張 鋒，張 健，閆莉莉

(1.齊魯師范學(xué)院 體育學(xué)院，濟(jì)南 250200；2.華東師范大學(xué) 體育與健康學(xué)院，上海 200241)

網(wǎng)球正手擊球動(dòng)作的生物力學(xué)分析

張 鋒1，張 健2，閆莉莉1

(1.齊魯師范學(xué)院 體育學(xué)院，濟(jì)南 250200；2.華東師范大學(xué) 體育與健康學(xué)院，上海 200241)

基于現(xiàn)有文獻(xiàn)，運(yùn)用錄像觀察法對(duì)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)中正手擊球的握拍、準(zhǔn)備動(dòng)作、引拍過程、擊球和隨揮進(jìn)行生物力學(xué)分析。研究發(fā)現(xiàn)，提高擊球力量的重點(diǎn)是發(fā)揮軀干力量，重視人體運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)鏈的整體性；頭部姿勢(shì)對(duì)于擊球力量和動(dòng)作連貫性具有潛在影響；擊球隨揮動(dòng)作可以微調(diào)球的落點(diǎn)和速度，對(duì)網(wǎng)球肘的預(yù)防有積極作用。

網(wǎng)球；正手擊球；轉(zhuǎn)動(dòng)力矩；肩；動(dòng)量；生物力學(xué)

網(wǎng)球是一項(xiàng)優(yōu)美而激烈的運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)作舒展，強(qiáng)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(yùn)動(dòng)，在我國(guó)也越來(lái)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(shì)和擊球技術(shù)[1]，符合生物力學(xué)原理的正確技術(shù)動(dòng)作可以避免運(yùn)動(dòng)損傷，改善擊球效果。

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

正手擊球有握拍、準(zhǔn)備動(dòng)作、引拍過程、擊球和隨揮五個(gè)步驟。本文基于以上五個(gè)擊球步驟，對(duì)正手擊球動(dòng)作的生物力學(xué)原理進(jìn)行解釋，并對(duì)現(xiàn)有的研究結(jié)果進(jìn)行概述，為網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)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(chǎng)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(huì)增加加速揮拍時(shí)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(diǎn)偏離中心而形成轉(zhuǎn)動(dòng)力矩(轉(zhuǎn)動(dòng)力矩是觸球時(shí)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(duì)反彈球的速度沒有明顯的影響[4]。

2 準(zhǔn)備動(dòng)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(xué)專家都提倡采用開放式站位[5]，認(rèn)為這種站位便于擊球后更快的回位。前美國(guó)網(wǎng)協(xié)主席Porter指出，開放式站位擊球利于運(yùn)動(dòng)員橫向移動(dòng)，控制范圍更廣，地面對(duì)下肢的反作用力更大，進(jìn)而產(chǎn)生更大的擊球力量。但是也有研究認(rèn)為，就下半身運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)動(dòng)力鏈而言，開放式站位并不是最好的選擇[6]。Bahamonde(2003)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，垂直站位正手擊球中產(chǎn)生的肩部?jī)?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(duì)擊球的影響不大，但是肩部運(yùn)動(dòng)對(duì)擊球有很大影響，有研究發(fā)現(xiàn)，肩部運(yùn)動(dòng)為擊球時(shí)球拍提供了15%—25%的向前和向上的速度。

2.2 起動(dòng)

網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)中身體處于動(dòng)態(tài)平衡，在所有擊球動(dòng)作中頭部和上體必須保持穩(wěn)定。在準(zhǔn)備姿勢(shì)中保持屈膝、降低重心，分腿墊步。在一場(chǎng)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(shí)間移動(dòng)到合適位置并選擇適當(dāng)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(cāng)促的，這對(duì)回球質(zhì)量影響很大，所以起動(dòng)速度顯得尤為重要。對(duì)付大角度來(lái)球時(shí)，普遍采用回撤步驅(qū)動(dòng)步伐[8]，在起動(dòng)時(shí)，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(dòng)力。

3 引拍過程

以右手持拍為例。右手持拍后引同時(shí)轉(zhuǎn)肩，肘外展，手臂以肩為軸由上往下?lián)]拍，小臂前揮。整個(gè)動(dòng)作運(yùn)動(dòng)軌跡類似“C”型，也被稱為C型引拍，其目的是讓球拍從高點(diǎn)下落的時(shí)候，開始加速球拍，將勢(shì)能轉(zhuǎn)化成拍頭的部分動(dòng)能[9]。膝關(guān)節(jié)彎曲，保持由低向高處移動(dòng)的動(dòng)作，所有的調(diào)整點(diǎn)都在這個(gè)狀態(tài)下完成。這種引拍方式已經(jīng)被大多數(shù)人認(rèn)可。引拍過程，適當(dāng)增加肌肉的初長(zhǎng)度，使肌肉收縮時(shí)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(zhǎng)度有關(guān)，肌肉收縮前初長(zhǎng)度越長(zhǎng)，產(chǎn)生的向心力就越大，肌肉做功的功率就越高。實(shí)質(zhì)上，這是超等長(zhǎng)收縮激活更多的運(yùn)動(dòng)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(gè)階段之間盡量避免停頓，Wilson(1991)認(rèn)為，引拍過程中上肢的拉伸階段如有停頓，會(huì)降低彈性能量利用率。上肢運(yùn)動(dòng)中大約1秒的停頓就會(huì)喪失55%的儲(chǔ)存能量，2秒則喪失80%的儲(chǔ)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(dòng)力來(lái)源

在網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)中力的產(chǎn)生始于膝關(guān)節(jié)，然后向上傳遞[12]。動(dòng)力源于地面反作用力。研究證明，任何動(dòng)作的有效完成都不是孤立的肌肉或肌群參與，幾乎所有動(dòng)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(rèn)識(shí)到膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)在正手擊球過程中的重要性[13]，但是迄今為止對(duì)網(wǎng)球中下肢運(yùn)動(dòng)的科學(xué)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(yùn)動(dòng)為擊球時(shí)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(shí)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(dòng)作前后，有明顯的內(nèi)旋動(dòng)作，這是產(chǎn)生球拍速度(接近30%—40%)的一個(gè)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(jī)制

人體運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)鏈?zhǔn)羌夹g(shù)合理運(yùn)用的基礎(chǔ)，其對(duì)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(yùn)動(dòng)損傷的預(yù)防和康復(fù)都產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[17]。

Alexander(1992)證實(shí)了兩塊肌肉順序收縮比同時(shí)收縮的投擲距離更遠(yuǎn)，如果兩塊肌肉活動(dòng)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(dòng)順序進(jìn)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(yùn)動(dòng)形式表現(xiàn)為由近端到遠(yuǎn)端次第加速。然而，“眼見未必為實(shí)”，視頻捕捉系統(tǒng)只能抓拍外在的運(yùn)動(dòng)形式，而對(duì)肌肉內(nèi)在發(fā)力的反映卻無(wú)能為力，事實(shí)上，上肢關(guān)節(jié)活動(dòng)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(dòng)的順序進(jìn)行可以讓運(yùn)動(dòng)鏈中各個(gè)環(huán)節(jié)的速度相加，讓末端的環(huán)節(jié)最終達(dá)到最大速度，肌肉活動(dòng)順序進(jìn)行不是簡(jiǎn)單等同于鞭打運(yùn)動(dòng)[18]。肌電實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了網(wǎng)球正手擊球動(dòng)作符合肌肉活動(dòng)順序進(jìn)行原理[14]。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)還表示在整個(gè)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(shuō)明，肌肉活動(dòng)順序進(jìn)行不能簡(jiǎn)單等同于鞭打運(yùn)動(dòng)。

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(dāng)今使用最廣泛的擊球方式。在擊球前，拍柄底部正對(duì)著來(lái)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(zhǎng)度變長(zhǎng)，伴有牽張反射，進(jìn)而增進(jìn)了擊球的力量和連貫性，同時(shí)也消除了左肩對(duì)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(yùn)動(dòng)更接近于直線運(yùn)動(dòng)(沿著球拍縱軸所在直線)而非圓周運(yùn)動(dòng)，在這個(gè)階段，人對(duì)球拍的作用只是增加了球拍的平動(dòng)動(dòng)能。前臂和球拍的縱軸(長(zhǎng)軸)垂直，也使球拍繞身體垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dá)到最大，此時(shí)拍面的甜點(diǎn)即將觸球。球拍此時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)已經(jīng)變成圓周運(yùn)動(dòng)，手對(duì)球拍的拉力提供了球拍所需的向心力。在這個(gè)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(dòng)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(dòng)作與屈臂擊球相近，區(qū)別在于肘關(guān)節(jié)伸直(以費(fèi)德勒直臂正手進(jìn)攻球?yàn)槔?，圖2)。研究顯示，在費(fèi)德勒正拍觸球一剎那，拍頭(頂部)速度達(dá)到了130公里/小時(shí)。利用這種擊球可以擊出160公里/小時(shí)的球速。

圖2 費(fèi)德勒正手直臂擊球

觀察發(fā)現(xiàn)，擊球時(shí)他已騰空，不再受地面的作用力，整個(gè)系統(tǒng)(人+球拍)的總動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)，身體左側(cè)屈臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，易于轉(zhuǎn)動(dòng)(轉(zhuǎn)動(dòng)力矩等于轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhǎng)度變長(zhǎng)，肌肉收縮時(shí)產(chǎn)生的張力F增大。

(2)在轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ一定時(shí)，直臂擊球的角速度確實(shí)略小于屈臂，這也造成手臂對(duì)球拍的作用時(shí)間t更長(zhǎng)，由動(dòng)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(dòng)量。

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

直臂擊球正逐漸被更多的人認(rèn)可，在美國(guó)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(yùn)動(dòng)員中屈臂擊球仍然占主導(dǎo)地位，費(fèi)德勒自己也經(jīng)常用屈臂擊球方式。相對(duì)直臂擊球，屈臂擊球方式引拍和揮拍的時(shí)間更短，運(yùn)動(dòng)員的準(zhǔn)備時(shí)間更加充足，而且對(duì)擊球的時(shí)刻、力量、身體的轉(zhuǎn)動(dòng)及協(xié)調(diào)性的要求相對(duì)較低，穩(wěn)定性更好，對(duì)于業(yè)余網(wǎng)球選手來(lái)說(shuō)應(yīng)該是更好的選擇。

4.4 觸球時(shí)間和球拍對(duì)球的作用距離

球拍觸球時(shí)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(jī)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(shí)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(lái)球拍科技的進(jìn)步和正手擊球技術(shù)的改善，尤其是正手上旋技術(shù)的進(jìn)步，在一定程度上可能增加了觸球時(shí)間。賈杰臣等認(rèn)為在擊球瞬間，球拍揮動(dòng)速度的加快和球拍對(duì)來(lái)球的主動(dòng)撞擊會(huì)降低觸球時(shí)間，而球拍隨球移動(dòng)會(huì)對(duì)球的方向、落點(diǎn)、旋轉(zhuǎn)等產(chǎn)生微調(diào)[24]。現(xiàn)在，網(wǎng)球拍的設(shè)計(jì)使得球拍弦床的網(wǎng)眼更大，增加了偏心矩加強(qiáng)球的旋轉(zhuǎn)的可能；由于球和弦床的形變?cè)龃?，?shì)必使得觸球時(shí)間延長(zhǎng)(大約延長(zhǎng)了0.4毫秒)。另外，在底線型球員正手上旋擊球時(shí)，擊球點(diǎn)并不是球拍中心，而是擊球點(diǎn)偏上一些(擊球瞬間，球拍縱軸水平時(shí)，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(shí)，球?qū)η蚺牡淖矒魠s并沒有產(chǎn)生很強(qiáng)的翻轉(zhuǎn)效果。這說(shuō)明球與拍面接觸后發(fā)生了相對(duì)位移，而并非點(diǎn)接觸。筆者支持擊球旋轉(zhuǎn)主要來(lái)自擊球時(shí)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(shí)表明球在弦床上有相對(duì)位移，而且現(xiàn)今的上旋技術(shù)加大了觸球過程中球拍對(duì)球做的功。綜上所述，并不排除在加大擊球力量時(shí)，通過增加拍對(duì)球的作用時(shí)間和作用距離以提高對(duì)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(shì)和體軸對(duì)擊球的影響

在擊球時(shí)，軀干縱軸基本保持豎直，利于身體的轉(zhuǎn)動(dòng)和平衡。無(wú)論正手抽球還是反手擊球，頭部姿勢(shì)的變化對(duì)于肌群張力都產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，進(jìn)而保證髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的靈活性。而非持拍手臂的合理運(yùn)用對(duì)肩關(guān)節(jié)的過度轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)于核心肌群緊張會(huì)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(jí)中樞的抑制，不易表現(xiàn)出來(lái)。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(qiáng)，對(duì)側(cè)肌群的緊張性降低[26]，同時(shí)，頭部姿勢(shì)的改變可以影響肌肉的收縮力發(fā)生變化，進(jìn)而影響擊球力量和動(dòng)作的流暢性。

5 隨揮

隨揮動(dòng)作是擊球動(dòng)作的一部分，是拍對(duì)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(dòng)作的完整性，對(duì)于球的落點(diǎn)、旋轉(zhuǎn)、速度等起到精細(xì)調(diào)節(jié)的作用，對(duì)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(dòng)距離，避免了擊球后緊急制動(dòng)而導(dǎo)致的損傷，對(duì)因制動(dòng)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(xué)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(guó)家體育總局體育哲學(xué)社會(huì)科學(xué)研究項(xiàng)目(2292SS16029)；國(guó)家體育總局全民健身研究領(lǐng)域課題(2015B059)；甘肅省哲學(xué)社會(huì)科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目(YB023)；甘肅省體育社會(huì)科學(xué)研究青年項(xiàng)目(GST201666)；甘肅省高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目(2016B-003)

張 鋒(1975-)，男，山東淄博人，副教授，博士研究生，研究方向?yàn)轶w育教學(xué)與訓(xùn)練。

G804.6

A

1008-3596(2017)04-0072-05