不同水平的籃球愛好者罰籃的運動力學分析

劉昊 金真郁 韓國國立群山大學

一、引言

現代體育尤其會產生大量詳細數據，不僅描述比賽結果和球隊特征，而且還描述比賽中的個別事件，例如得分事件、裁判判罰、暫停、控球、球場位置等。數據使許多個人運動的定量分析成為可能。本文據此出發，通過測定不同水平的籃球愛好者的罰籃運動力學，進而獲得第一手的數據，從中找出罰籃成功率的關鍵條件，針對性的提升籃球愛好者的罰籃水平。

二、籃球愛好者水平測定

隨著我國“運動強國”戰略的持續推進，我國籃球愛好者的數量和水平均有了極大地提升。與此同時，在籃球愛好者的日常訓練和比賽中，關注點更多的集中在“三分”“上籃”等更為人所熟知和更具表演性、可看性的技術上，而忽視了“罰籃技術”的訓練。這種問題也在部分教練人員的身上有所體現。這部分教練人員往往在訓練中，采取站成一排，進行任意投球的訓練模式。但實際上，超過30%的籃球比賽最終是依靠“罰籃”來決定勝負的，而廣大籃球運動員中，擁有較高罰籃水平的球員數量并不多。[1]相較于職業球員，籃球愛好者的水平更加的參差不齊。為此，研究首先要做的，是測定籃球愛好者的水平，進而將其分作“高水平組”和“低水平組”，方便后續的實驗研究。

本次研究選取22名年齡在14-16歲之間的籃球愛好者，并由其父母提供了書面的知情同意。之后，對參與者進行了人體測量，包括體重、身高、髂前上棘寬度、大腿長度、大腿中部周長、膝蓋直徑、足長、踝高、踝寬和足寬等。數理統計結果顯示，22名籃球愛好者之間，基本的人口學特征P＞0.05，無統計學意義，可以參與研究。研究采取了紀仲秋等人編制的《籃球專項測試方法與評分標準》，從“助跑摸高”“五點投籃”和“綜合運球”三個方面進行測試。[2]其中，“助跑摸高”20分，摸得越高則分數越高；“五點投籃”50分，1.5min內投中次數越高則分數越高；“綜合運球”30分，單次綜合運球用時越少則分數越高。測試結束后，以75分為標準，高于等于75分的7名籃球愛好者設為“高水平組”；低于75分的15名籃球愛好者設為“低水平組”。

三、罰籃的運動力學分析

（一）實驗方法

毋庸置疑，“罰籃”應該是籃球運動中最簡單的動作之一，因為不涉及身體的接觸、跳躍和扭曲。在實際中，按照國際籃聯的標準，罰籃要求球員在離籃板面4.57m的地方進行投籃，且球員和籃筐之間不得有任何物體。不僅如此，在罰籃的過程中，籃球和籃筐也是標準化的。其中，籃球重0.6-0.65kg，直徑24.6cm；籃筐高3.05m，內徑45cm。因此，籃球運動中的“罰籃”實質上是一個一貫的動作。這也是通過分析罰籃的運動力學，進而提升球員罰籃水平的前提和基礎。[3]

本次研究中，所有受試者都進行了標準的10min熱身訓練，包括慢跑和伸展上下肢肌肉。此后，分別進行10次“跳投”，以熟悉實驗室設備和測試程序。10 次“跳投”中，受試者均赤腳進行，以幫助標記放置的可靠性并減少球員之間鞋類差異的影響。在此過程中，一個2cm的軟橡膠墊被放置于測力臺上，以替代一般情況下球員跳躍著陸時由鞋子提供的襯墊，并防止直接落在測力板上時的疼痛。實驗過程中，選擇用右腳還是左腳先著地是由受試者決定，研究人員沒有給出任何指示。

本次研究規定罰球要在距籃筐中心約4.2米的罰球線后面進行。假設釋放點在距離籃筐中心4米處，釋放條件包括四個輸入參數：釋放速度、初始球路的垂直面與板垂直法向面之間的橫向偏離角、釋放速度與水平面之間的偏離角，以及下旋角速度。[4]其中，研究選擇釋放速度從7到8.2 m/s，增量為0.01 m/s，釋放角度從45到65度，增量為0.5 deg 和2 hz下旋角速度。所有生物力學參數均由Workstation Biomechanical Software 收集并處理為C3D文件。Motion Lab Systems 使用Rdata2程序將C3D文件進一步轉換為DST文件。

此外，研究所涉及的三維關節運動學和力數據是從Vicon系統和Vicon軟件中獲得。研究使用公認的生物力學技術計算力矩、功率和功值以計算動力學值。所有數據都導出為文本文件，以便在spss22.1中進行數理統計的分析。

（二）實驗結果

典型的投籃動作中，要求球的中心、手和前臂在一條垂直線上。對于罰籃動作而言，球員上臂、前臂和手從水平方向的角度，分別約為40°、82°和115°-120°。當球的釋放位置和肩的位置給出時，肩關節的角度范圍從水平面45°（當前臂和腕關節是垂直的）到59°（當肘關節角度接近180°）。[5]實際也是如此，實驗結果顯示，兩組籃球愛好者在進行罰籃時，上臂從水平方向的角度約為51°，手與前臂的角度約為180°，前臂從水平方向的角度約為80°。其中，高水平籃球愛好者前臂從水平方向的角度約為90°，前臂和手之間的角度為173°到201°。他們的上臂水平方向的角度范圍為28°-38°，上臂與前臂的平均角度約為135°，手腕的平均角度約為190°。在發球時，高水平籃球愛好者表現出的上臂與垂直距離更近，而低水平籃球愛好者的更遠。隨著球的釋放速度增加，肘關節角速度的幅度增加，但腕關節角速度的幅度減少，而肩關節角速度的幅度幾乎沒有差別。研究結果顯示，隨著投籃距離的增加，肩肘角速度的大小增加，但投籃距離與手腕角速度之間沒有相關性。

另外，在實驗中，球出手后，應向后旋轉，這樣球碰到籃板后，會向下走，因此，不旋轉的球更容易進。從生物力學的角度來分析，一方面，根據陀螺效應。旋轉的物體具有穩定性，這樣的球進能的命中率會更加高；另一方面，籃球在空中飛行時，靠在籃球表面的空氣會伴隨著籃球的轉動而被帶走，形成一層邊界，而在這些邊界中，氣流會一層層的流動，由于各層次之間的流動速度不一樣，使得流動層之間會產生很多的摩擦力量，這些摩擦力加在起就是籃球在飛行中受到的阻力。因此，籃球在空中的飛行過程中，自身的狀態會發生一系列變化，籃球的后側會形成強力的滋渦，從而使得球體前后的壓強，也就是途中的P1和P2產生的壓強差，稱為壓強差阻力F2與物體運動的速度平方成正比，由于壓差阻力與物體的形狀有直接的關系，故也稱為形狀阻力，球體平動時所受的摩擦陽力E1和壓差阻力F2稱為空氣阻力，它將不斷減小物體運動的速度。顯而易見，這樣的飛行軌跡會加大能球在入筐時的角度，也就會提高籃球的命中率。

四、提升罰籃水平的策略

首先，要掌握標準的罰籃基本動作。優秀的籃球投手有一個漂亮的弧度，輸入適當的后旋球，并盡量減少與最佳投籃路徑平面的側偏。在此過程中，他們操縱自己的肩膀，肘部和手腕，以產生最佳的球速、角度和角速度。為此，要依據研究結果，設計一套標準想罰籃基本動作，具體包括持球姿勢、站立姿勢和投球姿勢等。例如，單手定位投籃和跳投是現代籃球比賽中最常用的罰籃方式。投手用他們的投籃手握住球，把球放在他們前額附近，抬起并伸展他們的肘部，然后把手腕向前折。非投籃手臂有助于支撐球，并允許投籃者在預期的投籃位置投籃。在此過程中，將球、手腕、肘部和肩部保持在與目標相對的垂直平面上。放球時應保持適當的下旋，有一個良好的弧度，與包括目標和放球點在內的最佳路徑。

其次，要增加罰籃動作連貫性的訓練。相較于其他籃球訓練項目中，強調發展力量和速度屬性，本次研究結果顯示，罰籃的成功率更依賴于動作的連貫性。然而，傳統的力量和體能訓練計劃，例如增強式跳躍訓練，通常更加偏重于提高球員的力量、速度和平衡屬性，忽視球員罰籃動作在垂直方向上的力量表達和罰籃動作的標準。因此，要在日常訓練中有意識的增加罰籃動作連貫性訓練，以此干預球員的罰籃訓練。具體來說，在訓練干預前后至少進行 1 項身體素質測量（例如，肌肉力量、線性和方向變化、平衡力量）；在訓練中結合不同情況下，罰籃時籃球的運動軌跡以及球員的自身基礎數據，選擇合適的投球角度，在出手時盡可能的伸直手臂，抖動手腕，給予籃球一個相對柔和的外界力量；在訓練后要及時的進行經驗總結，不斷的回憶罰籃命中時的身體感覺，并在今后的訓練中有意識的向其靠近，通過機械性的訓練獲得肌肉記憶，形成正向的罰籃條件反射。

五、結論

綜上所述，隨著時代的發展，在體育研究領域中越來越需要嚴格收集數據，為復雜的運動現實提供經驗證據。在本次研究中，每種釋放條件下，肩部，肘部和手腕的角速度都有很多組合。當前臂和手在釋放時是垂直的，手臂的旋轉對球釋放速度的垂直分量有貢獻，而肘關節和腕關節的旋轉對于后旋至關重要。根據研究結果，手臂關節有很大的角速度范圍來產生想要的球的釋放。為此，在今后的籃球訓練中，要有意識的加強這方面的訓練，以此提升罰籃水平。