排球運動扣球起跳和落地動作的髖、膝、踝動力學分析

原文惠，吳 劍，魏 亮

排球運動扣球起跳和落地動作的髖、膝、踝動力學分析

原文惠，吳 劍，魏 亮

目的研究排球運動扣球起跳和落地動作時髖、膝、踝的動力學特征。方法采用VICON紅外三維動作分析系統、AMTI測力臺對9名排球運動員的扣球起跳和落地動作進行拍攝，并對不同方式扣球起跳和落地動作的髖、膝、踝進行動力學分析。結果與結論在不同方式扣球起跳過程中左側關節受力均大于右側關節。在起跳和落地過程中，踝關節在X軸方向起主要作用，髖關節在Y軸上起主要作用，膝關節在Z軸上起主要作用。排球扣球起跳時，右腳先著地—重心最低點—左腳著地，屬于排球起跳動作特有特征。在排球動作起跳中，右腿主要負責將水平速度轉化到垂直方向而后伴隨蹬地輔助起跳，左腿則主要負責垂直方向發力起跳。

排球；起跳；落地；動力學分析

膝關節損傷是最常見的運動損傷之一，在球類項目中最為常見。排球運動中的急停、急轉、減速、跳躍、落地不穩等會造成膝關節非接觸損傷，出現關節外翻、外旋、過伸的損傷。在損傷部位的構成比中，占首位的是膝關節為43.1%，腰背部、肩關節與踝關節分別為 22.3%、10.4%、7.1%［1］。 在排球運動中膝關節損傷率最高，而在整個扣球階段對于膝關節的損傷主要集中在起跳和落地階段?？矍蚱鹛吐涞厥桥徘蚩矍蚣夹g中的重要環節，同時也是排球運動員最容易發生損傷的環節。

扣球是排球比賽勝利的最重要的環節，扣球高度、力量和速度是提高扣球成功率的關鍵因素，充分的起跳有利于增加扣球效果的攻擊性，而在追求扣球高度的同時勢必會增大落地時下肢損傷的風險。排球扣球技術對運動員的騰空高度和在空中的身體平衡能力有很高的要求［2］。因此良好的起跳和落地動作能夠保證運動員在做動作時能夠達到更高的高度同時也預防運動員下肢關節的損傷。

排球扣球由4個環節構成：助跑、起跳、空中擊球和落地。其中前兩個環節是整個技術動作的基礎，尤其對于騰起高度的獲得起決定性作用［3］。排球扣球的起跳環節其技術動作具有獨特性，既不同于跳遠又不同于跳高，而是在追求高度的前提下需要保持適宜的水平速度，以此來增大扣球威力［4］。而前人對扣球技術的研究都集中在起跳時如何提高起跳高度為更好的擊球提供條件和空中擊球階段如何將扣球技術最優化的問題［5］。排球是一項要求運動員連續起跳—落地、啟動—制動的球類項目，比賽獲取勝利主要是通過空中來完成動作擊敗對方，各項技術要求運動員反復深蹲且幅度過大，很多的訓練動作要求從不同的方向落地以及訓練時高強度訓練負荷，不斷增加膝關節的負荷，導致膝關節最容易受傷［6］。

目前國內對于膝關節損傷機制的研究主要集中在運動學方面的研究，對于動力學的研究較少。國外最新研究報道，潛在性的膝關節損傷患者在完成屈膝發力動作時，某些核心肌肉力學參數會出現代償性的變化，但這種代償機制對于早期膝關節損傷患者臨床癥狀并不明顯［7］。本研究對9名中北大學男子排球運動員的不同方式扣球起跳和落地動作 （四號位集中扣球、四號位拉開扣球、后排扣球）進行測試，通過對下肢髖、膝、踝三關節運動學、動力學參數的分析，進一步了解男子排球運動員的技術動作特點對于下肢關節的影響，探討不同方式扣球起跳和落地動作下肢關節的生物力學特征，揭示膝關節發生損傷時下肢三關節力學參數所產生的影響及變化規律，為排球扣球技術的教學和訓練以及損傷的預防提供有效的參考，為科學化的訓練提供一些理論依據。

1 研究對象與研究方法

1.1 研究對象

以排球運動員扣球起跳和落地動作的髖、膝、踝動力學分析為研究對象。以9名中北大學男子排球運動員為實驗對象，運動員的平均年齡為（21.2±0.83）歲，平均身高為（188.18±4.63）cm，平均體重為（83.29±8.41）kg。 參加測試期間無損傷。受試者測試前均無踝、膝關節手術史。所有受試者都表示自愿參加本次實驗。運動員基本信息見表1。

表1 運動員基本信息統計表

圖1 受試者圖片

圖2 實驗過程

1.2 研究方法

1.2.1 數據的采集

以Vicon動作分析測量系統12臺Vicon MX紅外線高速攝影機進行三維空間的影像收集，采集頻率為300 Hz，收集黏貼于全身的39個反光球在坐標系統中的軌跡，利用軟件處理反光球在空間中的軌跡，并建立3D人體模型，解析技術動作。

以四塊AMTI三維測力臺收集地面反作用力的數據，采集頻率1 500 Hz，將測力臺與VICON系統連接；進行運動員身體數據的測量（身高、體重、年齡、腿長、膝寬、踝寬、肩峰端與肩關節活動中心之間距離、肘寬、腕寬、掌厚）輸入VICON紅外三維動作分析系統。

1.2.2 實驗設計

備好實驗所需器材（Marker點、雙面膠、緊身衣、三腳架等），將Marker點按照VICON紅外三維動作分析系統測試要求的39個點粘貼在測試者的關節處。所有受試者穿著自己的運動鞋進行測試，在測試前要求參與者進行10min的熱身并練習扣球的動作。本實驗扣球動作要求工作人員站在測力臺右側，并將球傳給受試者進行扣球動作。受試者的扣球路線：1）為四號位集中扣球；2）為四號位拉開扣球；3）為后排扣球。對運動員的不同扣球助跑起跳動作和落地動作進行多次采集。測試過程中要求受試者在起跳時雙腳必須踏入四塊測力臺中的兩塊，扣球動作完成后，雙手不能觸網，落地后雙腳分別落在兩塊測力板，并維持穩定站立姿勢，并在每次測試時提醒受試者盡最大努力進行扣球動作。在落地時發生失去平衡、跨步等不穩定著地的動作則被認為動作無效須重新測試，共收集3次成功的數據。

圖3 實驗現場示意圖

圖中圓圈為VICON的紅外攝像頭，矩形為4塊AMTI測力臺。X軸為排球場短邊，Y軸為排球場長邊（即運動方向），Z軸為垂直軸。

1.2.3 數據的處理與分析

本研究中，人體環節慣性參數采用WINTER所介紹的標準。通過測力臺收集扣球著地的原始數據，所測得的數據用來判斷著地的瞬間，并將其測得的地面反作用力數據以身體的體重對原始數據進行標準化，將標準化后的地面反作用力進行處理分析。根據逆動力學理論，將得到的動力學參數，運用運動學參數和人體模型參數對下肢各關節受力情況進行推導，通過軟件Vicon Nexus 2.5.0建立下肢剛體模型，并對其進行濾波平化處理并導出，通過逆動力學推算出膝、髖、踝關節關節受力數據，找出膝、髖、踝三關節受力最大時刻。以此時刻為研究對象，對關節受力、關節力矩進行對比研究。實驗數據通過Microsoft Excel軟件進行記錄與統計。

2 結果

2.1 起跳方式下膝、髖、踝受力比較

在整個起跳過程中，找出膝、髖、踝關節受力最大時刻，以此為研究時刻進行研究。

表2 不同起跳方式下膝、髖、踝關節受力情況（N）

圖4 不同起跳方式下膝、髖、踝關節合力

表2是不同起跳方式下膝、髖、踝關節受力的研究結果。其中，左側膝關節所受合力為1 988.3±111.5N；右側膝關節所受合力為1 454.9±82.9N；左側髖關節所受合力為1 640.3±127.0N；右側髖關節所受合力為1 229.4±153.2N左側踝關節所受合力為1 923.4±106.8N；右側踝關節所受合力為1 446.0±97.6N。從表2可以看出左側關節受力均大于右側關節，說明在起跳過程中左腿主要為蹬伸腿，右腿主要為緩沖腿，扣球主要以左腿蹬伸來獲得高度，因此左側關節受力必定大于右側。

2.2 落地時膝、髖、踝關節比較

圖5 起跳過程截圖

在整個落地過程中，找出膝、髖、踝關節受力最大時刻，以此為研究時刻進行研究。

圖6 不同落地方式下膝、髖、踝關節合力

表3 不同方式落地時膝、髖、踝關節受力情況（N）

表3是不同方式落地時膝、髖、踝關節受力的研究結果。其中，左側膝關節所受合力為3 265.8±366.9N；右側膝關節所受合力為2 968.4±155.1N；左側髖關節所受合力為2 755.3±404.6N；右側髖關節所受合力為2 630.2±49.8N左側踝關節所受合力為1 748.2±290.1N；右側踝關節所受合力為1 633.0±297.1N。從表3中可以看出左側關節受力大于右側，這是因為人體在空中扣球是身體與球網存在一定的角度，空中人體的軀干和上肢都是向右側展腹和拉臂，到揮臂扣球階段時人體由右側向左側旋轉做收腹和揮臂動作，因此在落地過程中人體的受力都向左側轉移，于是增大了左側關節的受力。

3 分析與討論

3.1 不同起跳方式下膝、髖、踝關節動力學分析

排球扣球起跳動作是指從右腳著地瞬間開始到雙腳起跳離地瞬間結束。

通過不同起跳方式下膝、髖、踝關節受力情況對比可以看出，左側關節發力比右側關節發力要大，不同起跳方式下髖、膝、踝左右側趨勢一致。踝關節在X軸方向起主要作用，髖關節在Y軸上起主要作用，膝關節在Z軸上起主要作用［8］。

由于排球起跳動作是要將Y軸的水平速度轉化到Z軸垂直速度，來獲得更高的高度［9］，研究結果表明，在速度轉換的過程中，通過將腳尖從Y軸向X軸轉動來獲得制動，故踝關節在X軸方向起主要作用；通過髖關節的屈伸來獲得制動，減少Y軸的水平速度，故髖關節在Y軸方向起主要作用；通過膝關節的屈伸來獲得制動和主動蹬伸為了獲得高度，故膝關節在Z軸方向起主要作用，髖關節在Z軸受力也較大，表明在Z軸主要有膝關節、髖關節起主要作用。

3.2 不同落地方式下膝、髖、踝關節動力學分析

通過不同落地方式下膝、髖、踝關節受力情況對比可以看出，整個落地過程中，緩沖主要由膝關節和髖關節完成［10］。通過以上對比可以看出，踝關節在X軸起主要緩沖作用，髖關節在Y軸起主要緩沖作用，膝關節在Z軸起主要緩沖作用、髖關節其次。在整個落地過程中，緩沖主要由膝關節和髖關節完成。由于運動員完成擊球動作需要在空中完成上肢的轉體動作，故造成 X 軸受力較大［11］。

在起跳和落地過程中，踝關節主在X軸方向要主要作用，髖關節在Y軸上起主要作用，膝關節在Z軸上起主要作用。3個關節分別負責不同方向軸的工作，可以幫助教練員分析運動員損傷原因、以及技術動作的不足之處。

排球扣球起跳時，右腳先著地—重心最低點—左腳著地的現象發現，為起跳瞬間的能量轉化提供理論依據，可以幫助教練員重新認識起跳動作，為運動員優化起跳技術。

4 結論與建議

4.1 結論

1）在起跳過程中，關節受力分析踝關節主在X軸方向要主要作用，髖關節在Y軸上起主要作用，膝關節在Z軸上起主要作用。

2）在落地過程中，關節受力分析踝關節主在X軸方向要主要作用，髖關節在Y軸上起主要作用，膝關節在Z軸上起主要作用。

3）排球扣球起跳時，右腳先著地—重心最低點—左腳著地，屬于排球起跳動作特有特征。本人認為在排球動作起跳中，右腿主要負責將水平速度轉化到垂直方向而后伴隨蹬地輔助起跳，左腿則主要負責垂直方向發力起跳。

4.2 建議

1）由于排球起跳和落地動作在X、Y、Z軸中膝、髖、踝三關節各有作用，為了保護運動員關節壽命建議增加每個關節的專項訓練。

2）由于右腳先著地—重心最低點—左腳著地現象的發現，左右腿部在訓練中著重點有所不同，右腿主要訓練水平方向的力量，左腿則主要訓練垂直方向的力量。

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Dynamic Analysis of Hip，Knee and Ankle of Jump Spike and Landing in Volleyball

YUAN Wen-hui， WU Jian， WEI Liang

ObjectiveTo study dynamics characteristics of volleyball jump spike and landing movement in hip，knee and ankle.MethodsUsing VICON infrared three-dimensional motion analysis system，and AMTI force platform.Results and ConclusionIn different jump spike ways，the force of the left joint was greater than that of the right joint.In the process of jumping and landing，the ankle played a major role in the X-axis direction， and the hip joint played a major role in the Y axis， and the knee joint played a major role in the Z axis.The characteristic of the jumping action was that right foot touched the ground first--the lowest point of gravity--on the left foot.In the jump of the volleyball，the right leg was mainly responsible for converting the horizontal speed to the vertical direction and then with the help of the pedal，and the left leg was mainly responsible for the vertical jump.

Volleyball； Jump； Landing； Dynamic analysis

G80-05

A

1003-983X（2017）12-1085-05

2017-10-13

原文惠（1992～），女，山西祁縣人，在讀碩士，研究方向:運動生物力學.

中北大學體育學院，山西 太原，030051 Physical Education College of North University of China，Taiyuan 030051，China