影響網球發球效果的力學因素分析*

任喜平

(浙江師范大學體育與健康科學學院，浙江金華 321004)

0 引言

有效發球是指發出的球既要能越過球網又要落在發球區內，Elliot等［1］指出，發球是網球技巧中重要的動作，但卻不容易掌握．“好的發球，已勝了球賽的一半”、“能勝發球局，你絕對不會輸掉球賽”等已成為人們的共識．在過去幾十年里，生物力學研究技術(生物力學測量與模型技術等)廣泛應用于評估網球發球技術動作．本文通過文獻資料分析和邏輯歸納總結，得出影響發球效果的相關力學技術指標，從發球的客觀規律認識技術原理，并以此為視角探索發球易犯的錯誤及有效的糾正方法，從而提升發球效果．

1 發球技術指標

網球發球效果主要體現為落點、旋轉和速度［1-5］，其技術指標有以下幾項:

1．1 球離拍時瞬間角度

球離拍時瞬間角度，是指球被擊離的瞬間其與水平面的夾角．Owens等［4］通過比較成功發球與發球出界2種情況后認為，兩者之間最大的差異為球離拍時的瞬間角度，角度越大則需球離拍速度越快，否則球將無法成功進入發球區．擊球點高度越高，球離拍角度有越大的趨向．當擊球角度為0°時，過網時間最短，其弧線接近直線．

1．2 擊球瞬間高度

擊球瞬間高度，是指球拍與球撞擊時的那一點與地面的垂直高度．Owens等［4］和嚴波濤等［5］指出，擊球點高度越高，過網高度的范圍及進球機率越大;蔣中偉［6］研究表明:擊球點高度相同時，球越靠近球網，進球機率越大;Howard［7］指出，提高擊球點可以增加進球率;劉卉［3］和 Elliot等［8］認為采用腳前移式技巧(foot-up technique)發球，可以提高擊球點高度;Beerman等［9］用牛頓運動力學研究計算，較高的拋球落至擊球點會有較快的向下速度，雖無法有充分的時間擊球，但是擊球點越高，擊出的球越快，且不易出界．這也是網球技術類書籍所強調的［10-13］．

楊秀蘭［14］通過公式

表示發球的有效距離與球離拍時瞬間角度、擊球瞬間高度、球擊中時初速度的關系．式(1)中:L表示發出球的距離;θ表示擊球后的角度;h表示擊球點高度;V0表示擊球后的初速度;g為重力加速度9．8 m/s2．蔣中偉［6］通過數學模擬計算得出，發內角球和外角球的有效距離 L為18．28 ～18．74 m．當擊球點高度h高出球網高度的2倍時，如果V0不變，θ接近0°，這樣就能發出力量大、攻擊性強、速度快、落點準確的平擊球．

另外，身高與擊球點高度密切相關．劉卉［3］指出，身高較高者有較好的發球成功率，具有爆發力型的攻擊性發球，其發球者的身高是關鍵．由此可知，擊球點高度的增加，有助于發球的進球角度與速度．

1．3 球擊中時初速度與球體飛行軌跡

在三維空間里運動的網球如圖1所示，設球心的運動速度沿x軸方向，y軸為網球飛行時的旋轉軸，y軸與水平軸形成的角度為γ．

不管γ的角度如何，若球體轉速為0，則視為無旋轉，即平擊球．平擊發球的威力體現在球的攻擊性，此時，球飛行過程中只受重力和空氣阻力的作用;旋轉球是依靠球本身的旋轉、落地后不規則的彈跳方向與前沖速度而獲得發球優勢，它受重力、空氣阻力、馬格努斯力3個力的作用．嚴波濤等［5］指出旋轉球與快速發球相比，在破攻、得分率方面較有優勢，特別是它的失誤率較低．所以旋轉球也被視為一種有攻擊性的發球．

圖1 網球飛行示意圖

研究表明，無論平擊發球還是旋轉發球，決定球飛行軌跡的應該是球被擊中時的初速度［12］．初速度V0和球質量m的乘積為球的動量，它來自于球拍擊中球時的沖量Ft．根據動量守恒定理，沖量的大小決定球飛出時的動量，而球拍擊中球時的沖量等于手臂揮拍產生的動量．球拍的動量來自于肌肉做功產生的力量衍生而成的速度．力量決定于肌力值，肌力越大，產生的加速度越快，速度也越快，其公式為

球飛行軌跡的決定要素如下式所示:

式(3)中:S1為擊中球的瞬間球與支撐點的水平距離．

1．4 球體飛行時間

球體飛行速度與時間成反比，增加球體飛行速度勢必縮短飛行時間．減少球的飛行時間由運動員本身的爆發力與鞭打揮擊動作的完整性來完成．在揮拍動作中，發揮肌肉預張的反向運動原理與鞭打原理，將會使揮擊產生更大的力量與速度．開始揮擊動作階段，下肢與軀干產生向上驅動力量與速度，但拍頭產生向下的速度，從而增加擊球力量，這是運用反向動作的制動，使反向動作的動能轉化為肌肉與肌腱的彈性勢能，然后在后續的功能性動作中，彈性勢能轉化為鞭打揮擊動作的動能，使網球拍獲得巨大的揮拍速度和擊球力量，從而獲得高速的發球［3，15-16］．

2 發球技術原理

速度、旋轉體現為發球攻擊性，落點體現為發球準確性．有效掌握發球技術原理才能真正提升攻擊性及準確性．筆者認為，“接觸點、擊球點、目標點”三者綜合體現為發球的技術原理，從而理性認識發球的客觀規律．

2．1 接觸點

擊球時拍面與球接觸的點稱為接觸點．著名網球專家Peter Burwash首先指出“接觸點”的重要性，并把它作為擊球的第一條基本原理．球拍“甜點”這個詞在教材中普遍介紹，但卻沒有概念定論，是在拍面中心附近的區域?拍面上擊球感覺良好的區域?還是拍面上能獲得最佳擊球效果的區域?這些說法都有一定的道理，但都不夠準確．Brody［17］對球拍擊球的動力響應進行了研究，認為拍面的撞擊中心(Center of Percussion，COP)、節點(Node)、最大恢復系數點(Maximum Coefficient of Restitution，Max COR)3個點對球的撞擊有特殊反應，具體見圖2．COP位于接近拍面的幾何中心處，當在該點處擊球時，握拍手臂所感覺到的沖擊力量較小;接觸點偏離COP越遠，手臂感覺到的沖擊就越大．Node位于撞擊中心上方，在該點處擊球時，球拍幾乎不產生振動或僅有很小的振動．Max COR位于COP的下方．

能量恢復系數以球撞擊靜止拍面的速度及球從拍面彈起的速度來確定．結果表明，球擊在Max COR處時約有65%的能量轉變為動能，是3個點中最大的，并提出以恢復系數35%作為劃分拍面“甜點”邊界的依據，“甜點”較為科學的概念為強力區(Power Area)，并非一個點，而是一個區域．顯然，擊球時接觸點位于強力區以外，擊球的能量利用率就相對較低．此外，由于擊球力的偏心作用，拍面方向易扭轉而難以控制球路的方向．因此，可以認為擊球時接觸點應在拍面的強力區內，接觸點越接近Max COR，擊球的能量利用率就越高;反之則越低．

圖2 網球拍拍面上的特殊點

2．2 擊球點

擊球時拍面與球接觸的時刻，球相對于身體的空間位置叫做擊球點．最佳擊球點因擊球方法、方向、握拍方法及個人身體條件的不同而變化．

最佳擊球點的存在時間有瞬間性特點，影響因素較多，其含義是:在合適的擊球點范圍內，存在一個最佳擊球點．在這個點處擊球最順手與得力，最穩定與準確．若擊球點離最佳擊球點越遠，擊球就越困難且勉強，軟弱且無力，并且容易產生失誤．平擊、側旋及上旋發球，最佳擊球點的位置也不同．

2．3 目標點

目標點是運動員擊球時選擇的落點，與球飛行軌跡有關．目標點選擇的前提是成功擊球，與思維能力、戰術意識及擊球技能有關．發向目標點的技能及掌握技能的關鍵在于控制球速、拍面角度、擊球深度及方向．

3 發球易犯錯誤及有效訓練手段

通過分析影響發球效果的技術指標，并以技術原理為切入點，進而明晰發球技術教學、訓練中易犯的錯誤及相應的糾正手段和方法．

3．1 易犯錯誤

從技術原理出發，各技術環節易產生以下錯誤:拋球不準，球不能送到準確的位置，擊球瞬間脫離拍面接觸點;擊球點靠后，仰頭擊球;擊球點過低;發球的節奏感欠佳，協調性差，目標點不明確等．

3．2 專項訓練手段及方法

籃圈拋球練習:借助籃圈，將網球拋至籃圈內．此方法可了解拋球的高度及線路，提高拋球的準確度，如圖3所示．

掛吊式擊球練習．此方法能清楚說明擊球點、擊球時的拍面角度及不同旋轉類型的擊球部位，如圖4所示．

彈力繩牽拉練習．2人一組相互練習．此方法可發展三角肌肌群，同時熟悉出拍時的動作技巧，如圖5所示．

圖3 籃圈拋球練習

圖4 掛吊式擊球練習

圖5 彈力繩牽拉練習

排球扣球練習．借助排球，2人一組間隔距離約8 m，采用排球扣球動作互相練習．此方法能有效運用手腕扣腕動作，如圖6所示．

壘球傳球練習．借助壘球2人一組，距離約12 m互相傳球練習．此方法能加強下肢→軀干→上肢等環節的協調性，如圖7所示．

圖6 排球扣球練習

圖7 壘球傳球練習

4 結論

網球發球屬于封閉式技能，不受空間、對手之外條件的影響．除了要能夠掌握握拍、擊球動作、身體平衡與協調外，球離拍瞬間角度、擊球瞬間高度、擊球時初速度、球飛行軌跡及飛行時間等影響著發球效果．“接觸點、擊球點、目標點”三者綜合體現為發球技術原理，從該視角出發認為:拋球不準，球不能送到準確的位置，擊球瞬間脫離拍面接觸點;擊球點靠后，仰頭擊球;擊球點過低;發球的節奏感欠佳，協調性差，目標點不明確等是網球發球各技術環節易犯的錯誤．提出以“籃圈拋球、掛吊式擊球、彈力繩牽拉、排球扣球和壘球傳球”等專項練習來改善發球技術，從而提高發球效果．

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