賈 誼，郭俊芬，楊 程

(1.中北大學(xué) 體育學(xué)院，太原 030051；2.山西省實(shí)驗(yàn)小學(xué)，太原 030002)

影響男子排球運(yùn)動(dòng)員扣球起跳動(dòng)作效果的動(dòng)力學(xué)研究

賈 誼1，郭俊芬2，楊 程1

(1.中北大學(xué) 體育學(xué)院，太原 030051；2.山西省實(shí)驗(yàn)小學(xué)，太原 030002)

目的：研究男子排球運(yùn)動(dòng)員扣球起跳蹬地動(dòng)作過程中，人體下肢的相關(guān)力學(xué)參數(shù)特征。對象：男子大學(xué)生排球運(yùn)動(dòng)員10名。方法：使用高速人體動(dòng)作捕捉系統(tǒng)及三維測力臺(tái)，對相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行采集。結(jié)果：①起跳過程中，地面反作用力峰值和均值均為優(yōu)勢腿大于非優(yōu)勢腿；②非優(yōu)勢腿地面反作用力峰值與重心最大高度呈高度負(fù)相關(guān)(r=-0.961，P=0.002<0.05)；③雙腳同時(shí)著地過程中，優(yōu)勢腿地面反作用力沖量明顯大于非優(yōu)勢腿，兩腳地面反作用力沖量差與重心最大高度呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.531，P=0.034<0.05)。結(jié)論：①在后排起跳過程中，優(yōu)勢腿與非優(yōu)勢腿表現(xiàn)出不同的用力形式；②應(yīng)當(dāng)通過適當(dāng)控制非優(yōu)勢腿在著地初期的制動(dòng)作用，并在雙腳最后用力階段有意識地提高非優(yōu)勢腿的參與程度，以提高人體的起跳高度；③排球運(yùn)動(dòng)員髕腱炎的發(fā)病可能與踝關(guān)節(jié)繞矢狀軸力矩和膝關(guān)節(jié)繞垂直軸力矩較大有關(guān)。

扣球；起跳；動(dòng)力學(xué)；排球；地面反作用力

縱跳是人體下肢常見的運(yùn)動(dòng)形式之一?？v跳高度一直被認(rèn)為是評價(jià)人體下肢爆發(fā)力的重要指標(biāo)[1-3]，不少學(xué)者認(rèn)為，縱跳高度與人體下肢肌力呈高度相關(guān)，并建立了相應(yīng)的預(yù)測公式[4-5]。同時(shí)，縱跳高度還和其他一些力學(xué)指標(biāo)，如沖量[6]、凈沖量[7]、地面的材質(zhì)[8]以及上肢的擺動(dòng)幅度[9]等密切相關(guān)。上述研究均是在沒有助跑的情況下進(jìn)行的，動(dòng)作形式以蹲跳(squat jump，SJ)和下蹲跳(counter movement jump，CMJ)為主，而在日常活動(dòng)中，除蹲跳和下蹲跳以外，人體還有多種其他起跳方式，助跑起跳就是最常見的一種。這種起跳動(dòng)作既不像傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所做的蹲跳、下蹲跳動(dòng)作由雙腿同步起跳完成，也不像跳高、跳遠(yuǎn)起跳動(dòng)作那樣依靠起跳腿與擺動(dòng)腿的配合完成，而是由兩腿依次著地并同時(shí)起跳離地完成，因此也被稱為非對稱性起跳。

很多體育項(xiàng)目，如排球、羽毛球、籃球等中的起跳動(dòng)作都屬于非對稱性起跳動(dòng)作。有學(xué)者對美國國家女子排球隊(duì)的日常訓(xùn)練進(jìn)行過統(tǒng)計(jì)，在長達(dá)4 h的訓(xùn)練期間，起跳的次數(shù)在300—500次，而其中絕大部分動(dòng)作為非對稱性起跳動(dòng)作[10]。另有研究表明，非對稱性起跳高度是排球、籃球、足球、羽毛球等運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中奪取制空權(quán)和獲得進(jìn)攻優(yōu)勢的主要決定因素[11]。P F Vint等人(1996)的研究結(jié)果表明，在排球扣球中，運(yùn)動(dòng)員左右腿蹬地的力量是存在差異的[12]。而這一差異有可能是影響人體起跳高度的決定因素之一。因此，對排球運(yùn)動(dòng)員的扣球起跳這種非對稱性起跳動(dòng)作當(dāng)中人體下肢的動(dòng)力學(xué)相關(guān)特性進(jìn)行研究，可以幫助了解人體進(jìn)行此類動(dòng)作的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，有助于提高起跳效果和防止運(yùn)動(dòng)損傷。

1 研究方法

1.1研究對象

選取10名男子大學(xué)生排球運(yùn)動(dòng)員作為受試者(年齡21.2±0.79歲；身高188.7±4.7 cm；體重83.8±8.1 kg)。所有受試者在實(shí)驗(yàn)之前均身體健康且無下肢關(guān)節(jié)損傷史(表1)。

表1 受試者基本情況表

1.2實(shí)驗(yàn)方案

圖1 測試現(xiàn)場

受試者采取4步助跑起跳方式進(jìn)行測試，優(yōu)勢腿均為左腿。助跑起點(diǎn)距離測力臺(tái)坐標(biāo)原點(diǎn)5 m，并以雙腳均落在測力臺(tái)測試區(qū)域內(nèi)記為有效測試。測力臺(tái)中心與球網(wǎng)的水平距離為1 m，球網(wǎng)高度2.43 m，每位受試者盡個(gè)人最大能力完成扣球動(dòng)作，要求落地后身體不得觸碰球網(wǎng)。每位受試者需完成三次有效測試，取其中起跳高度最大的一次進(jìn)行分析。

1.3數(shù)據(jù)分析

首先通過Nexus 2.5軟件將采集到的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。使用巴特沃斯數(shù)字濾波器對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)參數(shù)的截?cái)囝l率均為20 Hz。將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)以*.MAT格式導(dǎo)出，并利用MATLAB 7.0軟件進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算和處理，得到研究所需的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

利用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件，對得到的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

1.5數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

以右腳著地時(shí)刻至雙腳離地時(shí)刻作為起跳時(shí)間，并將此時(shí)間間隔作為100%起跳周期，對時(shí)間參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。同時(shí)，以地面反作用力/受試者體重(N/kg)的方法對得到的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以去除不同受試者體重對力學(xué)參數(shù)造成的影響。

2 研究結(jié)果

2.1地面反作用力

文章討論了大豆根系虛擬模型的構(gòu)建方法，設(shè)計(jì)了大豆根系的L系統(tǒng)，并在VC++環(huán)境下采用OpenGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)了其可視化，分析了各參數(shù)對根系模型的影響，生成的大豆根系圖像具有隨機(jī)性，在形態(tài)結(jié)構(gòu)上與真實(shí)根系圖像比較接近。但是，試驗(yàn)數(shù)據(jù)是在沒有考慮水分、光照等環(huán)境因素下獲取的，加之根系數(shù)據(jù)采集手段的局限性等因素，與自然環(huán)境下的數(shù)據(jù)之間還存在一定的差異，在后續(xù)的研究工作中，應(yīng)進(jìn)一步結(jié)合大豆根系的生理特征進(jìn)行模擬，為大豆根系模擬研究提供技術(shù)支持。

地面反作用力峰值(GRFmax)是指在整個(gè)起跳過程中，人體所受地面反作用力的最大值。在一定程度上反映了人體整體所受外界環(huán)境載荷的程度。從本次研究的結(jié)果來看，從右腳最后一次著地到雙腳離地期間，所有受試者左腿地面反作用力峰值在X、Y和Z軸方向的均值分別為3.1±2.9 N/kg、11.2±3.7 N/kg和25.1±5.5 N/kg，右腿分別為-1.2±1.0 N/kg、4.9±3.0 N/kg和14.5±2.18 N/kg。左右腿相比較，除X方向外(P=0.418>0.05)，Y方向(P=0.000<0.05)和Z方向(P=0.000<0.05)左腿顯著大于右腿。

表2 左右腿地面反作用力峰值

圖2 地面反作用力與重心最大高度的相關(guān)性

地面反作用力均值(GRFavg)是指從腳著地時(shí)刻至腳離地時(shí)刻，人體下肢所受力的平均值。從測試結(jié)果來看，所有受試者左腿GRFavg在X、Y和Z軸方向的均值分別為-1.2±1.0N/kg、4.9±3.0N/kg和14.5±2.18N/kg，右腿三個(gè)方向的均值分別為-1.7±1.0N/kg、1.6±1.7N/kg和10.6±1.66N/kg。左右腿相比較，X、Y、Z方向均呈顯著性差異，表現(xiàn)出左腿用力顯著大于右腿的特征。

表3 左右腿地面反作用力均值 N/kg

圖3 起跳過程中人體左右側(cè)下肢受力情況

2.2對兩側(cè)下肢沖量差值的分析

沖量是力—時(shí)間曲線下包絡(luò)的面積，即力對時(shí)間的積分，它可以反映出力在一定時(shí)間范圍內(nèi)對人體作用的累積效果。多項(xiàng)研究結(jié)果表明，利用沖量參數(shù)來評估人體起跳效果具有一定的可靠性和準(zhǔn)確性[6,13-14]C T Hsieh等人(2010)在對女子排球運(yùn)動(dòng)員的助跑起跳動(dòng)作進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，雖然不同助跑方式下運(yùn)動(dòng)員垂直方向沖量沒有顯著性差異，但在前進(jìn)方向，四步助跑的沖量明顯高于二步助跑，而二步助跑的著地時(shí)間則明顯大于四步助跑。人體在雙腳同時(shí)蹬伸起跳過程中，經(jīng)常會(huì)由于兩側(cè)肢體用力不均勻而降低起跳效果，而兩側(cè)下肢起跳過程中的沖量差可以在一定程度對上述效果進(jìn)行評價(jià)。本次研究中，受試者兩腳同時(shí)蹬伸時(shí)期，左右兩側(cè)下肢的地面反作用力沖量分別為360±46 N·s和243±60 N·s，表現(xiàn)出右側(cè)大于左側(cè)的特征，平均差值為129 N·s。從圖3可以直觀地反映出在整個(gè)用力階段兩側(cè)下肢力的累積效果。由于右腳著地時(shí)間明顯大于左腳，導(dǎo)致其力的作用時(shí)間延長，沖量增加。

注：A—F表示運(yùn)動(dòng)員序號。圖4 不同運(yùn)動(dòng)員地面反作用力隨時(shí)間變化趨勢

從圖4可以看出，不同運(yùn)動(dòng)員表現(xiàn)出不同的力曲線特征，而這一特征也在一定程度上影響了其起跳的效果。對沖量差與起跳重心最大高度的相關(guān)性分析結(jié)果表明，兩腳同時(shí)蹬伸時(shí)期，左右兩側(cè)肢體的地面反作用力沖量之差與重心最大高度呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.531，P=0.034<0.05)，即兩側(cè)肢體沖量差越小，起跳最大高度越高(圖5)。

圖5 左右下肢地面反作用力沖量差與重心最大高度的相關(guān)性

2.3起跳過程中下肢關(guān)節(jié)力矩比較

在起跳過程中，下肢各關(guān)節(jié)力矩可以反映出下肢蹬伸階段人體各肌群力的分配情況。

表4 蹬伸階段髖、膝、踝關(guān)節(jié)力矩情況 Nm

通過表4數(shù)據(jù)可以看出，在整個(gè)起跳蹬伸階段，繞Z軸(垂直軸)方向以膝關(guān)節(jié)力矩最大，左右腿分別為374±42 Nm和339±19 Nm，其次為髖關(guān)節(jié)(276±24 Nm、259±10 Nm)，踝關(guān)節(jié)最小。繞Y軸(額狀軸)方向，則表現(xiàn)出踝關(guān)節(jié)>髖關(guān)節(jié)>膝關(guān)節(jié)的特征。繞X軸(矢狀軸)方向，則為髖關(guān)節(jié)>膝關(guān)節(jié)>踝關(guān)節(jié)。通過以上對比可以看出，踝關(guān)節(jié)在繞Y軸方向起主要作用，是控制身體前傾的主要關(guān)節(jié)；膝關(guān)節(jié)在Z軸起主要作用，是控制身體由側(cè)對球網(wǎng)向正對球網(wǎng)扭轉(zhuǎn)的主要關(guān)節(jié)；而髖關(guān)節(jié)在X軸方向起主要作用，是控制身體側(cè)傾的主要關(guān)節(jié)。這一結(jié)果說明，下肢各關(guān)節(jié)肌群在蹬伸過程中表現(xiàn)出顯著的分工不同和相互協(xié)作的特點(diǎn)。

3 分析與討論

與排球攔網(wǎng)動(dòng)作的非助跑起跳不同，本次研究中所有受試者都采用右腳先于左腳的助跑著地技術(shù)，兩腳蹬地時(shí)間存在顯著差異。這一過程體現(xiàn)了非對稱性助跑起跳動(dòng)作中，能量由右腳逐漸過渡到左腳的過程。K D Coutts(1982)[15]在對86名排球運(yùn)動(dòng)員的起跳動(dòng)作進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，與雙腳同時(shí)起跳不同，非對稱性助跑起跳動(dòng)作在助跑末期的水平速度較低，且雙腳同時(shí)起跳時(shí)的平均GRF更高。Saunders等人(1973)[16]在對助跑速度與起跳高度的關(guān)系進(jìn)行研究后指出，雙腳起跳的最佳助跑速度應(yīng)保持在個(gè)人最大跑動(dòng)速度的50%—60%，而非越快越好，這與本研究的結(jié)果相吻合。從本次研究的結(jié)果來看，受試者的起跳蹬伸時(shí)間約為0.35 s，明顯長于跳遠(yuǎn)0.099—0.146 s的起跳時(shí)間[17]，魏琳潔等人(2015)[18]對高校高水平男子排球運(yùn)動(dòng)員的起跳動(dòng)作進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，過短的起跳時(shí)間會(huì)削弱雙臂的擺動(dòng)幅度。

本次研究發(fā)現(xiàn)，右腿GRFmax與起跳高度呈高度負(fù)相關(guān)，表明右腿在著地最大用力的同時(shí)，會(huì)對起跳效果帶來不利影響。Yu B(1999)[19]和S J Allen等人(2013)[20]在對三級跳遠(yuǎn)起跳動(dòng)作進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，水平速度的損失率與垂直起跳速度呈高度正相關(guān)，說明下肢的制動(dòng)是將水平速度轉(zhuǎn)換為垂直速度的關(guān)鍵。在排球扣球起跳過程中，雖然在蹬伸階段是雙腳同時(shí)用力起跳，但如果右腳提前發(fā)生制動(dòng)動(dòng)作，則會(huì)影響到運(yùn)動(dòng)員最后的起跳高度。本研究中可以明顯發(fā)現(xiàn)，在雙腳同時(shí)用力蹬伸階段，除X方向的GRFmax外，不論是最大力值還是平均地面反作用力，左腳均大于右腳，左腳Fy值約為右腳的兩倍(圖2)，說明左腿在雙側(cè)下肢同時(shí)用力起跳過程中起主要作用。說明在助跑起跳的前進(jìn)方向，大部分受試者采取了以左腳為主要制動(dòng)腳的起跳策略。這說明右腳不宜過早地參與到制動(dòng)起跳中，而應(yīng)將水平速度保持到左腳著地后再進(jìn)行制動(dòng)。這也可能與人體會(huì)利用不同的著地方式來適應(yīng)相對應(yīng)程度的負(fù)荷有關(guān)[21]。另外，從X軸方向的總體受力情況看，右腳大于左腳，說明在起跳過程中，右腳主要是維持身體在X軸方向的穩(wěn)定性，以保證身體重心在X軸方向的動(dòng)量損失最小。

人體起跳過程中地面反作用力的量可以反映出此力對人體作用的累積效果。由于在扣球起跳過程中，與優(yōu)勢腿相比，非優(yōu)勢腿的著地時(shí)間往往更長，因此，單比較兩腿所受總沖量很有可能造成對非優(yōu)勢腿沖量總值的高估，而選擇以優(yōu)勢腿著地時(shí)刻作為沖量計(jì)算的初始時(shí)刻則更為合理。從本次研究的結(jié)果可以看出，與CMJ或SJ的對稱性起跳動(dòng)作不同，在非對稱性起跳動(dòng)作的雙腳同時(shí)用力蹬伸階段，優(yōu)勢側(cè)大于非優(yōu)勢側(cè)，呈現(xiàn)出雙腳用力明顯不均勻的特征。而這也直接影響到運(yùn)動(dòng)員最后的起跳效果。由雙腳沖量差與起跳最大高度的相關(guān)性分析結(jié)果可知，雙腳沖量差越小則起跳高度越高。這種差異性很有可能是在起跳蹬伸階段，人體重心集中于優(yōu)勢腿一側(cè)的結(jié)果造成的。因此，在排球扣球起跳動(dòng)作過程中，為獲得更大的起跳高度，運(yùn)動(dòng)員應(yīng)在保持重心平穩(wěn)過渡的同時(shí)，盡量保證雙腳的用力均衡。

從下肢各關(guān)節(jié)合力矩的情況來看，膝關(guān)節(jié)合力矩最大，在扣球起跳過程中對提升重心高度起主要作用，這與Kuo Chuan Huang等人[22]的研究結(jié)果一致。而踝關(guān)節(jié)則主要起制動(dòng)作用，是將水平速度轉(zhuǎn)化為垂直速度的關(guān)鍵。Richards等人[23]在分析排球運(yùn)動(dòng)員損傷原因時(shí)發(fā)現(xiàn)，排球運(yùn)動(dòng)員起跳過程中踝關(guān)節(jié)的跖屈力矩約為其他關(guān)節(jié)的2倍。這是導(dǎo)致排球運(yùn)動(dòng)員髕腱炎高發(fā)的重要原因之一，也與本研究的結(jié)果在一定程度上具有一致性。另外一項(xiàng)研究也發(fā)現(xiàn)[24]，圍繞踝關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)的力矩和圍繞膝關(guān)節(jié)在水平面內(nèi)的力矩與排球運(yùn)動(dòng)員髕腱炎的高發(fā)率有一定的相關(guān)性。在排球運(yùn)動(dòng)的起跳動(dòng)作中，經(jīng)常會(huì)遇到為防止運(yùn)動(dòng)員身體接觸球網(wǎng)而迫使運(yùn)動(dòng)員由正向球網(wǎng)前進(jìn)方向突然制動(dòng)，同時(shí)完成接近90°轉(zhuǎn)身動(dòng)作并起跳，以完成后續(xù)的扣球或攔網(wǎng)動(dòng)作，這一類似于背越式跳高的起跳動(dòng)作，使得人體膝關(guān)節(jié)在垂直軸方向受到一個(gè)極大的扭矩(本研究結(jié)果為左腿374±42 Nm、右腿339±19 Nm)，而在排球比賽和訓(xùn)練過程中，這一動(dòng)作又是極為頻繁的。因此，這很有可能是造成運(yùn)動(dòng)員髕腱炎高發(fā)的又一主要原因。

4 結(jié)論

(1)在排球扣球的起跳蹬地過程中，非優(yōu)勢腿不宜過早參與制動(dòng)起跳，而應(yīng)將水平速度保持到優(yōu)勢腿著地后再制動(dòng)。非優(yōu)勢腿主要起維持身體平衡的作用。

(2)起跳蹬地過程中，雙下肢地面反作用力的沖量差與起跳最大高度顯著相關(guān)，應(yīng)盡量保證雙下肢蹬伸發(fā)力的同步性，以增強(qiáng)起跳效果。

(3)排球運(yùn)動(dòng)員髕腱炎的發(fā)病可能與較高的踝關(guān)節(jié)繞矢狀軸力矩以及膝關(guān)節(jié)繞垂直軸力矩有關(guān)。

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KineticAnalysisoftheEffectofVolleyballSpikeJumpforMaleAthletes

JIA Yi1, GUO Jun-fen2, YANG Cheng1

(1.School of Physical Education, North University of China, Taiyuan 030051, China; 2.Shanxi Experimental Primary School, Taiyuan 030002, China)

Objective: To study the characteristics of the related mechanical parameters of the lower limbs of the male volleyball players during thrust against the ground in spike jump.Object: Ten male collegiate volleyball players.Methods: The kinematic and kinetic parameters are collected by using the high-speed body movement capture system and the three-dimensional dynamometer.Results: ①During the takeoff, the peak and mean of ground reaction of the dominant leg are both larger than the non-dominant leg. ②The peak value of the ground reaction of the non-dominant leg is negatively correlated with the maximum height of the gravity center(r=-0.961,P=0.002<0.05). ③ When feet landing at the same time, leg ground reaction force impulse of the dominant leg is significantly greater than the non-dominant leg. And there is a significant negative correlation between the impulse difference of two feet ground reaction and the maximum height of the gravity center(r=-0.531，P=0.034<0.05).Conclusion: ①Intheprocessofbackcourttake-off,thedominantlegandnon-dominantleghaveadifferentforceform; ②Playersshouldappropriatelycontroltheinitialbrakingeffectofthenon-dominantlegandinthefinalstageoffootpushing,theparticipationofthenon-dominantlegshouldbeconsciouslypromotedinordertoimprovethebody’stake-offheight. ③Theincidenceofpatellartendonitisofvolleyballplayersmaybeassociatedwithanklejointsagittalaxistorqueandtorquearoundverticalaxisofkneejoint.

spike; takeoff; kinetics; volleyball; ground reaction force

2017-04-29

山西省軟科學(xué)研究項(xiàng)目(2016041037-3)；山西省體育局科研課題(15TY115)

賈 誼(1980-)，男，山西盂縣人，副教授，博士，研究方向?yàn)閯?dòng)作技術(shù)分析與診斷。

G804.6

：A

：1008-3596(2017)05-0064-07