足球運(yùn)動(dòng)中幾種常見動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)分析

徐利明，賈兆雷，李 巍

（1. 唐山市體育運(yùn)動(dòng)學(xué)校，河北 唐山 063000；2. 唐山學(xué)院，河北 唐山 063020；3. 唐山市職業(yè)教育中心，河北 唐山 063000）

足球運(yùn)動(dòng)中幾種常見動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)分析

徐利明1，賈兆雷2，李 巍3

（1. 唐山市體育運(yùn)動(dòng)學(xué)校，河北 唐山 063000；2. 唐山學(xué)院，河北 唐山 063020；3. 唐山市職業(yè)教育中心，河北 唐山 063000）

采用文獻(xiàn)法、比較分析法，并運(yùn)用運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的原理對(duì)幾個(gè)足球技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行分析，旨在使技術(shù)動(dòng)作更加的合理實(shí)用。

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；制動(dòng)；穩(wěn)定角；運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)

1 引言

足球運(yùn)動(dòng)是世界上開展最廣泛，影響最大的體育項(xiàng)目，號(hào)稱“世界第一運(yùn)動(dòng)”，深受世界各國(guó)和各地區(qū)人民的喜愛。其特點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，規(guī)則簡(jiǎn)明，場(chǎng)地大，比賽時(shí)間長(zhǎng)，參加人數(shù)多，對(duì)抗激烈，觀賞性強(qiáng)，是速度與力量的完美結(jié)合。足球場(chǎng)上的激烈對(duì)抗充分激發(fā)著人體潛能，是智慧與體能的雙重較量。它能全面地鍛煉身體，對(duì)于增強(qiáng)體質(zhì)和培養(yǎng)優(yōu)良品質(zhì)也都有很大的意義。

本文對(duì)足球運(yùn)動(dòng)中幾種常見的動(dòng)作，如踢頂球、香蕉球、身體平衡機(jī)制、蹬踏等進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)分析。

2 幾種足球動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)分析

2.1 踢、頂球的力學(xué)機(jī)制

根據(jù)動(dòng)量定理，為了把球踢得更遠(yuǎn)，就要給球以強(qiáng)大的沖力，并且與球接觸（撞擊）的時(shí)間要短。踢球前大腿先后擺，小腿彎屈，這些動(dòng)作既有省力因素又可以加大踢球時(shí)的工作距離，延長(zhǎng)肌肉的作用時(shí)間。踢球前大腿后擺拉長(zhǎng)了屈大腿肌肉（髂腰肌）的長(zhǎng)度，提高該肌肉的興奮性有利于增大肌肉力量，使大腿帶小腿，加大髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。踢球前屈膝拉長(zhǎng)了股四頭肌，提高該肌興奮性，有利于伸膝踢球時(shí)增大股四頭肌肌力，從而加大膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，最終提高足球運(yùn)動(dòng)的線速度。如若接觸球的時(shí)間短，就有利于給球較大的沖力。

以髖關(guān)節(jié)冠狀軸為轉(zhuǎn)軸擺腿踢球時(shí)，大小腿折疊擺動(dòng)要比直腿擺動(dòng)速度快，因?yàn)榇笮⊥日郫B擺動(dòng)時(shí)質(zhì)量分布相對(duì)靠近轉(zhuǎn)軸，從而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，速度就大，出腳快。這樣在比賽中就爭(zhēng)取到了時(shí)間，占據(jù)了主動(dòng)。

如圖1所示，OAC的質(zhì)量分布比OBD更靠近O點(diǎn)，所以在相同大小力的作用下，OAC到OA′C′的速度更快于OBD到OB′D′的速度。

從制動(dòng)的角度看，在大腿擺動(dòng)到垂直面附近時(shí)制動(dòng)，同時(shí)小腿加速前擺，由制動(dòng)引起動(dòng)量矩傳遞，從而使小腿的擺動(dòng)速度更快，力量也更大。如圖2所示，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言，

所以影響W2的因素有兩個(gè)，W1和I1/I2的值。即增大W1可以使W2增大。所以增加預(yù)擺速度使W1增大，從而使W2增大。另外增大I1/I2的值可以使W2增大。I1是制動(dòng)環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。I2是繼續(xù)運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。要使I1/I2值增大，盡可能增大I1，即動(dòng)員更多的關(guān)節(jié)參與工作。

從動(dòng)量矩守恒定律看。在擺腿的同時(shí)，上臂會(huì)從下經(jīng)斜前方往上揮動(dòng)，這不只是簡(jiǎn)單的習(xí)慣性為了身體平衡而做的協(xié)調(diào)動(dòng)作，更重要的是符合了動(dòng)量矩守恒定律。當(dāng)系統(tǒng)所受合外力矩為零時(shí)，其動(dòng)量矩守恒。對(duì)跑動(dòng)中擺腿踢球的人體

又∵ 肩拉力矩＜髖拉力矩

從理論上看I1W1遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于I2W2這樣與I1W1=I2W2不相符。在實(shí)踐中上臂揮動(dòng)的路途長(zhǎng)，速度會(huì)快，通常還會(huì)是直臂揮動(dòng)，以求與下肢取得平衡。建議在平時(shí)的訓(xùn)練中要適當(dāng)加強(qiáng)肩臂力量的鍛煉。

上述原理也體現(xiàn)在頭頂球的爆發(fā)力中。頂球力量是由身體部分逐步增加力量而產(chǎn)生的，當(dāng)跳起時(shí)，踝、膝和髖關(guān)節(jié)的有力伸展輔之以助跑蹬地和軀干、臂、頭部有力的動(dòng)作，通過球的中心點(diǎn)而表現(xiàn)出爆發(fā)力量。但身體騰空后力量的主要來源一種是上體借助兩腿迅速有力蹬地的反作用而向前擺，帶動(dòng)頭部快速迎擊來球。這種方法能夠充分發(fā)揮腹背肌肉的屈伸作用，使頭部在出球前預(yù)先獲得一定的擺動(dòng)速度，增大頭部擊球的力量。無論原地助跑、向前向兩側(cè)頂球和較遠(yuǎn)距離的傳球和射門，一般都這樣發(fā)力。另一種是借助弓身拉長(zhǎng)腹部肌肉的有力收縮和頸部的靈活快速的發(fā)力，以頭部敲擊球的方法發(fā)力。這種發(fā)力方法沒有明顯的準(zhǔn)備動(dòng)作，頂球突然快速，出球隱蔽，方向變化莫測(cè)，但力量較小，一般用于短傳近射，尤其在變向頂球時(shí)作為“擺渡”其效果則更好。不管哪種方法發(fā)力，最后的擊球爆發(fā)力都應(yīng)在身體達(dá)到最高點(diǎn)和身體擺到垂直地面時(shí)，發(fā)力最好，效果最佳。

2.2 香蕉球的力學(xué)機(jī)制

給球一個(gè)偏心力，球在空氣中既有平動(dòng)又有轉(zhuǎn)動(dòng)。球體表面附近的流體由于有粘性將隨著球體一起轉(zhuǎn)動(dòng)形成繞球體的環(huán)流層。其環(huán)流層的厚與薄與球皮的粗糙程度及球體的旋轉(zhuǎn)角速度有關(guān)。球向前運(yùn)動(dòng)分開空氣，形成上下兩個(gè)半?yún)^(qū)，環(huán)流層與主流層疊加后相對(duì)于球來說上半?yún)^(qū)的主流層的流向與環(huán)流層一致，流速加快。下半?yún)^(qū)由于主流層與環(huán)流層的流向相反，所以流速將減慢。根據(jù)伯努利定律，流速和壓強(qiáng)成反比，上半?yún)^(qū)壓強(qiáng)小，下半?yún)^(qū)壓強(qiáng)大，所以下半?yún)^(qū)作用于球的力大于上半?yún)^(qū)，從而使球的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，軌跡便成了一條弧線。參見圖3。弧度的大小與風(fēng)向和風(fēng)速有關(guān)系，逆風(fēng)時(shí)弧度會(huì)更大一些，下墜球就是由此形成的。凌空抽射的球起初看似高出球門，可突然下墜令守門員很難判斷。一些高水平球員常踢出側(cè)下旋球，這樣的球就更具威脅力了。

2.3 身體平衡的穩(wěn)定機(jī)制

2.3.1 身體平衡的穩(wěn)定性與支撐面的大小有關(guān)

支撐面越大，物體平衡的穩(wěn)定性就越好。在踢球時(shí)是一只腳完成支撐，另一只腳擺動(dòng)踢球，所以支撐面很小，其穩(wěn)定性也就很差。為了提高穩(wěn)定性通常采用“滾動(dòng)支撐”，就是支撐腳在支撐時(shí)，先由腳跟著地，再過渡到腳掌，最后完成全腳掌支撐。這樣做再結(jié)合緩沖將提高支撐面的支撐效果，從而提高踢球時(shí)的穩(wěn)定性。

2.3.2 身體平衡的穩(wěn)定性與重心的高度有關(guān)

重心越低，穩(wěn)定性越好。為了踢球時(shí)能及時(shí)地把重心降下來，可以在支撐腳落地時(shí)做緩沖動(dòng)作。落地緩沖主要依靠髖、膝、踝各關(guān)節(jié)的屈伸來調(diào)節(jié)重心相對(duì)于支撐面位置的高度，達(dá)到維持和恢復(fù)平衡的目的。球員髖、膝、踝各關(guān)節(jié)的緩沖性彎曲的角度值越大，重心下降的高度也越大。從球員完成踢球的效果來看，總的原則是：髖、膝、踝各關(guān)節(jié)在每一瞬間的屈伸角度的大小要有利于重心回到支撐面的穩(wěn)定邊界范圍之內(nèi)。

2.3.3 保持身體平衡便于向各方向靈活起動(dòng)

在擺脫防守隊(duì)員或定位球搶點(diǎn)起動(dòng)時(shí)，要將重心盡可能抬高并前移，減小前進(jìn)方向的穩(wěn)定角，以便快速突破平衡，在最短時(shí)間內(nèi)加大速度。球員要根據(jù)場(chǎng)上需要隨時(shí)起動(dòng)，因此需要在保持平衡的前提下減小各個(gè)方向上的穩(wěn)定角，以便靈活起動(dòng)。但在對(duì)抗中，就必須加大在對(duì)手方向上的穩(wěn)定角，達(dá)到提高對(duì)抗方向上的穩(wěn)定性。

一般射門高的原因是支撐腳位置不當(dāng)，上體后仰，膝關(guān)節(jié)在球的后上方所造成的，所以射門時(shí)要盡可能地調(diào)整好支撐腳的位置，使膝關(guān)節(jié)保持在球的正上方和上體稍前傾，同時(shí)要求接觸球的部位要正確。以踢凌空球射門技術(shù)為例，當(dāng)支撐腳固定后髖關(guān)節(jié)固定，大腿擺動(dòng)制動(dòng)后膝關(guān)節(jié)也相應(yīng)固定。這樣在觸球部位、速度和力量都一樣的情況下，球的運(yùn)行路線就固定了。在離球門同樣的距離內(nèi)，圖4(1)的球會(huì)高出球門，而圖4(2)的球會(huì)打在球門內(nèi)。同樣的一次機(jī)會(huì)，由于人體不同的平衡狀態(tài)就會(huì)出現(xiàn)截然不同的威脅效果和具有本質(zhì)性差別的結(jié)果。

2.4 危險(xiǎn)動(dòng)作中的蹬踏

所謂蹬踏，其中有抬起腳從上往下跺的動(dòng)作，多見于雙方隊(duì)員同時(shí)搶球或一名隊(duì)員傳球另一名隊(duì)員過來封堵時(shí)。被侵犯的常常是控球隊(duì)員，小腿的脛骨部位最易受傷，這也是足球運(yùn)動(dòng)員為什么要帶護(hù)腿板的原因之一。

蹬踏動(dòng)作的危險(xiǎn)性之所以大，原因在于其作用在脛骨上的是剪切載荷，在載荷的各表現(xiàn)形式中，物體承受剪切載荷的能力最小，如圖5。當(dāng)控球隊(duì)員擺腿觸球前或觸球后其用力方向是由下向上的，而蹬踏動(dòng)作的用力方向恰好是由上往下的，在爭(zhēng)搶中或?yàn)榱瞬槐粚?duì)方把球破壞掉，踢球隊(duì)員的擺腿速度和力量都會(huì)加大，只要和防守隊(duì)員腳底相觸，其結(jié)果就很危險(xiǎn)。

如圖6，AB整體向前運(yùn)動(dòng)，C點(diǎn)遇到與其運(yùn)動(dòng)相反的力，其形式符合剪切載荷，載荷施加方向與骨表面垂直，且在骨內(nèi)部產(chǎn)生剪切應(yīng)力和剪應(yīng)變，所以受傷會(huì)很嚴(yán)重。

3 結(jié)論

足球運(yùn)動(dòng)是是速度與力量的完美結(jié)合，激烈對(duì)抗更增添了觀賞性。這背后缺少不了每個(gè)隊(duì)員的刻苦訓(xùn)練，只有掌握了科學(xué)理論基礎(chǔ)，運(yùn)用科學(xué)的方法去訓(xùn)練才能事半功倍，使技術(shù)動(dòng)作更加合理實(shí)用。

[1] 編寫組.運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2007: 79-80.

[2] 中國(guó)足球協(xié)會(huì).足球競(jìng)賽規(guī)則[M].北京:人民教育出版社,2010:45.

[3] 王崇喜.球類運(yùn)動(dòng)——足球[M].北京:高等教育出版社, 2001:123.

[4] 麻雪田,王崇喜.現(xiàn)代足球運(yùn)動(dòng)高級(jí)教程[M].北京:高等教育出版社,2002:96-97.

（責(zé)任編輯、校對(duì)：孫海祥）

The Application of Sporting-Biomechanics to Soccer Teaching

XU Li-ming1, JIA Zhao-lei2, LI Wei3

(1. Tangshan Sports School, Tangshan 063000, China; 2. Tangshan College, Tangshan 063020, China; 3. Tangshan Vocational Education Center, Tangshan 063000, China)

By the methods of documentation, comparison and analysis, this thesis researches on several technical actions in football matches according to the principle of athletic biological mechanics. Itis for the purpose of using the actions more properly.

curling inertia; crushing running; stable angle; sporting-biomechanics

G804.6

A

1009-9115(2012)02-0131-03

2011-12-06

徐利明（1973-），男，河北唐山人，初級(jí)教練，研究方向?yàn)轶w育教學(xué)與訓(xùn)練。