棒球投手投球動作的運動生物力學研究綜述

馬秀杰,韓志磊,梁占鎖

前言

棒球運動是以擊球跑壘、跑壘得分的進攻行為與投球、接傳球的防守行為相對抗為特點的運動項目[2]。它是一項結合了攻擊和守備兩項要素所構成的團隊運動項目,它綜合了傳、接、打、跑四種基本技巧所組成,由這四種基本技巧演變成極其復雜且充滿高度技術性的團隊運動。

我國開展該運動可追溯到100多年前,自清朝學者將棒球運動由美國帶入我國以來,棒球運動在我國的開展就沒有間斷過。但是,由于棒球運動的投資大,加上后備人才的不足等原因,我國棒球運動的發展仍十分緩慢。近幾年來,在亞洲地區蓬勃發展的大好環境下,盡管2002年我國開展了職業棒球聯賽,但是我國棒球運動發展相對緩慢,在亞洲向來位于日本、韓國和中華臺北之后,大大小小的比賽中往往都只能獲得第四名。只有在2005年的亞洲錦標賽上,中國隊擊敗韓國隊,歷史性地獲得第三名,讓人們對于他們沖破“鐵三角”、實現進一步突破充滿了期待。中國隊和日本隊、韓國隊、中華臺北隊都是亞洲人,身體素質和身體形態都很相近,為什么總是落于其后呢?究其原因,用中國棒協秘書長申偉的話來說,“這幾年中國棒球取得了量的進步,但是還沒發生質的變化,中國棒球每次失利,最主要的客觀原因在于投手群的羸弱”[3]。

目前,由于我國棒球水平仍較低,群眾基礎較差,對于棒球運動的生物力學研究基本還是處于一個探索的階段,研究結果寥寥可數,僅2000年和平等人和2005年王正利等人對棒球投手的運動生物力學研究進行了綜述。而在棒球項目開展較普及的美國、日本、韓國等國家和臺灣地區的學者對棒球的研究眾多且深入。對于一支棒球隊來說,投手水平的高低是非常重要的,可以說,投手的水平左右甚至決定了一場比賽的勝負。因此,對投手技、戰術特點的研究一直以來都是國外學者關注的重點,其中,運用運動生物力學研究手段的研究報道也屢見不鮮。本研究綜述了近年來國內、外學者對棒球投球在運動生物力學方面的相關研究,以期能引起國內學者們對于此領域研究的關注,為今后的進一步研究奠定基礎,為教學訓練提供數據參考和理論依據。

1 關于棒球投手投球動作階段劃分的研究

Pappas等人(1985）[35]以15名職業棒運動員為受試者,使用高速攝影機進行投球動作分析。其在實驗中將投球動作分為3個階段：1）揮臂期(cocking phase）：指投球臂由舉臂動作(wind up）開始,到肩關節最大外旋的整個過程,其主要目的在于增加投球的工作距離；2）加速期：指由肩關節最大外旋姿勢開始,將球向前加速到棒球離手之過程(約50ms）,在這樣的極短的時間內須將球從近乎靜止狀態增加到時速153km/h；3）隨揮動作：指球離手后到完成投球動作的過程。

Fleisig等[19](1996）對棒球投球的動作以生物力學的角度區分,分為六個階段：預備階段 (wind-up phase）、前導腳觸地階段(stride phase）、上肢后擺階段 (arm cocking phase）、上肢加速階段(arm acceleration phase）、上肢減速階段(arm deceleration phase）、隨揮動作階段(follow through phase）。

我國臺灣學者把投球動作分為準備期(wind-up phase）、跨步期(cocking phase）、加速期(acceleration phase）、減速期 (deceleration）、投擲后期(follow through）5個時期的分期方法,其中的跨步期包含了 Fleisig劃分方法的腳觸地期及上肢后擺期。由于 Fleisig等(1996）所提出的棒球投手投球的分期方法較細膩,被大多數學者所采用。故將其劃分階段敘述如下：

圖1 投球動作流程示意圖(圖片作者自制）

投球動作流程如圖 1,預備階段(wind-up phase）(A）為投擲動作的開始,手擺在起始位置,兩腳著地,呈自然放松的姿勢,接著前導腳開始慢慢抬起,支撐腳維持身體平衡,上半身的動作沒有太大的變化,身體的重心仍維持不變,直到前導腳的膝關節抬至最高點(B）。膝關節抬至最高點后,前導腳觸地階段(stride phase）開始,前導腳開始向前方跨出,支撐腳從維持平衡轉為向前推蹬,投球手開始做水平外展(E）,將肩關節伸展到最大,身體重心開始向前轉移,最后前導腳觸地(F）,腳尖向前,投球側肩關節呈現外展90°的狀態。前導腳觸地后,上肢后擺階段(arm cocking phase）開始,上半身軀干及骨盆開始向前旋轉,肩關節開始外旋(shoulder external rotation）,重心持續向前移動,直到軀干轉至正面,肩關節外旋角度達到最大值(G）時,上肢后擺期結束[19]。

2 運動學方面的研究

運動學是對人體運動的定量描述,是研究人體運動的幾何性質,研究人體或器械在空間的位置隨時間變化的規律性,研究人體或器械的軌跡、速度和加速度等[4]。有關棒球投手運動學的研究主要探討關節角度、角速度及角加速度的變化,配合時間、空間參數,了解關節在活動時的狀態和特性。所搜集的文獻針對投手的運動學的研究,有多方面的探討。

2.1 關于球速與運動學參數的關系研究

Matsuo等[31](2001）曾以127名健康的大學投手及職業投手為受試者,比較球速較快和較慢的投手,分析運動學及時間參數,發現球速較慢的投手之前導腳膝關節最大屈曲角速度(260°/s）明顯大于球速快的投手(161°/s）,球速較快的投手則有相當大的肩關節最大外旋角度(179°）。

Stodden等[42](2001）以7位職業、9位大學及3位高中的投手探討骨盆和上半身軀干位置對球速的關系,發現當球速增加,上半身軀干和骨盆的旋轉角度都會有增加的現象。此外,在上肢后擺期的骨盆平均速度,及上肢加速期時上半身軀干的平均速度,都會隨著球速的增快而增加。

Stodden等[43](2005）探討19名大學棒球投手的投球動作,分析運動學參數與球速間的關系,其中2個時間參數(最大肩關節水平外展角度出現時刻的提前、最大肩關節內旋角度出現時刻的退后）、3個運動學參數(伸踏腿觸地瞬間肩關節水平外展角度的減小、加速階段肩關節水平外展角度的減小和球出手瞬間時軀干前傾角度的增大）都與球速增加有明顯正相關。這些參數數據的提高,肩關節和肘關節可能受傷的風險也隨著提高,所以投手要加強肩關節和肘關節附近肌肉力量的鍛煉。

2.2 不同國家的棒球投手運動學參數比較研究

Escamilla等[14](2001）對美國、荷蘭、日本、韓國、古巴、意大利、尼加拉瓜及澳大利亞等48名棒球投手為研究對象,對投球技術的21個運動學參數進行比較研究,了解在各國不同環境下所培養出來的投手在各方面有無顯著差異。結果顯示,肩關節水平外展角度和肩關節外旋角度在伸踏腳觸地瞬間和球出手瞬間各國存在顯著性差異,古巴投手的伸踏腳觸地瞬間的肩關節外展角度最大與其投球速度最快(39m/s）有著密切關系,其他的運動學參數各國投手都很相似,不存在顯著性差異。

Escamilla等[15](2002）分析11名美國與8名韓國職業棒球投手的運動學特性,以了解兩種不同人種棒球投手在力學表現上的不同,結果顯示,在腳觸地期,美國投手有明顯較大的肩關節水平外展,韓國投手則有較大的肩關節外展和外旋；上肢后擺期,美國投手顯示出較大的最大肩關節外旋,和較大的最大骨盆角速度；球出手瞬間,美國投手的軀干向前傾斜角度較大,球速也較快,及較小的膝關節屈曲,這解釋了美國投手的球速,比韓國投手的球速快10％的原因。根據這些影響球速的關節位置,在投手訓練的動作調整上,或許可以提供教練一些有效的參考信息,經由適當的調整投手關節位置,可產生更高球速的投球表現。

2.3 不同球路的運動學參數差異研究

Elliott等(1986）[12]以 6名澳大利亞國家隊的投手為研究對象,分析投直線快速球(fastball）和曲線球(curveball）投球動作的運動學參數,研究結果表明,兩種投球動作非常相似,但存在細微的差別,像步長、球速(快速球速度35.1m/s,曲線球28.2m/s）以及前臂和腕關節在球出手瞬間的動作。

Escamilla等[13](1998）以16名大學投手投球時運動學參數,分析投手分別投擲直線快速球(fastball）、變速球(change-up）、曲線球(curveball）、滑球(slider）時的動作特性,發現投擲不同的變化球時,大部分肩關節和膝關節的運動學參數變化,皆有顯著差異,直線快速球和變速球的差異最大,從前導腳觸地到球出手,膝關節屈曲的角度變化,直線快速球僅有2°,投擲變速球則有13°；加速期時,投擲直球的肩關節最大內旋角速度(7 550°/s）明顯大于變速球(6 680°/s）。

Barrentine等[6](1998）以8名大學的棒球投手,針對投擲不同變化球時,腕關節及前臂的運動學參數作探討,結果顯示,投擲曲球時,前臂最大旋前角度最大,可達32°,但投擲直線快速球和變速球時,腕關節和前臂的運動學參數并無差異。

由這3篇文獻可知,直線快速球和變速球投擲的差異,主要發生于肩關節及膝關節的位置變化,與前臂及腕關節的活動無相關,這些與球路相關的關節位置的差異,也可提供打擊者對于投手投球預測的參考信息。

2.4 不同年齡、經驗或運動水平的投手運動學差異研究

Fleisig等[17](1999）以23名初中生、33名高中生、115名大學生及60名職業投手為研究對象,分別在16個運動學參數和6個時間參數進行了對比分析,結果發現,肘關節屈曲等6個運動學參數呈顯著性差異。

Dun等[11](2007）探討年齡對職業棒球投手的影響,將67名職業棒球投手高于平均年齡一個標準差的12名投手為老年組,及10名低于平均年齡一個標準差的投手為年輕組,比較兩組投球動作的不同,發現老年組投手,上肢后擺期有較小的肩關節外旋,球離手時前導腳膝關節有較多的屈曲,且身體傾斜的角度較小,但球速和身體環節速度的變異上,老年組和年輕組之間沒有差異。

Murata[34](2001）按照教練建議和投手球速及臨場表現,將6名普通人球隊投手和3名高中棒球投手分為熟練組(skilled）和不熟練組(unskilled）,探討投球時非投球側肩關節動作的異同,及與球速之間的關系,發現熟練組的投手,非投球側肩關節的動作比不熟練組的投手小,且較小的動作一樣可以產生較快的球速。表示球齡較久的投手,在身體動作較小與較不費力的情形下,一樣可以運用技巧達到高球速。

2.5 不同投擲動作運動學差異研究

Fleisig等[19](1996）對 26名高中、大學棒球投手的投球動作和26名高中、大學橄欖球四分衛的傳球動作進行三維高速攝影動作分析,研究結果表明,四分衛傳球肩關節最大外旋角度、髖關節的最大轉動速度、上體最大轉動速度、肘關節最大伸展速度以及肩關節的最大內旋角速度都比棒球投球動作早,在球出手瞬間四分衛的步長小于棒球出手瞬間的步長長度,并且,四分衛在球出手瞬間身體是直立的,另外,在揮臂準備階段,四分衛的肘關節伸展角度和肩關節水平外展角度比棒球投手的大。

表1 棒球投手投球之運動學相關文獻一覽表

3 動力學方面的研究

分析投手投球時的動力學,可了解投球時身體各部位關節作用力的變化,進而推估引起運動傷害的機制。

3.1 不同運動級別、年齡投手的動力學分析

Fleisig等[17](1999）以不同比賽級別(competition level）的投手,包括23名初中生、33名高中生、115名大學生與60名職業的投手,分析投球時動力學的差異,發現較高級別的投手,上肢后擺期和加速期,有較大的肩關節與肘關節力矩,而關節力矩值隨著級別的提高顯著的增加,表現出級別越高的棒球投手,越存在較大的受傷風險。

Aguinaldo等[5](2007）以6名職業、11名大學生、12名高中生和9名初中生的投手,探討上半身軀干旋轉,與肩關節力矩之間的關系,發現職業運動員上半身開始旋轉的時機,在整個投球動作時程的 34％,較其他層級的投手(14％）明顯的要晚了20％,并有較少的上半身旋轉力矩,這使得職業選手能更有效率的使用身體來產生動量,且同時減少肩關節的負擔。

3.2 不同國家之投手動力學參數研究

Escamilla等[15](2002）以11名美國與8名韓國的職業棒球投手,比較美、韓投手動力學參數,美國投手在上肢后擺期,有較高最大肩關節內旋力矩和最大肘關節內翻力矩,加速期有較高肘關節屈曲力矩,以產生高球速,相對也形成較高肩關節和肘關節的負荷。

Stodden等[43](2005）探討 19名大學生棒球投手的投球動作,分析動力學參數與球速間的關系,其中肘關節屈曲力矩、肩關節與肘關節力量與球速增加有明顯正相關。表示高球速時,這些上肢關節承受的力量與力矩也隨之增加,伴隨著肩關節和肘關節可能受傷的風險也隨著提高。

3.3 不同球路之動力學研究

Fleisig等[18](2006）研究21名大學生投手投擲4種變化球(直線球、曲線球、變速球、滑球）的差異,發現投擲變速球時的關節力矩,比其他3種變化球小,直線球有最大的肩關節水平外展力矩(111 Nm）和肘關節內翻力矩(82 Nm）,投曲線球時,肘關節的屈曲力矩(41 Nm）比投變速球時要大。由此可知,擅長不同球路的投手,為了盡可能減低運動傷害發生的風險,肌力訓練時應強調訓練的肌群亦不同,如擅長投曲線球的投手,在肌力訓練上,應該加強肘屈肌的訓練,以適應投球時高強度的肘屈曲力矩。

Xue與 Masuda[45](1997）分析12名日本職業投手投球動作,發現快速的投擲動作中,肩關節像是一個重要的支點,支撐著加速期投球的上肢,為了讓投球的動作完美且預防肩關節的損傷,避免關節承受過度的壓力和剪力是相當重要的。

由以上動力學相關的研究可知,產生較高球速時,上肢關節力矩也相對提高,對于不同球路的變化球,也會造成關節負荷的不同,教練和選手應在增加球速的同時,也需注意到關節力矩的增加所帶來的負擔,并配合適當的肌力訓練計劃,以免造成運動傷害。

表2 棒球投手投球之動力學相關文獻一覽表

4 肌力學方面的研究

對于棒球投手而言,肌力的強弱與能否投出高球速,及避免強大作用力而造成的運動傷害,有密切的關系。

4.1 棒球投手主要肌肉群的肌電學研究

由于直接對上肢進行動力學研究難度較大,為了揭示上肢運動的動力學機制和運動過程中肌肉活動的時序與大小,國外一些研究者對上肢運動時的主要發力肌群進行了肌電研究。

Frank[20](1983）對棒球投擲動作中肩關節周圍的肌肉進行了肌電研究,發現在上肢反向運動階段肩關節周圍肌肉的運動順序是三角肌——S.I.T.(崗上肌-崗下肌-小圓肌）——肩胛下肌,在向前投擲階段肌肉活動減小,肱二頭肌幾乎是靜止的,而隨揮階段由于肌肉做離心收縮減小肢體運動速度所以出現較大的活動。

Sisto等人(1987）[41]以8名大學投手為受試者使用動態肌電圖(450張/s）分析肘關節肌群在投快速球與變化球時,其肌肉收縮強度與形態是否有所不同。受測肌群包括伸指肌、肱橈肌、橈側屈腕肌、屈指淺肌、橈側伸腕短肌、旋前圓肌以及旋后肌等。結果顯示：1）所有受測肌肉群在兩種投球過程中僅產生低至中強度收縮；2）快速球與變化球在肌肉收縮型態僅在于投變化球時,其橈側屈腕長肌與短肌之收縮強度于揮臂(cocking）后期、加速期以及隨揮動作中有增加,但并不顯著的增加。因此,該研究者推測這些受測肌群的功能,可能僅在將軀干以及肩帶結構所產生的動能傳送至球上。

Elliott[9](1999）對上肢肌拉長后有停頓和無停頓的投擲運動進行了肌電與高速攝像的同步研究,認為最大腕速的21.9％是由于彈性勢能的再利用獲得的,文章還得出了停頓時間和最大腕速之間的回歸方程。

Gowan[22]等人1987年以7名職業和6名業余棒球投手為受試者,對投球動作肌電圖進行分析,研究結果顯示：岡上肌、岡下肌、小圓肌、三角肌、斜方肌、肱二頭肌在手臂卷曲階段(cocking phase）,肌肉收縮強度較大,而加速時期則較小；胸大肌、前鋸肌、肩胛下肌與背闊肌在投球中的主要功能是使手臂與球向前加速,在加速期(acceleration phase）中這些肌群有較大的收縮強度。

Jobe[28]等人(1984）以4名男性為受試者,使用肌電圖與高速攝影機(500 fps）,分析其肩關節肌群在投球動作中的收縮狀況。受測肌群包括肱二頭肌與肱三頭肌的長頭與外側頭部份、胸大肌、背闊肌、前鋸肌以及肱肌等。結果顯示：1）在揮臂階段(cocking）動作初期所有受測肌群只產生低強度收縮；2）在上臂后擺階段(即伸踏腳著地至肩關節最大外旋）二頭肌產生中等強度收縮；3）在上臂加速期,肱二頭肌放松,而胸大肌、背闊肌、肱三頭肌以及前鋸肌全都產生收縮情形。因此,這些肌群將先扮演減速的功能,接著主動收縮肩關節內旋使球向前方加速。4）隨揮動作階段,部份肌肉將繼續主動收縮將肩關節帶過身體中心、肘關節伸展以及前臂旋前,同時,上肢肌肉也將產生減速的離心收縮。

Jobe[29]等人(1983）以5名業余棒球投手為受試者(年齡25～33歲）,以肌電圖與高速攝影機分析其三角肌與肩旋轉肌群(rotator cuff）在投球過程中的收縮模式。結果顯示：1）在舉臂或準備階段里(指由舉臂到球離開手套之過程）其受測肌群收縮強度較低,且無固定的收縮模式。2）揮臂動作時(cocking phase）指球離開手套到肩關節最大外旋之過程,其肌肉收縮有一定的模式：首先由三角肌的前、中、后段產生收縮,使肩關節抬至90°外展,接著崗上肌、崗下肌、小圓肌(S.1.T.肌群）收縮,其中以崗上肌的收縮強度最強,最后由肩胛下肌收縮。3）加速期時(指肩關節由最大外旋姿勢開始作內旋動作,至球離開手指的過程：此時肩關節的動作為水平屈曲與內旋）,受測肌群的收縮強度較低,這一過程在0.5 s內完成,在球離手前,S.1.T.肌群產生收縮,使對肩關節內旋動作形成減速功能。4）在隨揮動作時(球離手至動作結束階段）,肩關節仍繼續內旋與水平屈曲,而所有受測肌群則產生最大強度之收縮,其原因可能與動作之減速有關。

Hirashima(2002）[25]等人記錄了上肢表面肌電和腹部肌電在上投投球過程中檢測啟動和峰值時間,在受試者中的肌電圖中發現：1）肌電活動的順序是從肩胛(scapular）到肩水平屈肌,從肩水平屈肌到肘伸肌。但從肘到腕不是從肘伸肌到腕屈肌或前臂旋前肌(p ronator）,支持投球動作在肩關節、肘關節間是一個由近到遠加速的動力鏈觀點。2）投擲臂對側的腹外斜肌較同側的外斜肌先出現肌電活動。這樣的順序被認為能使軀干產生很大的力和能量是非常有效的。3）同側的外斜肌在幾乎伸踏足觸地瞬間開始活動。最后,腹直肌的主要活動出現在球剛出手點之前。

Saitou等[39](2001年）對5名大學投手針對肱二頭肌、肱三頭肌、尺側腕屈肌、尺側腕伸肌、旋前圓肌、橈側腕屈肌、橈側腕伸肌等肌肉在投球時肌電活動(球離手前300 ms至球離手后200 ms）與球速進行因素分析,進而了解各肌肉對于球速的貢獻。結果顯示：肱三頭肌、橈側腕屈肌、橈側腕伸肌為與球速有相關的第一級因素、伸指肌與尺側腕伸肌為第二級因素、肱二頭肌、尺側腕屈肌與旋前圓肌為第三級因素。

由以上肌電學相關的研究可知,肌電學的研究主要對上體肌肉群(主要是腹部肌肉群和上肢肌肉群）的參與程度、參與時刻、收縮程度、貢獻程度進行了研究,而對伸踏腿和軸心腿在整個投球動作過程的肌肉群的肌電學情況沒有涉及,這無疑為研究者提供了研究指南。

4.2 棒球投擲臂各關節等速肌力研究

等速肌力測試儀器經過數十年來的發展與改良,已經可以更精確、客觀以及有效地用來評估病人或運動選手的單一或多關節動作所產生的肌肉收縮力量與動力。棒球投球動作是由一連串復雜的關節活動所構成的,而其中又以上肢關節動作對球速的影響最大,因此對棒球投手上肢各主要關節等速肌力特性的了解,可為棒球教練擬定訓練計劃提供參考。

Pedegana[37]等人(1982）以 8名職業棒球投手為受試者,分析其上肢各關節在角速度為60°與180°/s的等速肌力與球速之間的關系。等速肌力測試之動作包括投擲臂與非投擲臂肩關節：外展與內收、屈曲與伸展、水平外展與內收、內旋與外旋、肘關節屈曲與伸展、前臂旋前與旋后(前臂與腕關節測試角速度為30°與120°/s）、腕伸展與屈曲。在經過簡單線性回歸(simple linear regressions）統計分析后,結果顯示,在所有受測動作中,肘關節與腕關節伸展動作與球速之間有顯著相關。

Wilk[44]等人(1992）以50名職業棒球選手為受試者,探討肩關節外展與內收等速測力時,以1）windowed與2） unwindowed所取得之測試數值是否會對研究結果產生影響。實驗所使用之測力器為Biodex等速測力系統,受試者投球臂與非投球臂皆接受角速度180°與300°/s的等速測力。結果顯示：1）慣用臂、非慣用臂以及兩種角速度所取得的平均峰值轉矩,windowed顯著大于unwindowed。2）研究指出,在進行肩關節外展與內收等速肌力測試時,應注意所采用數據的差異對實驗結果產生的影響。

Bartlett[7]等人(1989）以 11名職業棒球投手為受試者,探討其上肢各關節等速肌力與球速之間的關系。受試者投球臂與非投球臂分別對1）肩關節屈曲與伸展、2）肩關節外展與內收、3）肩關節水平外展與內收、4）肩關節90°外展的內旋與外旋、5）肘關節屈曲與伸展、6）前臂旋前與旋后、7）腕關節屈曲與伸展等動作進行角速度為90°/s等速肌力測試。結果顯示：投球臂肩關節內收動作與球速間有顯著相關(r=0.545，P＞0.05）,而肩關節伸展動作與球速之相關性雖高,但未達顯著水平(r=0.458）；其余受測關節之等速肌力與球速間的相關系數分別為：肩關節內轉動作r=0.098、腕關節伸展動作r=0.109、肘關節伸展動作r=0.000、肘關節屈曲r=0.307、腕關節屈曲r=-0.162。該研究作者推測：由于肩關節內收動作中的主作用肌如胸大肌、背闊肌以及伸展動作的背闊肌與投球動作的主要肌群相同,因此,其與球速的相關性較高。

Paw low ski[36]等人(1989）以 10名大專棒球代表隊投手為受試對象,探討其投擲臂1）肩關節伸展與屈曲、2）肩關節內旋與外旋、3）肘關節屈曲與伸展等動作的等速肌力值與球速間的關系。其實驗中所采用之等速測力角速度分別為90°與240°/s,而所測得之等速肌力值包括峰值轉矩、轉矩加速度能量(Torque Acceleration Energy）,平均動力值(Average Power）以及總作功(Total Work）等 。結果顯示,1）肩關節內旋動作在角速度為240°/s時的峰值轉矩、轉矩加速度能量、平均動力值以及總做功與球速間有顯著相關。2）肩關節和肘關節之伸展與屈曲動作的等速測力結果與球速之間無顯著相關。3）肩關節外旋動作在角速度為240°/s之峰值轉矩、平均動力值以及總做功都與球速之間有顯著相關。此研究結論指出,由于投球動作的特殊性使得肩關節內旋與外旋動作在較高角速度的等速測力中出現顯著相關。

Hinton[24]等人(1988）以 26名高中棒球投手為受試者,探討其投球臂與非投球臂的外旋與內旋動作在角速度為90°與240°/s的情況下進行等速肌力測試,以1）躺姿,肩關節90°外展,2）立姿,肩關節0°外展姿勢所獲得的峰值轉矩、總做功、單位體重之峰值轉矩以及作用肌與拮抗肌之比值等是否存在差異。結果顯示：1）兩種測試姿勢所獲得之轉矩值顯著不同,以肩關節90°/s外展姿勢所產生之外旋轉矩、外旋與內旋轉矩之比值,以及總做功較高。2）兩種角速度下之外旋與內旋峰值轉矩未有顯著差異。3）投擲臂之作用肌與拮抗肌的比值相對于非投擲臂較不平衡,在90°外展姿勢時,投球臂90°/s為68.7％、240°/s為 79.9％,而非投球臂 90°/s為 75.9％、240°/s為 80.3％。

Brown[8]等人(1988）以41名職業棒球運動員為受試者,比較其投擲臂與非投擲臂肩關節之內旋與外旋動作在角速度為180°/s、240°/s以及300°/s之等速肌力,以及上肢各關節的活動范圍是否有顯著差異。結果顯示,在等速肌力的比較部份：1）投手的投擲臂與非投擲臂各個測試動作與角速度之測試結果皆大于非投手；2）投手的投擲臂顯著大于非投擲臂；3）在各個測試角速度下,主動肌與拮抗肌之比值,投手與非投手并無顯著差異。

4.3 棒球投擲臂肌力學其他方面的研究

M ikesky等[32](1995）檢測25名大學生棒球投手肩關節及肘關節等速肌力值,發現無論是肩關節或肘關節的離心力矩,都明顯高于向心力矩。

Donatelli等[11](2000）比較39名職業棒球投手投球側和非投球側的肩關節肌力強度,結果投球側的內旋肌肌力(18.2 Nm）,明顯大于非投球側內旋肌肌力(17.4 Nm）。

Huang等[26](2005）探討成年棒球(19～24歲）、青年棒球(16～18歲）、青少年棒球(13～15歲）及少年棒球(9～12歲）各20名的投手,肩關節內旋肌和外旋肌之等速肌力和肌耐力的比較,結果顯示,外旋肌力和內旋肌力比值的范圍在0.71到0.77之間,表示內旋肌的肌力普遍大于外旋肌的肌力。此外,和成年投手相比,未成年投手的外旋肌肌力和肌耐力明顯較弱,因此,對于未成年投手,外旋肌的訓練應需特別加強。

Hayashida與Nakagawa[23](2005）探討高中生投手肩關節外展肌肌力和球速在經過19場比賽后變化情形,發現肩關節外展肌肌力和球速都明顯下降。

Mullaney等[33](2005）調查13位來自大學或小聯盟,平均每7局投球數99球的投手,在一個短暫賽程(19場）前后,投手肌力的變化情形,發現整體的肌力數值,在賽后都呈現下降,肩關節屈肌肌力下降15％,內旋肌肌力下降18％,外展肌下降11％,表示對棒球投手而言,應重視肩關節肌力的訓練,尤其是內旋肌和外展肌肌群的肌力,以維持較高的球速和應付比賽時對關節造成的負擔。由此可知,肌力對投球動作的重要性,經過比賽之后,肩關節肌力有明顯下降的趨勢,而且,年紀較輕的選手的肌力和肌耐力明顯較弱。

表3 棒球投手投球之肌力相關文獻一覽表[1]

5 棒球投手運動生物力學研究方法

文獻資料顯示,有關棒球運動的運動生物力學研究的文章中,關于棒球投手的研究占70％,形成這種格局一方面是由于棒球投手自身的特點,投手的水平對比賽的勝負起到了80％左右的作用,他是全隊的靈魂,亦是衡量一個棒球隊強弱的標志。另一方面,進行棒球運動生物力學的科學研究開展的比較早。

表4 關于棒球投手研究方面與研究儀器一覽表

由于科技的發展和各個學科的相互滲透,有關棒球投手投球動作的運動生物力學的研究方法向準確化、同步化、模型化和電腦化方面邁進了一大步。主要通過攝影、錄像進行三維現場拍攝或者實驗拍攝投球動作,并結合影、像解析軟件,獲得人體運動學參數。在實驗條件下還可與三維測力臺、遙測肌電儀相結合,利用同步技術,取得與之相應的動力學和肌力參數。從運動學與動力學兩方面進行分析比較,探索運動技術的原理及運動規律,為評價動作技術的合理性、設計新的訓練手段、改善運動技術動作、提高運動成績提供理論依據。

6 研究綜述對我國研究者的啟發與展望

6.1 啟發

從國外學者對棒球投手投球動作的運動學、動力學和肌電特征等各個方面的科研報道,得知很多先進的科研手段,如高速攝像、等速肌力測試系統、表面肌電圖等已經被引入到對棒球投手的研究中。這樣可以啟發我國學者對棒球研究者,無疑對我國開展棒球投手運動生物力學研究提供很多的思路和方案參考。我國棒球研究者可以根據我國棒球的實際情況對影響棒球投球球速的技術動作生物力學因素,以及如何優化投球動作進行深入的研究。同樣通過對國外學者的研究狀況提示我國學者可對此方向進行多角度、多層次的研究,以提高我國棒球運動水平,增加我國棒球運動投手運動員的技戰水平和棒球的觀賞性。

6.2 研究思路的擴展

通過分析國外學者的研究思路和研究方案,為進一步開展我國其他運動項目的運動生物力學研究提供了思路,例如：類似棒球投手的投擲鞭打動作(鉛球、排球的扣球、標槍等）的擴展性研究；對投手投球動作過程中下肢動作的運動生物力學研究的展開；對擊打員的擊打動作的運動生物力學研究；對外場手接不同球時的運動生物力學研究；運用兩種或兩種以上的研究儀器進行某一動作的同步運動生物力學研究；研究方法擴展和深入開發研究；擴展到其他運動項目動作技術的監控研究。

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