網球專項大學生不同握拍方式正手擊球動作的運動學特征分析

董取勝 雷 濤 蘇健蛟

(1.武漢體育學院 體育科技學院,湖北 武漢 430205;2.武漢體育學院 武術學院,湖北 武漢 430079)

網球運動是一項以技能為主導的隔網對抗性項目,技術動作的水平直接決定著網球運動員自身的競技表現[1]。網球的基本技術動作包括發球、正手擊球、反手擊球、截擊球等。現代網球運動主要以底線型打法為主流,正手擊球是網球各項技術中繼發球之后最重要的一項技術動作。正手擊球是網球技術中最基本的擊球方法,在比賽中正手擊球次數比反手擊球多25%左右[2]。因此,正手擊球既是初學者的入門技術,又是多數運動員取得制勝分的主要手段。正手擊球通常分為三個階段和四個關鍵的動作時刻[3],即準備姿勢、轉肩拉拍、揮拍擊球和前揮跟隨[4]。近年來,關于網球正手擊球技術動作的生物力學研究,主要包括正手擊球過程中上肢[5-7]、軀干[8-11]、下肢[12-15]各關節角度的研究。網球正手握拍方式有東方式、西方式、半西方式、大陸式握拍四種,其中大陸式握拍受制性較大,故除了少數專業運動員比較樂于采用外,大多數人都不常使用,而當今世界網壇正手握拍法中半西方式和西方式握拍已成為主流[16]。有研究認為,初學者正手技術一般是先從東方式握拍開始學習,隨著網球技能水平的提升,握拍方式也會發生相應的改變。然而,西方式握拍較其他握拍方式而言,不僅能夠產生更大的速度,而且能控制住肘關節的角度。也有學者提出,西方式握拍會增大網球肘發生的概率,因為其在加速揮拍時,肘部外翻的壓力增大[17]。而半西方式握拍方式不僅可以處理彈跳較低的球,也可以打出強勁有力的上旋球,擊球時對肘部的壓力也相對較小[18]。半西方式握拍介于東方式與西方式之間,這種握拍方法能使運動員處理好絕大多數的球,可打出強有力的上旋球并可很好地處理低球,因此受到很多運動員的喜愛,成為現代網球運動中主流的握拍方式[19]。

隨著網球運動在我國高校相繼開展,東方式、半西方式、西方式三種握拍方式也成為了高校網球教學中常見的握拍方式。由于大學生在初學階段的運動損傷狀況較為常見,且多為腕、肘和肩關節扭傷[20-22],而適合于我國高校網球教學的方法還在不斷研究和摸索中[22]。目前對不同握拍方式正手擊球技術動作深入比較研究的文獻相對較少,也成為了我國高校網球在理論研究與教學訓練之中的一個薄弱環節。為此,探討三種握拍方式正手擊球時上肢運動學特征之間的差異,更好地服務于我國高校的網球教學質量的提升,成為當前高校網球教學研究的重要議題。基于此,本研究在實驗室的條件下,運用三維捕捉系統對三種常用的握拍方式正手擊球時的運動軌跡進行采集,使用分析軟件對不同時段的運動學特征進行分析并找出三種握拍方式之間的差異,旨在為豐富高校網球教學的理論與方法及預防或降低急性運動損傷的發病率等提供理論參考。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

本研究選取武漢體育學院網球學院2018級網球專項男子大學生45人次的擊球動作為受試對象(平均年齡20.53±0.96歲,身高175.40±3.91cm,體重69.03±8.79kg,右手持拍)。測試前要求所有被測試者身體狀態良好,24小時內未進行過大強度訓練,且近3個月內無上肢關節損傷及其他運動損傷現象的發生。

1.2 測定儀器與設備

運動捕捉系統采用英國生產的VICON Nexus 2.2系統,包括8個400萬像素的攝像頭(型號:T40s)和39個Marker球(直徑:14mm),本實驗采樣頻率為200Hz;三維測力臺系統采用瑞士生產的Kistler9260AA型號測力臺2塊(長600mm、寬500mm、高50mm),本實驗采樣頻率為200Hz;其他用品包括:自制固定Marker球的網球拍、皮尺、卡尺、膠帶、剪刀和專業測試服裝等用品。

1.3 Marker球粘貼、坐標及建模流程

受試者身體表面粘貼39個Marker球的標記,紅外采集光標點,連接、修補、局域坐標定位,輸入測量受試者的身高、體重、各環節參數數值,選用Plugin Gait Full Body及生成骨骼模型(圖1)。

圖1 受試者Marker粘貼部位及人體3D模型

圖2 網球正手擊球時刻和時段設定示意圖

1.4 測試方法

1.4.1 準備部分

首先打開三維運動捕捉系統、測力系統等測量儀器和設備進行預熱與標定,參照實驗室的全域坐標和測力臺位置設定擊打方向,并根據軀干的得分部位設定擊打高度。告知受試者實驗流程、注意事項及填寫實驗知情同意書,再讓受試者進行10分鐘左右慢跑、拉伸等熱身活動,更換服裝以及測量建模所需的身體各個環節長度值。Marker球粘貼完成后,讓受試者熟悉測試流程。

1.4.2 測試部分

準備部分完成后,受試者在指定區域采用閉合式站位,聽到研究者發出“開始”口令后,分別使用東方式握拍(T1)、半西方式握拍(T2)和西方式握拍(T3)的正手擊球技術動作擊打前方帶有光標標識的自制網球,每次擊打完成后,被測試者通過自我感覺和研究者的視覺主觀判斷,共同商議并確定本次動作質量。動作質量依據受試者平時訓練時的技術動作為基準劃分:A級為較好動作,B級為一般或失敗動作。最終每名受試者選定5次A級動作為本文的樣本動作。

1.5 時刻(Event)和時段(Phase)設定

分別將雙手握拍瞬間、右手引拍最大伸展瞬間、球拍擊球瞬間和收拍后右肘關節最大屈曲瞬間,設定為準備(E1)、引拍(E2)、擊球(E3)、收拍(E4)4個時刻。E1時刻結束到E2時刻開始為引拍時段(P1);E2時刻結束到E3時刻開始為擊球時段(P2);E3時刻結束到E4時刻開始為隨揮時段(P3)。

1.6 數據處理

人體運動學原始信號通過數模轉換器與測力系統同步采集與傳輸,并對采集的體表Marker點命名,利用內置VICON Nexus 2.2系統內的Lowpass Filter函數對運動學數據進行濾波、刪補軌跡等技術處理。所采集的上肢關節角度、球拍速度、位移和動作時間的數據,采用VICON Polygon 3.5.1軟件進行計算。定義肩關節和腕關節的伸展、外展、外旋為負值(-),肘關節的外展為負值(-)。關節角度采用所選數據的平均值,球拍速度、位移和動作時間采用所選數據最大值的平均值,分別用Microsoft Excel進行前期處理和IBM SPSS Statistics 22.0后期統計分析,三個組別采用單因素重復測量方差分析和共變量處理,顯著性水平設為a=0.05,結果用平均值和標準差(x±s)表示。

2 研究結果與分析

2.1 上肢關節角度特征的分析結果

受試者上肢關節角度特征分析結果見圖3-5。其中,引拍時刻(E2),西方式握拍肩關節的前屈(22.31±11.78°)、旋外(41.34±6.42°),腕關節的屈曲(54.35±7.85°)相對較大,與東方式和半西方式握拍之間存在顯著性差異(p<0.05);東方式握拍時肩關節的外展(51.01±19.89°)相對較小,與半西方式和西方式握拍之間存在顯著性差異(p<0.05)。擊球時刻(E3),東方式握拍肩關節的屈曲(35.36±19.55°)、內收(37.41±18.96°)及肘關節的屈曲(139.67±13.32°)相對較大,腕關節的外展較小(30.06±6.36°),與半西方式和西方式握拍之間存在顯著性差異(p<0.05);西方式握拍肩關節的旋內(-41.03±25.36°)較大,與東方式和半西方式握拍之間存在顯著性差異(p<0.05)。收拍時刻(E4),半西方式握拍肩關節的內收(146.31±90.47°)、旋外(-90.91±51.89°)與東方式和西方式握拍之間存在顯著性差異(p<0.05);東方式握拍腕關節的旋內(124.43±24.84°)較大,與半西方式和西方式握拍之間存在顯著性差異(p<0.05)。準備及其他時刻,3種握拍類型的上肢關節角度雖然出現了差異(p>0.05),但不存在顯著性。

圖3 網球正手擊球肩關節角度時刻變化示意圖

圖4 網球正手擊球肘關節屈伸角度時刻變化示意圖

圖5 網球正手擊球腕關節角度時刻變化示意圖注:以中立位零度計算法設定關節的零點位;X為繞額狀軸在矢狀面的運動,Y為繞矢狀軸在額狀面的運動,Z為繞不同軸在不同平面的運動。下同。

2.2 上肢關節角速度特征分析結果

受試者上肢關節角速度特征分析結果見圖6-8。其中,引拍時刻(E2),西方式握拍肩關節的內收(88.08±69.84°/s)、旋外(129.02±93.76°/s),肘關節的伸展(91.62±31.12°/s),腕關節的外展(202.27±111.08°/s)、旋外(241.14±94.66°/s)相對較大,與東方式和半西方式握拍之間存在顯著性差異(p<0.05)。擊球時刻(E3),西方式握拍肩關節的旋內(249.09±131.51°/s),肘關節的伸展(139.67±13.32°/s)相對較大與半西方式和半西方式握拍之間存在顯著性差異(p<0.05);東方式握拍腕關節的內收(246.59±132.47°/s)、旋內(268.23±189.42°/s)較大,與半西方式和西方式握拍之間存在顯著性差異(p<0.05)。收拍時刻(E4),西方式握拍肩關節的旋內(269.74±99.85°/s)相對較大,與東方式和半西方式握拍之間存在顯著性差異(p<0.05);大陸式握拍肩關節的外展(257.95±78.06°/s),腕關節的內收(246.59±33.12°/s)相對較大,與半西方式和西方式握拍之間存在顯著性差異(p<0.05)。準備及其他時刻,3種握拍類型的上肢關節角速度雖然出現了差異(p>0.05),但不存在顯著性。

圖6 網球正手擊球肩關節角速度時刻變化示意圖

圖7 網球正手擊球肘關節屈伸角速度時刻變化示意圖

圖8 網球正手擊球腕關節角速度時刻變化示意圖

2.3 球拍的位移、時間和動作速度特征分析結果

正手擊球完整動作的球拍的位移、速度和時間特征分析結果見圖9-11。綜合來看球拍的位移特征,西方式握拍的引拍、擊球和收拍的位移分析結果數值相對較小。其中,在收拍階段(P3),東方式握拍的位移(0.9m)與半西方式握拍的位移(0.8m)和西方式握拍(0.8m)的位移之間存在顯著性差異(p<0.05);在球拍速度方面,綜合來看,西方式握拍>半西方式握拍>東方式握拍。其中,在隨揮時段東方式握拍(0.45m/s)相對較大,與半西方式和西方式握拍存在顯著性差異(p<0.05);在動作時間方面,東方式握拍的動作時間分析結果數值相對較大。其中,引拍時段為半西方式握拍>東方式握拍>西方式握拍,擊球時段為東方式握拍>半西方式握拍>西方式握拍,三種握拍的動作時間雖然出現了差異(p>0.05),但不存在顯著性。

圖9 正手擊球時球拍位移特征示意圖 圖10 正手擊球時球拍速度特征示意圖

圖11 正手擊球時動作時間特征示意圖

3 討論

本研究結合人體運動鏈運動和正手握拍擊球的動作特點,分別將受試者的頭、軀干、大臂、前臂、手、大腿、小腿和腳設為14個剛體。通過觀察剛體之間在3個時段繞軸轉動軌跡發現,三種握拍方式正手擊球時下肢關節的差異較小,因此本研究主要針對受試者的右肩、右肘、右腕(以右手持拍為例)三個關節運動軌跡的變化及球拍的位移、速度和動作時間進行分析與討論。

3.1 不同握拍方式與上肢關節角度的變化關系

網球正手擊球技術動作從“準備-引拍-擊球-揮拍”四環節中都需要上肢關節和肌肉的配合,正手擊球技術時的不同時段,人體最直觀的表現就是各關節的活動度或關節角運動變化。觀察受試者在引拍時段(P1)右手持拍后引,同時轉動肩、肘外展,手臂以肩為軸自下而上引拍,小臂呈前屈、旋內,大臂呈前屈由旋內向旋外變化,上肢關節的運動軌跡類似“C”型。在引拍時刻(E2)西方式握拍的肩關節的前屈、外展、旋外以及腕關節的內收大于東方式握拍,但是東方式握拍的腕關節屈曲較大于西方式握拍。Alberto[8]等人的研究中也提到西方式握拍較東方式握拍和半西方式握拍肩關節的屈曲、旋內、外展更大。擊球時段(P2)右大臂帶動小臂自上而下前屈隨揮,肩關節呈旋外、肩關節呈外展做加速度運動。至擊球時刻(E3)西方式握拍肩關節內收、旋外較大,這與Tagliafico[23]等人的研究一致,西方式握拍在正手擊球時肩關節內收和旋外較大,腕關節外展較多。在擊球瞬間東方式握拍肩關節和肘關節的屈曲以及腕關節外展較大,這與Tagliafico[23]的研究結果“使用東方正手握拍的運動員在肩膀和手腕上使用了更多的水平屈曲和外展”相一致。也有研究提出腕關節的損傷和疼痛與握拍方式有關,Elliott[24]等人的研究中提出西方式和半西方式握拍增加了腕關節的屈曲,這與本文的研究結果一致。東方式握拍導致肩關節、腕關節過多的屈曲和外展,因此容易在腕關節橈側引發傷病,而西方式握拍在擊球時肩關節水平屈曲旋內,腕關節朝尺側傾斜,常在尺側引發傷病[8],關節局部負擔量過大或過于疲勞,極易造成腕、肘關節疼痛,引起腱鞘炎或網球肘[20,21]。隨揮時段(P3)大臂帶動小臂進行屈曲回收,當手臂前揮時需要通過對側肌肉群的強力收縮來減小手臂和球拍的動量以停止其運動,以緩沖上一階段產生的動量[17]。總體來看三種握拍方式的正手擊球技術動作各關節繞軸轉動方向表現大致相同。但是根據實驗結果發現,西方式握拍肩關節活動度較大,肘關節活動度較小,其主要原因在于西方式握拍的肩關節旋內較多,能夠更好地控制肘關節的活動度,從而產生更大的速度。而半西方式握拍正手擊球技術動作上肢各關節角度整體水平介于西方式與東方式握拍之間,關節角度較為平緩,腕關節的屈曲與東方式握拍差異性不大。也證實了部分學者[18,19]的研究,提出半西方式握拍方式在擊球時較為穩定,能夠發揮較大的速度以及能夠處理大多數的球,在當代網球比賽中成為大多數運動員使用的握拍方式。

3.2 不同握拍方式與動作速度峰值的變化關系

有研究認為網球正手擊球技術的上肢關節發力順序為“肩--肘--肩--腕”,即以肩為軸發力[24,25]。根據肌肉的生理結構,我們可知肌肉的預拉長可以有效增大肌肉后續收縮能力[26],因此在引拍階段將肌肉進行有效的拉伸到最大,使肌肉在收縮時增大張力,讓球拍從最高點落下時進行加速,將勢能轉化成拍頭的部分動能[27]。從實驗數據中可以看出,正手擊球過程中關節角速度達到峰值的時間順序為肩關節、肘關節、腕關節,這與Landinger[28]的研究結果“近端節段角速度在遠端段角速度之前達到峰值”相一致。因此,肌肉活動順序進行可以使運動鏈中各個環節的速度相加,讓末端的環節達到最大速度[20-23-29]。為探究揮拍時刻產生最大速度的原因,本研究以球拍的遠端Marker點的速度進行分析。從位移、速度、時間特征(圖9-11)中看出,完整的正手擊球技術動作完成的時間順序為西方式握拍、半西方式握拍、東方式握拍。其中西方式握拍的位移相對較小,與半西方式握拍和東方式握拍差異性較大,證實了Elliott等人的研究提出西方式握拍較東方式握拍肩更靠近身體[30],因此球拍拍頭位移相對較小。有研究提出正手擊球技術中引拍時段肩關節的旋內[30-31]是擊球時速度的主要貢獻者,為擊球時球拍提供了42%～44%向上和向前的線速度[5]。Elliott[30,32]認為,上臂在擊球動作前后,有明顯的內旋動作,這是產生球拍速度(接近30%～40%)的一個必要方面。本研究中引拍時段(P1)三種握拍方式的肩關節旋內差異性較小,從完整技術動作來看采用西方式握拍的正手擊球技術動作的位移、時間與東方式握拍和半西方式握拍相比數值較小,雖出現了差異但不存在顯著性。隨揮時段(P3),半西方式握拍和西方式握拍速度相對較小,與東方式握拍速度差異性較為顯著。觀察數據可知,三種握拍方式各關節變化趨勢一致,上肢關節的角速度峰值都在隨揮階段,達到峰值后逐漸減慢,身體各環節的速度也逐漸降低,這在Takahashi[5]等人的研究中也得到證實。但這個數據與Seeley的研究存在偏差,他在研究中提出除肩部內旋峰值外大多數峰值角速度隨著撞擊后球速度的增加而增加[7]。在本研究中東方式握拍上肢關節角速度在擊球后的隨揮階段較早達到峰值,而西方式和半西方式握拍的角速度峰值出現相對較晚,加速度時間相對較長,因此在隨揮階段下東方式握拍的回收速度較快。此外有研究表明肘的角速度與腕的角速度和線速度成正相關,因此東方式握拍在揮隨時段的速度相對較快。另外,有部分研究表明,擊球時刻肘關節角度與球員握拍方式有關,東方式握拍大約為110°,半西方式握拍大約為130°[30],三種不同握拍方式的角度差異不大,尚不清楚這一結論是否具有普遍意義或是由運動員技術水平之間存在差異所致,還需要進一步研究驗證。

4 結論

網球三種握拍方式正手擊球時上肢各關節繞軸轉動的方向表現為一致性,而上肢各關節的活動度和角速度所表現出來的差異,成為了影響球拍位移、動作時間和動作速度的重要因素。西方式握拍正手擊球技術動作的肩關節內旋較大,因此能夠更好的控制肘關節的活動度,從而產生更大的速度。東方式握拍正手擊球技術動作導致肩關節、腕關節過多的屈曲和外展,能夠增加肌肉的預拉長可以有效增大肌肉后續收縮能力,在揮隨時段的速度相對較快。半西方式握拍正手擊球技術動作中上肢各關節角度整體水平介于西方式與東方式握拍之間,關節角度較為平緩,腕關節的屈曲與東方式握拍差異性不大。這提示我們,在今后的網球教學中,要根據大學生身體狀況和技術水平等個體差異,合理利用三種握拍方式正手擊球時上肢關節的運動學特征,先由東方式握拍入手,當技術動作掌握較為扎實后,再采取半西方式握拍和西方式握拍的遞進練習過程。這既是快速提升大學生網球技術水平及降低和預防急性運動損傷風險的一種有效手段,也是有效提高網球教學質量的一個重要途徑。