網(wǎng)球拍線材質(zhì)對持拍前臂沖擊載荷的影響及前臂表面肌電分析

夏永桉 劉曄

1 北京體育大學(xué)研究生院（北京100084）

2 北京體育大學(xué)運動人體科學(xué)學(xué)院（北京100084）

高水平網(wǎng)球運動員在其競技水平達到一定的高度之后，更加關(guān)注于自身可訓(xùn)練能力之外的能夠提高競賽表現(xiàn)的其他因素，如球拍裝備等。網(wǎng)球器材裝備制作工藝和高科技含量的提升，為更進一步地發(fā)揮球拍特性提供可能，網(wǎng)球運動員也希望通過使用性能更好的網(wǎng)球拍和拍線來提升運動表現(xiàn)。趙偉科等[1]探討優(yōu)秀職業(yè)網(wǎng)球運動員對網(wǎng)球拍線磅數(shù)變化的區(qū)分能力及拍線磅數(shù)變化是否對擊球效果產(chǎn)生影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)擊球落點與球拍磅數(shù)之間不存在顯著性相關(guān)，優(yōu)秀職業(yè)網(wǎng)球運動員對使用不同磅數(shù)的球拍進行底線擊球有著很強的適應(yīng)與控制能力。

國外相關(guān)研究更注重對網(wǎng)球拍和網(wǎng)球拍線的各項參數(shù)進行實驗研究[2]，研究其在擊球過程中表現(xiàn)出來的動力學(xué)特性及對網(wǎng)球持拍手臂的影響，并在現(xiàn)場運動情境下測試網(wǎng)球拍線動態(tài)性能[3]，但目前關(guān)于網(wǎng)球拍線材質(zhì)的研究相對較少。Cross 等[4]和Ellis 等[5]研究天然羊腸與尼龍仿腸兩種不同網(wǎng)球拍線材質(zhì)對擊球速度的影響，發(fā)現(xiàn)天然羊腸線的擊球速度更快。網(wǎng)球運動裝置的生物力學(xué)研究結(jié)果，可以為網(wǎng)球運動裝備的研制提供理論依據(jù)，這是今后值得研究的方向[6]。有研究表明，網(wǎng)球運動員持拍手臂腕關(guān)節(jié)的損傷與網(wǎng)球拍傳遞到持拍前臂的沖擊載荷有關(guān)[7]，同時也與持拍前臂肌肉的離心收縮和過度使用有關(guān)[8]。Knudson[9]研究發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)球肘是由球與球拍碰撞時產(chǎn)生的慣性沖擊力和拍框振動引起的，是由于持拍前臂肌肉受到慣性沖擊而快速離心收縮導(dǎo)致的，反復(fù)的離心收縮增大了肌纖維的負荷，從而造成損傷。球與球拍碰撞時產(chǎn)生持續(xù)較大沖擊力，將導(dǎo)致肌肉和肌腱的損傷、過度使用和炎癥，產(chǎn)生“網(wǎng)球肘”[10]。

網(wǎng)球拍線直接與球發(fā)生碰撞，將會產(chǎn)生很大的沖擊振動，并通過網(wǎng)球拍傳遞給持拍前臂；不同材質(zhì)的網(wǎng)球拍線對持拍前臂所造成的影響是存在差異的，并且產(chǎn)生不同的擊球效果。但不同材質(zhì)網(wǎng)球拍線的動態(tài)性能，對網(wǎng)球運動員持拍前臂所造成的沖擊載荷及其在擊球過程中的受力特征和影響程度并不明確。因此，本研究對不同材質(zhì)（聚酯與尼龍仿腸）的網(wǎng)球拍線進行現(xiàn)場底線擊球測試，分析比較網(wǎng)球運動員使用聚酯與尼龍仿腸拍線擊球時的速度、控制性及球拍與持拍前臂的沖擊載荷，研究網(wǎng)球拍線材質(zhì)對底線擊球效果和持拍前臂沖擊載荷的影響，分析擊球過程中持拍前臂肌肉的表面肌電特征，為網(wǎng)球運動員了解及選購網(wǎng)球拍線提供一定理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 被試

15名國家二級網(wǎng)球運動員參與測試，均為男性，右手持拍，年齡25.0± 2.0 歲，訓(xùn)練年限為5.4± 0.8年，身高179.0± 5.9 cm，體重71.0± 8.6 kg，身體健康且無運動損傷史。

1.2 研究設(shè)計

選取聚酯與尼龍仿腸兩種材質(zhì)的網(wǎng)球拍線進行測試研究，其他各方面的條件均保持一致，如線徑（1.25 mm）、穿線磅數(shù)（54磅）和球拍參數(shù)等。另外，要求被試模擬真實比賽情境進行擊球測試，在使用兩種不同拍線球拍擊球時的動作、速度和力量等保持前后一致。選定測試的擊球技術(shù)為底線正手擊球技術(shù)。根據(jù)網(wǎng)球底線正手擊球的發(fā)力特征，選取被試持拍前臂伸肌和屈肌，即肌腱起于肱骨外上髁的肱橈肌、指伸肌及肌腱起于肱骨內(nèi)上髁的旋前圓肌、橈側(cè)腕屈肌[11]，作為被試持拍前臂表面肌電的測試肌肉。擊球表現(xiàn)測試指標：底線正手擊球速度與控制性得分；球拍沖擊載荷指標：球拍振動頻率、加速度峰值和應(yīng)力應(yīng)變峰值；被試持拍手臂沖擊載荷測試指標：主要通過被試持拍前臂肱橈肌、橈側(cè)腕長伸肌、橈側(cè)腕屈肌和旋前圓肌的表面肌電峰值、均方根振幅（Root mean square，RMS）及放電時程反映。

1.3 儀器設(shè)備

美國斯德克手持式運動雷達測速儀（Stalker Pro II）；Delsys 公司生產(chǎn)的Trigno?Wireless EMG System，采樣頻率1932 Hz，8 個無線表面肌電感應(yīng)器，及安裝EMG 采集軟件的電腦一臺；北京一洋應(yīng)振測試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的YSV 動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)，采樣頻率為1024 Hz，500G的加速度傳感器，重10g；應(yīng)力應(yīng)變測試儀和應(yīng)變電阻片，以及安裝YSV 工程測試軟件的筆記本一臺；Wilson 公司生產(chǎn)的型號為Ktour 95 TnsRkt 2 的網(wǎng)球拍兩支；兩種不同材質(zhì)的網(wǎng)球拍線，泰昂TS5000 聚酯線與泰昂TS5800 尼龍仿腸線，線徑均為16 L（1.25 mm）；Teloon 比賽用球24 桶，自制簡易喂球裝置。

1.4 測試步驟與任務(wù)

正式測試前先進行練習(xí)測試，熟悉實際測試環(huán)境和條件，并在測試前告知被試測試要求及注意事項。雷達測速儀固定于攝像機支架，穩(wěn)定置于被試側(cè)后方，朝向被試的擊球方向，距底線3.5 m、右單打線3.3 m。YSV 動態(tài)信號采集儀、加速度傳感器及應(yīng)力應(yīng)變測試儀之間通過數(shù)據(jù)線正確連接，信號指示燈正常。應(yīng)變電阻片緊貼于球拍拍頸處，電線正常連接。Trigno?表面無線肌電測試儀連接電源，確保數(shù)據(jù)線正確連接，使用雙面膠及彈力帶將4個肌電感應(yīng)器分別固定于被試持拍前臂的肱橈肌、橈側(cè)腕長伸肌、橈側(cè)腕屈肌和旋前圓肌的肌腹位置。一臺筆記本電腦安裝YSV工程測試與信號分析軟件，另一臺安裝肌電信號采集與分析軟件，確保兩臺筆記本正常運行。喂球裝置擺放于其中心距底線2.29 m，距右側(cè)單打連線2.30 m 的位置處。延長對面半片球場的發(fā)球中線，再平分左右發(fā)球區(qū)，將球場縱分為4等份；用兩根橫線平分后場區(qū)域，半片球場共分成12份。所有添加的線均用紅色纖維繩，貼上透明膠帶固定。按照ITN 網(wǎng)球技能評定標準，結(jié)合底線正手擊球深度與精確度反映擊球控制性，給劃定的不同擊球落點區(qū)域標記好各自分值。

所有被試分別使用兩支不同拍線材質(zhì)的球拍進行測試，擊打斜線角度，使用自身能夠控制的最大力量擊球，兩組測試的擊球力量與動作保持一致。擊球速度與控制性測試均采用統(tǒng)一的測試標準，擊球方向為斜線。15名被試先使用拍線為聚酯材質(zhì)的網(wǎng)球拍進行測試，再使用拍線為尼龍仿腸材質(zhì)的球拍進行測試。每名被試每組測試擊球6 次，測試完將纏在受試者身上的數(shù)據(jù)線和持拍臂上的四個表面肌電感應(yīng)器取下。下一位受試者使用同一塊球拍，固定好數(shù)據(jù)線和表面肌電感應(yīng)器進行擊球測試。通過儀器設(shè)備同時測試被試的擊球速度和控制性得分，球拍與球碰撞產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變和加速度及在整個擊球過程中的持拍前臂表面肌電變化情況，包括引拍動作、拉拍擊球階段和隨揮過程。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

擊球速度和控制性得分由實驗人員根據(jù)雷達測速儀和觀察被試擊球落點進行記錄；球拍振動頻率、加速度峰值和球拍應(yīng)力應(yīng)變峰值通過YSV分析軟件進行處理提??；持拍前臂的表面肌電峰值、均方根振幅（RMS）及放電時程通過Trigno?分析軟件分析提取。其中，球拍振動頻率根據(jù)擊球前后加速度變化的周期和所需時間計算得到；持拍前臂表面肌電處理分析的標準定為：表面肌電峰值前后的變化幅度達到峰值的20%時開始納入計算范圍進行數(shù)據(jù)處理，放電時程和均方根振幅均為計算范圍內(nèi)的平均值（包括峰值）[12]。將分析提取出來的各項指標數(shù)據(jù)輸入2010 Microsoft Excel工作表中，并對其進行初步處理。由于現(xiàn)場運動情境下測試球拍加速度和應(yīng)力應(yīng)變及表面肌的數(shù)據(jù)存在一定誤差，我們依據(jù)統(tǒng)計學(xué)處理異常值的方法—拉依達準則（3σ準則）[13]，對超過3 倍均值的異常測試數(shù)據(jù)進行剔除。運用SPSS17.0 對處理完成的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，然后再對所有被試兩次測試的數(shù)據(jù)進行配對樣本t檢驗，統(tǒng)計學(xué)顯著性差異的標準定為P＜0.05，對存在統(tǒng)計學(xué)顯著性差異的結(jié)果做進一步分析。

2 結(jié)果

2.1 底線擊球表現(xiàn)

聚酯線與尼龍仿腸線測試條件下被試的擊球速度與控制性得分均沒有顯著性差異（P=0.530，P=0.398），但網(wǎng)球拍線材質(zhì)對擊球速度與控制性表現(xiàn)出一定的影響趨勢，聚酯線球拍擊球速度與控制性的總體趨勢高于尼龍仿腸線（表1）。

表1 不同拍線材質(zhì)條件下被試底線擊球的平均速度和控制性得分

2.2 球拍沖擊載荷

剔除超過3 倍均值的異常數(shù)據(jù)，剔除后的樣本量為13。聚醋與尼龍仿腸材質(zhì)網(wǎng)球拍線條件下的球拍振動頻率沒有顯著性差異（P=0.082），二者的加速度峰值和應(yīng)力應(yīng)變峰值未見顯著性差異（P=0.803，P=0.382）（表2）。

表2 不同拍線材質(zhì)條件下球拍的振動頻率、加速度峰值和應(yīng)力應(yīng)變峰值

2.3 持拍前臂沖擊載荷

2.3.1 持拍前臂肌電峰值

剔除超過3 倍均值的異常被試數(shù)據(jù)，剔除后的樣本量為13。聚酯與尼龍仿腸材質(zhì)網(wǎng)球拍線條件下肱橈肌肌電峰值的差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.024），二者的橈側(cè)腕屈肌、旋前圓肌、橈側(cè)腕長伸肌的肌電峰值均不存在顯著性差異（P=0.074，P=0.358，P=0.605）（表3）。

表3 不同拍線材質(zhì)條件下被試持拍前臂肌肉的表面肌電峰值（mv）

2.3.2 持拍前臂放電時程

剔除超過3 倍均值的異常被試數(shù)據(jù)，剔除后的樣本量為13。聚酯線與尼龍仿腸材質(zhì)網(wǎng)球拍線條件下的肱橈肌、橈側(cè)腕屈肌、旋前圓肌和橈側(cè)腕長伸肌放電時程均不存在顯著性差異（P=0.072，P=0.874，P=0.453，P=0.782）。橈側(cè)腕長伸肌在擊球過程中的參與時間較長，網(wǎng)球拍線材質(zhì)對被試持拍前臂肱橈肌放電時程的影響趨勢較為明顯（表4）。

表4 不同拍線材質(zhì)條件下被試持拍前臂肌肉的放電時程（ms）

2.3.3 持拍前臂RMS

剔除超過3 倍均值的異常被試數(shù)據(jù)，剔除后的樣本量為13。聚酯與尼龍仿腸材質(zhì)網(wǎng)球拍線條件下的旋前圓肌RMS 存在顯著性差異（P=0.013）；二者的肱橈肌、橈側(cè)腕屈肌、橈側(cè)腕長伸肌RMS均沒有顯著性差異（P=0.135，P=0.337，P=0.879）（表5）。

表5 不同拍線材質(zhì)條件下被試持拍前臂肌肉的RMS（mv·s-1）

3 討論

本研究是在現(xiàn)場情境下被試使用不同材質(zhì)拍線的網(wǎng)球拍進行底線擊球測試。以往相關(guān)研究主要是在實驗室中進行[4，5]，并且更多的是對網(wǎng)球拍線張力的研究[2，3]，目前關(guān)于網(wǎng)球拍線材質(zhì)的研究還較少。底線擊球結(jié)果顯示：聚酯線與尼龍仿腸線的擊球速度與控制性得分沒有顯著性差異，但聚酯線的擊球速度與控制性呈現(xiàn)出來的總體趨勢均要略高于尼龍仿腸線。Cross[14]測試發(fā)現(xiàn)，天然腸線的彈性要比聚酯線好，因而本研究所用的尼龍仿腸線的彈性要相對地優(yōu)于聚酯線，但聚酯線球拍的線床張力要高于尼龍仿腸線球拍。以往研究都得出一致結(jié)論：在一定的網(wǎng)球拍線張力范圍內(nèi)，較高的線床張力可以提升擊球的控制性[15]。Goodwill等[16]研究發(fā)現(xiàn)，拍線的磅數(shù)會改變球拍的彈性性能，引起碰撞時間的變化，這些都會影響到擊球的控制性。因此，彈性較差但張力更好的尼龍仿腸線表現(xiàn)出來的擊球控制性相對更好，與前人的相關(guān)研究結(jié)果一致[17]。Leigh 等[18]與Elliott[19]研究發(fā)現(xiàn)，磅數(shù)越低的球拍線床形變越大，反彈球速也越快，表明較低的線床張力有助于加快擊球速度[20]，拍線張力較小可以得到較大的擊球速度[21]。但本研究中聚酯線的擊球速度表現(xiàn)出來的趨勢要高于尼龍仿腸線的擊球速度，可能與被試日常運動訓(xùn)練時所使用的球拍和拍線有關(guān)，被試在測試過程中可能為保證擊球控制性而降低了擊球速度。

被試使用聚酯線與尼龍仿腸線球拍擊球條件下，球拍與球碰撞時的振動頻率沒有顯著差異，說明球拍的振動頻率并不受網(wǎng)球拍線材質(zhì)的影響。球與球拍碰撞時，由于力的作用而產(chǎn)生的振動會傳遞到持拍前臂，可能導(dǎo)致網(wǎng)球肘等運動損傷[21]，這種振動的產(chǎn)生也與手部握力、持拍前臂肌肉活動及拍床碰撞位置等有關(guān)[22]。被試使用不同拍線材質(zhì)的網(wǎng)球拍擊球時，球拍的加速度峰值沒有顯著差異，說明網(wǎng)球拍線材質(zhì)對球拍加速度峰值沒有直接影響，而可能取決于被試和球拍自身參數(shù)，如揮重、平衡點等因素。以往研究證明，網(wǎng)球拍的硬度、重量及平衡點都會影響到發(fā)球速度[2]，減小球拍的橫向轉(zhuǎn)動慣量會使球拍揮得更快，而且可能是最終發(fā)球速度的重要決定因素[23]。球撞擊固定的網(wǎng)球拍面時會產(chǎn)生一種“蹦床”效應(yīng)[16]，較低磅數(shù)（401 bs）的拍線傳遞到球拍的生物能相對較少，持拍手臂受到的沖擊力也相應(yīng)減小[18，19]。因此，本研究結(jié)果與以往研究結(jié)果一致，張力相對較小的尼龍仿腸材質(zhì)網(wǎng)球拍線，其所產(chǎn)生的球拍應(yīng)力應(yīng)變較大。

肌電峰值指擊球過程中持拍前臂放電的最大幅度，能夠反映持拍前臂肌肉對球拍與球碰撞產(chǎn)生的沖擊壓力的應(yīng)激強度，及擊球時肌肉參與活動的程度。聚酯線條件下被試持拍前臂肌電峰值表現(xiàn)出來的總體趨勢要高于尼龍仿腸線，其中肱橈肌和橈側(cè)腕屈肌肌電峰值的趨勢更明顯，并且不同拍線材質(zhì)條件下被試持拍前臂肱橈肌的肌電峰值之間存在顯著性差異。肱橈肌是持拍前臂前群淺層肌，起于肱骨外上髁，止于橈骨莖突[11]，其在擊球過程中的主要功能是伸腕，并使前臂保持正中位。在球拍與球的碰撞過程中，持拍前臂的肱橈肌作為原動肌保持腕關(guān)節(jié)和前臂的穩(wěn)定，承受了球拍與球碰撞時產(chǎn)生的強大沖擊力，并對球拍沖擊的反作用力產(chǎn)生一種生理應(yīng)激，同時更多的球拍沖擊振動傳遞給持拍前臂。橈側(cè)腕屈肌是持拍前臂前群淺層肌，起于肱骨內(nèi)上髁，止于第2掌骨底[11]，其在擊球過程中的主要功能是屈腕，并使前臂內(nèi)旋。被試使用不同拍線材質(zhì)的網(wǎng)球拍擊球時，持拍前臂橈側(cè)腕屈肌肌電峰值之間的差異趨勢較為明顯，聚酯材質(zhì)網(wǎng)球拍線對其的影響更大，表明被試在使用聚酯材質(zhì)網(wǎng)球拍線的擊球過程中，更多地動用了橈側(cè)腕屈肌參與運動，以求更加穩(wěn)定地控制腕關(guān)節(jié)，最終對擊球?qū)崿F(xiàn)更好的控制。放電時程指持拍前臂肌肉參與活動放電時間的長短，可以借此判定肌肉在擊球過程中作用時間的長短。網(wǎng)球拍線材質(zhì)對持拍前臂肌肉的放電時程沒有顯著作用，但表現(xiàn)出一定的影響趨勢。聚酯線材質(zhì)網(wǎng)球拍線對持拍前臂放電時程的影響趨勢要稍高于尼龍仿腸材質(zhì)，其中差異更為明顯的是肱橈肌的放電時程。肱橈肌作為擊球過程中的原動肌，球拍與球發(fā)生碰撞時產(chǎn)生的沖擊力對其影響很大，容易造成該肌肉的持續(xù)性緊張，因而網(wǎng)球拍線材質(zhì)對肱橈肌放電時程的影響趨勢較為明顯。

均方根振幅（RMS）是肌電時域分析的常用指標，通常用來反映一段時間內(nèi)肌肉放電的平均水平[24]，以及肌肉參與運動的程度[25]，同時能夠表明運動過程中的主要主動發(fā)力肌肉，可以評價技術(shù)動作是否合理[12]。聚酯材質(zhì)網(wǎng)球拍線對持拍前臂肌肉RMS的總體影響趨勢要高于尼龍仿腸材質(zhì)，其中對旋前圓肌與肱橈肌RMS的影響更明顯，并對旋前圓肌RMS產(chǎn)生顯著影響。持拍前臂伸肌群中肱橈肌在球拍與球發(fā)生快速而強烈的碰撞時，由于受到擊球反作用力的影響，會產(chǎn)生較強生理應(yīng)激反應(yīng)，在一定時間內(nèi)的放電水平較高。旋前圓肌是持拍前臂前群淺層肌，起于肱骨內(nèi)上髁、尺骨冠突，止于橈骨中部前面[11]，其在擊球過程中的主要功能是使前臂內(nèi)旋。被試持拍前臂旋前圓肌放電時程較短，肌電峰值較小，但RMS 較大，表明在擊球短時間內(nèi)被試動用了持拍前臂小肌肉參與運動，使持拍前臂快速內(nèi)旋，以更好地對擊球進行“包裹”，提升擊球控制性。被試在底線擊球過程中，持拍手肘部小肌肉在突然受到較大張力時，容易出現(xiàn)肌肉筋骨連接處的部分纖維過度拉伸，形成輕微撕裂，可能會造成持拍前臂肱骨內(nèi)上髁炎癥[26]。網(wǎng)球肘的產(chǎn)生是由于持拍前臂肌肉受到慣性沖擊而快速離心收縮導(dǎo)致的，反復(fù)的離心收縮增大了肌纖維的負荷而造成損傷，也與球拍對持拍前臂的沖擊振動及持拍前臂肌肉的離心收縮和過度使用有關(guān)[8]，[9]。因而網(wǎng)球運動者在擊球過程中，要注意技術(shù)動作的規(guī)范性，不要過度使用持拍前臂肌肉進行擊球控制，強調(diào)擊球動作的流暢性，這樣可以有效防止運動損傷。

4 總結(jié)

網(wǎng)球拍線材質(zhì)對底線擊球表現(xiàn)沒有顯著作用，但聚酯線材質(zhì)表現(xiàn)出較高的影響趨勢；網(wǎng)球拍線材質(zhì)會對持拍前臂造成一定程度的影響，聚酯材質(zhì)的網(wǎng)球拍線對持拍前臂產(chǎn)生更大的沖擊載荷，其中對伸肌群中肱橈肌的沖擊最大。網(wǎng)球運動員在擊球過程中為實現(xiàn)更好的控制，更大程度地動用屈肌群中橈側(cè)腕屈肌和旋前圓肌，導(dǎo)致其過度使用，可能會造成持拍前臂腕關(guān)節(jié)運動性損傷。網(wǎng)球拍線作為直接與來球接觸的部分，會對擊球表現(xiàn)與持拍前臂造成較大影響，尤其是高水平網(wǎng)球運動員對拍線的性能更為敏感。本研究有助于了解不同材質(zhì)網(wǎng)球拍線在擊球過程中的動態(tài)性能及對持拍前臂的影響。由于測試條件的限制（場地與儀器設(shè)備等），儀器數(shù)據(jù)線可能會對被試的測試表現(xiàn)產(chǎn)生影響，因此，將來的研究可以使用無線便攜式實驗設(shè)備儀器，更為合理縝密地設(shè)計研究，以更好地達到研究目的。