對E lliott“生物力學(xué)與網(wǎng)球”一文的述評

郝衛(wèi)亞（國家體育總局體育科學(xué)研究所，中國北京）

對E lliott“生物力學(xué)與網(wǎng)球”一文的述評

郝衛(wèi)亞（國家體育總局體育科學(xué)研究所，中國北京）

網(wǎng)球；肌肉預(yù)張力；動力學(xué)鏈；負(fù)荷；網(wǎng)球肘

在網(wǎng)球比賽中取勝，需要有天賦的運(yùn)動員、優(yōu)秀的教練員、適合的器材，以及對這個運(yùn)動項(xiàng)目相關(guān)的體育科學(xué)的有關(guān)方面的理解。本文從體育科學(xué)和運(yùn)動醫(yī)學(xué)角度闡述了生物力學(xué)在運(yùn)動員發(fā)展中的作用。生物力學(xué)在運(yùn)動員發(fā)展中起著關(guān)鍵性的作用，因?yàn)樗械膿羟蚨季哂幸粋€基本的力學(xué)結(jié)構(gòu)，運(yùn)動損傷都是由于力學(xué)因素引起的。這篇發(fā)表在《英國運(yùn)動醫(yī)學(xué)雜志》上的研究綜述從不同角度論述了網(wǎng)球運(yùn)動中的生物力學(xué)問題。文章全面涵蓋了網(wǎng)球運(yùn)動所涉及的生物力學(xué)一般理論、網(wǎng)球運(yùn)動技術(shù)和網(wǎng)球運(yùn)動損傷生物力學(xué)。文章作者Bruce Elliott教授長期從事網(wǎng)球等運(yùn)動的生物力學(xué)研究，是國際著名的運(yùn)動生物力學(xué)專家，曾為國際運(yùn)動生物力學(xué)學(xué)會（International Society of Biomechanics in Sports, ISBS）主席。

重要名詞：

肌肉預(yù)張力（Muscle pre-tension）：在一個肌肉伸長－縮短周期中，在離心（伸長）運(yùn)動期間一部分彈性能（elastic energy）儲存在肌肉中，這樣向心運(yùn)動（縮短）就會得到加強(qiáng)。

動力學(xué)鏈（Kinetic chain）：指人體通過協(xié)調(diào)足、小腿、大腿、軀干、上臂、前臂等環(huán)節(jié)的一系列運(yùn)動，達(dá)到動力傳遞。網(wǎng)球發(fā)球中動力學(xué)鏈包括腿前移、軀干旋轉(zhuǎn)、上肢抬升與屈曲、前臂伸展與下旋、上臂內(nèi)旋、手屈曲等動作。

負(fù)荷(Loading) ：人體受到外部或者內(nèi)部的作用力和力矩。外部作用力可能有地面反作用力和振動作用，內(nèi)部作用力包括肌肉力和力矩。一般地，負(fù)荷應(yīng)包括力或者力矩的增長率、峰值等指標(biāo)。

網(wǎng)球肘(Tennis elbow) ：醫(yī)學(xué)名稱為肱骨外上髁炎，即是在肱骨和其外髁的總伸肌腱附著部位出現(xiàn)裂傷，因網(wǎng)球運(yùn)動員易患此病而得名。

研究背景

實(shí)踐背景

眾所周知，網(wǎng)球運(yùn)動在世界上是最受關(guān)注的體育運(yùn)動項(xiàng)目之一。有關(guān)網(wǎng)球的生物力學(xué)研究也一直是人們研究的熱點(diǎn)之一。

對于從事有關(guān)網(wǎng)球運(yùn)動的運(yùn)動員、教練員都會十分關(guān)注以下問題：什么樣的發(fā)球技術(shù)是符合科學(xué)規(guī)律的？什么樣的接球技術(shù)是合理的？什么樣的球拍是更加適合的？在網(wǎng)球訓(xùn)練和比賽中如何既能夠提高運(yùn)動技術(shù)又可以避免運(yùn)動損傷？

回答上述問題需要大量的生物力學(xué)研究，科學(xué)工作者一直在為解答上述問題，為提高運(yùn)動員的運(yùn)動技術(shù)和預(yù)防運(yùn)動損傷而不懈地努力。

理論背景

作為運(yùn)動生物力學(xué)專家，為滿足運(yùn)動員、教練員和普通網(wǎng)球愛好者的運(yùn)動需求，要進(jìn)行以下幾個方面的研究：網(wǎng)球發(fā)球和接球中存在哪些生物力學(xué)規(guī)律？發(fā)生運(yùn)動損傷的原因是什么？在網(wǎng)球運(yùn)動員身上我們還可以發(fā)現(xiàn)什么樣的生物學(xué)規(guī)律？

普遍原理

擊打動作在很多運(yùn)動項(xiàng)目中都是非常重要的動作。它是一種碰撞技術(shù)，運(yùn)動鏈系統(tǒng)的遠(yuǎn)端環(huán)節(jié)（擊打中的手或者拍/棍）對球或者對手（物體）產(chǎn)生碰撞作用。有擊打動作的運(yùn)動項(xiàng)目有：網(wǎng)球、曲棍球、棒球、羽毛球、拳擊和排球等。擊打運(yùn)動通常有幾個運(yùn)動階段：準(zhǔn)備階段、后擺、前擺、擊打和隨后運(yùn)動階段，這幾個階段要有機(jī)地結(jié)合起來。

與其它運(yùn)動項(xiàng)目一樣，研究網(wǎng)球運(yùn)動生物力學(xué)首先要探討與其相關(guān)的普遍的生物力學(xué)規(guī)律。

網(wǎng)球發(fā)球、擊地面球（groundstroke）和截?fù)簦╲olley/ service return）時環(huán)節(jié)通常先向相反方向運(yùn)動，然后再擊球。這種向相反方向運(yùn)動，一方面有利于隨后運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)，增加了加速距離作用；另一方面可以起到拉長－縮短周期的作用。肌肉拉長－縮短周期作用包括牽張反射、彈性能的儲存和拉長肌肉至最有利收縮的最佳長度（與肌肉收縮的長度－張力曲線有關(guān)）。在肌肉拉長－縮短周期中，肌肉離心運(yùn)動（牽拉）過程中儲存彈性能可以部分恢復(fù)，轉(zhuǎn)化為向心（收縮）運(yùn)動過程中動能。實(shí)現(xiàn)這樣的彈性能轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵就是牽拉和收縮之間的時間間隔要短。

網(wǎng)球發(fā)球中運(yùn)動鏈包括腿前移、軀干旋轉(zhuǎn)、上肢抬升與屈曲、前臂伸展與下旋、上臂內(nèi)旋、手屈曲。這樣的運(yùn)動鏈?zhǔn)骨蚺母咚龠\(yùn)動，達(dá)到擊球效果。擊球精確性也是很重要的，它一般要求參與完成發(fā)球動作的環(huán)節(jié)更加協(xié)調(diào)一致，如同一個整體運(yùn)動。

網(wǎng)球擊球動作的目的就是使網(wǎng)球達(dá)到一定的速度并有效地控制其飛行速度。擊打后的網(wǎng)球飛行速度影響因素有很多，包括揮拍速度和球拍本身的物理特征及碰撞點(diǎn)。而揮拍速度又與準(zhǔn)備階段、后擺、前擺以及擊球隨后運(yùn)動等因素有關(guān)。球的飛行軌跡不僅受到空氣阻力和重力作用影響，而且擊球時網(wǎng)球受到球拍作用力的方向和位置（如偏心作用力）影響。后者會影響網(wǎng)球的飛行時間與旋轉(zhuǎn)速度。球拍本身的物理特征由球拍質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣性及其彈性特征組成。球拍的彈性特征是由網(wǎng)線的彈性特性、幾何尺寸及其編織松緊程度確定。

擊球生物力學(xué)

網(wǎng)球中擊球動作特征在發(fā)球、擊地面球和截?fù)糁卸加兴煌０l(fā)球運(yùn)動中，環(huán)節(jié)運(yùn)動表現(xiàn)出由近端環(huán)節(jié)向遠(yuǎn)端環(huán)節(jié)的運(yùn)動順序。在發(fā)球擊球時，下肢蹬地、軀干旋轉(zhuǎn)動作、上臂旋內(nèi)、腕關(guān)節(jié)屈都對球拍速度有貢獻(xiàn)。

擊地面球可以按照擊打上旋球、下旋球、正手和反手等不同來球特點(diǎn)和擊球動作進(jìn)行分別研究。如Elliott等（1989）對正手多環(huán)節(jié)擊球的不同環(huán)節(jié)的作用進(jìn)行了研究；Takahashi等（1996）對正手擊上旋球的生物力學(xué)基礎(chǔ)進(jìn)行了研究。

截?fù)魰r擊球的控制比發(fā)力更重要，正手和反手截?fù)魟幼髦熊|干的轉(zhuǎn)動都很小，截?fù)魰r擊球精確控制主要依靠上肢的精準(zhǔn)動作實(shí)現(xiàn)。

運(yùn)動醫(yī)學(xué)

損傷是運(yùn)動員生命中一種不可避免的因素。無論運(yùn)動員的競技水平如何，從業(yè)余運(yùn)動員到奧運(yùn)選手，都會遭受由于肌肉骨骼損傷引起的活動限制和失望。減少運(yùn)動損傷機(jī)會及促進(jìn)受傷運(yùn)動員損傷后的治療和恢復(fù)需要多學(xué)科的配合，包括運(yùn)動員的解剖、生理、醫(yī)學(xué)、運(yùn)動學(xué)、心理學(xué)和力學(xué)方面。大多數(shù)損傷有著其力學(xué)原因，力及其相關(guān)因素（如能量）是決定損傷可能性和嚴(yán)重程度的基本因素，因此生物力學(xué)是損傷的研究重點(diǎn)。

一般情況下，人體運(yùn)動由內(nèi)力（即肌肉收縮力）和作用于人體的外力（即重力、地面和/或體育器械對人體作用力）所產(chǎn)生和控制。通常，人體的軟組織和骨骼都可以安全地承受這些力。這些力對人體組織器官（特別是骨骼等）的正常生長和發(fā)育起著十分關(guān)鍵的作用。沒有力學(xué)因子的刺激，骨骼、肌肉和很多軟組織都將出現(xiàn)退化或者萎縮。但是，當(dāng)力超過了組織可以承受的能力，就會產(chǎn)生損傷。對所有的與損傷有關(guān)的力來說，決定損傷性質(zhì)和程度的因素有7個（Whiting & Zernicke, 1998）：力的大小、位置、方向、作用持續(xù)時間、頻率（力作用的頻繁程度）、可變性（在作用過程中力的大小是穩(wěn)定的還是變化的）和力增長率（力以何種速度作用于身體）。由一次或一些超負(fù)荷事件引起的損傷稱為急性（acute）損傷。在猛烈的碰撞時候經(jīng)常發(fā)生這種急性損傷。反復(fù)的負(fù)荷會導(dǎo)致組織損傷，這種損傷被稱為過度使用（overuse）或慢性（chronic）損傷。

流行病學(xué)調(diào)查表明，網(wǎng)球損傷主要由于過度使用引起的（Maquirriain, 2006; Pluim, 2006）。運(yùn)動員訓(xùn)練比賽時受到一定的外載荷（地面反力和振動）和內(nèi)載荷（肌肉力和力矩）。載荷指標(biāo)包括載荷增長率、力與力矩的最大值等。運(yùn)動員肩和肘關(guān)節(jié)受到的載荷與發(fā)球速度、膝關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動都有關(guān)系。

“網(wǎng)球肘（tennis elbow）”因網(wǎng)球運(yùn)動員易患此病而得名，它的醫(yī)學(xué)名稱為肱骨外上髁炎，即是在肱骨和其外髁的總伸肌腱附著部位出現(xiàn)裂傷。傷害原因?yàn)楫?dāng)伸肌收縮時腕部同時作劇烈屈曲動作，通常都是在反手打網(wǎng)球時動作不當(dāng)所致。肱骨外上髁炎并不僅僅發(fā)生于網(wǎng)球運(yùn)動員，在其它涉及做反手擊球動作的運(yùn)動員（如壁球、高爾夫）也易患外上髁炎。此外日常生活動作也可引起，如舉起重物等。

肩部損傷的原因之一可能是由于負(fù)責(zé)上臂加速然后減速的肌群的力/力矩峰值的不平衡造成。在肌肉力量訓(xùn)練中，要同時注意訓(xùn)練其向心收縮和離心收縮模式，肌肉力量的不平衡將導(dǎo)致運(yùn)動損傷。

值得學(xué)習(xí)的優(yōu)點(diǎn)

從美國醫(yī)學(xué)索引（Medline）數(shù)據(jù)庫中可以搜索到超過2 000多篇有關(guān)網(wǎng)球的研究論文，僅2006年1～5月就有58篇這樣的論文。這些數(shù)據(jù)說明有關(guān)網(wǎng)球運(yùn)動項(xiàng)目的研究仍是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。有關(guān)網(wǎng)球運(yùn)動生物力學(xué)的研究也是這類研究的重要組成部分。科研工作者在很多不同的雜志上發(fā)表了大量科研論文。這些論文以各種不同的形式表現(xiàn)，限制了它們的應(yīng)用。本文則從運(yùn)動技術(shù)和運(yùn)動醫(yī)學(xué)兩個不同角度，簡要地整合了有關(guān)網(wǎng)球的生物力學(xué)研究。

運(yùn)動生物力學(xué)的任務(wù)就是通過生物力學(xué)（特別是骨骼肌肉系統(tǒng)生物力學(xué)）研究，提高運(yùn)動成績，降低運(yùn)動損傷，促進(jìn)人類健康水平。Elliott教授的這篇有關(guān)網(wǎng)球運(yùn)動項(xiàng)目的生物力學(xué)綜述文章，從分析網(wǎng)球的運(yùn)動技術(shù)特征和運(yùn)動損傷的機(jī)理與防護(hù)兩個方面入手，進(jìn)行了高度概況與分析，勾畫出了網(wǎng)球運(yùn)動生物力學(xué)研究的基本輪廓。通過閱讀本論文，讀者可以掌握網(wǎng)球運(yùn)動生物力學(xué)的基本情況，為進(jìn)一步深入研究提供了必要的基礎(chǔ)。同時，本文也可以作為研究其它運(yùn)動項(xiàng)目（特別是有擊打動作的運(yùn)動項(xiàng)目）生物力學(xué)的參考。

值得改進(jìn)的地方

本文作為一篇發(fā)表在運(yùn)動醫(yī)學(xué)雜志上的綜述文章，重點(diǎn)介紹了有關(guān)網(wǎng)球生物力學(xué)方面的基本信息，對研究網(wǎng)球所涉及到的生物力學(xué)基本原理、技術(shù)與方法都沒有進(jìn)行深入的論述。讀者通過閱讀本文可以對有關(guān)網(wǎng)球生物力學(xué)有一個全面的掌握，但如果作為一名專門從事生物力學(xué)研究的科研工作者，還需要通過閱讀更多文章，才能對網(wǎng)球生物力學(xué)有更深層次的認(rèn)識，才可能開展更加有意義的網(wǎng)球或者其它類似運(yùn)動項(xiàng)目生物力學(xué)的研究。

[1]Akutagawa S, Kojima T. (2005). Trunk rotation torques through the hip joints during the one- and two-handed backhand tennis strokes. J Sports Sci, 23: 781-793.

[2]Bower R, Cross R. (2005). String tension effects on tennis ball rebound speed and accuracy during playing conditions. J Sports Sci, 23: 765-771.

[3]Cross R, Bower R. (2006) Effects of swing-weight on swing speed and racket power. J Sports Sci, 24: 23-30.

[4]Decicco PV, Fisher MM. (2005). The effects of proprioceptive neuromuscular facilitation stretching on shoulder range of motion in overhand athletes. J Sports Med Phys Fitness, 45: 183-187.

[5]Gordon BJ, Dapena J. (2006). Contributions of joint rotations to racquet speed in the tennis serve. J Sports Sci, 24: 31-49.

[6]Maquirriain J, Ghisi JP. (2006). The incidence and distribution of stress fractures in elite tennis players. Br J Sports Med, 40: 454-459.

[7]Pluim BM, Staal JB, Windler GE, Jayanthi N. (2006). Tennis injuries: occurrence, aetiology, and prevention. Br J Sports Med, 40: 415-23.

[8]Takahashi K, Elliott B, Noffal G. (1996). The role of upper limb segment rotations in the development of spin in the tennis forehand. Aust J Sci Med Sport, 28: 106-13.

[9]Elliott BC. 擊打和踢。見：扎齊奧爾斯基 FM.（2004,陸愛云譯審）：運(yùn)動生物力學(xué)，4 9 3-5 1 2.北京：人民體育出版社

[10]Zernicke RF, Whiting WC. 肌肉骨骼損傷的機(jī)制。見：扎齊奧爾斯基 FM.（2004,陸愛云譯審）：運(yùn)動生物力學(xué)，515-530.北京：人民體育出版社

[11]劉卉. 上肢鞭打動作技術(shù)原理的生物力學(xué)研究[J]. 體育科學(xué), 24：30-36.

相關(guān)文獻(xiàn)推薦：

[1]扎齊奧爾斯基 F M.（2004,陸愛云譯審）：運(yùn)動生物力學(xué)，493-512.北京：人民體育出版社

[2]Ida H, Kusubori S, Ishii M. (2005). Kinematics and kinetics of the racket-arm during the soft-tennis smash under match conditions. J Appl Biomech, 21: 334-347.

[3]Jacobson JA, Miller BS, Morag Y. (2005). Golf and racquet sports injuries. Semin Musculoskelet Radiol, 9: 346-359.

[4]Palut Y, Zanone PG.(2005). A dynamical analysis of tennis: concepts and data. J Sports Sci, 23: 1021-1032.

(責(zé)任編輯：何聰)

Comment on the Article "Biomechanics and Tennis"

Elliott

tennis; muscle pre-tension; kinetic chain; loading; tennis elbow述評專家簡介：郝衛(wèi)亞，研究員，博士生導(dǎo)師，“新世紀(jì)百千萬人才工程”國家級人才。長期負(fù)責(zé)國家體操隊(duì)有關(guān)運(yùn)動技術(shù)的科技保障工作，主持和參與國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國家高科技計(jì)劃（863）、中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目、科技部國際合作課題等國家級課題8項(xiàng)，主持國家體育總局科研攻關(guān)與科技服務(wù)課題6項(xiàng)。在國內(nèi)外發(fā)表科研論文70余篇，其中國家核心期刊和國際期刊40余篇，被國際三大科學(xué)與工程檢索數(shù)據(jù)庫(SCI, EI, ISTP)收錄16篇；主編教材1部，參編專著3部；獲省部級以上獎6項(xiàng)。擔(dān)任多個學(xué)術(shù)團(tuán)體職位：中國體育科學(xué)學(xué)會運(yùn)動生物力學(xué)分會常委兼秘書長，全國人類工效學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會委員，《醫(yī)用生物力學(xué)》和《中國運(yùn)動醫(yī)學(xué)雜志》編委，北京生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)學(xué)會生物力學(xué)專業(yè)委員會委員等。

評析文章： Biomechanics and Tennis

B. Elliott. (2006). J. Sports Med. 40; 392-296