網(wǎng)球發(fā)球力學(xué):研究進展與趨勢

馬孝剛，史 兵

發(fā)球是網(wǎng)球比賽中最重要的一種擊球方式，也是一項完全由球員自身控制的封閉技術(shù)，通過發(fā)球可直接得分或占據(jù)進攻優(yōu)勢。網(wǎng)球發(fā)球技術(shù)動作復(fù)雜程度較高，身體參與環(huán)節(jié)較多，需要掌握精細化的技術(shù)動作要領(lǐng)和身體表現(xiàn)，因此多數(shù)有關(guān)網(wǎng)球發(fā)球的研究集中在運動生物力學(xué)方面[1-4]。通過運動生物力學(xué)研究手段分析發(fā)球技術(shù)動作，得出決定發(fā)球落點、旋轉(zhuǎn)、力量和速度的共性規(guī)律，探究人體各環(huán)節(jié)部位的角色扮演，提高球員發(fā)球動作技術(shù)質(zhì)量。網(wǎng)球發(fā)球也被認(rèn)為是最具損傷風(fēng)險的技術(shù)動作之一，表現(xiàn)為重復(fù)次數(shù)多和關(guān)節(jié)活動范圍大以及短時高強度特征，使肩、腰、腹、背等關(guān)節(jié)部位存在高損傷風(fēng)險。據(jù)統(tǒng)計[5，6]:網(wǎng)球運動員參賽60 場/年，發(fā)球50～150 次/場，不含訓(xùn)練時間，雙方累計發(fā)球約400次/場和擊球1 000 次/場，約占擊球總數(shù)的45%～60%，每次發(fā)球產(chǎn)生約4 000 W 能量，相當(dāng)于2 s 內(nèi)跑12 步。發(fā)球時各關(guān)節(jié)部位聚集高強度能量，如何通過高質(zhì)量力學(xué)技術(shù)動作釋放關(guān)節(jié)能量降低損傷風(fēng)險是關(guān)注的焦點。此外，網(wǎng)球球拍結(jié)構(gòu)生物力學(xué)特征與發(fā)球動作規(guī)范性呈顯著性相關(guān)，并隨科技發(fā)展不斷更新，以提升擊球速度和旋轉(zhuǎn)，這與現(xiàn)代網(wǎng)球發(fā)展趨勢(力量與旋轉(zhuǎn))密切相關(guān)。球拍性能(材質(zhì)、質(zhì)量分布、慣性矩、“感覺”和線床等)的差異決定了發(fā)球質(zhì)量，也是預(yù)防損傷的重要因素[7-9]。本文通過回顧國內(nèi)外網(wǎng)球發(fā)球力學(xué)相關(guān)文獻，旨在對比國內(nèi)外網(wǎng)球發(fā)球力學(xué)研究差異性，總結(jié)發(fā)球技術(shù)動作規(guī)律、探索各環(huán)節(jié)運動損傷力學(xué)特征和明確球拍器械參數(shù)對擊球的影響，為網(wǎng)球運動員發(fā)球力學(xué)特征提供理論依據(jù)。

1 國內(nèi)外網(wǎng)球發(fā)球力學(xué)研究差異

以“網(wǎng)球發(fā)球”和“Tennis Serve”為主題詞檢索國內(nèi)CNKI(期刊及碩博論文)、國外Web of Science 和PubMed 數(shù)據(jù)庫，時間截止至2019 年6 月30 日。共計國內(nèi)文獻386篇，國外文獻282 篇，對所獲文獻進行人工處理，手動查閱文獻內(nèi)容，剔除無關(guān)文獻，經(jīng)篩選得出國內(nèi)37 篇，國外116 篇。對比國內(nèi)外文獻，發(fā)現(xiàn)其差異主要體現(xiàn)在研究主題，實驗設(shè)計及分析思路。

1.1 研究主題

國外研究始于20 世紀(jì)60 年代末，發(fā)文量逐年遞增，國內(nèi)研究相對較晚，自2010 年后處于滯留狀態(tài)。經(jīng)對比得出，國內(nèi)研究主題單一，國外研究精細且全面。國外對各種類發(fā)球技術(shù)都進行了深入分析，如平擊發(fā)球[10-11]、側(cè)上旋發(fā)球和側(cè)旋發(fā)球[12-13]，一發(fā)和二發(fā)[14]，F(xiàn)oot up 和Foot back[15]，成功與失誤[16]、縮簡和傳統(tǒng)發(fā)球方式[17]等。發(fā)球時各環(huán)節(jié)發(fā)力特征及角色扮演也引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注，對上肢[9]、軀干[18]、下肢[1]等部位都進行了針對性剖析，精確標(biāo)記肩胛骨[3，12]和脊柱[19]等區(qū)域，分析其損傷力學(xué)致因。而國內(nèi)網(wǎng)球發(fā)球力學(xué)分析主要集中在大力發(fā)球和第一次發(fā)球[20-22]，僅數(shù)篇文獻報道上旋和側(cè)上旋發(fā)球的運動學(xué)特征[23]，對各環(huán)節(jié)部位的研究寥寥無幾，缺少運用力學(xué)手段分析發(fā)球損傷致因的研究。

1.2 實驗設(shè)計

網(wǎng)球發(fā)球?qū)俑呔毣募夹g(shù)動作，實驗設(shè)計變量包括站位方式、發(fā)球落點、階段劃分和飛行軌跡等。國內(nèi)外對比得出，國外學(xué)者的實驗設(shè)計更加嚴(yán)謹(jǐn)和精細。均強調(diào)發(fā)球落點區(qū)域，面積為1 m2[10，11]、1 × 2 m2[8]、1.5 m2[15]、1 × 1.5 m2[24-25]，而國內(nèi)僅數(shù)篇文獻設(shè)計落點因素[26-27]。此外，發(fā)球動作階段劃分詳細，根據(jù)技術(shù)特征分為數(shù)個小階段，根據(jù)研究角度選取各階段關(guān)鍵指標(biāo)。階段劃分包括以下種類:3階段[28]、4 階段[3，11]、6 階段[10]、8 階段[29]，而國內(nèi)僅為1 種階段劃分方式(拋球引拍-撓背-揮拍擊球-隨揮)。

1.3 分析思路

從網(wǎng)球發(fā)球動作的實質(zhì)來看，國外研究概括了人體參數(shù)和器械參數(shù)在空間范圍和時間維度上的動態(tài)化特征。如表1，肩關(guān)節(jié)內(nèi)旋/外旋、屈/伸、內(nèi)收/外展等，軀干屈/伸、內(nèi)旋/外旋、后傾等)。發(fā)球時網(wǎng)球的運動參數(shù)有拋球時角度、速度和高度，擊球后球速、轉(zhuǎn)速和角度。各指標(biāo)都應(yīng)從3 個平面的分量進行分析，絕對速度并不能代表總體效果，如不同落點發(fā)球擊球時刻各分速度存在較大差異性?？傮w得出，國外的指標(biāo)涉及較廣，運動學(xué)和動力學(xué)指標(biāo)均有體現(xiàn)，而國內(nèi)網(wǎng)球發(fā)球力學(xué)分析中以運動學(xué)指標(biāo)為主，有關(guān)器械的力學(xué)分析較少。

表1 各階段關(guān)鍵指標(biāo)[1,2,14]Table 1 List of key indicators of each stage

2 不同發(fā)球類型的力學(xué)特征

2.1 常規(guī)發(fā)球類型的力學(xué)特征

常規(guī)發(fā)球類型包括3 種技術(shù)，平擊、上旋和側(cè)上旋發(fā)球。網(wǎng)球發(fā)球意在通過球員自身控制力量、速度、落點和旋轉(zhuǎn)等因素爭取主動得分，從拋球到擊球受多種因素影響。網(wǎng)球發(fā)球?qū)儆谧韵轮辽系牧α總鲗?dǎo)順序，其傳遞效率是影響擊球質(zhì)量的核心要素。研究表明[13，18，28]:肩內(nèi)旋貢獻率為(41.1%)，腕關(guān)節(jié)屈(31.7%)，約占拍頭總速度的30%，肘關(guān)節(jié)內(nèi)旋和伸動作還決定球拍空間位置。此外，肩關(guān)節(jié)活動范圍(ROM)和內(nèi)旋速度也是影響棒球[30]、手球扔球[31]和排球扣球[32]球速的關(guān)鍵指標(biāo)。也有學(xué)者持相反觀點[6，8，28]，認(rèn)為擊球時刻平擊發(fā)球直接得分(Ace)不僅取決于擊球速度，擊球落點和旋轉(zhuǎn)也占重要比重。Whiteside[25]統(tǒng)計澳網(wǎng)公開賽151 名男子網(wǎng)球運動員的25 680 次發(fā)球數(shù)據(jù)(擊球位置、速度、擊球水平角、落點位置和相對球員位置)，得出Ace 取決于精準(zhǔn)度，而不是速度。當(dāng)Serve Angle(擊球點-落點連線與擊球點球員站位位置連線在水平面的投影角)﹥5.88°，落點離發(fā)球區(qū)域邊線距離小于15.27 cm 時，Ace 成功率最高。

人體形態(tài)學(xué)指標(biāo)對發(fā)球速度影響較大，高身材長肢體擊球點就越高，入射角越大，發(fā)球成功率就越高，速度也就越快。Vaverka[33]等指出身高與一發(fā)最快速度、一發(fā)平均速度的相關(guān)系數(shù)R 為(男0.48～0.64，女0.48～0.59)。與二發(fā)平均速度相關(guān)性R 為(男0.20～0.50，女0.24～0.42)。Fett[2]得出臂展、身高和體重影響男子和女子發(fā)球速度的相關(guān)系數(shù)R 分別為(R=0.31～0.52；R=0.26～0.38)、(R=0.44～0.57；R=0.35～0.39)和(0.37～0.56；R=0.24～0.36)。但學(xué)者們[3，10，11]普遍認(rèn)為身高并不是影響發(fā)球速度的核心因素，平擊發(fā)球速度更取決于訓(xùn)練指導(dǎo)和技術(shù)水平因素，各環(huán)節(jié)肌群協(xié)調(diào)性收縮是技術(shù)嫻熟運動員產(chǎn)生高速發(fā)球的關(guān)鍵。

常見3 種發(fā)球類型都各具旋轉(zhuǎn)、落點和分速度等差異，表現(xiàn)在擊球點空間位置、角度、分速度和旋轉(zhuǎn)。擊球點(Ball Impact)，側(cè)上旋發(fā)球擊球點靠近球員頭頂中心位置，平擊發(fā)球擊球點更靠前，側(cè)上旋外角發(fā)球擊球點更靠近左側(cè)。擊球點空間位置取決于拋球方式，而早期學(xué)者們[34，35]就提出教練員應(yīng)當(dāng)要求每一種發(fā)球及不同落點發(fā)球使用同一種拋球方式，因為拋球方式差異性會使接發(fā)球方易預(yù)判出發(fā)球的規(guī)律。Reid[20]等人得出，平擊發(fā)球的水平速度和拍頭速度較高，側(cè)上旋發(fā)球橫向和垂直速度分量較大。Vorobie[36]等人指出，側(cè)上旋發(fā)球時拍頭垂直和水平速度顯著大于平擊發(fā)球。研究得出[16，28，34]3 種發(fā)球類型擊球轉(zhuǎn)速分別為平擊球(127.4 ±56.3) rad/s、側(cè)旋球(232.1 ±34.8) rad/s 和側(cè)上旋球(336.5 ±51.5) rad/s。水平合成速度是(52.0 ±2.9)m/s、(46.4 ±3.4) m/s 和(40.8 ±2.8) m/s，自轉(zhuǎn)軸與水平面(仰角)夾角分別為(65.68 ±10.28)°、(68.48 ±6.98)°和(54.58 ±8.48)°。

2.2 特殊發(fā)球類型的力學(xué)特征

除上述3 種常規(guī)發(fā)球類型，由于技術(shù)動作的特異性，還衍生出多種特殊發(fā)球類型。如:縮簡與傳統(tǒng)發(fā)球、成功與失誤以及非完整發(fā)球技術(shù)動作。網(wǎng)球發(fā)球成功與失誤的關(guān)鍵因素出現(xiàn)在擊球末端指標(biāo)，擊球前兩者的技術(shù)動作無顯著性差異，可見擊球末端時刻的參數(shù)對發(fā)球成功率影響較大。職業(yè)網(wǎng)球教練員認(rèn)為[13，35]，應(yīng)當(dāng)隨機干預(yù)擊球前的一系列動作，增加球員在非常規(guī)狀態(tài)下神經(jīng)肌肉補償?shù)母兄X能力和控制拍面的知覺反饋能力，即針對不可控條件下提高應(yīng)變調(diào)節(jié)能力。縮簡發(fā)球(Abbreviated Serve)和傳統(tǒng)發(fā)球(Traditional Serve)的差異發(fā)生在引拍和撓背階段，縮間發(fā)球在引拍階段拍頭起始高度高于髖關(guān)節(jié)，且撓背階段拍頭下降幅度較小。Seeley[17]認(rèn)為縮簡發(fā)球?qū)录〖‰娖骄穹^大，會增加患有肩傷史球員的損傷風(fēng)險。因此，普遍認(rèn)為縮簡發(fā)球不應(yīng)被宣傳為一種較好的發(fā)球技術(shù)?！胺?wù)員”發(fā)球(Waiter's Serve， WS)[25]，是一種初學(xué)選手經(jīng)常出現(xiàn)的錯誤發(fā)球動作，撓背時刻球拍與地面平行，建議教學(xué)訓(xùn)練時教練應(yīng)該專注球員在撓背時刻手腕伸和肩膀外展動作。

綜上得出，肩關(guān)節(jié)內(nèi)旋決定了發(fā)球速度，肘腕關(guān)節(jié)控制擊球方向和貢獻速度，發(fā)球質(zhì)量更受擊球落點和旋轉(zhuǎn)因素影響。人體形態(tài)學(xué)特征、訓(xùn)練學(xué)因素和技術(shù)水平共同決定了發(fā)球的擊球速度。揮拍擊球階段是決定不同類型和落點發(fā)球的關(guān)鍵時刻，發(fā)球成功與否取決于擊球點的指標(biāo)參數(shù)，擊球前一系列準(zhǔn)備動作應(yīng)具備高度一致性，提高發(fā)球的隱蔽性。關(guān)注常規(guī)發(fā)球技術(shù)動作的同時，還需總結(jié)特異性發(fā)球技術(shù)的規(guī)律性特征。實踐應(yīng)用中，教練員應(yīng)當(dāng)綜合多種因素(速度、角度、落點、旋轉(zhuǎn)及個體差異等)指導(dǎo)網(wǎng)球發(fā)球技術(shù)動作。

3 網(wǎng)球發(fā)球各環(huán)節(jié)部位的損傷力學(xué)特征

3.1 肩關(guān)節(jié)損傷力學(xué)特征

肩關(guān)節(jié)是軀干和臂拍復(fù)合體鏈接的紐帶，將力量從下肢和軀干轉(zhuǎn)移至擊球點的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，傳遞力量約占總力量的20%，其特殊生理結(jié)構(gòu)導(dǎo)致活動范圍較大且缺乏穩(wěn)定性。Pluim[37]等人報導(dǎo)，20%到50%的網(wǎng)球運動員都存在肩關(guān)節(jié)損傷史，常見的肩部損傷包括肩峰下疼痛綜合征、肩袖病變和上唇前后撕裂(SLAP)，多發(fā)生在撓背和隨揮階段，及力量的蓄積和釋放環(huán)節(jié)。網(wǎng)球發(fā)球使肩關(guān)節(jié)內(nèi)部多次重復(fù)接觸(肱骨頭大結(jié)節(jié)與肩胛盂后上區(qū))導(dǎo)致肩袖肌腱病變，軟骨和肌腱過度受壓。

撓背初期預(yù)拉伸肌肉初始長度，使肩關(guān)節(jié)快速外旋，是教練員需要著重關(guān)注的時期。撓背后期肱骨外展和外旋速度下降，肩胛骨上旋增加，然后外旋后傾達到最大肱骨外旋。加速階段肩胛向前旋轉(zhuǎn)并傾斜，以達到最大拍頭高度。肩胛骨后傾斜角度從0°到27°，同時外旋從6°到9°，保持上旋(32°)達到肱最大外部旋轉(zhuǎn)(138°)。隨揮階段需要通過肩關(guān)節(jié)內(nèi)下旋來釋放關(guān)節(jié)內(nèi)部的能量，大多數(shù)肌群用于控制過度拉伸負(fù)荷。此外Martin[4]通過逆向動力學(xué)計算各環(huán)節(jié)的能量流失狀況，發(fā)現(xiàn)技術(shù)水平較低和患有肩傷史球員能量傳遞效率較低，導(dǎo)致其他關(guān)節(jié)出現(xiàn)力量代償，導(dǎo)致?lián)p傷風(fēng)險也就越高。

3.2 軀干損傷力學(xué)特征

骨盆連接下肢和軀干，腹部連接骨盆和上軀干，腹背肌群是力量傳導(dǎo)的重要環(huán)節(jié)，下腰椎區(qū)域(L3 -L5)是損傷風(fēng)險最大的區(qū)域[20]。此外，據(jù)統(tǒng)計青少年網(wǎng)球運動員受腰腹損傷導(dǎo)致缺席比賽的風(fēng)險最大[29]。網(wǎng)球運動員軀干損傷為腹部肌群拉傷和腰部損傷，腹直肌是最常見的損傷肌群，撓背階段腹直肌被強行拉長收縮是公認(rèn)的損傷致因。腹部肌群出現(xiàn)障礙是出現(xiàn)局部損傷的潛在危險來源，導(dǎo)致能量流失和關(guān)節(jié)代償現(xiàn)象。側(cè)上旋發(fā)球背部和肩部的損傷風(fēng)險較大，均發(fā)生在撓背后期階段，軀干過度后傾和肩關(guān)節(jié)外展導(dǎo)致脊柱和肩內(nèi)肌群承受較大負(fù)荷。但迄今為止，關(guān)于網(wǎng)球腰部損傷和疼痛潛在機制的研究較少，阻礙了損傷預(yù)防和管理策略的發(fā)展。

3.3 下肢損傷力學(xué)部位

網(wǎng)球運動員下肢損傷發(fā)生在底線移動擊球中，發(fā)球?qū)е孪轮珦p傷因素較少。但其在發(fā)球中的角色不容忽視，下肢是發(fā)球動力鏈的“起點”，直接影響拍頭速度、球速和揮拍擊球的準(zhǔn)確性。如Fett[2]指出，單純下肢力量(如CMJ)與球速無相關(guān)性，主要提高動力鏈傳導(dǎo)的協(xié)調(diào)性。發(fā)球常采用的兩種站位方式中，相比FB 發(fā)球技術(shù)，F(xiàn)U 技術(shù)發(fā)球時地面的垂直反作用力峰值更大，產(chǎn)生更大的水平制動力，限制身體前移的線性動量和角動量。Martin[4]探究了上網(wǎng)時間和球速在兩種發(fā)球技術(shù)之間是否存在差異，得出:FB 發(fā)球技術(shù)的上網(wǎng)時間較短，F(xiàn)U 發(fā)球速度較高，F(xiàn)B 發(fā)球站位方式是發(fā)球上網(wǎng)技術(shù)的最佳選擇。

綜上所述，肩關(guān)節(jié)和腰部損傷發(fā)生率較高，下肢更多扮演著協(xié)調(diào)動力鏈的傳導(dǎo)作用，損傷多發(fā)生在撓背和隨揮階段。肩關(guān)節(jié)損傷類型有肩峰下疼痛綜合征、肩袖病變和上唇前后撕裂(SLAP)，下腰椎區(qū)域(L3 -L5)是損傷風(fēng)險最大的區(qū)域。實踐應(yīng)用中，教練員應(yīng)當(dāng)從青少年時期就關(guān)注損傷致因、損傷部位及預(yù)防策略，實時監(jiān)控高損傷部位的動態(tài)變化。

4 網(wǎng)球拍結(jié)構(gòu)的力學(xué)研究

自20 世紀(jì)80 年代以來，現(xiàn)代設(shè)計和材料徹底改變了網(wǎng)球拍的物理特性，旨在提高擊球速度和旋轉(zhuǎn)。模擬顯示，與19 世紀(jì)70 年代球拍相比，現(xiàn)代球拍擊球速度提高了18%。1981 年國際網(wǎng)球聯(lián)合會(ITF)為控制球拍設(shè)計，限制了球拍尺寸和面積。網(wǎng)球拍是傳遞擊球力量的終端，它與球員之間的相互作用對運動表現(xiàn)、傷病預(yù)防和舒適度起著重要的作用。擊球時球拍作為一個杠桿系統(tǒng)，其獨特的結(jié)構(gòu)(如:材質(zhì)結(jié)構(gòu)、質(zhì)量分布、拍線、慣性矩、“感覺”和揮拍質(zhì)量等)是決定擊球速度的重要因素[7-9]。

4.1 球拍材質(zhì)

網(wǎng)球拍材質(zhì)的演變推動現(xiàn)代網(wǎng)球朝著力量化、速度化和精準(zhǔn)化的方向發(fā)展，經(jīng)歷了從木質(zhì)球拍—鋁合金—碳纖維—玻璃纖維—高級航天航空材料的過程。各大網(wǎng)球拍制造商運用高端科技力量不斷創(chuàng)新球拍材質(zhì)，旨在減輕質(zhì)量、加固硬度、吸收擊球時的震動力量，同時也為在擊球球感和性能方面提升空間，增加球員對球拍的感知覺，降低擊球后高震動頻率對手臂的損傷，優(yōu)質(zhì)材料產(chǎn)生的震動音效能夠?qū)β犛X產(chǎn)生愉悅感[34，38]。納米技術(shù)也運用在網(wǎng)球拍設(shè)計上，研究指出納米材料的網(wǎng)球拍最大擊球區(qū)范圍較大，能夠提高球員擊球手感。采用納米材料制造的網(wǎng)球拍，不僅使拍框的強度和擊球威力明顯提升，而且使球拍性能更加出眾，增加了穩(wěn)定性，控球性能明顯提高，球速和旋轉(zhuǎn)結(jié)合得更加完美[7-8]。此外，網(wǎng)球拍材質(zhì)中也融入了科技元素，如百寶力Babolat 網(wǎng)球拍的專利技術(shù)Woofer 科技，它是一項滑輪加活塞效應(yīng)的應(yīng)用，能使拍框與網(wǎng)球線之間的互動增強，而擴大球拍甜區(qū)。其作用原理就像是擴音裝置，只要輸入聲源，它就能有效地擴大共成鳴悅耳的音符。Woofer 技術(shù)讓威力型球拍更舒適，輕的球拍控球更好，準(zhǔn)型的球拍更有威力。

4.2 球拍質(zhì)量分布

球拍的各項特性中，質(zhì)量分布(Mass Distribution)是最重要的參數(shù)之一?？煞譃橹行云胶狻㈩^重或頭輕，取決于平衡點(重心)是在球拍的中間，接近頭部還是拍柄。研究表明[39]，球拍安慰劑效應(yīng)Placebo -Racket Effects 與運動表象訓(xùn)練能夠有效提升發(fā)球的準(zhǔn)確性。但對于增加揮重是否會提高擊球速度還存在爭議，如:部分學(xué)者[40]認(rèn)為增加揮重并不能提高球速，因為增加揮重阻礙了發(fā)球時肩內(nèi)旋和腕關(guān)節(jié)屈，而這兩個動作是影響擊球速度的核心因素。也有學(xué)者指出，假設(shè)揮拍速度和擊球點位置保持不變，增加揮重將產(chǎn)生更快的球速。Allen[7]等人指出，頭重的球拍，球的平均反彈速度要高出32%。然而，球拍重量分布的變化必然影響球員對球拍的控制，調(diào)整過度會無疑會增加損傷風(fēng)險和疲勞，及使用過重的球拍會增加肩關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險。增加球拍質(zhì)量，胸大肌、背闊肌和肱二頭肌的激活水平下降，拍柄上增加質(zhì)量更易增加揮拍速度。拍頭中部對稱增加質(zhì)量會增加極轉(zhuǎn)動慣量，當(dāng)球撞擊球拍側(cè)面時，球拍抵抗長軸的扭轉(zhuǎn)力更大。

4.3 球拍慣性矩

慣性矩(Moment of Inertia，MOI)是一個物理量，通常被用作描述一個物體抵抗彎曲的能力。網(wǎng)球拍有3 個通過質(zhì)量中心作用于主軸的慣性矩MOI，慣性矩的變化會影響球拍在比賽中的表現(xiàn)。一般MOIs 定義冠狀軸(Ix)、橫軸(Iz)和極軸(Iy)，分別作用于橫向的面內(nèi)軸、面外軸和縱向軸。研究表明[38]，減小球拍慣性矩可以顯著提高發(fā)球時拍頭速度，尤其是橫向慣性矩的減少使運動員能夠更快地?fù)]拍，是現(xiàn)代比賽中發(fā)球速度提高的主要因素。逐步線性回歸模型表明，球拍質(zhì)量和質(zhì)量中心位置對拍柄轉(zhuǎn)動慣量的影響最大，寬拍頭對縱軸轉(zhuǎn)動慣量的影響最高。

撓背階段增加球拍極轉(zhuǎn)動慣量與肩關(guān)節(jié)伸、外展力矩和肘關(guān)節(jié)伸力矩的增加顯著相關(guān)。揮拍擊球階段，隨著極慣性矩的增大，手腕伸峰值和徑向偏差力矩顯著增大[7，38]。隨揮階段，肩關(guān)節(jié)內(nèi)收、肘腕關(guān)節(jié)屈與極轉(zhuǎn)動慣量呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)球員使用高極轉(zhuǎn)動慣量的球拍時，肘腕部的關(guān)節(jié)力顯著增大。表明雖然較大的極慣性矩使運動員能夠更好地承受偏離甜區(qū)的擊球，但也會增加上肢額外負(fù)荷，增加損傷風(fēng)險。

4.4 球拍“感覺”

“感覺”被定義為擊球時所體驗到的“身體和心理反饋”，四肢及視覺、觸覺和聽覺上得到的正向反饋。運動員的觸覺和聽覺感受器在擊球過程中接收到的感覺是評價運動器材感知質(zhì)量的重要因素。球拍制造商也致力于開發(fā)用戶所期望的具有振動音質(zhì)的球拍，擊球音質(zhì)來源于球拍的機械振動，產(chǎn)生的振動頻率是舒適程度和預(yù)防網(wǎng)球肘的一個關(guān)鍵參數(shù)。研究表明，握力越緊振動減弱的速度就越快，靠近線床中心位置的擊球很少將震動傳遞到手和手腕[9]。目前利用微機機電技術(shù)使用三軸加速度計和陀螺儀直接測量線性加速度和角速度的傳感器普遍用于訓(xùn)練中，有助于記錄擊球參數(shù)(如擊球次數(shù)、撞擊位置、擊球類型和速度)[8，38]。擊球次數(shù)是網(wǎng)球運動中體力消耗的一個重要標(biāo)志，對教練員和臨床醫(yī)生在訓(xùn)練監(jiān)測、運動表現(xiàn)或損傷預(yù)防方面提供參考依據(jù)。增加結(jié)構(gòu)硬度通常會增加球的回彈速度。結(jié)構(gòu)硬度增加172%平均反彈速度增加約9%。

4.5 球拍線床

線床性能取決于材料、張力、厚度和粗糙度，較低的張力能產(chǎn)生更多的能量，較高的張力則能提供更多的控制。因為球拍與球接觸過程中主要是網(wǎng)球損失能量，約為擊球前能量的50%，而線床的效率要高得多，傳遞約90%～95%的能量。弦床的剛度于弦的形狀和張力、以及直徑和材料相關(guān)，網(wǎng)球弦有多種材料可供選擇，傳統(tǒng)的天然腸線是首選，但現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)向尼龍和聚酯等合成材料[41]。線床摩擦分為兩類，球和線及線間摩擦，摩擦系數(shù)取決于材料，尤其是表面涂層，通過涂上潤滑劑或使表面粗糙增加球拍控制感。球拍的性能能夠影響網(wǎng)球的回彈，反彈球速度與球拍硬度成正比，與網(wǎng)線張力成反比。通常揮重在0.03 到0.035 kg/m2之間，可以提高球的速度和準(zhǔn)確性。球拍性能還取決于撞擊條件、速度、角度、旋轉(zhuǎn)以及與球員的相互作用和擊球生物力學(xué)[42-43]。

球拍參數(shù)對于教練員來說，是訓(xùn)練肩關(guān)節(jié)傷病和慢性上肢損傷運動員的關(guān)鍵點，應(yīng)考慮到球員的個體差異。從各參數(shù)特征發(fā)現(xiàn)，球拍參數(shù)與球員個人喜好、形態(tài)學(xué)特征、技戰(zhàn)術(shù)打法等因素關(guān)系密切。大量影響因素處于動態(tài)變化趨勢，因此，球員需要實時關(guān)注器械的創(chuàng)新性和變異性。如技戰(zhàn)術(shù)素養(yǎng)和球拍設(shè)計，賽中關(guān)鍵比分和更換新球等時刻。

5 結(jié)論與展望

網(wǎng)球發(fā)球力學(xué)研究在國際上引起了廣泛的關(guān)注，國內(nèi)前期對此也進行了深入的剖析，但近幾年相關(guān)研究出現(xiàn)停滯不前現(xiàn)象。國外相關(guān)研究涉及運動技術(shù)共性規(guī)律、各環(huán)節(jié)部位運動特征、運動損傷致因和器械結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外研究差異表現(xiàn)在研究主題、實驗設(shè)計和分析思路，對不同類型發(fā)球、各環(huán)節(jié)運動特征和損傷致因都進行了全面的分析。目前國際學(xué)者將焦點轉(zhuǎn)向?qū)嶋H比賽中發(fā)球動作的動態(tài)變化，某環(huán)節(jié)的運動特征不再局限于其表面，更深層次分析其關(guān)節(jié)部位的骨骼運動特征。隨科技不斷進步，對球拍器械保持科研創(chuàng)新力，提高球拍性能的同時能夠幫助使用者監(jiān)控訓(xùn)練狀態(tài)。

力學(xué)研究普遍運用于各個領(lǐng)域，其重要程度不言而喻。我國網(wǎng)球發(fā)球力學(xué)研究應(yīng)更新實驗儀器，創(chuàng)新分析思路，從實際出發(fā)解決國內(nèi)網(wǎng)球運動員最具針對性的問題。國內(nèi)外人體形態(tài)學(xué)特征存在本質(zhì)差異，因此，目前仍然應(yīng)當(dāng)從技術(shù)動作規(guī)律和運動損傷規(guī)律角度出發(fā)，探索符合國內(nèi)網(wǎng)球運動員人體結(jié)構(gòu)的規(guī)律性特征。掌握研究的動態(tài)性和實踐可行性，精湛精細化思考問題的全面性，旨在提升網(wǎng)球發(fā)球“訓(xùn)-賽-研”的緊密性。