網球發球中的力學研究與應用

於金星

摘? 要：研究旨在對國內、外網球發球的生物力學研究進行匯總綜述，客觀地呈現國內、外網球發球的生物力學的研究動向以及國內外相關研究所存在的共異性。研究最終得出：（1）與國外研究相比，國內網球發球的相關生物力學研究，無論從研究數量還是研究內容方面與國外還存在較大的差距。（2）國內外相關生物力學研究成果為網球發球訓練的科學化、發球動作的技能分析與評估、人與器械的交互以及損傷預防提供可量化的指標與信息;但上述生物力學科研信息的獲取的多圍繞運動員軀干、上肢進行，對運動員下肢的涉入相對不足。（3）國內網球發球的生物力學研究視角主要圍繞網球發球動作技術的分析、發球的訓練方法評估以及器械的生物力學分析展開。（4）國外的相關研究則圍繞發球時器械的生物力學特征、發球的損傷風險及機制、發球動作的生物力學特征、發球的體能訓練以及人體形態學對發球的影響等視角展開。

關鍵詞：網球? 發球? 運動學? 動力學

中圖分類號：G804? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-2813（2019）05（c）-0018-07

Abstract：The aim of this study is to review the biomechanical study in tennis serve from the CNKI and WOS databases;dynamically show biomechanical research orientation at home and abroad. The results showed that， （1） comparison with international biomechanical studies in tennis serve， a significant difference was found in Chinese biomechanical research in tennis serve whatever in research quantity and quality. （2） The research achievements provided a lot of useful information for the sports training， the movement analysis of tennis serve， the interaction between athlete with equipment and the sports injury prevention. This information obtained from above studies mainly adopted from athlete`s upper limb and trunk; There were fewer information about the lower-limb analysis. （3） The view of Chinese biomechanical research in tennis serve mainly focused on the movement analysis， the assessment of training method and the biomechanical analysis in equipment. （4） The perspective of international relevant research mainly focused on the biomechanical analysis in equipment， the injury risk and mechanism， the physical conditioning training and the influence of anthropometric on performance.

Key Words： Tennis; Tennis serve; Kinetics; Kinematics

2015年，國際網球協會（association of tennis professionals，ATP）比賽統計數據顯示，51名高水平男子網球運動員比賽中80%以上的得分來自網球的第一次發球;客觀的數據顯示網球發球在比賽中的重要性。網球發球被認為是一種最不受外人干擾的得分手段[1]，快速、準確是得分取勝的有力手段[2，3]。網球的發球可分為上旋、側旋和平擊3種。上旋發球，球可借助上部快速運動的氣流迫使球過網后呈現出快速下墜、高反彈等特點;平擊發球，由于擁有力量大的優勢，球在運行過程中呈現速度快且飛行軌跡近似支線的特點;側旋/切削發球，由于采用向右/左側擊球使旋轉的方式，使球最終以曲線的形式進入發球區[4]。

網球發球技術是一個復雜的動作技術[5]，要求上、下肢和軀干的協調配合，通過肢體和關節相互協調與活動，將從地面所獲得的力傳遞至球[6];在這個過程中，任何一部分障礙均會影響網球發球動力的傳遞。網球發球的動力來源于足與地面的相互作用力，其后身體各環節按照從下到上、從大關節到小關節的順序將從地面獲得的動力傳遞至球拍，最終以鞭打的形式釋放[5，7]。相關生物力學研究表明：整個發球過程中，發球所產生力的50%是由下肢所產生，不同的下肢動作會對發球過程中力的傳遞產生影響[6]。

網球發球過程中不同的下肢動作，常由不同的站位/步法造成。網球的步法可分為原地發球和并步發球兩種。原地發球（foot-back serve technique）是指發球過程中雙腳保持穩定，這種特殊的站位有利于人體平衡的保持和發球的精確性，但發球的力量較弱[5，7]。并步發球（foot-up serve technique）是指發球時采用前腿支撐，后腿在發球過程中上步并腿完成發球;該技術可借助重心的前移提供發球的力量，但相較于原地發球的雙腳支撐，并步發球容易破壞人體的平衡，影響到發球的質量[5，7]。與原地發球相比，采用并步發球，由于前腿可提供穩定的支撐抵抗旋轉動量，后腿的并步可提供很大的向上和向前的推力和較大垂直地面反作用力，有利于運動員擊球是獲得更高的擊球高度，進而提高發球的速度與質量[8]。

上述研究再次驗證了“網球發球的復雜性特征”，但這些認識的獲得多是采用運動生物力學的方式/方法獲取。研究表明，運動生物力學是體育學領域內的一門基礎性應用學科[9]，由力學、生物學和運動科學等學科綜合分化而成[10]。在運動生物力學發展的進程中，由于其多學科交叉所特有的生命力[11]，使其在運動作技能分析方面發揮獨特的作用[12]。因此，對網球發球的相關生物力學進行及時的回顧、分析，不僅可以進一步增進對網球發球動作力學機制的理解，同時可為網球訓練實踐的科學化提供有益信息?；谠摫尘?，該研究對國內、外有關網球發球的生物力學研究進行綜述。

1? 國內外文獻數據統計

以“網球”“發球”為主題詞，對CSSCI和CSCD收錄的有關網球發球的相關文獻進行全納式檢索，共檢索到109篇相關文獻（見圖1）;通過閱讀標題、摘要和關鍵詞對所檢索到的文獻進行篩查，篩選是否與“網球”“發球”“上旋”“側旋”“平擊”“運動學”“動力學”和“生物力學”等關鍵詞相關，排除非相關文獻，最終檢索到10篇生物力學文獻。同樣，以“tennis serve”和“biomechanics”為主題詞，對Wed of Science（WOS）核心數據庫中收錄的生物力學文獻進行檢索，共檢索到48篇相關文獻（見圖1b）;同樣采用人工閱讀的方式對所檢索到文獻進行二次篩選，判斷所篩文獻是否與“tennis”“tennis serve”“biomechanics”、“kinematics”“kinetics”相關，同時排除非相關研究，最終檢索到36篇生物力學相關文獻。

2? 國內網球發球生物力學研究動向

國內數據庫中收錄10篇生物力學文獻可分為：9篇實驗性研究、1篇綜述。通過整理、分析其研究內容發現，國內相關研究多采用三維高速攝像機、等動肌力訓練儀、肌電以及計算機仿真技術等方法，研究對象圍繞著男、女網球運動員發球的動作技能、訓練效果、肌肉活性以及網球的運行軌跡與速度等內容展開探討，研究結果最終為運動員的科學化訓練提供理論基礎。但與國際相關研究相比，國內相關研究的基數與國外仍存在很大的差距[13]。

2.1 網球發球的動作技能分析

網球發球的生物力學研究可簡單分為對人的研究和對器械的研究兩種;目前國內對人的研究主要側重運動員發球動作的改善、訓練方法的驗證等。早在2000年，劉卉[14]對我國優秀青年女子網球運動員大力發球的動作進行運動學分析;研究指出，網球發球可分為舉拍、騷背和揮拍擊球3個階段，運動員下肢活動與舉拍和騷背階段的運動表現存在聯系，建議運動員在腿部肌肉允許的條件下，增加膝關節下蹲的深度和快速蹬伸的節奏提高舉拍和騷背兩階段的運動表現。嚴波濤等人[3]采用高速攝像機對我國男、女網球運動員拋球、擊球的動作技術和動作節奏的本質展開探討，認為：（1）網球的發球屬于爆發力動作，動作模式基本符合大肌群優先的原則，力的傳遞從踝-膝-髖-肩-肘-腕進行角線傳遞;（2）發球拋球高度的落差通常是造成運動員發球動作不連貫的主要根源，新舊兩種發球在用力模式上存在本質區別，新的發球技術更符合人體運動模式。2008年，學者張德智、李艷霞[15]和劉保華[16]分別對我國優秀女子網球運動員鄭潔和彭帥發球動作分析發現，發球是兩位運動員一個薄弱的技術環節，運動員的發球速度和力量與世界優秀運動員存在較大差距。同年，金春林和曲峰[17]對我國青年男子網球運動員柏衍發球技術分析指出，下肢屈膝下蹲是發球技術重要組成部分，下肢伸肌群離心收縮增大肌肉的彈性勢能，同時增加擊球的揮拍距離，為運動員發球騷背動作的完成提供良好的身體姿勢和用力狀態。

整體上講，國內學者對網球發球的生物力學研究的關注點更多集中運動學視角，研究多借助高速攝像機對運動員的發球動作進行三維分析;但相關研究并未對于網球發球的動力學進行過深的探討。由于網球發球“發球動力”的獲取與應用是一個影響網球發球質量的重要因素，相關方面研究的缺乏可能會使“網球運動員發球動力學方面的探索”成為該領域研究的一個局限點。不過值得肯定的是，上述對網球發球動作的量化的生物力學研究，確實為我國網球運動員發球訓練的科學化、精細化提供了諸多有益信息，從而為運動員動作技能水平的提高提供“力學視角”的保障。

在器械分析的生物力學方面，僅有1研究對其進行模型分析。蔣中偉[18]采用計算機仿真技術，對不同條件下平擊發球球的運行軌跡的變化規律進行分析探討，其研究結果不僅給出不同初速度和高度條件下發球球拍角度的參考值，也指出擊球點越高發球的成功率越高。

2.2 網球發球的訓練效果評估

在訓練效果評估方面，3篇相關研究對網球的發球展開探討。金宗學等人[19]利用無線肌電對我國優秀運動員大力發球發肌肉用力特征進行研究，發現：肱橈肌、三角肌和胸大肌是大力發球的過程中決定發球落點的主要肌群。王會會等人[20]證實：訓練實踐中，肩關節力量一直是決定網球發球質量的關鍵因素，利用彈力帶練習可作為一個有效的訓練手段，該方法可有效發展肩關節主動肌和拮抗肌肌肉力量，提高網球發球的成功率。同樣，周桂芹和尹軍[21]圍繞振動訓練對網球運動員肩關節屈伸肌力改善的效果進行探討，指出：振動訓練相較于傳統訓練可有效地發展運動員肩關節屈伸肌力的能力和運動員發球能力，但振動訓練對運動員發球成功率和出手速度與傳統訓練無差異，建議教練員可以在常規訓練的基礎將振動訓練作為力量訓練的一種補充手段。

上述生物力學在網球發球訓練法方面的研究對網球發球的主要作用肌肉、力量訓練方法與策略進行有效的評估和驗證，客觀地證實“力量因素”對網球發球的影響，為教練員針對發球力量訓練計劃的制訂提供理論基礎。但該方面的研究主要圍繞軀干和上肢肌群展開，并未對網球運動員下肢肌群的過深的探討。

3? 國外網球發球生物力學研究

與國內網球科研成果相比，國外網球發球生物力學方面的研究無論從數量還是內容研究的深度方面都領先與國內，這種差異的造成很大程度上與網球在不同區域的傳播和社會公眾對網球的定位有關。36篇網球發球的生物力學文獻，依據研究目的可將其分為5大類：（1）對器械的研究8篇;（2）對網球運動損傷的研究8篇;（3）對發球生物力學特征的探討和動作技能分析的研究12篇;（4）對訓練效果的研究6篇;（5）其他方向的研究2篇。

3.1 網球發球的器械生物力學分析

生物力學在網球發球時器械方面的研究主要圍繞著網球和球拍兩個器械展開，相關研究內容涉及網球運行軌跡、發球的精確度、球的旋轉、球拍的慣性、拍重以及拍頭的速度等方面。Whiteside等人[22]借鑒人體三維運動學模型設計建立適用于Vicon的網球模型。Sakurai團隊[23]則利用網球模型在借助Viocn的條件下對高水平男子網球運動平擊、側旋和上旋3種發球的旋轉和旋轉軸進行分析，并獲取出兩者在不同界面的運動學數值。Reid等人[24]則對計算網球發球時球拍與球的沖擊力的方法進行驗證，研究結果證實：即使在噪點增加的情況下，多項推理（polynomial extrapolation method）的計算方式在計算網球球拍與球沖擊力方面仍是一種有效的方法。上述研究為網球發球中人與器械互動方面的探討提供有力條件。

研究表明，網球發球過程中球拍與人體存在密切的相互作用關系，發球過程中人體身體不同部分和不同關節會對相鄰身體部分的運動和發球的速度產生影響[25];如：膝關節最大屈曲和沖擊力產生的時間段、肘關節的伸和腕關節的屈是影響速度的最大的影響因素[26]。然而，相關研究也提出，在擺動期間增加球拍擺動力量并不能對發球產生實質性的效果[27]。除了球拍與運動表現的相關研究方面，不少研究對器械對運動員的損傷風險展開探討。Reid等人的研究證實，有運動必然有損傷，不同的發球動作伴隨著不同的損傷風險水平;即使相同的發球動作但由于球落地點的區別，同樣伴隨著不同水平的損傷風險[28]。Rogowski等人認為，運動員網球發球時，球拍會對運動員上肢的負荷產生影響;雖然較大的轉動慣量可以作為一種刺激提高運動員對負荷的忍受度，但額外負荷卻增加運動員發球的損傷風險[29]。上述對器械與人體互動的生物力學研究成果不僅為球員運動裝備的研發與個性化設計提供力學理論，同時也反映網球器械研發與設計的進一步改善可能會對運動員的運動表現、運動員損傷風險產生積極影響。

3.2 網球發球的損傷分析

網球發球的速度和上肢運動學參數的異常是造成網球運動員損傷影響因素，相關研究表明，發球過程中不合理力學機制不僅降低發球的速度和導致大關節的運動學參數，同時這些指標的變化增加上肢過勞性損傷的發生率[30]。Abram等人研究表明發球動作、傷病史、早期訓練監控的評估和平擊、上旋、側旋3種發球動作所帶來的異常的生物力學變化與運動員損傷的發生存在相關性。另外，不同類型的發球對運動員體能需求存在明顯不同;如：平擊球要求運動員的背部和肩部具備很高機能水平，而側旋發球僅需要較小腰、背部肌肉力量便可以維持[31]。上述不同發球的動作技能對身體需求的不同的研究提示，在有傷病史的運動員中尤為注意。因為相關研究表明，具有傷病史的網球運動員，在執行發球動作時會導致代償現象的出現。如Campbell等人[32]研究表明：由于網球發球和擊球時，運動員身體下背部需要承受持續性的負荷;下背部損傷的運動員發球時左側軀干屈肌的力值會明顯增大。另外，Martin等人[33]研究表明：損傷和非損傷的運動員在能量流失方面也存在明顯不同，損傷運動員發球過程中不適的能量流失不僅降低發球的速度，同時增加了上肢動力學的異常，增加上肢過勞性損傷的發生。

上述發球損傷的生物力學分析較為客觀地呈現出不同發球動作所帶來的力學機制的變化，且這些網球發球損傷方面的研究多集中于運動員上肢和軀干方面;這種現象可能是由于網球發球動作鞭打的動作特征或肩、肘、腕以及軀干是網球運動損傷的高發部位所形成[34]。不過值得肯定的是，上述生物力學研究不僅對運動員損傷風險機制進行探討和對損傷風險進行預測、評估，同時其研究成果也為網球運動員損傷的預防和治療提供力學領域的理論知識。

3.3 網球發球的生物力學特征分析

網球發球動作的生物力學特征分析與探討是國外關注最多的領域，研究主要集中發球動作的生物力學特征分析和發球的動作技術分析兩大領域;另外，少部分研究也對三維運動學分析方法在發球中的應用展開探討[35]。Bahamonde[8]采用攝像和直接線性變化法（the direct linear transformation method）計算發球瞬間身體各部分的角慣量發現，在接近擊球最高點時，發球臂產生的角動量可高達75.1%，其中球拍占35.9%，前臂占25.7%。Girard[36]對不同級別網球運動員發球時下肢的動力學分析發現：不同運動級別網球運動員即使發球時表現相同的爆發力，但運動員下肢在垂直地面反作用力和下肢的協調性方面仍存在明顯的差異;且這些生物力學參數方面的差異很可能是造成不同級別運動員發球有效性差異的原因。De Subijana等人[37]指出，盡管很多研究對過頭擊球和投擲動作與網球發球動作展開探討，但對兩種動作與發球動作的“動力鏈傳遞規則”（the Kinetic Link Principle）的聯系卻沒有客觀的數據可以證實;然而，對這種“動力鏈之間功能的理解”可成為網球訓練量化的一個有效工具。Girard等人[38]又對網球運動員在不同場地界面一發時雙足的足底壓力特征進行分析發現;網球在不同場地發球時，人體會根據不同的場地界面調整雙足的負荷特征;但在紅土場地時人體需要額外的力量去機體維持平衡，長時間紅土場地比賽會增加網球運動員的損傷風險。

“沒有數據就沒有訓練，沒有就監控及沒有訓練[39]”。隨著多學科的介入，當今的運動訓練已經成為一個多元化系統;各學科、方法為運動員的訓練提供可量化的信息。因此，在了解網球發球動作的項目特征基礎上，獲取網球發球相關的生物力學指標，可僅以步增進對網球發球動作技能的認識，從而為運動員發球訓練的科學化提供良好的保障。在檢索的相關生物力學文獻中，僅有3篇研究對發球臂、不同的發球動作以及動作技能分解展開研究。Ida [40]團隊是最早對網球發球動作技能進行分析的團隊，該團對比賽現場和實驗室采集所獲取的持拍臂的運動學、動力學數據進行比較，發現：實驗室和比賽現場采集的運動學、動力學參數存在明顯的不同，而這種差異的原因可能是比賽現場條件和實驗室測試條件吻合度的差異不同所造成。Reid等人[41]用Vicon運動捕捉系統對精英網球運動員發球分解的分解動作進行分析，探討發球的分解動作對球拍和球的影響。研究結果顯示，過多的網球發球分解動作的練習會對網球發球動作技能的完善性產生消極影響;另外，高的發球速度和球快速地前移可以作為兩個主要標準評價網球運動員發球表現的客觀指標。Martin等人[42]對網球并步（foot-up）和原地發球（foot-back）的運動表現進行運動學評估，依據實驗結果認為：原地發球技術由于低水平的軀干角動量，網球可以快速地向前移動是一種較好的技術。但該研究中，15名受試者僅4名女性運動員，受試者性別的差異可能是一個影響最終結論因素;仍需要較大的運動員基數對不同發球的技術進行評估與分析。

3.4 網球發球的體能訓練

運動員高水準運動表現的背后，除了精細的動作技術練習外，仍需要系統的體能訓練為運動員高水平的運動表現提供保障。在所檢索的文獻中，網球發球的體能訓練主要圍繞運動員的協調性、力量訓練、訓練效果的評估展開。研究表明，網球的發球節奏是影響發球有效性的一個因素，而隱藏在節奏的背后的人體機能水平則是完成動作所表現的協調性。Reid等人[43]認為，一發時下肢的協調性與肩部的運動學和動力學具有相關性;在下肢主導發力條件下，高運動表現的網球運動員對球拍的速度呈現出相似的容忍度;但在非下肢主導的情況下，運動員對球拍速度的承受度下降;這種差異的原因可能是因為不同的站位和運動員下肢不同的力學機制所造成。Whiteside等人[44]對精英女子運動員關節旋轉和下肢、軀干、發球臂和球位置的變化進行分析發現：網球運動員可以用根據發球位置變化管理自身的動作，從而是發球動作變得協調、流暢。盡管這種對發球協調性認識可以對教練員指導運動員訓練有特殊的指導作用;但作者同樣也指出這種高水平的運動表現僅在精英級別的運動員中發現，是否其他水平的運動員也會呈現相同的運動表現特征仍待進一步探索。

過去的幾十年，網球運動員的專項體能訓練受到相當大的關注;研究圍繞網球運動的生物學特征展開探討，其中對于網球發球、正手和反手與訓練方法練習的生物力學探索卻介入較少[45];但研究表明網球擊球、發球的生物力學研究以及網球運動員力量訓練方法設計對網球運動員運動表現得最佳化具有相當大的意義[45-47]。Baiget等人[46]研究發現：網球運動員肩關節內旋的最大肌力水平與運動員發球的速度有極強的相關性，發球速度變化主要是由運動員肩關節內旋的最大肌力水平和屈曲的肌力水平所決定。Kovacs等人[47]研究同樣發現，網球運動員的力量水平與運動員發球時的運動表現存在高相關性，運動員的肌力水平可以作為評估運動員運動表現的一個評價指標。這些研究的發現，為網球運動員發球的體能訓練提供有力的支持。

但仍有一個比較尷尬的背景值得相關教員、科研人員關注。在訓練實踐領域，對于網球發球動作的分析更多圍繞牛頓第二定律進行解釋分析，教練員在應用這些生物力學的方法對動作技能進行量化分析和應用時卻時常產生矛盾[48]。如：De Subijana等人[37]認為過頭投擲練習與網球發球兩者之間存在功能性聯系，對兩者功能性關系的探索會對網球發球的改善產生積極影響;然而，Reid等人[49]的研究卻與其得出相反的結論，他們認為盡管過頭投擲對軀干動力學的傳遞會產生積極影響，但兩個動作之間存在很小的相似性，對網球發球的改善幫助并不大。對這種矛盾的產生的原因進行分析發現，矛盾觀點的產生有可能是由相關從業人員對生物力學規則和原理認識的差異所造成，因為很多生物力學原理和規則與人們的認識往往存在一定的偏差[48]。對于這種矛盾的解決，生物力學專業術語的標準化是一個有效的方法，但這個方法的建立與推廣需基于國際間的相互合作，同時也需要對生物力學原理在教練員執教中的有效性展開研究[48]。

網球的生物力學其他研究主要對運動員年齡和身體成分對運動表現的影響展開。Whiteside等人[50]基于女子網球運動員和青少年網球運動員受關注較少的背景，對年齡與運動員發球的影響進行分析。研究結果顯示，青春期開始后，發球臂對球速的作用會很快突顯，而“下肢的主導”（leg drive）和“肩部超越器械的旋轉”（shoulder-over-shoulder）對球速的速度作用則待機體的成熟后才開始發揮作用;另外，建議降低青春期階段女子網球運動員動作技能練習的復雜度，因為該階段由于女子運動員身體機能的發育和機能狀態的紊亂，運動員薄弱的力量素質并不能為復雜發球動作的執行提供足夠的支持。Wong等人[51]對運動員身體形態和全身關節的運動學與網球發球速度的影響進行分析，指出：BMI和持拍側的膝關節關節活動范圍、膝關節和髖關節的伸的速度、肩關節冠狀面的運動范圍、肘關節最大伸的速度與運動員發球的速度具有明顯相關性，建議在運動員訓練中應增加有利于發展運動員關節伸的練習。

4? 結論

通過綜述國內、外有關網球發球的生物力學研究成果，研究最終得出以下結論。

（1）國內外在網球發球的生物力學研究方面差異明顯，國內無論從先研究的數量還是研究內容方面與國外相比還存在較大的差距。

（2）國內、外生物力學的相關研究成果為網球發球科學化訓練、網球發球的動作技能分析、人與器械的交互以及運動損傷的預防提供大量可量化的指標與信息。

（3）研究視角方面，國內相關生物力學研究視角可分為對運動員發球動作的生物力學分析、發球訓練方法的評估以及器械的生物力學分析等視角;國外網球發球的生物力學研究可圍繞對器械的生物力學分析、運動損傷的分析、發球動作生物力學特征的探索、發球體能訓練的優化以及人體形態學的影響等視角展開。

（4）除了上述共異性外，網球發球的生物力學研究仍有一點值得關注：無論國內還是國外，大多數均圍繞網球發球的上肢、軀干展開，對于產生50%發球力量的下肢并未進行過深的探討。因此，該研究最后呼吁：相關科研人員應重視網球發球運動員下肢的生物力學研究，以進一步為網球發球訓練的科學化務實基礎。

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