排球運動扣球起跳和落地動作的動力學分析

郭俊芬，賈 誼

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排球運動扣球起跳和落地動作的動力學分析

郭俊芬，賈 誼

中北大學體育學院，山西 太原，030051。

研究目的：對下肢關節受力情況進行處理與分析，探究排球運動中導致膝關節損傷的機制。研究方法：以男子排球運動員為研究對象，使用VICON紅外三維動作分析系統、AMTI測力臺、Basler高速攝像機，采集運動員整個扣球過程中的數據，并選取運動員助跑扣球起跳、落地動作中得到的動力學參數進行分析。研究結果：整個扣球過程中，主要支撐作用由膝關節和踝關節完成。左側膝關節主要負責蹬伸，右側膝關節主要負責制動和輔助起跳。整個落地過程，緩沖主要由膝關節和髖關節完成。起跳過程中為了取得更高高度，運動員充分制動，使身體朝向和助跑方向存在一定夾角，在此過程中，下肢關節因為轉動的發生極易損傷。結論：（1）不同方式起跳和落地時左膝關節受力在X軸較大，這是對左膝十字交叉韌帶造成損傷的原因之一。（2）不同方式起跳和落地時膝關節力矩在X軸較大，這是對膝關節內側副韌帶造成損傷的原因之一。（3）膝關節力矩在Y軸較大，這是對膝關節十字交叉韌帶造成損傷的原因之一。

排球；起跳；落地；動力學分析

排球運動中膝關節損傷率最高[1]，膝關節損傷主要集中在扣球起跳和落地階段[5]。本文通過對男子排球運動員不同方式扣球起跳和落地動作進行動力學分析，獲取不同方式扣球起跳和落地時得到的運動學參數，對下肢關節受力情況進行推導，找出他們的動作特點、規律以及存在的技術問題，探究排球運動中導致膝關節損傷的機制。通過分析和總結排球運動扣球動作的基本力學特征，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[6]。

1 測試與數據處理方法

1.1 測試對象

本文以大學生男子排球運動員為主要測試對象，運動員基本信息見表1。

表1 運動員情況統計表

1.2 測試設備

英國OML公司生產的VICON紅外三維動作分析系統（拍攝頻率300HZ）

AMTI（40cm*60cm）測力臺（采集頻率1500HZ）

高速攝像機兩臺（型號為Basler piA640-210gc，其分辨率為648×488，其拍攝幀頻為50Hz）

松尾芭蕉被稱為“俳圣”，他創作的俳句在日本可以說是“前無古人，后無來者”。王維被稱為“詩佛”，他的山水詩繼承并發展了陶淵明、謝靈運，后世極少有人能比肩。兩人生于不同的國家，不同的年代，但殊途同歸，在詩歌上表現了人與自然合而為一的境界，但在審美意識上卻能看到若干不同之處。

本文其余部分的結構如下：第二部分為理論分析與研究假說，第三部分為研究設計與模型構建，第四部分為實證結果與分析，最后為結論和政策建議。

1.3 測試設計與測試方法

1.3.1 實驗場地與器材的設計

圖1 實驗現場示意圖

注：圖中圓圈為VICON的紅外攝像頭、三角為Basler高速攝像機、黑色矩形為四塊AMTI測力臺

1.3.2 實驗條件的設置

圖2 實驗的3種方式

（4）不同方式起跳時左膝關節受力在X軸較大，這可能是對左膝十字交叉韌帶造成損傷的原因。不同方式起跳時膝關節力矩在X軸最大，這可能是對膝關節內側副韌帶造成損傷的原因；膝關節力矩在Y軸較大，這可能是對膝關節十字交叉韌帶造成損傷的原因[7]。

1.3.3 測試過程

（1）前期工作。記錄被測運動員的基本情況（身高、體重、年齡）輸入測試系統，將測力臺、高速攝像機都與VICON系統連接；進行運動員身體數據的測量[3]（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下肢長度——髂前上棘到內踝的長度

②膝寬——膝內外側寬度

③踝寬——內外踝之間的距離

④肘寬——肘內外側寬度

⑤腕寬——腕關節內外側寬度

⑥掌厚——手掌掌骨最厚部位厚度

⑦肩峰端與肩關節活動中心之間距離

（2）測試步驟。將Marker點按照VICON紅外三維動作分析系統測試要求粘貼在測試者的關節處；同步攝像，開始測試，為了確保數據的準確性，不同條件下每個動作進行至少3次視頻采集，為了避免疲勞，應注意每組測試之間的間歇時間[4]；保存數據。

圖3 被試者Marker點粘貼示意圖

圖4 被試者測試過程圖片

1.3.4 數據處理方法 對采集的原始運動學與動力學參數進行處理[2]，通過軟件VicoN Nexus 2.5建立全身剛體模型，并對其進行濾波平化處理，計算全身各環節的位移、速度、加速度以及角度、角速度、角加速度等運動學參數。

2 研究結果與分析討論

2.1 起跳時膝關節比較

2.1.1 起跳時膝關節受力比較 計算出整個起跳過程中膝關節的受力，找出膝關節受力最大時刻，以此為研究時刻進行研究，以下均為膝關節最大受力數據。

圖5 左、右膝關節受力最大時刻（注：綠色為右側、紅色為左側）

表2 3種起跳方式膝關節受力對比表（單位：N）

相同軸3種起跳方式的對比

圖6 X軸3種起跳方式膝受力對比

用單因素方差分析X軸3種起跳方式左膝受力（F=0.534，P=0. 0.806）、右膝受力（F=0.625，P=0.393），均無顯著性差異；

圖7 Y軸3種起跳方式膝受力對比

用單因素方差分析Y軸3種起跳方式左膝受力（F=0.946，P=0.875）、右膝受力（F=0.712，P=0.832），均無顯著性差異；

圖8 Z軸3種起跳方式膝受力對比

用單因素方差分析Z軸3種起跳方式左膝受力（F=0.372，P=0.521）、右膝受力（F=0.583，P=0.600），均無顯著性差異。

相同起跳方式左右關節的對比

圖9 集中起跳左、右膝關節受力比較

用配對樣本T檢驗，在集中起跳方式下對X軸左膝、右膝進行對比，有顯著性差異（P=0.004）；對Y軸左膝、右膝進行對比，無顯著性差異（P=0.434）；對Z軸左膝、右膝進行對比，有顯著性差異（P=0.026）。

圖10 拉開起跳左、右膝關節受力比較

用配對樣本T檢驗，在拉開起跳方式下對X軸左膝、右膝進行對比，有顯著性差異（P=0.009）；對Y軸左膝、右膝進行對比，無顯著性差異（P=0.813）；對Z軸左膝、右膝進行對比，有顯著性差異（P=0.012）。

圖11 后排起跳左、右膝關節受力比較

用配對樣本T檢驗，在拉開起跳方式下對X軸左膝、右膝進行對比，有顯著性差異（P=0.013）；對Y軸左膝、右膝進行對比，無顯著性差異（P=0.565）；對Z軸左膝、右膝進行對比，有顯著性差異（P=0.031）。

2.1.2 膝關節力矩的比較 計算出整個起跳過程中膝關節的受力，找出膝關節受力最大時刻，以此為研究時刻進行研究，以下均為膝關節最大受力時刻計算出的力矩數據。

表3 3種起跳方式膝關節力矩對比表（單位：N?M/KG）

相同軸3種起跳方式的對比

圖12 X軸3種起跳方式膝力矩對比

用單因素方差分析X軸3種起跳方式左膝力矩（F=0.473，P=0.182），右膝力矩（F=0.289，P=0.587），均無顯著性差異。

圖13 Y軸3種起跳方式膝力矩對比

將本院在2017年1月至2018年1月收治60例病例作為研究資料,這些患者均為應用多種西藥聯合治療后出現不良反應的病例,回顧性分析這些臨床資料,全部患者均簽署知情同意書。其中,男32例,女28例,年齡為18-76歲。

圖14 Z軸3種起跳方式膝力矩對比

合肥需要開拓夜間旅游資源，注重夜游資源的多樣性，不僅要關注城市現代時尚類夜游資源的開發，還要注重遺址遺跡、聚落等具有歷史厚度的資源發掘，自然與人文并重，避免重復開發，同時注重夜游資源在地域空間內的優化組合。通過對合肥現有資源特點的考察，結合夜游開發的條件，綜合考慮資源的夜間可進入性、設施條件及打造成本，列出合肥夜間旅游發展的潛力資源(表1)。

相同起跳方式左右關節的對比

圖15 集中起跳左、右膝關節力矩比較

用配對樣本T檢驗，在集中起跳方式下對X軸左膝、右膝進行對比，無顯著性差異（P=0.298）；對Y軸左膝、右膝進行對比，無顯著性差異（P=0.116）；對Z軸左膝、右膝進行對比，無顯著性差異（P=0.444）。

兩組患者均連續治療7天,觀察治療過程中的身體反應,一旦出現過敏反應或者其它不良反應等應立即停止輸注,及時采取診治措施。

圖16 拉開起跳左、右膝關節力矩比較

用配對樣本T檢驗，在拉開起跳方式下對X軸左膝、右膝進行對比，無顯著性差異（P=0.555）；對Y軸左膝、右膝進行對比，無顯著性差異（P=0.298）；對Z軸左膝、右膝進行對比，無顯著性差異（P=0.174）。

圖17 后排起跳左、右膝關節力矩比較

用配對樣本T檢驗，在后排起跳方式下對X軸左膝、右膝進行對比，無顯著性差異（P=0.638）；對Y軸左膝、右膝進行對比，無顯著性差異（P=0.778）；對Z軸左膝、右膝進行對比，無顯著性差異（P=0.517）。

起跳過程中對膝關節受力和力矩比較可以看出：

（1）膝關節Z軸受力明顯大于X軸和Y軸，在X軸和Z軸受力左膝關節明顯大于右膝關節。

（2）膝關節X軸力矩明顯大于Y軸和Z軸。膝關節力矩在X軸明顯左側大于右側，Y軸和Z軸方向無明顯差距。

（3）3種起跳方式下膝關節受力，在X軸和Z軸方向均有顯著性差異，其原因可能是：左右膝關節所處時刻不同，動作也不同。右膝需要將Y軸的水平速度轉化到Z軸而獲得垂直速度以便于獲得更好的高度，故將膝關節朝X軸方向產生扭動，緩沖完成；左膝在完成緩沖以后為獲得起跳高度迅速蹬伸，完成起跳動作。說明在起跳時左右膝關節作用不同，左膝負責起跳時主要的蹬伸、右膝負責制動和輔助起跳。

3種扣球情況：（1）四號位集中扣球；（2）四號位拉開扣球；（3）后排扣球。

用配對樣本T檢驗，在拉開落地方式下對X軸左膝、右膝進行對比，無顯著性差異（P=0.585）；對Y軸左膝、右膝進行對比，無顯著性差異（P=0.918）；對Z軸左膝、右膝進行對比，無顯著性差異（P=0.289）。

（5）不同方式起跳時膝關節力矩均無顯著性差異，可能的原因是：訓練時沒有針對位置特點進行扣球訓練，統計學本身不存在差異，樣本數量較少。

用單因素方差分析Y軸3種落地方式左膝受力（F=0.337，P=0.210）、右膝受力（F=0.468，P=0.805），均無顯著性差異；

2.2 落地時膝關節比較

2.2.1 落地時膝關節受力比較 計算出整個落地過程中膝關節的受力，找出膝關節受力最大時刻，以此為研究時刻進行研究，以下均為膝關節最大受力數據。

眾多教育名家近乎一致地提倡“農業為主”的生產教育，使得“目前的生產教育完全被籠罩于‘農業為主工業為輔’的氛圍氣中”[14]。這種情形引起了吳景超、錢亦石等學者的強烈不滿。他們在《獨立評論》、《東方雜志》等刊物上撰文，以中國社會經濟現實與世界經濟發展趨勢為依據，反駁生產教育“農業為主”論的觀點，提出“工業為主”的主張。

表4 3種落地方式膝關節受力對比（單位：N）

相同軸3種起跳方式的對比

圖18 X軸3種起跳方式膝受力對比

用單因素方差分析X軸3種落地方式左膝受力（F=0.599，P=0.359）、右膝受力（F=0.940，P=0.726），均無顯著性差異；

圖19 Y軸3種起跳方式膝受力對比

（6）由于起跳過程是將水平速度轉化成垂直速度，從而達到更高高度的過程。右側膝關節先達到受力峰值，左側膝關節后達到受力峰值。起跳過程中為了取得更高高度，運動員充分制動，使身體朝向和助跑方向存在一定夾角，再將身體朝向轉動至助跑方向完成起跳動作。

圖20 Z軸3種起跳方式膝受力對比

用單因素方差分析Z軸3種落地方式左膝受力（F=0.368，P=0.293）、右膝受力（F=0.502，P=0.853），均無顯著性差異。

(2)2005年，Klein優化了在相關密鑰下的唯密文攻擊RC4，Tews等用Klein攻擊，可以在一分鐘之內破解104位WEP協議。

相同起跳方式左右關節的對比

圖21 集中落地左、右膝關節受力比較

用配對樣本T檢驗，在集中落地方式下對X軸左膝、右膝進行對比，有顯著性差異（P=0.047）；對Y軸左膝、右膝進行對比，無顯著性差異（P=0.815）；對Z軸左膝、右膝進行對比，無顯著性差異（P=0.126）。

圖22 拉開落地左、右膝關節受力比較

用配對樣本T檢驗，在拉開落地方式下對X軸左膝、右膝進行對比，無顯著性差異（P=0.927）；對Y軸左膝、右膝進行對比，無顯著性差異（P=0.108）；對Z軸左膝、右膝進行對比，無顯著性差異（P=0.551）。

圖23 后排落地左、右膝關節受力比較

(2)高度集成化。自動化技術的應用不僅僅局限于某單一方面技術的應用，而是將不同的現代化技術，如計算機技術、單片機技術、傳輸系統和信息采集等技術緊密集成，借助人機控制界面實現煤礦資源開發利用的過程，實現了對機械設備動態監測及控制的目的，推動了煤礦機電自動化技術向智能化發展。

2.2.2 落地時膝關節力矩的比較 計算出整個落地過程中膝關節的受力，找出膝關節受力最大時刻，以此為研究時刻進行研究。

表5 3種落地方式膝關節力矩對比表（單位：N?M/KG）

相同軸3種起跳方式的對比

圖24 X軸3種起跳方式膝力矩對比

用單因素方差分析X軸3種落地方式左膝力矩（F=0.705，P=0.355）、右膝力矩（F=0.804，P=0.351），均無顯著性差異；

用單因素方差分析Z軸3種起跳方式左膝力矩（F=0.491，P=0.238），右膝力矩（F=0.325，P=0.136），均無顯著性差異。

圖25 Y軸3種起跳方式膝力矩對比

用單因素方差分析Y軸3種落地方式左膝力矩（F=0.043，P=0.800）、右膝力矩（F=0.071，P=0.381），均無顯著性差異；

圖26 Z軸3種起跳方式膝力矩對比

用單因素方差分析Z軸3種落地方式左膝力矩（F=0.135，P=0.280）、右膝力矩（F=0.430，P=0.960），均無顯著性差異。

首先，事業單位各部門、人員要明確責任分工和權限，除了要設立部門責任制之外，還應將具體責任落實到個人。其次，各部門應帶頭細化單位內部的各類規章機制，強調細節管理，爭取每一環節都設有嚴謹的約束機制，為經費管控保駕護航。

相同起跳方式左右關節的對比

圖27 集中落地左、右膝關節力矩比較

用配對樣本T檢驗，在集中落地方式下對X軸左膝、右膝進行對比，無顯著性差異（P=0.193）；對Y軸左膝、右膝進行對比，無顯著性差異（P=0.262）；對Z軸左膝、右膝進行對比，無顯著性差異（P=0.691）。

圖28 拉開落地左、右膝關節力矩比較

用配對樣本T檢驗，在拉開落地方式下對Y軸左膝、右膝進行對比，無顯著性差異（P=0.396）；對Y軸左膝、右膝進行對比，有非常顯著性差異（P=0.009）；對Z軸左膝、右膝進行對比，無顯著性差異（P=0.717）。

圖29 后排落地左、右膝關節力矩比較

用配對樣本T檢驗，在后排落地方式下對X軸左膝、右膝進行對比，無顯著性差異（P=0.519）；對Y軸左膝、右膝進行對比，無顯著性差異（P=0.331）；對Z軸左膝、右膝進行對比，無顯著性差異（P=0.880）。

嚴格執行《軍事訓練條例》《民兵軍事訓練大綱》等軍事訓練法規，結合省軍區、軍分區的訓練指示，安排好縣（市、區）的民兵預備役人員訓練，嚴格訓練標準，保證人員、時間、內容、要求四落實。破解裝備器材受限、師資力量薄弱、訓練場地匱乏等普遍存在的難題，采取模擬簡便器材替代實訓器材，與地方應急部門和高校共享教學資源，搞好各種訓練保障。遵循訓練規律，按照先基礎后應用、先技術后戰術、先專業后演練方法，杜絕訓練“走過場”搞“假把式”，提高遂行多種任務的能力。

落地過程中對膝關節關節受力和力矩比較可以看出：

用單因素方差分析Y軸3種起跳方式左膝力矩（F=0.974，P=0.990），右膝力矩（F=0.205，P=0.590），均無顯著性差異。

（1）膝關節Z軸受力明顯大于X軸和Y軸。

（2）膝關節Z軸力矩最小。

（3）在集中落地方式下對X軸左膝、右膝受力進行對比，有顯著性差異（P=0.047）。其原因可能是：在空中扣球時身體朝向為右前方，扣球揮臂的過程中身體向左側轉體，由于排球運動員的習慣性落地動作，身體重心向左轉移，使得左膝的X軸的受力大于右膝[8]。

（4）不同方式落地時左膝關節受力在X軸較大，這可能是對左膝十字交叉韌帶造成損傷的原因。不同方式落地時膝關節力矩在X軸較大，這可能是對膝關節內側副韌帶造成損傷的原因；膝關節力矩在Y軸較大，這可能是對膝關節十字交叉韌帶造成損傷的原因。

X片平片通常應用在脊柱骨折患者的診斷中，但是對于某些不易區分和發覺的骨折類型需要使用CT檢查才能得出結論[1]。本組實驗選取2016年2月—2018年2月進入本院接受治療的脊柱骨折患者共74例作為研究樣本，分別給予不同診斷方式，旨在進一步探討在脊柱骨折患者診斷中分別應用X片平片與CT的具體效果。現將具體研究結果報道如下。

（5）不同方式落地時膝關節力矩均無顯著性差異，可能的原因是：訓練時沒有針對位置特點進行扣球訓練，統計學本身不存在差異，樣本數量較少[9]。

3 結 論

（1）整個起跳過程，主要支撐作用由膝關節和踝關節完成。左側膝關節主要負責蹬伸，右側膝關節主要負責制動和輔助起跳。

借助哪吒的傳說，我將哪吒與現代輪滑相結合，發明設計出一款現代“風火輪”。它不僅具有傳統輪滑在地面滑行的功能，還能帶著我們自由滑翔在空中。你不用擔心平衡和重力問題，它能根據使用者的體重、身形以及風速等條件自動及時調控飛行的速度、方向等，從而帶給使用者飛翔的樂趣。

（2）整個落地過程，緩沖主要由膝關節和髖關節完成。

（3）起跳過程中為了取得更高高度，運動員充分制動，使身體朝向和助跑方向存在一定夾角，再將身體朝向轉動至助跑方向完成起跳動作。在這個過程中，下肢關節因為轉動的發生極易損傷[10]。

④樣本數據均值的主成分分析:對溫度樣本均值進行主成份分析,計算加權協方差矩陣得出對應k個最大特征值的特征向量ηr(r=1,2,…,k),最終確定參數向量:

（4）不同方式起跳和落地時左膝關節受力在X軸較大，這是對左膝十字交叉韌帶造成損傷的原因之一。不同方式起跳和落地時膝關節力矩在X軸較大，這是對膝關節內側副韌帶造成損傷的原因之一；膝關節力矩在Y軸較大，這是對膝關節十字交叉韌帶造成損傷的原因之一[11]。

4 建 議

起跳過程中左側膝關節主要負責蹬伸，右側膝關節主要負責制動和輔助起跳。在今后的訓練中，左側膝關節針對垂直軸的加強訓練，右側膝關節針對水平軸和關節穩定性加強訓練[12]。

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[2] 劉 闖. 生物力學在排球扣球動作技術中的應用分析[J]. 體育世界：學術版，2011（5）：106~107.

[3] 林 森. 隋盛勝四號位扣球起跳技術的足底力學特征研究[C]. 全國運動生物力學學術交流大會. 2009.

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[5] 張清華，華立君，陳 鋼. 男子排球上步扣球起跳技術的生物力學分析[J]. 體育科學研究，2008，12（2）.

[6] 李世明，劉學貞，許全盛. 沙灘排球與室內排球扣球起跳階段人體重心運動特征的生物力學對比研究[J]. 中國體育科技，2002，38（2）：32~34.

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[8] 肖曉飛，郝衛亞，李旭鴻，等. 基于不同剛體模型的體操落地沖擊動力學比較研究[J]. 北京體育大學學報，2015（3）：78~83.

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[10] Devita P，Skelly W A. Effect of landing stiffiiess on joint kinetics andenergetics in the lower extremity [J]. Med Sci Sports Exerc, 1992, 24(1): 108~115.

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Dynamic Analysis of Take-off and Landing of Volleyball Spike

GUO Junfen, JIA Yi

School of Sport and Physical of North University of China, Taiyuan Shanxi, 030051, China.

In the men's volleyball athletes as the research object, using the VICON infrared three-dimensional motion analysis system, AMTI force measurement, Basler high-speed camera, the whole process of the acquisition of athletes spiking data, select the run-up take-off and landing kinetic parameters obtained in the processing and analysis of the force on the lower extremity joints, the mechanisms leading to injury of knee joint the study of volleyball. The take-off process, the main supporting role performed by the knee and ankle joints. The left knee joint is mainly responsible for stretching, the right knee is mainly responsible for braking and auxiliary take-off. The whole process is completed by the landing buffer, knee and hip joints. In order to achieve a higher height, the athletes fully braked, so that the body has an angle between the running direction and the approach direction, and then the body rotates toward the approach direction to complete the take-off. In this process, the lower limb joint is easily damaged because of the rotation. In different ways of take-off and landing, the force of the left knee joint is greater at the X axis, which is one of the reasons for the damage to the cruciate ligament of the left knee. Different ways of take-off and landing on the X axis of knee joint torque is large, and this is one reason for the injury of medial collateral ligament of knee joint; knee joint torque on the Y axis is large, and this is one reason for the damage of the cruciate ligament cross.

Volleyball; Take-off; Landing; Dynamic analysis

G804.66

A

1007―6891（2018）01―0056―08

10.13932/j.cnki.sctykx.2018.01.14

2017-10-20

2017-10-30

中考體育加試政策對提升青少年體育素養影響的研究，項目編號：GH-15040。