排球前后排扣球起跳期下肢技術動作生物力學特征分析

張枝梅

摘要：為了探討排球前、后排扣球2種不同起跳方向的助跑急停跳，起跳期下肢動作運動生物力學特征的差異，為該專項技術動作的診斷、指導及肌肉力量訓練提供參考，以10名男子排球運動員為受試者，用6臺JVC9800光學攝影機與2塊JP6060測力臺同步獲取資料。以視訊軟件進行資料處理，并以動力學逆過程算得下肢內在動力學參數。利用SPSS統計軟件進行相關數理統計。結果顯示：在運動學方面，相較于前排扣球，后排扣球具有較短的起跳動作時間及較大的并步距離；在動力學方面，相較于前排扣球，后排扣球的先行腳具有較大的最大踝關節伸肌力矩與離心功率、最大髖關節伸肌離心及向心功率；后排扣球的跟隨腳具有較大的最大踝關節伸肌力矩、最大踝關節伸肌離心功率、最大膝關節與髖關節伸肌向心功率；排球前、后排扣球兩腳跳躍技術，起跳階段有不同的技術需求，若后排扣球要獲得較大的前沖效益，排球運動員除了采用較大的并步距離外，還需加強其兩腳踝關節伸肌群與先行腳髖關節伸肌群的爆發力，以實現快速制動，且還需有較大的兩腳髖關節伸肌群與跟隨腳膝關節伸肌群的爆發力，以實現快速蹬伸，以此縮短觸地時間，減少水平速度的損失。

關鍵詞：排球；前排扣球；后排扣球；扣球起跳期；下肢技術動作；生物力學特征

中圖分類號：G804.6

文章編號：1009-783X（2015）03-0270-06

文獻標志碼：A

在排球運動中扣球是主要的得分手段，在排球運動員的身高和跳躍能力不斷提升的趨勢下，為提升扣球成效，進攻戰術隨之出現變化，由平面進攻轉變至立體化進攻，即將前排強攻扣球和前排掩護后排扣球等技術融入整體的戰術體系中，以增加對手攔網的難度。排球運動中，完整的扣球技術動作共分4個階段：助跑期、起跳期、空中期、落地期。其中以助跑期和起跳期最為重要。有學者指出，助跑階段與起跳階段屬于連貫動作，兩者之間不可分割，更不能破壞其節奏，否則將影響起跳動作進行，加快助跑并步跳速度可以減少水平速度及沖量的耗損，而保持較大的前沖力。Bobbert等認為，按照不同扣球型態，運用不同下蹲與起跳角度，以獲取水平效益或垂直效益；然而，Komi則提出助跑的目的在于獲得起跳時的動能與速度，對起跳高度及動作的流暢性有重要影響，因此，排球扣球技術中，助跑階段與起跳階段是相當重要的環節。排球前、后排扣球間最大的差異在于起跳期的動作，相較于前排扣球，后排扣球在起跳期會利用前沖的技術來形成空中期較大的重心水平位移，以縮短擊球點與球網之間的水平距離；故此這2種技術在起跳期形成不同的跳起方向：前排扣球時運動員朝上躍起，而后排扣球時則呈朝前上方躍起，如圖1所示。Gerritsen等認為排球扣球的助跑跳躍技術為急停跳躍動作，在起跳期的動作過程中下肢肌群主要結合急停制動的離心收縮與跳躍蹬伸的向心收縮，為伸張-收縮動作（SSC）的動作特征。Bobbert等認為下肢肌群通過急停制動階段的離心收縮可提升接下來向心收縮的表現，有利于跳躍表現；然而，離心收縮階段不同的預先伸張特征會影響SSC的效益。過去研究未針對排球前、后排扣球的不同起跳技術其起跳階段的肌肉活動特征進行探究，無法解釋不同起跳技術所需的肌力特征；因此，研究者應探究排球前、后排扣球因應不同躍起方向的目的，在起跳期是否會形成不同的SSC動作特征，以了解在這兩種扣球技術中反射性收縮肌力的需求。而在生物力學研究通過動作過程中關節肌肉力矩與功率的分析，研究者可以推知動作期間主作用肌群的活動現象，并進一步由肌肉力矩了解該肌群參與動作的力量，由肌肉功率了解該肌群參與動作的效能，以此可對運動進行診斷；故通過肌肉的內在動力學現象分析可更清楚地了解排球前、后排扣球動作技術的特征。過去的生物力學研究中很少關注不同躍起方向的跳躍動作探究，尤其是針對排球扣球的專項技術進行分析。本研究主要目的是探究排球前、后排扣球2種不同起跳方向的動作技術在起跳期的生物力學現象差異，可對此運動技術的動作特征與肌肉活動有更清晰的認知。

1研究對象與研究方法

1.1研究對象

本研究以10名男子排球運動員為研究對象（見表1），受試者年齡（21.4±3.2）歲、體重（83.6±9.5）kg、身高（191±0.68）cm、運動等級均為國家一級。受試者在實驗前6個月內下肢未發生任何傷病，每周訓練3～4次，每次2～3h。

1.2研究方法

本實驗運用運動學、動力學同步測試方法進行，整個測試系統以6臺光學攝影機、視訊系統、2塊JP6060多維測力平臺，通過艾力無線同步系統，同步獲取受試者3步助跑后銜接跳躍扣球在起跳期各反光球在三維空間坐標中的軌跡和地面反作用力參數。

1）運動學參數測試。采用6臺JVC9800攝像機，拍攝頻率為250幀/s，曝光時間為（1/250）s。攝像機固定正對三維測力臺，距離測力臺5m。用以觀測受試者3步助跑后銜接跳躍扣球的起跳期各反光球在三維空間坐標中的軌跡。本研究使用反光球模型是參照Helen Hayes的研究設計的。將反光球置于受試者左、右側髂前上棘、股骨大轉子、大腿外側、股骨外側髁、股骨內側髁、小腿外側、腓骨外側髁、脛骨內側髁、第二跖骨粗隆、腳后跟、骶骨等30處，拍攝受試者解剖站姿的靜態姿勢后，移除動態姿勢拍攝時不需的股骨內側髁與脛骨內側髁等處的4處反光球，并進行實驗動作拍攝。采用北京體育大學研發的視訊圖像解析系統對運動圖像進行解析以獲取相關運動學參數。

2）動力學參數測試。采用國產2塊JP6060多維測力平臺用于監測受試者3步助跑后銜接跳躍扣球的起跳期過程中先行腳與跟隨腳的地面反作用力的變化情況。本研究采用埋入式安裝，測力臺表面與地面保持在同一水平面上，數據采樣頻率為1000Hz。

1.3實驗程序

1）正式實驗開始前受試者進行相同的熱身活動，用時30min，其中包含慢跑、伸展與跳躍活動。

2）正式實驗時受試者隨機分派成2組，一組先進行前排扣球動作、后進行后排扣球動作，另一組則反之。

3）動作過程中，雙手擺動方式與實際比賽時的攻擊動作相同。每位受試者的2種扣球動作均選取成功的3次進行數據處理。

4）每次測驗間休息60s。在測驗過程中以口頭方式提醒受試者盡其可能地全力進行該扣球動作，前排扣球動作結束后需落于測力板上，而后排扣球動作結束后則需落于測力板前方的助跑道上，并于測力板前端正上方（前排扣球時）與距離測力板前端0.25m遠的正上方（后排扣球時）分別掛一繩狀標志物作為擊球目標。

1.4測試參數定義

1）下肢各關節位置的定義為：

髖關節中心：通過左髂前上棘與右髂前上棘計算出髖關節中心。

膝關節中心：通過股骨外側髁與股骨內側髁的中點為膝關節中心。

踝關節中心：通過腓骨外側髁與脛骨內側髁的中點為踝關節中心。

2）各肢段定義的反光球為：

骨盆：以右髂前上棘、左髂前上棘與骶骨定義骨盆。

大腿：以髖關節中心、大腿外側與股骨外側髁定義大腿。

小腿：以股骨外側髁、小腿外側與腓骨外側髁定義小腿。

腳掌：以腓骨外側髁、腳后跟與第二蹠骨粗隆定義腳掌。

注：各肢段上的局部坐標系方向的定義采右手定則。

3）時相劃分：

起跳期：先行腳觸地瞬間至雙腳均離地瞬間，如圖1所示。

先行腳動作時間：先行腳觸地瞬間至先行腳離地瞬間，如圖1所示。

跟隨腳動作時間：跟隨腳觸地瞬間至跟隨腳離地瞬間，如圖1所示。

注：觸地與離地均以測力板10N的信號為判斷依據，如圖1所示。

4）并步距離定義及計算：

并步距離：先行腳與跟隨腳間的前后距離，由于此跳躍技術是采腳跟先觸地的著地動作，即觸地瞬間腳尖尚未著地，故并步距離的判斷是以離地瞬間貼于兩腳掌上的第二跖骨粗隆反光球的水平坐標位置計算差值。

1.5數據獲取

本實驗以每位受試者其3次成功扣球結果的平均值進行結果分析。

1.5.1運動學參數處理

本研究將拍攝的反光球空間軌跡用北京體育大學研發的視訊分析軟件進行資料處理。

1.5.2動力學參數處理

實驗的動力學參數均以受試者的體重進行標準化處理。

1.5.3關節力矩及關節功率的計算

采用目前在實踐中已得到廣泛應用，并得到國內外學者認可的逆動力學反推法計算以獲得關節間作用力、關節肌肉力矩與關節肌肉功率。本研究定義關節肌肉力矩為正值時表示該關節處以伸肌群為主要作用肌群，關節肌肉功率為正值時表示該主要作用肌群在做向心收縮。

1.6統計學分析

本文利用Spss 13.0進行描述性分析、配對t檢驗、相關分析等，統計學顯著水平定為α=0.05。

2結果

2.1排球前、后排扣球起跳期的運動學結果

表2結果顯示：1）前排扣球先行腳、跟隨腳動作時間分別（0.39±0.03）s、（0.26±0.03）s；后排扣球先行腳、跟隨腳動作時間分別（0.35±0.02）s、（0.21±0.04）s。排球后排扣球先行腳和跟隨腳動作時間明顯短于前排扣球（P<0.05）。2）前排扣球和后排扣球總動作時間分別為（0.40±0.04）s、（0.37±0.03）s，后排扣球總動作時間也明顯短于前排扣球（P=0.002<0.05）。3）前排扣球和后排扣球并步距離分別為（0.24±0.05）m、（0.36±0.11）m，前排扣球并步距離明顯短于后排扣球（P=0.007<0.05）。

2.2排球前、后排扣球起跳期的動力學結果

2.2.1排球前、后排扣球起跳期內在動力學曲線

本研究10位受試者在排球扣球起跳期的踝、膝與髖關節的關節肌肉力矩與功率結果曲線型態都極為相似，故僅以1位受試者的結果作圖。如圖2、3、4、5所示：1）2種跳躍動作種先行腳在起跳期內的下肢肌群活動型態相似。根據本研究力矩與功率的定義，先行腳踝關節在著地初期有些許伸肌群向心收縮、屈肌群離心收縮與屈肌群向心收縮。此后，便呈現伸肌群的離心收縮接向心收縮。先行腳膝關節在著地初期有些許的屈肌群向心收縮后，便呈現伸肌群離心收縮接向心收縮，最后出現些許的屈肌群離心收縮。先行腳髖關節在著地后呈現伸肌群離心收縮接向心收縮，最后出現些許的屈肌群離心收縮。2）2種跳躍動作跟隨腳在起跳期的下肢肌群活動型態相似。根據本研究力矩與功率之定義，跟隨腳踝關節在著地后有些許的伸肌群向心收縮后，呈現伸肌群離心收縮接向心收縮。跟隨腳膝關節在著地初期有些許的屈肌群向心收縮后，便呈現伸肌群離心收縮與向心收縮，最后再出現些許的屈肌群離心收縮。跟隨腳髖關節在著地后呈現伸肌群向心收縮，最后再出現些許的屈肌群離心收縮。

2.2.2排球前、后排扣球起跳期的最大關節伸肌力矩結果

表3結果顯示：前排扣球先行腳、跟隨腳的最大踝關節伸肌力矩分別為（0.20±0.03）Nm、（0.26±0.04）Nm，后排扣球先行腳、跟隨腳的最大踝關節伸肌力矩分別為（0.23±0.05）Nm、（0.33±0.02）Nm。后排扣先行腳和跟隨腳的最大踝關節伸肌力矩均顯著大于前排扣球（P<0.05），而在膝與髖關節先行腳和跟隨腳的最大踝關節伸肌力矩，前、后排扣球間則沒有顯著性差異（P>0.05）。

2.2.3排球前、后排扣球起跳期的最大關節伸肌功率

表3、4結果顯示：1）前、后排扣球先行腳的最大髖關節伸肌離心功率分別為（-0.54±0.17）W、（-0.65±0.15）W，后排扣球先行腳的最大髖關節伸肌離心功率明顯大于前排扣球（P=0.037<0.05）。前、后排扣球先行腳的最大踝關節伸肌離心功率分別為（-0.39±0.09）W、（-0.53±0.10）W，跟隨腳的最大踝關節伸肌離心功率分別為（-0.81±0.31）W、（-1.31±0.47）W，后排扣球先行腳和跟隨腳的最大踝關節伸肌離心功率均明顯大于前排扣球（P<0.05）。2）先行腳和跟隨腳的膝關節伸肌離心功率，兩動作間則無顯著差異存在（P<0.05）。3）前、后排扣球先行腳的最大髖關節伸肌向心功率分別為（0.43±0.10）W、（0.50±0.12）W，前、后排扣球跟隨腳的最大髖關節伸肌向心功率分別為（0.76±0.26）W、（0.96±0.32）W，后排扣球先行腳和跟隨腳的最大膝關節伸肌向心功率均明顯大于前排扣球（P<0.05）。前、后排扣球跟隨腳的最大膝關節伸肌向心功率分別為（1.95±0.35）W、（2.14±0.45）W，后排扣球跟隨腳的最大膝關節伸肌向心功率均明顯大于前排扣球（P<0.05）。前、后排扣球先行腳的最大踝關節伸肌向心功率分別為（1.50±0.24）W、（1.59±0.28）W，前、后排扣球跟隨腳的最大髖關節伸肌向心功率分別為（1.80±0.32）W、（2.03±0.35）W，后排扣球跟隨腳的最大踝關節伸肌向心功率均明顯大于前排扣球（P<0.05）。4）前、后排扣球先行腳的最大膝關節伸肌向心功率分別為（2.11±0.29）W、（2.07±0.37）W，前、后排扣球先行腳的最大膝關節伸肌向心功率無顯著性差異（P>0.05）。前、后排扣球先行腳的最大踝關節伸肌向心功率分別為（1.50±0.24）W、（1.59±0.28）W，前、后排扣球先行腳的最大踝關節伸肌向心功率無顯著性差異（P>0.05）。

3分析與討論

3.1排球前、后排扣球起跳期下肢技術動作的運動學特征

本研究結果顯示，后排扣球先行腳和跟隨腳在動作時間、總動作時間、并步距離上均明顯短于前排扣球。前排扣球與后排扣球為排球運動中重要與常用的基本技術，Winter研究證實前排扣球的動作目標為朝正上方跳起，而后排扣球則為朝前上方跳起。Winter研究認為，后排扣球與前排扣球起跳位置不同，后排扣球需起跳后在空中形成較大的水平位移，以縮短擊球點與球網之間的水平距離；因此推論，后排扣球在起跳離地瞬間需具有比前排扣球更大的水平速度。Ridderikhoff關于助跑跳躍動作的研究指出，起跳期較短的觸地時間可減少著地期的水平制動行為，有利于降低助跑期銜接起跳期水平速度的損失量。并步距離也是影響起跳離地水平速度的因素之一，Lin等通過30cm與50cm不同并步距離探究其對并步跳跳躍表現的影響，結果指出并步距離對起跳期的水平沖量有很大的影響，較大的并步距離可獲得較多的水平位移，提升前沖效益，適用于后排攻擊。本研究中，后排扣球無論先行腳或跟隨腳的起跳期動作時間均比前排扣球時間短，且后排扣球起跳期先行腳與跟隨腳間具有比前排扣球更大的并步距離。此結果與過去研究結論一致，受試者在進行后排扣球技術時采用增大并步距離的技術動作，不僅有利于起跳離地瞬間較大水平速度的獲得，還會縮短觸地時間，可以減少著地階段助跑水平速度的損失，以達到朝前上方跳躍的動作目的。

3.2排球前、后排扣球起跳期下肢技術動作的運動學特征

本研究通過動力學逆過程推算得到關節肌肉力矩與功率，用以分析排球前、后排扣球動作過程中下肢主作用肌群的活動現象。由本研究所得的力矩與功率時間曲線分析發現，前排與后排扣球動作在起跳期的踝、膝、髖關節的關節肌肉力矩與功率曲線型態均相似，表示躍起方向的改變不影響動作的型態，此結果和Stefanyshyn等的研究相同。且此跳躍動作的下肢肌群活動特征與Ridderikhoff等關于跳躍動作的內在動力學研究發現亦相似，起跳期的動作過程主要是以伸肌群的離心制動及伸肌群的向心蹬伸所構成，此為SSC的特征，跟隨腳的髖關節肌群活動則有所不同，其在著地時沒有離心制動，直接進行向心收縮的蹬伸。Vanrenterghem等認為在排球并步跳動作中因跟隨腳踩入后立即銜接雙腳蹬伸，所以跟隨腳觸地后就立即進行離心制動，接著便朝上蹬伸，此動作特征使得跟隨腳的下蹲制動時間顯著短于先行腳，且著地期間的屈曲角位移較小。而本研究進一步發現，跟隨腳觸地后僅膝關節處有進行些許的屈肌群向心收縮主動下蹲，踝關節與髖關節處均無主動下蹲的動作，且髖關節處在觸地后伸肌群直接進行向心收縮進行蹬伸，故其無任何的屈曲角位移。因此認為，并步跳并不是雙邊對稱的動作，使得后著地的跟隨腳于起跳期的髖關節肌群動作型態不同于一般的SSC跳躍動作。Bosco等指出，并步跳動作在銜接助跑起跳期的著地制動階段是由先行腳先著地后，跟隨腳才著地，繼而雙腳同時進行蹬伸跳躍，故起跳期先行腳與跟隨腳具有不同的運動學與地面反作用力特征。通過關節肌肉力矩與功率的數值比較可發現，排球前、后排扣球雖然下肢肌群活動型態沒有差異，但這兩種動作間各關節肌群參與動作的效能有明顯差異。排球的并步跳技術屬急停跳動作的一種，其起跳期于銜接助跑的著地階段下肢先進行下蹲與制動后，進而蹬伸形成跳躍。本研究結果也證明這一點，該動作為SSC的技術動作。此SSC的動作過程中影響運動表現的下肢肌力特征為一種反射性收縮肌力，Bobbert等認為，其在預先伸張的離心制動階段，較快的伸張速度與較短的偶聯時間可有良好的SSC效益，因其肌肉彈性能的儲存與再利用的效果會較好，且能產生較大的伸張反射，故可產生較大的力量與爆發力。Bosco等將此類的反射性運動區分成關節活動范圍較大、動作時間長于250s的慢SSC動作，及關節活動范圍較小、動作時間介于100s至250s間的快SSC動作，且其認為肌肉在預先伸張動作的過程中需要有較大的肌肉力量才能形成較大的離心制動及快速的銜接向心動作；因此，反射性收縮肌力是影響動作時間的因素之一，進行不同速度的著地動作所需的反射性收縮肌力應會有所差異。本研究發現排球后排扣球因動作技術的需求需要較短的起跳期動作時間，故推論其需具有較大的反射性收縮肌力。進一步觀察關節肌肉力矩與功率的數值比較發現，排球后排扣球比前排扣球，在起跳期兩腳均有較大的踝關節伸肌力矩參與，且在離心制動階段兩腳的踝關節與先行腳的髖關節伸肌群有較大的離心功率，而在向心蹬伸階段兩腳的髖關節與跟隨腳的膝關節伸肌群有較大的向心功率。Lees等指出力矩是由作用在該關節處的肌肉力量與雙關節肌群的能量傳遞所構成，功率是力矩與角速度的乘積，其可反應出肌肉以最大速度產生最大力量的爆發能力；因此，進行排球后排扣球技術時在起跳期需有較大的踝關節伸肌群的肌力，且踝關節與髖關節需具有較大的離心制動爆發肌力，髖關節與跟隨腳的膝關節伸肌群需具有較大的向心蹬伸爆發肌力，才能使其在起跳期形成較快速的制動與蹬伸。

4結論

1）在運動學方面，相較于前排扣球，后排扣球具有較短的起跳動作時間及較大的并步距離。

2）在動力學方面，相較于前排扣球，后排扣球的先行腳具有較大最大踝關節伸肌力矩與離心功率、最大髖關節伸肌離心及向心功率；后排扣球的跟隨腳具有較大的最大踝關節伸肌力矩、最大踝關節伸肌離心功率、最大膝關節與髖關節伸肌向心功率。

3）排球前、后排扣球跳躍技術，其下肢內在動力學的動作形態相似，但卻有不同的技術與肌力特征。在動作技術上，排球運動員在進行排球后排扣球技術時，除需要較大的并步距離外，還需具有較快速的起跳能力，才能獲得較好的前沖效益。

4）在進行排球后排扣球技術時，排球運動員須具有較大的踝關節肌力，且在著地階段其雙腳的踝關節伸肌群與先行腳的髖關節伸肌群需具有較大的爆發力，才能完成快速制動的技術需求，而蹬伸階段則要依靠較大的髖關節伸肌群爆發力與跟隨腳的膝關節伸肌群爆發力完成快速蹬伸的技術需求。最后才能達到快速起跳的目的。