国家网女子网球运动员运动状态三维分析

国家网女子网球运动员运动状态三维分析

网球场技术是网球场运动中最重要的一项技术。尽管发球是完全由运动员自己控制的,但它是由上下肢及躯干共同参与的复杂的全身协调运动,并不容易掌握和控制。目前对我国高水平运动员发球技术的运动学指标系统的分析并不多。本研究通过对国家队网球运动员的大力发球的运动学指标分析,以期找到提高我国网球运动员发球水平的方法,并为教练员教学、训练提供理论依据。1研究对象和方法1.1女运动员的特点2009年在江门冬训的国家网球队女运动员8名,身体健康。其中6名健将级运动员,2名一级运动员,受试者均在国内外多次比赛中取了较好成绩。1.2主光轴难点分析1)本实验采用两台200Hz的高速摄像机对发球队员进行定点、定焦同步拍摄。实验拍摄开始前提前架设机器,A机放置于运动员发球站位的正侧面,B机放置于运动员的正后方。两机主光轴对准发球运动员,夹角约为90°,测试场地设计如图1所示。2)受试者身着紧身运动短袖和短裤,在指定区域完成实验要求动作。即右手队员站右区发一发球,左手队员站左区发一发球。测试指导语为“像在比赛一样,全力发一发球”。每人做8次大力发球,由主带教练站在球场另一侧报好坏球,测试人员记录结果,保证3次好球。3)使用北京体育大学视讯解析系统将两台相机采集的二维图像进行三维重构,解析得到原始数据。应用Qtools、Excel、Origin等数据处理软件进行指标计算。对每个运动员的大力发球的运动学参数进行分析。1.3奥尔斯基模型本研究所采用的人体模型是前苏联的扎齐奥尔斯基模型。角度相关指标均依据刘卉(2004)发表的关于三维摄影解析中人体关节角度的计算方法进行定义和计算。1.4抛球举拍阶段a—网球大力发球技术运动阶段的划分本研究根据网球大力发球动作的技术特点,将发球过程分为:以下三个动作阶段(图2):抛球举拍阶段(A—B):抛球出手时刻开始,重心下降最低点时刻结束。蹬伸“搔背”阶段(B-C):重心最低点时刻开始,重心到拍头落差最大时刻结束。挥拍击球阶段(C-D):重心到拍头落差最大时刻开始,球拍碰撞网球时刻结束。2结果与分析2.1抛球举拍阶段2.1.1刻球的高度抛球是网球发球技术中最重要的环节之一,抛球技术的好坏直接影响整个发球技术的合理性。8名受试者抛球时的运动学数据如表1所示。抛球过高或者过低都会影响发球的质量。合理的抛球高度应该考虑到运动员的身高和弹跳力。有研究表明身高1.8m的阿加西抛球的最大高度仅为2.84m,而击球时刻球的高度为2.79m,即最高点与击球点落差仅为0.056m。身高1.75m的张德培抛球的最大高度为3.25m,击球点高度为2.69m,落差为0.56m。还有资料显示,优秀运动员抛球最高点与击球点落差在0.5m左右,有些甚至在0.2m左右(B.ElliottandT.Marsh,1989)。通过比较发现,我国球员的抛球整体偏高且抛球最高点与击球点落差较大。其中抛球最高可达4.03m,落差为1.45m(球员身高为1.70m)。这影响了运动员击球的准确性。本研究对8名运动员的抛球高度和发球各阶段所用时间做了相关性检验,结果如表2所示:抛球高度与发球总用时成非常显著性正相关(r=0.96,P<0.05),与抛球举拍阶段用时显著性正相关(r=0.71,P<0.05)。但是与“搔背”阶段所用时间、挥拍阶段所用时间以及“搔背”和挥拍阶段的总时间无显著性相关。这说明,抛球的高低主要影响了抛球举拍阶段的动作结构。2.1.2最佳举拍角度和外展角根据网球发球训练中的经典理论——“90°法则”,当运动员完成举拍动作时,持拍手上肢关节应尽量形成两个“90°”。一个“90°”是指上臂和身体的形成一个直角,另一个“90°”是指上臂和前臂形成直角。也有研究表明上臂和躯干最佳夹角在100°±10°。这种“双直角”举拍实质是为了让肘关节远离躯干,增加挥拍时肘关节的运动轨迹;增加肩关节内收肌群的初长度;为“搔背”动作提供良好的上肢开始姿态。8名运动员举拍结束时刻,肩关节外展角平均为70.62°,总体表现为上肢外展不够充分,其中外展角最小为50.86°。肘角均值为84.82°,表现较为合理,但仍有运动员只有59.9°(表3)。2.1.3联合社挖掘后创知识动作技术在高尔夫球场比赛阶段的影响网球发球的站位方式分为两种:foot-back(FB)和foot-up(FU)(图3)。因为FB技术是指运动员在向后挥拍阶段两脚前后分开,直接屈膝完成腿部的缓冲。FU技术是指在此阶段,运动员屈膝缓冲时,后脚向前脚靠拢的技术。8名运动员中有5名采用FU技术,3名采用FB技术。正如表4所示,采用FU技术的运动员击球点高度平均为身高的1.52倍,而采用FB技术的运动员平均为身高的1.38倍。然而对比两种技术入场第一步的距离可知,较采用FU技术(0.37m),采用FB技术(0.55m)的运动员可以获得更远的入场距离。由此可见两种技术各有优势,这与前人的研究结果是一致的。本研究还发现,采用FU技术的运动员在缓冲结束可以获得更大的躯干扭转角度,且FU技术达到FB技术的两倍(FU平均为18.32°,FB平均为9.3°)。对比整个发球动作技术中躯干向后扭转角度的最大值(FU平均为30.14°,FB平均为17.93°),也得到了相同的结果。产生这种现象的原因可能是由于下肢缓冲过程中,采用FU技术的运动员后脚开始向前脚靠拢,造成骨盆相对上身的反向运动,从而增大了躯干扭转幅度。躯干的扭转幅度越大,对腹内斜肌和腹外斜肌的拉伸程度也大,储存弹性势能并引起牵张反射。从而可以增大躯干向球方向扭转时的力量和速度。如表5所示,8名运动员在抛球举拍结束时刻持拍侧膝关节角度为91.35°,非持拍侧膝关节角度平均为104.64°。缓冲阶段,膝关节屈曲幅度太小或者过大,都不能产生最佳的蹬伸效果。有国外资料显示缓冲结束时刻膝关节角度在100°±10°最有利于蹬伸发力,受试运动员在膝关节的动作上表现较好。髋角(矢状面)为:躯干和大腿的夹角在人体矢状面上的投影角,髋角(额状面)同理。本研究发现,运动员在抛球举拍结束时刻,即缓冲完成时,身体重心与两腿的位置关系直接影响运动员发球的整体效果。将双脚的趾尖与足跟点在地面上的投影连线(后简称足线),代表运动员双脚的位置。作重心在地面上的投影(后简称重心投影)到两足线的垂线,测得重心投影到两足线的距离。如图4所示,重心到非持拍侧足线和持拍侧足线的距离分别是d1和d2。查看表6可以发现,8名受试者中有一部分运动员在此时刻重心投影到非持拍侧足线的距离几乎为零。这就说明身体重心几乎完全压在非持拍侧腿上。对重心投影到非持拍侧距离d1与重心投影到非持拍侧距离d2的比值与8个人发球的球速做相关性检验,d1/d2与球速呈非常显著性正相关(r=0.84,p>0.05)。这说明在此时刻重心越靠近非持拍侧腿,越远离持拍侧腿,则发球速度越低。图5为运动员徐××在抛球举拍结束时刻身体姿态。结合表6的数据可知,此时她的重心压在非持拍侧的腿上。很明显可以看出持拍侧的腿在蹬伸时只是轻轻“点地”,根本没有充分蹬地发力。从图5中还可以看出,重心前移的主要是由于运动员髋部的前顶动作造成的。在网球发球过程中,两髋向发球方向前顶可以使重心有一个向前加速的过程。但是由于运动员在蹬伸前过早顶髋或者顶髋幅度过大,所形成身体姿势很不利于下肢的发力,导致网球质量下降。2.1.4素质动作技术结构的改进从表7中可以看出8名运动员躯干扭转和侧屈幅度差异较大。在此阶段躯干扭转幅度最大的可达到48.26°,而最小的只有5.41°;躯干侧屈幅度最大的达到37.16°,而最小的几乎没有侧屈。表7中的前三个人采用了FB技术,后5个人采用的是FU技术。前面研究结果表明FU有助于增加躯干的扭转幅度。同时本研究对此阶段躯干扭转和躯干侧屈幅度做了相关性检验,结果(r=0.68,p<0.05)表明躯干的扭转和侧屈动作有一定的一致性。因此可以推论FU技术对于躯干的侧屈也有一定的帮助。国外有研究表明:缓冲结束时刻,两肩与两髋所形成的夹角为20°—30°较好。因此对于像韩××这种躯干扭转不充分的运动员,改进动作的方式有两种,一种是在其原有动作技术结构的基础上,增大两肩的扭转幅度;另一种就是将原有FB缓冲技术改为FU缓冲技术。2.2下肢概念“搔背”阶段是指运动员在抛球举拍结束时刻的身体姿态基础上,下肢迅速蹬伸,使身体重心快速升起。同时持拍侧上臂外旋,肘关节屈曲,球拍背向击球点方向运动。2.2.1膝关节和鞋关节所发挥的作用力如图6所示,髋关节角加速度(角速度斜率)首先达到最大值,随后膝关节角加速度和踝关节角加速度逐一达到最大值。蹬伸过程中,下肢关节角加速度越早达到最大值,说明使关节伸的肌群越早发挥出其爆发力,提高了关节打开的速度。因此运动员在蹬伸阶段关节发力顺序为:髋——膝——踝。从解剖学上看,这是由于从髋关节到踝关节,各关节肌肉生理横断面逐个减少,各关节所配置的肌肉力量由强变弱。蹬伸过程中,运动员快速抬高身体重心,这需要克服相当大的阻力才能完成。尽管在这个阶段人体运动链中的各关节肌肉同时用力。但由于髋关节的肌肉的生理横断面大,产生的肌力矩也大,因此它能首先发挥其爆发力来克服阻力距,使环节产生角加速运动。在此基础上,膝关节和踝关节才能逐个发挥爆发力。由表8所示,膝关节和髋关节在在这个阶段的蹬伸幅度的离散型较大,说明受试者下肢的蹬伸动作技术个体差异较大。这和运动员个人肌肉力量素质关系密切。本研究做了8名运动员在“搔背”阶段,膝关节蹬伸幅度和蹬伸角速度之间的相关性检验。持拍侧为r=0.24(p>0.05),非持拍侧为r=-0.28(p>0.05)。这说明蹬伸幅度与蹬伸角速度之间无规律关系。2.2.2劳动过程分析图7反映了“搔背”阶段躯干运动和下肢运动的关系。当人体下肢髋角速度、膝角速度和踝关节角速度逐一达到达到最大值后,躯干的扭转角和侧屈角速度仍在增加,并在挥拍阶段达到最大值。因此人体的动力链是从下肢到躯干,由下自上传递的。将8名运动员“搔背”阶段和挥拍击球阶段躯干运动角度做一致化处理,取平均值。如图8所示,躯干运动角度随时间变化特征说明了躯干在“搔背”。运动员的躯干侧屈角度从蹬伸开始就由负值向正值逐渐增大,这是因为非持拍侧躯干肌肉开始收缩用力,使开躯干开始向击球方向侧屈,加速了躯干上部向击球方向运动速度。而躯干的扭转角开始并没有增大反而减小了。这是因为运动员由于下肢的快速蹬伸,使得髋首先向击球方向加速扭转。这就造成了肩向击球方向转动在运动开始阶段落后于髋的的转动,从而出现相对的反向运动。这使得运动员的躯干在抛球举拍阶段的身体姿态基础上,继续被“扭紧”。快速的扭转引起腹斜肌的牵张反射,躯干上部开始向击球方向加速转动,躯干的扭转角逐渐增大。“搔背”结束时刻,扭转角变化幅度较小,大幅度的变化发生在挥拍击球阶段,这说明身体扭转的用力主要发生在挥拍击球阶段。2.2.3人工运动员上臂的外旋角度下肢的快速蹬伸,以及躯干向击球方向的快速扭转和侧屈的同时,持拍侧上上臂外旋,肘关节屈曲,使拍头下垂。由于躯干的上升速度较快,在“搔背”结束时刻对躯干对上臂及球拍形成了“超越”。“搔背”动作的实质就是人体在挥拍击球前完成超越器械动作。以运动员周×ד骚背”阶段拍头和重心高度曲线为例(图9),拍头和重心在垂直方向上的运动很好的反映了这个这一的过程。“搔背”结束时刻持拍臂的状态如表9所示,通过与举拍动作结束时刻持拍臂的状态比较,可以发现,变化最大的是上臂外旋角(平均外旋75.65°),基本上是举拍结束时刻的2倍。可见“搔背”动作对上臂的内旋肌肉的拉伸幅度是很大的。这也证明了上臂的扭转对于发球是及其重要的。在本研究对网球运动阶段的划分条件下,8名运动员上臂最大外旋角度并没有出现在“搔背”结束时刻,而是出现在挥拍阶段并接接近击球时刻。8名运动员上臂最大外旋角度如表10所示,平均外旋角度平均为153.18°,但是个体差异性较大。有国外资料显示国外优秀网球运动员发球最大外旋角的范围在165°±10°,可见我国运动员的外旋幅度仍有提高的空间。上臂的外旋并非肩关节的主动用力,而是因为躯干的快速移动,使上臂的做相对的反向运动。如果上臂旋外肌群主动用力,则可能对挥拍时的旋内动作带来不必要了的对抗。Bahamonde等(2000)人的研究结果表明:对于腿部发力较好的运动员,运用了蹬伸力帮助了上臂的外旋,因而需要较小的旋内肌力(约为40Nm)矩来对抗旋外;对于下肢发力效果较差的运动员,则更多的是通过肌旋外肌群用力来达到上臂的最大外旋位置因而需要较大的旋内肌力(约为60Nm)矩来对抗旋外。提前在肩关节加载的负荷越大,越不利于挥拍阶段的发力。因此为提高我国运动员肩关节外旋幅度,应该加强运动员腿部爆发力的练习。本研究统计了8名运动员“搔背”结束时刻拍头和重心出现的最大落差。如表11所示运动员平均拍头比重心低了20cm。目前尚未找到关于评价拍头与重心最大落差数据支持。但有研究显示阿加西在“搔背”结束时刻,拍头比重心低18.9cm,张德培为20.5cm。这个指标可以间接反映运动员超越器械动作的完成情况,因此可作为网球运动的评价指标进行更深入的研究。综上所述,在“搔背”阶段运动员下肢迅速的蹬伸,躯干向击球点方向的侧屈以及持拍臂与球拍相对于躯干的向下运动形成了超越器械动作。统计结果表明(表12),蹬伸过程中下肢主要关节的平均角速度与重心平均上升速度呈显著性正相关。因此,增加下肢的爆发力可以提高“搔背”动作的完成质量。在此阶段,躯干仍有背向击球点方向的扭转,这也为挥拍击球充分蓄积了核心区的肌肉力量。2.3人体重力状态在挥拍击球阶段,运动员与地面的接触很少,或者完全处于腾空状态,在忽略空气阻力的情况下,人体仅受重力的作用。因此,在这个阶段人体是一个所受合外力矩为零的封闭力学系统,人体动量的只能从身体某一环节传递到另一环节,并最终传递给球拍。2.3.1重抛球时发挥评论员的侧屈特征根据前面的分析可知,躯干肌群是在挥拍击球阶段发挥爆发力的。8名运动员从抛球开始到击球时刻,躯干的扭转幅度为32.46°±13.93°,躯干的侧屈幅度为69.09°±15.42°(表13)。躯干的这种大幅度运动可以将人体从地面获得动能快速转化为朝向击球方向的动量矩。2.3.2最大速度和节段将8名运动员挥拍击球阶段,持拍侧上肢关节角速度数据通过插值做一致化处理(图10)。可以发现在此阶段,本研究8名受试者持拍侧上肢的运动规律是:肩关节首先发力,做内收运动和水平外展运动,最先克服阻力使上臂朝击球点方向运动。随后肘关节迅速发力伸展,前臂绕肘关节想击球点转动,将球拍举起。在肘关节完成发力以后,肩关节快速内旋完成击球。因此挥拍击球阶段,持拍臂的发力顺序应该描述为:肩——肘——肩——腕。观察图10中肩关节各运动角速度变化幅度和曲线的斜率,可知在挥拍击球阶段,最主要的运动为肩关节的旋内和肘关节的伸展。BrianJ.Gordon(2006)的研究结果也证实:在临近击球的时刻,肩关节屈伸运动和肩内收外展运动对于拍头速度的贡献率微不足道。因此从力量训练角度讲,肩关节旋肌和肘关节屈伸肌肉是网球发球上肢肌肉力量训练的重点。通过图11可以看出,上肢各环节的最大速度是从近端环节到远端环节依次传递的。结合前面的研究可知,网球发球过程是一个典型的鞭打动作。通过鞭打动作,身体自下而上,从大环节到小环节依次加速和制动,动量不断地传递、叠加(当然也有能量的损耗),最终是拍头获得巨大的运动速度和打击力量。从图11中还可以看出,拍头的最大速度并没有出现在击球时刻,而是略早于击球时刻。通过计算,8名运动员拍头的最大速度平均为39.29m/s,比击球时刻早0.008s。这和前人的研究结果是一致的。BruceElliot(1995)对11名优秀运动员的研究发现,大