評述

4.1 以實(shí)驗(yàn)法為研究方法

郭尼選取了10名專業(yè)組和非專業(yè)組足球運(yùn)動員進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，基于全身的角度，采用三維運(yùn)動捕捉系統(tǒng)和高速攝像機(jī)同步分析和比較。對比分析了2組不同水平級別的運(yùn)動員在運(yùn)用腳內(nèi)側(cè)踢球時的不同數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動員在踢球時給球一個相反的力，速度越快，球速也更快。

4.2 以文獻(xiàn)資料法為研究方法

周世孝在對國內(nèi)及國外有關(guān)頭頂球技術(shù)的文獻(xiàn)資料進(jìn)行整理分析，并對其進(jìn)行對比分析，提出在頭頂球技術(shù)的研究中，應(yīng)將運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和肌肉學(xué)有機(jī)結(jié)合起來進(jìn)行研究，豐富研究手段，運(yùn)用現(xiàn)代科技及先進(jìn)設(shè)備儀器，獲得更準(zhǔn)確地第一手?jǐn)?shù)據(jù)，形成一套較為完整的理論體系，分析動作構(gòu)成，形成合理的運(yùn)動技術(shù)評價體系，促進(jìn)足球運(yùn)動的發(fā)展。

4.3 以錄像統(tǒng)計(jì)法為研究方法

熊志峰通過下載研究清晰的視頻剪輯得到的影像資料，分解了貝克漢姆踢定位球的各個技術(shù)階段，采用圖像分析的方法，收集整理貝克漢姆踢弧線球時的參數(shù)，包括身體與球所處的位置關(guān)系及距離，身體的角度及支撐腳的落地方向及踝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度大小等，建立數(shù)據(jù)模型，同時與其他優(yōu)秀運(yùn)動員踢球時的各個參數(shù)進(jìn)行比較分析，總結(jié)出提出踢定位球時的助跑及助跑完畢支撐腳的落地位置和方向?qū)Χㄎ磺虻馁|(zhì)量具有重要影響。

5 結(jié) 語

目前國內(nèi)已有的有關(guān)足球技術(shù)動作的運(yùn)動生物力學(xué)分析方面的研究較少，研究所涉及足球技術(shù)動作并不全面，如對守門員技術(shù)動作等的研究開展的較少，大部分涉及的是有球技術(shù)，如頭頂球、腳背內(nèi)側(cè)、腳背外側(cè)等技術(shù)動作，一定程度上忽視了足球無球技術(shù)的研究，我國踢球技術(shù)的運(yùn)動學(xué)的研究，研究者在大多數(shù)儀器設(shè)備相對落后的條件下，定性研究的方法較多，研究視角過于單一；隨著更多高科技儀器設(shè)備的問世和研究者孜孜不倦科研探索精神的努力下，利用運(yùn)動生物力學(xué)理論相關(guān)知識和實(shí)驗(yàn)方法相結(jié)合的研究方法，定量的研究某一體育運(yùn)動中的動作技術(shù)特征，采用三維分析技術(shù)對足球踢球動作運(yùn)動學(xué)特征分析的相關(guān)文章和報道也越來越多；雖然我國運(yùn)動生物力學(xué)的研究起步較晚，但只要研究人員堅(jiān)持使用科學(xué)的研究方法、跨學(xué)科的相互交叉借鑒參考，一定會提高我國在運(yùn)動生物力學(xué)領(lǐng)域的科研

水平。