我國與世界優秀女子高爾夫運動員一號木技術三維運動學對比分析

趙紫龍，王澤峰，展更豪，吳淑元，徐華雨

在第32 屆夏季奧運會高爾夫項目中，內莉·科達（美國）、稻見萌寧（日本）和高寶璟（新西蘭）分獲金銀銅牌，我國運動員馮珊珊和林希妤分別獲得第8 名和并列第9 名的成績。在2016 年里約奧運會中馮珊珊取得銅牌，林希妤位列38 位，相比而言馮珊珊的成績有所下降，而林希妤進步明顯。可見，我國女子高爾夫奧運運動員雖滑落獎牌榜，但都躋身于前10 名之列，有沖擊獎牌的可能性。如何突破奧運運動員瓶頸是亟需解決的現實問題，因此，提升我國優秀運動員的整體水平，提高其在世界大賽中的競爭力至關重要。

對于高爾夫這項以技巧為主的運動項目來說，全揮桿技術是贏得比賽的基礎。在全揮技術動作中，運動員公認一號木的技術動作較難穩定發揮（Joseph et al.，2008），這也是制約運動員成績的主要原因，因此提升一號木開球距離和準確性是提高我國優秀運動員競技水平的必經之路（趙紫龍 等，2020）。隨著高爾夫運動的發展，越來越多的學者開始對高爾夫揮桿這一復雜技術進行多方面的研究，以用于競技運動訓練和奧運備戰中（田野，2018）。其中，運動生物力學便是對一號木全揮桿技術分析最有效的方法之一（Hume et al.，2005； Mahadas et al.，2019； Outram et al.，2019； Zouzias et al.，2018）。如，Parker等（2019）使用240 Hz 的傳感器電磁運動捕捉系統對20 名優秀男女高爾夫運動員的一號木揮桿運動學數據進行了分析，發現女子運動員在下揮桿過程中手臂速度峰值和手腕角速度峰值均較小；Joyce（2017）使用10 個250 Hz 的高速攝像機對15 名低障礙男子高爾夫運動員進行一號木和五號鐵全揮桿運動學數據的運動分析，該研究支持了桿頭速度的顯著差異與軀干X 因子拉伸程度相關。而運動學中身體節段運動的順序已經成為高爾夫揮桿指導和科學研究的重要主題（Neal et al.，2007）。如，Horan 等（2012）分析表明，胸腔和骨盆存在很強的耦合關系，而頭部和胸腔則并非如此；Tinmark 等（2010）證實了不同性別和專業水平的高爾夫運動員在全揮桿過程中都利用了身體近端到遠端的相互作用力矩。現實行全揮桿運動學分析主要采用的方法是實驗性的二維、三維技術，雖然有對比賽現場職業運動員的技術分析，但仍以二維分析（徐華雨 等，2020）居多，且研究的深度和廣度不足；而三維技術分析（Egret et al.，2003； Joyce et al.，2010）的數據收集大多在室外練習場和封閉的高爾夫模擬室進行，不能完全反映運動員的實戰表現，且研究對象的全揮桿技術難以代表世界先進水平（李淑媛 等，2013）。

綜上，本研究擬對現役我國和世界優秀女子高爾夫運動員在重大比賽現場的一號木全揮桿動作進行三維高速攝像，經運動學研究分析，探索我國與世界優秀女子高爾夫運動員一號木技術的差距。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

研究對象為我國優秀女子高爾夫運動員與世界優秀女子運動員，共12 名，全部為右利手。其中我國排名靠前的優秀女子運動員6 名，分別為馮珊珊、林希妤、劉鈺、劉瑞欣、閻菁、殷若寧，身高（169.17±5.12）cm，年齡（25.00±4.24）歲，一號木開球距離為（256.69±7.05）碼①1 碼=0.914 4 m。；世界優秀女子運動員6 名，分別為內莉·科達、高真容、畑岡奈紗、李旻智、布魯克·亨德森、丹妮爾·姜，身高（166.50±7.12）cm，年齡（24.83±2.48）歲，一號木開球距離為（263.82±8.48）碼（表1）。

表1 我國與世界優秀運動員基本信息Table 1 Basic Information of Chinese and World Elite Players

1.2 研究方法

1.2.1 三維錄像拍攝法

通過2 臺高速攝像機采集2019 年10 月17－20 日上海LPGA（Ladies Professional Golf Association）別克錦標賽參賽運動員一號木全揮桿視頻，采樣頻率為1 000 幀/s，2 臺攝像機分別放置于距發球臺右手運動員的前方、側方約10 m 位置，高度約1.6 m，主光軸夾角接近90°，拍攝運動員全揮桿技術。

1.2.2 錄像解析法

采用Simi-Motion 三維解析軟件，對全揮桿動作進行解析。解析點根據研究需求進行設定（表2），將正、側2個方向的視頻同步合成進行解析，以獲得研究參數數據；通過Hanavan 數學模型計算人體三維重心。

表2 部分重要解析點設置Table 2 Setting of Some Important Resolution Points

1.2.3 數理統計法

運用 Excel 2010 對選取的運動學數據進行描述統計分析；采用SPSS 23.0 對所獲得的運動學參數進行皮爾遜相關性分析和U檢驗，結果以平均數±標準差（M±SD）表示，以P＜0.05 為具有顯著性。

1.2.4 相關概念界定

1.2.4.1 各技術參數概念界定

通過結合一號木全揮桿技術，從速度、角度、位移等數據進行運動學分析。揮速為擊球前最快的桿頭速度；球速為球開始移動后最快的速度；擊球效率是球速與揮速的比值；起飛角度為球起飛時與水平面的夾角；膝關節角度為兩側髖膝踝關節中心連線所成夾角；髖轉動角度為兩髖關節中心連線相對于準備姿勢時轉過的角度；肩轉動角度為兩肩關節中心連線相對于髖準備姿勢時轉過的角度；肩髖相對旋轉角度為肩部轉動角度與髖部轉動角度之差；重心為人體全部環節所受重力的合力作用點。

以右利手運動員為例，以運動員準備時刻的髖角度為零點，髖、肩向出球方向轉動的角度為正值；髖、肩向出球反方向轉動的角度為負值。重心在X 軸的移動中，以運動員準備時刻重心在X 軸的位置為零點，正值為垂直于運動員雙腳連線方向指向運動員面對方向，負值為垂直于運動員雙腳連線方向指向運動員背對方向；重心在Y 軸的移動中，以運動員準備時刻重心在Y 軸的位置為零點，正值為平行于運動員雙腳連線方向的出球方向，負值為平行于運動員雙腳連線方向的出球反方向；重心在Z軸的移動中，以運動員準備時刻重心在Z 軸的位置為零點，正值為垂直于水平面向上，負值為垂直于水平面向下（圖1）。

圖1 三維坐標系圖示Figure 1.3D Coordinate System Diagram

1.2.4.2 一號木揮桿階段劃分

將高爾夫全揮桿關鍵時刻分為9 個，分別為準備時刻、上桿9 點鐘、上桿12 點鐘、上桿頂點、下桿12 點鐘、下桿9 點鐘、擊球瞬間、送桿3 點鐘、隨揮結束（圖2）。揮桿階段分為8 個，準備時刻到上桿9 點鐘為上桿第1 階段；上桿9 點鐘到上桿12 點鐘為上桿第2 階段；上桿12 點鐘到上桿頂點為上桿第3 階段；上桿頂點到下桿12 點鐘為下桿第1 階段；下桿12 點鐘到下桿9 點鐘為下桿第2 階段；下桿9 點鐘到擊球瞬間為下桿第3 階段；擊球瞬間到送桿3 點鐘為送桿階段；送桿3 點鐘到隨揮結束為收桿階段。揮桿過程分為3 個，準備時刻到上桿頂點為上桿過程；上桿頂點到擊球瞬間為下桿過程；擊球瞬間到隨揮結束為收桿過程。

圖2 部分揮桿關鍵時刻模型Figure 2.Part Swing Critical Moment Model

2 結果與分析

2.1 一號木擊球效果參數分析

我國優秀運動員揮速與球速的均值均小于世界優秀運動員水平，通過比較發現，我國和世界優秀運動員在球速方面呈顯著性差異（P＜0.05；表3）。本研究發現揮速與球速呈正相關關系（P＜0.05），根據動量守恒定律，桿頭以及球的質量不變，桿頭速度越快，擊球距離越遠（宋巍，2016）。我國優秀運動員的落點和停點均小于世界優秀運動員水平，影響我國優秀運動員一號木擊球距離的重要原因可能是揮速和球速不足。殷若寧和林希妤的揮速分別為137.99 km/h 和140.58 km/h，低于我國和世界優秀運動員均值較多。研究發現，揮速與起飛角度呈負相關關系（P＜0.05），相比世界優秀運動員的起飛角度，我國優秀運動員的起飛角度平均大2.71°，且呈顯著性差異（P＜0.05），其中閻菁和殷若寧球的起飛角度過大，分別為14.05°和16.59°，偏離世界優秀運動員水平范圍值較多。

表3 我國與世界優秀運動員一號木擊球效果參數Table 3 Driver Hitting Effect Parameters of Chinese and World Players

綜上所述，提升揮速和球速是提高我國運動員擊球距離的關鍵。識別影響擊球能力的運動學因素，特別是桿頭速度和擊球距離，是發展高爾夫運動表現的一個重要領域（Parker et al.，2019）。從運動學層面來看，運動員可通過改善在全揮桿過程中身體關節的運動方式來獲得身體旋轉速度的提升，通過身體速度向桿頭速度的高效轉化來達到較遠擊球距離的目的。Nesbit 等（2005）表示，在高爾夫揮桿過程中，下肢貢獻了超過30%的身體總功。Okuda 等（2010）表示，在高爾夫揮桿過程中，適當的重心轉移是增加球飛行距離的關鍵。本研究主要通過運動員在全揮桿過程中，膝關節變化、髖、肩轉動角度以及重心轉移的運動數據對擊球效果的影響進行研究分析。

2.2 膝關節變化角度對比分析

我國與世界優秀運動員在下桿9 點鐘的左膝關節角度與揮速兩者呈顯著性正相關（P＜0.05；表4），表明此刻左膝關節角度越大，揮速越快。同樣有研究表明，當身體開始向目標方向旋轉時，重心從后肢轉移到前肢（Pataky.，2015），這就需要增加伸膝活動來抵抗膝關節屈曲，從而為骨盆和軀干的旋轉提供了穩定的基礎（Bechler et al.，1995）。林希妤和殷若寧在此時刻的左膝角度分別為148.79°和145.43°，遠落后于我國和世界優秀運動員的平均水平，可能會造成揮速的降低。McNally 等（2014）認為，在下桿過程中完成更多下肢功的高爾夫運動員在擊球時能夠獲得更大的桿頭速度。本研究顯示，我國優秀運動員擊球瞬間膝關節角度的均值為168.54°±5.65°，大于世界優秀運動員均值163.70°±7.77°，在我國運動員中，劉鈺在擊球瞬間的左膝蹬伸較為充分，而這是完成較遠擊球距離的基礎。

表4 我國與世界優秀運動員各時刻膝關節角度情況Table 4 Knee Joint Angle of Chinese and World Players at Each Times （°）

我國優秀運動員在上桿9 點鐘和上桿頂點的右膝關節角度分別為166.85°±7.19°和162.22°±7.89°，與世界優秀運動員均呈顯著性差異（P＜0.05）。下揮桿是由后側髖部和膝蓋伸肌的有力收縮開始的（Cole et al.，2016），后側腿的有力伸展使得骨盆向側面有力滑動而朝向目標，同時旋轉到一個面向目標的開放位置（McNitt-Gray et al.，2013）。上桿頂點右膝關節的過度伸展可能會對下桿過程中的骨盆旋轉造成影響，應在日常訓練中引起運動員與教練員的注意。

2.3 髖、肩轉動角度對比分析

現代高爾夫揮桿是一種復雜而不對稱的運動，強調在上桿過程限制骨盆旋轉，同時增加胸部旋轉，通過拉長軀干肌肉的長度來預負荷軀干肌肉，儲存更多的彈性勢能為下桿帶來更多的力量，產生更高的桿頭速度（Cole et al.，2016）。職業高爾夫教練員和一些研究也肯定了高爾夫揮桿時，絕對與相對骨盆和上半身旋轉的重要性（Hume et al.，2005； Zheng et al.，2008a）。我國優秀運動員在上桿各個時刻的髖轉動角度均值接近世界優秀運動員水平，其中劉瑞欣在上桿頂點的髖轉動角度最大，達到了40.97°，而要達到理想的骨盆和上半身的“螺旋旋轉”效果需要更多的肩部旋轉。長此以往，過度的轉動負荷會給下背部帶來損傷風險（Cole et al.，2016）。有研究表明，從近端到遠端段（Proximal-to-distal Sequential，PDS 運動模型）的旋轉速度（速度總和）的增量或攜帶效應可以增大遠端的旋轉速度（Putnam，1993），大多數優秀高爾夫運動員在下揮桿所遵循的髖-肩-手臂的發力順序中，髖關節便屬于PDS 運動模型中的近端節段。運動員們在下桿9 點鐘的髖轉動角度與球速兩者之間呈顯著性正相關（P＜0.05），表明此刻髖轉動角度越大，球速越快。我國優秀運動員在下桿9 點鐘髖轉動角度平均低于世界優秀運動員均值11.50°，其中馮珊珊、殷若寧在下桿9 點鐘的髖轉動角度較小，分別低于世界優秀運動員均值15.13°和23.03°，可能會伴隨著球速的降低。PDS 運動模型強調，近端節段在遠端節段達到峰值角速度之前開始減速可以提高多關節運動的準確性，使得遠端速度最大化（Hirashima et al.，2007； Putnam，1993）。由圖3 可知，世界優秀運動員的髖轉動曲線圖折點出現在下桿12點鐘，表明此時刻是運動員們髖減速制動的開始，我國與世界優秀運動員在下桿第1階段髖的轉動角度均值分別為33.38°±9.92°和40.65°±7.54°，分別占整個下桿過程中髖轉動的44.64%和48.41%。表明世界優秀運動員在下揮桿初期已完成近半數的髖轉動，且轉動角度大于我國優秀運動員。因此下桿初期的髖轉動量不足是我國優秀運動員應改進的重點問題。

圖3 我國與世界優秀運動員髖、肩角度變化Figure 3.Changes of Hip and Shoulder Angles of Chinese and World Players

我國與世界優秀運動員在準備時刻的肩關節角度均呈現開放姿態，打開角度分別為8.52°±4.90°和6.92°±3.60°，可能是由于一號木的球位放置靠近左腳，身體稍微打開以維持準備時的桿頭瞄準。在上桿過程中，高爾夫運動員的軀干就像一個螺旋彈簧，肩膀是彈簧的上端，臀部是彈簧的下端。平均而言，LPGA 運動員在上桿頂點的肩和髖都比PGA（Professional Golf Association）運動員扭轉更多，其中LPGA 運動員在上桿頂點肩部旋轉為109°±7°（Zheng et al.，2008b），與本 研 究6 名 世 界 優 秀 運 動員（108.84°±10.32°）相似，同時我國優秀運動員在上桿頂點肩轉動角度均值（106.13°±17.79°）接近LPGA 運動員和世界優秀運動員水平。在下桿過程中肩的轉動總量出現了較大的差異，我國優秀運動員下揮桿過程肩轉動角度均值（133.24°±17.22°）遠小于世界優秀運動員水平（140.74°±12.70°），擊球瞬間我國優秀運動員朝向目標方向開放了27.11°±11.87°，小于世界優秀運動員水平（31.90°± 9.31°）。Meister 等（2011）提出了在下揮桿過程中，上半身的旋轉可能比骨盆旋轉對“X 因素”（相對骨盆和上半身旋轉）影響更大的猜想，但并未給出肩關節旋轉角度對擊球效果產生積極影響的定論，本研究也未得出相關的結論。

表現高爾夫運動表現重要的指標之一是X 因素，被測量為肩膀和骨盆之間的角位移（Myers et al.，2008； Sung et al.，2016），X 因素的大小由肩髖相對轉動角度測量值直觀體現。相關研究表示，上半身和骨盆之間的分離導致軀干肌肉的拉伸（偏心負荷），這可能有助于擊球所需的軀干肌肉收縮。這些被激活的肌肉在向下揮桿時產生桿頭速度方面起到重要作用（Horton et al.，2001； Watkins et al.，1996）。肩、髖轉動角度及肩髖相對轉動角度的變化范圍直接反映了軀干上下兩部分之間扭轉力矩的變化，扭轉力矩會直接影響桿頭角速度（孫航，2019；朱黎明等，2018）。我國優秀運動員在上桿9 點鐘、上桿12 點鐘和上桿頂點的肩髖相對轉動角度范圍分別為17.97°±7.55°、51.52°±16.14°和81.44°±9.00°，分別與世界優秀運動員水平相差1.32°、11.86°和1.86°，數據顯示，我國優秀運動員在上桿過程中肩髖相對轉動較為充分，這有利于提高下桿過程中的揮速。Myers等（2008）證實，通過最大化上半身和骨盆之間的距離可增加球速；Cheetham 等（2000）認為，最大的軀干-骨盆分離是增加擊球距離的重要因素。上桿頂點被認為是肩髖分離的最大化時刻，馮珊珊在上桿頂點位置肩髖相對轉動角度為74.66°，偏離世界優秀運動員的均值范圍較多，這會對球速和擊球距離造成一定影響。下揮桿開始于骨盆旋轉的逆轉，接著是上半身旋轉的逆轉（Meister et al.，2011），擊球瞬間桿頭速度的高低取決于揮桿過程中運動鏈的各部分是否依序遵從著由近及遠的動作模式（Adlington et al.，1996； Chu et al.，2010），是否能實現能量的有效傳遞，也就是說當運動鏈的某個環節在不恰當位置加速或減速都會降低系統末端作用的效果。在下桿9 點鐘的肩髖相對轉動角度與落點兩者之間呈顯著性正相關（P＜0.05），由此說明，運動員在下桿9 點鐘肩髖相對轉動角度越大，擊球距離越遠，而我國運動員在此時刻的肩髖相對轉動角度均值小于世界優秀運動員水平7.23°，其中殷若寧（29.36°）遠小于我國優秀運動員均值（41.60°±9.03°）和世界優秀運動員水平（48.83°±13.23°），這是她損失擊球距離的重要原因。

2.4 重心移動對比分析

周通等（2020）表示，運動員在全揮桿過程中身體重心前后變化幅度越小，擊球效率越高。一方面是運動員身體重心前后移動過大會造成更多的能量損失，勢必會影響擊球的速度；另一方面由于高爾夫球較小，在擊球瞬間很小的位差都會影響球飛行的遠度與落點的位置。由表5 可知，運動員的重心移動趨勢是在上桿過程中重心先向前移動，在下桿過程中先向前移動再向后移動，出乎意料的是重心的前移最大值并不是出現在上桿頂點，而是在下桿12 點鐘，可能下桿第1 階段雙臂的回落以及骨盆的加速旋轉出現了重心的前移。在下桿第2、3 階段重心均向后移動，在擊球前未突破“零點”（準備時刻重心位置）。擊球瞬間重心相對上桿頂點的位移距離與落點呈顯著性負相關（P＜0.05），表明在擊球瞬間重心越靠近上桿頂點重心位置會對擊球距離產生積極影響。我國優秀運動員在全揮桿過程中的前后移動范圍均在世界優秀運動員的范圍之內，其中擊球瞬間相對上桿頂點的重心位移均值為（1.35±1.02）cm，與世界優秀運動員水平相當，這有利于提升擊球準確性和增加擊球距離。

表5 我國與世界優秀運動員各時刻重心情況Table 5 Center of Gravity of Chinese and World Players at Each Time cm

本研究發現，大部分運動員們在上桿12 點鐘時就已經完成了重心向后側腳的轉移，此時重心已在Y 軸負方向（目標反方向）達到了最大值，在上桿第3 階段開啟重心向前側腳（目標方向）的轉移，但其中不乏個例，如閻菁和李旻智采取了在上桿頂點完成Y 軸負方向的全部重心轉移。Cole 等（2016）認為，當骨盆旋轉和側向滑動時，球桿和主臂（右利手的高爾夫運動員是左手）形成一個≤90°手腕角度。當這個角度＜90°時，由于慣性矩的減小，引導臂向前和向下的加速度有利于高爾夫球桿向同一方向的加速。大部分運動員在上桿的最后階段提前開啟重心轉移便充分驗證了該研究結論，這樣的重心轉移模式不僅能為上桿頂點爭取更大的肩髖相對轉動，還能為下桿過程中手臂和手腕的釋放預留了空間和時機。根據Seaman（2000）的研究，在下揮桿的早期階段，骨盆的橫向位移可能是產生更大能量的貢獻者。Cole 等（2016）同樣發現，在下揮桿時胸腔和骨盆朝向球，更熟練的高爾夫球運動員會側向向目標移動盆骨，這進一步提高了桿頭的最終速度。我國優秀運動員在下桿過程中重心向目標方向移動的均值［（7.75±2.39）cm］與世界優秀運動員水平［（8.60±2.16）cm］較為接近，其中閻菁和殷若寧在下桿過程中重心向目標方向分別轉移5.30 cm 和12.90 cm，均偏離世界優秀運動員范圍值。盡管重心的移動會帶來更好的運動表現，但有研究認為，腰椎不能安全地適應過度側移所帶來的力量沖擊，運動員和教練員要注意在利用重心轉移提升揮桿速度的同時預防運動損傷的發生（畢志遠 等，2021；Cole et al.，2016）。

在上桿過程中，由于前側支撐腿的膝關節角度變大，后側支撐腿的膝關節角度變小，手臂舉起球桿到達身體上方，直至在上桿頂點的位置，重心均在向上運動，我國優秀運動員在上桿過程中重心向上運動范圍與世界優秀運動員水平接近。在下桿過程中，由于上半身的旋轉帶動雙臂和球桿開始向下運動，整個身體通過“下沉”來積蓄更大的力量，重心也開始向下移動一直持續到下桿第2階段結束，在下桿12 點鐘重心到達最低位置。在下桿第3 階段隨著前側支撐腿和后側支撐腿的膝關節角度增大，桿頭通過最低點向上擊球，身體重心要略高于準備姿勢時的重心位置（Ball et al.，2007； Koslow，1994）。對于是在重心最低值時擊球，還是在上升期間擊球更有利于增加擊球距離是一個頗具爭議的話題。王德志（2010）和周通（2020）認為，重心高度的降低意味著能量的釋放，重心高度的升高意味著能量轉化為重力勢能，也就是能量的損失，在重心最低點擊球，能使桿頭有更大的速度，擊出更好的球。而一些職業教練員則持相反的看法，認為腿部的蹬伸能夠利用地面的反作用力，在重心上升期間擊球可提升揮桿速度。除丹妮爾·姜是在下桿過程中一直降低重心直至擊球外，本研究中其余運動員均是在重心上升期間擊球，說明多數世界優秀運動員青睞于在下桿過程中重心先降低再升高的重心轉移模式。

3 結論

1）我國優秀運動員一號木擊球距離小于世界優秀運動員的原因在于揮速、球速和起飛角度。

2）下桿9 點鐘是全揮桿過程中極為關鍵的時刻，在此時刻左膝關節的蹬伸角度、髖轉動角度和肩髖相對轉動角度均對擊球效果有顯著影響。林希妤和殷若寧在此時刻的左膝關節角度過小，影響了揮桿速度；馮珊珊和殷若寧的髖轉動角度和肩髖相對角度較小，不利于提升擊球距離；劉瑞欣肩髖的過度扭轉增加了下背部損傷的風險。

3）在下桿過程中，我國優秀運動員重心前后位移普遍較小，向目標方向的位移接近世界水平，有利于提升擊球精準性和增加擊球距離；但殷若寧在此過程中向目標方向移動過多，可能給腰部帶來較大的負荷甚至造成損傷。