基于生物力学探讨不同高度脚背正面踢球的球速及准确度

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  射门在足球比赛中是最直接的得分手段。射门能否取得成功,主要取决于射门球速、射门角度、射门时机等要素。球速较快的球,往往给守门员造成较大威胁。据人体解剖结构特征,脚背正面踢球时摆幅相对较大,加之其摆速快且与球接触面相对较大,因而踢球时力量大、球速快、准确性高。Isokawa 等[1]研究显示,技术熟练的的足球运动员脚背正面踢球,球速可达 17~28 m/s.实际比赛中,脚背正面射门使用频率相当高,且射门形式多样,如定位球、正面凌空抽击、侧身凌空摆击、反弹球、倒钩等。

  国内外有关脚背正面踢球的生物力学文献不多,从查阅到的少数文献中,以运动学分析者居多。刘力生[2]研究发现:脚背正面踢球时,足的速度与球速高度相关(r=0.872),摆动腿的摆动遵循关节活动的顺序性原则。许树渊[3]认为,以人体踢球动作的下肢动力链视之,大腿的用力与大幅摆动均能倍增下肢末端即足的重心速度,使踢球时动量增加,球速提升。黄寿军[4]从事多年足球教学经历,在实践中发现:支撑腿过前,击球点在球的后上方,会经常出现“卡壳”或踢出去球无力现象;支撑腿过后,击球点易击在球的后下部,踢出的球偏高,多沿横轴回旋,出球力量小;支撑点与球的中心点在同一水平线上,则左右距离过大或过小,击球点不稳定,出球多呈内、外旋,这些属于教学经验,未能获得实验数据佐证。Asami 等[5]发现:地面反作用力峰值与球速表现无明显关系。Kell 等[6]研究了不同角度助跑对支撑腿膝关节生物力学的影响时发现:地面垂直反作用力不受助跑角度影响。本研究借助运动学和动力学同步测试方法对不同高度脚背正面踢球的球速及准确度进行探讨,为足球运动员在比赛、训练环境下,如何运用合理技术提供参考。

  1 研究对象与方法
  
  1.1 研究对象
  
  选择西南大学足球队 12 名男生,为受试者,身高(175.22±1.36) cm、体重(65.37±2.35) kg、年龄(21.32±1.03)岁、运动等级均为国家 2 级、训练年限均在 8年以上且从未中断。

  1.2 研究方法
  
  1)运动学研究。

  2 台 JVC9800 摄像机,拍摄频率为 100 帧/s.A 机、B 机及三维测力台中心 3 点近似构成等边三角形,边长约为 5 m,两机高约 0.75 m.对受试者从助跑到脚击球的整个过程进行拍摄。采用北京体育大学研发的视讯图像解析系统对运动图像进行插帧处理使拍摄频率达到 200 帧/s,后再进一步对图像解析以获取相关运动学参数。

  2)动力学测试。

  国产 JP6060 多维测力平台用于监测受试者踢球过程中踏在测力台的支撑腿对地面的三维力变化情况。测力台采用埋入式安装,其表面与地面基本保持在同一水平面上,数据采样频率为 800 Hz.同步装置是由连接多维测力平台的触发模块的无线同步器和发光的二极管组成。主试者触发同步遥控器,多维测力台启动采集数据,二极管发光使摄像机与多维测力台同步。

  3)时相阶段划分。

  (1)技术动作定义。

  地面球射门:以直线助跑方式(助跑路线与球门中心线夹角<15°),正面踢放置在地面上球的射门动作。

  1/2 膝关节高度射门:以直线助跑方式,正面踢尚未落地、在 1/2 膝关节左右高度球的射门动作。

  膝关节高度射门:以直线助跑方式,正面踢尚未落地,在膝关节左右高度球的射门动作。

  空踢动作与有球射门动作要求一致,空踢完整动作以支撑腿踏上测力平台后,踢球脚足尖离地瞬刻为始,足尖与标志杆平行为终。

  (2)角定义。

  髋关节角:为髋、膝关节中心连线与躯干中点及髋关节中心点连线之间的夹角。膝关节角:为膝、踝关节中心连线与人体垂直轴之间的夹角。踝关节角:为踝关节中心与跖趾关节连线与水平轴之间夹角。脚背夹角:为脚背正面与地面间的夹角(见图 1)。【1】

  
  (3)球门分区。

  将球门上半部分为 A 区,下半部分为 B 区用以记录受试者射出的球落在球门内的具体位置。

  (4)时相划分。

  踢球的一般过程包括助跑、支撑、摆腿、脚击球,随前动作。本研究主要探讨支撑腿踏上测力台瞬刻至摆动腿将球踢出瞬刻这一过程。据研究需要将这一过程分为 3 个阶段。第 1 阶段:从支撑腿踏上测力平台后,踢球脚足尖离地瞬刻至最大髋关节伸展角度瞬刻止;第 2 阶段:小腿向上摆动期,即踢球脚髋关节从最大伸展角瞬刻至膝关节屈角最小瞬刻;第 3 阶段:

  前摆期,即从膝关节处于屈角最小瞬刻至脚背正面触球即刻止(见图 2)。【2】

  
  (5)垂直距离界定。

  垂直距离是指由球或标志物中心投影(A)向支撑腿足部中心(B)与第 3 趾骨连接线段的延长线引垂线,足部中心(B)与垂足(C)的距离(见图 3)。【3】

  

  4)测试数据的可靠性分析。

  将入选的受试者的脚背正面射门动作所获 3 次有效数据进行重复性检验,采用相关系数及变异度进行评价,其相关系数均大于 0.74,变异系数在 5%以内,且均达到显着水平。因此可以认为用于分析脚背正面射门的各项参数均具有较高的可信度。

  1.3 实验程序
  
  采用自身对照方法,让 12 名受试者先完成“有球脚背正面踢”,本研究称之“实验组”,然后再让 12名受试者完成“无球空踢”,本研究称之“对照组”.

  (1)实验组。

  采用脚背正面踢球的脚法,每位受试者每种高度位置的球均踢 10 次。球的高度为分 3 类:1)放置在地面上;2)球高等于 1/2 膝关节高度;3)球与膝关节等高。

  每次踢完后,记录球是否射进球门和射进球门的区域。

  为了避免受试者受到疲劳因素的影响,实验中采用按编号循环实验法,每人每一踢球动作完成 1 次后,接着由下一名受试者完成动作,实现一个大循环,该方式可以保证每名受试者在一次踢球与下一次踢球的时间间隔在 2~3 min.

  (2)对照组。

  每名受试者以脚背正面踢球的脚法完成无球空踢:空踢的假想球的高度与实验组相同,在测力台边立有标志杆为假想球参照。同样每种高度均踢 10 次。

  其实验顺序与实验组相同。

  (3)实验组与对照组的有效动作标准。

  实验组有效动作标准为:①3 步助跑后支撑腿完全踏在多维测力台上,完成射门动作;②脚击球高度必须是实验次序中要求的击球位置高度;③脚击球部位必须是脚背正面;④踢出的球必须射入球门;⑤支撑腿在击球后没有滑动。

  对照组有效实验标准:①3 步助跑后支撑腿完全踏在多维测力台上,完成射门动作;②脚空踢高度必须是实验中次序要求的击球位置高度;③空踢时脚击假想球部位必须是脚背正面。

  对每位受试者在不同高度所踢10次中选取3次符合实验标准的进行数据分析,没有达到标准踢法的删除,最后实验组获得的有效样本来自 10 名受试者、对照组获得的有效样本来自 11 名受试者、对照组中有 1名有效受试者,其实验组数据不符合有效实验标准,故舍去。实验组、对照组每名有效实验者的有效实验次数不同,为保证每名受试者在实验中所占权重一致,故从每名有效实验者的有效数据中选取 3 次技术动作最为标准流畅的实验进行数据分析。

  1.4 统计学分析
  
  利用 spss13.0 进行描述性分析、多因素方差分析、相关分析等,统计学显着水平定为α=0.05.
  
  2 实验结果及分析
  
  2.1 运动学测试结果
  
  1)不同高度脚背正面射门速度特征。

  表 1 显示:

  (1)不同高度射门球速均大于足的速度(即比值均大于 1)。

  (2)地面球、1/2 膝关节高度、膝关节高度射门球速分别为(14.33±0.78)、(13.57±0.34)、(13.26±0.28)m/s,足速度分别为(13.28±0.53)、(12.67±0.46)、(12.27±0.46) m/s.经多因素方差分析,3 种高度射门球速、足速度均有显着性差异,地面球球速最快、1/2 膝关节高度次之、膝关节高度再次。对照组足速度分别为(13.52±0.61)、(13.47±0.31)、(13.43±0.36) m/s,经多因素方差分析,3 种高度空踢足速度无显着性差异。

  对实验组与对照组足速度进行 T 检验,实验组与对照组在地面球速度不存在显着性差异(P>0.05),1/2 膝关节高度、膝关节高度,P<0.05,差异具有显着性。

  (3)地面球、1/2 膝关节高度、膝关节高度射门动1度均呈线性(正)相关关系。地面球、1/2 膝关节高度、膝关节高度射门支撑腿与球垂直距离分别为(17.8±4.5)、(12.3±3.6)、(10.3±2.3) cm,经多因素方差分析检验,3 种高度射门支撑腿与球垂直距离差异有显着性;空踢支撑腿与球垂直距离分别为(18.1±3.6)、(17.7±4.1)、(17.5±2.8) cm,经多因素方差分析,3 种高度空踢支撑腿与球垂直距离差异无显着性。实验组与对照组射门支撑腿与球垂直距离(标志物)经 T 检验,地面球速度差异不存在显着性(P>0.05),1/2 膝关节高度、全膝关节高度,差异具有显着性,(P<0.05)。【4】

  
  2)不同高度脚背正面射门摆动腿运动学特征。

  不同高度脚背射门摆动过程运动学特征参数测量结果见表 2.【5】

  
  表 2 显示:(1)实验组、对照组脚背正面射门不同高度间摆动腿后摆最大髋角、触球即刻最大髋角、大腿后摆角速度、大腿前摆角速度、大腿前摆幅度、后摆最小膝角、小腿后摆角速度、大腿前摆时间等指标 ,差异无显着性(P>0.05)。对实验组与对照组进行 T 检验,3 种不同高度脚背正面射门摆动腿后摆最大髋角、触球即刻最大髋角、大腿后摆角速度、大腿前摆角速度、大腿前摆幅度、后摆最小膝角、小腿后摆角速度、大腿前摆时间等指标差异亦无显着性(P>0.05)。

  (2)实验组脚背正面射门不同高度间摆动腿触球即刻膝角、小腿前摆角速度、小腿前摆幅度、小腿前摆时间等差异具有显着性(P<0.05)。触球即刻膝角、小腿前摆角速度、小腿前摆幅度、小腿前摆时间,脚背正面踢地面球最大、1/2 膝关节高度次之、膝关节高度再次。对照组脚背正面射门不同高度间摆动腿触球即刻膝角、小腿前摆角速度、小腿前摆幅度、小腿前摆时间等差异无显着性(P>0.05)。对实验组与对照组进行T 检验,在地面球脚背正面射门摆动腿触球即刻膝角、小腿前摆角速度、小腿前摆幅度、小腿前摆时间等差异不存在显着性,P>0.05.1/2 膝关节高度、膝关节高度,P<0.05,差异具有显着性。

  (3)支撑腿距球垂直距离距离与各高度射门触球即刻膝角、小腿前摆角速度、小腿前摆幅度、小腿前摆时间 4 项参数呈线性(正)相关关系。

  3)球落入区域统计。

  表 3 可见:

  1)地面球、1/2 膝关节、膝关节高度脚背正面射门中,球速最快的 10 次射门落在 A 区的次数分别为 9、10、10 次,此现象表明球速较快的球落在球门上半区的概率明显大于落在球门下半区的概率;球速最慢的10 次射门落在 B 区的次数分别是 10、8、9 次,此现象表明球速较慢的球落在球门下半区的概率明显大于落在球门上半区。

  2)地面球、1/2 膝关节、膝关节高度脚背正面射门中,支撑脚与球垂直距离最远的 10 次射门落在 A 区的次数分别为 10、10、10 次,此现象表明支撑脚与球垂直距离较远的射出的球落在球门上半区的概率明显大于落在球门下半区;支撑脚与球垂直距离最近的 10次射门落在 B 区的次数分别是 10、9、7 次,此现象表明支撑脚与球垂直距离较近射出的球落在球门下半区的概率明显大于落在球门上半区。【6】

  
  2.2 动力学测试结果
  
  不同高度脚背正面射门动力学参数测试结果见表4.表 4 显示:

  1)实验组、对照组脚背正面射门不同高度间前后、左右方向最大地面反作用力、垂直方向触球瞬间地面反作用力差异无显着性(P>0.05)。实验组与对照组间差异亦无显着性(P>0.05)。

  2)实验组、对照组前后方向触球瞬间地面反作用力,脚背正面踢地面球时最大、1/2 膝关节高度次之、膝关节高度再次(P<0.05)。实验组与对照组间差异无显着性(P>0.05)。

  3)实验组、对照组垂直方向最大地面反作用力方面,踢 1/2 膝关节高度、膝关节高度触球瞬间地面反作用力差异无显着性(P>0.05),踢地面球的触球瞬间地面反作用力明显小于踢 1/2 膝关节高度、膝关节高度触球瞬间地面反作用力(P<0.05)。实验组与对照组间差异无显着性(P>0.05)。

  4)实验组、对照组任何高度位置射门的球速与支撑脚着地所受地面反作用力不存在线性相关关系。
  
  3 讨论
  
  3.1 运动学特征
  
  1)不同高度射门,球速均大于足的速度。球离足速度与足速度比值代表碰撞效率,比值大于 1,即是一个效果良好的踢球[7-8].本实验踢球效果良好。

  2)实验组射门球速、足速度,地面球最快、1/2 膝关节高度次之、全膝关节高度再次。该现象显示随着踢球位置高度的增高,足速度和球速度出现的递减趋势。说明脚背正面射门击球点高度越低球速越快。根据 Plagenhoef 等[9]对足球碰撞理论在足球运动的研究可知,足速度与球速度呈现正相关关系。可以推论,本研究中随着击球点位置的增高,球速出现下降趋势是因为随着击球点位置的增高,足速度出现下降趋势。

  3)对照组地面球、1/2 膝关节高度、膝关节高度脚背正面空踢足速度、动腿脚触球即刻膝角、小腿前摆角速度、小腿前摆幅度、小腿前摆时间经多因素方差分析,无显着性差异。该现象说明 3 个高度位置,腿所能达到的摆速没有显着性差异,即人体解剖结构并不是造成脚背正面不同高度位置射门,随着踢球位置高度的增高,足速度递减趋势的主要原因。Kells 等[10]研究亦有相似结论。

  4)实验组与对照组相应高度间射门比较发现,大腿前摆、大腿后摆、小腿后摆各运动学指标在实验组与对照组相应高度位间、不同高度位置间均无显着性差异,而小腿前摆运动学数据在实验组与对照组 1/2膝关节高度、膝关节高度间、实验组不同高度射门间差异存在显着性。Isokawa 等[11]研究认为膝关节角扩大,小腿以膝关节为支点向前更多延展,会使球速增大。因此推论脚背正面不同高度射门间摆动腿足速度差异是由于不同高度间小腿前摆差异造成的。根据图像分析发现,加速前摆期小腿前摆一直处于加速运动过程。Tsaousidis 等[12-13]研究证实,膝关节屈角最小瞬刻开始直至球离开脚面,足部未发生减速运动。据此推论不同高度射门间小腿前摆角速度、足速度差异主要发生在摆动腿摆动幅度差异(Δ幅度)间,即不同高度射门间小腿前摆角速度、足速度差异主要发生在摆动腿摆动时间差(Δt)里。当加速度一定,由于前摆时间踢地面球时最长、1/2 膝关节高度次之、膝关节高度再次所以不同高度射门足速度出现差异。王世椿等[14-15]

  研究发现:膝伸肌和膝屈肌肌力均与踢球球速有显着相关,膝伸肌和膝屈肌肌力在快速收缩及中等速度收缩时,有利于球速增加。因此得出结论,摆动腿小腿状况是影响摆动腿足速度和射门球速的重要因素;小腿前摆时长、摆幅的差异是造成不同高度射门足速度差异的直接原因。

  根据前文分析从人体解剖结构角度不同高度射门所能达到摆腿速度和足速度并无显着差异。但在实际射门中却存在差异。蔡尚明[16]提出:支撑脚位置和支撑腿膝角大小可能会对球速产生影响,但目前没有相关研究证实。表 2 结果中支撑腿与球垂直距离跟各高度射门触球即刻膝角、小腿前摆角速度、小腿前摆幅度、小腿前摆时间呈正相关。前摆加速度没有差异的情况下,前摆幅度越大,前摆时长就越长,最终前摆角速度和足速度就越快。在一定范围内,支撑脚与球垂直距离越远,射门球速就越快。但具体范围有待进一步研究,且可能与人体下肢长度有关系,但目前无相关研究。表 1 结果显示 3 种不同高度射门其支撑脚与球垂直距离,具有显着性差异。因此推论,不同高度射门间支撑脚与球垂直距离差异,导致其间射门球速的差异。

  5)根据地面球、1/2 膝关节高、膝关节高度脚背正面射门中,球速、支撑脚与球垂直距离与落入球门区域关系发现,球速较快和支撑腿距球较远的射门球主要落在球门上半部,球速较慢和支撑脚距球较近的射门球主要落在球门下半部。前文分析在一定范围内,摆动腿前摆加速度一定的情况下,支撑腿与球垂直距离越远,射门球速就越快。乔建平[17]认为,脚背正面射门支撑腿过于靠后,球易踢高。射门的球一定要控制在一定范围内,不能只追求球速。而对照组不需要考虑射门精准度的因素。脚背正面踢球技术动作中,摆动腿的摆动是前后方向,直线摆动,所以髋关节和膝关节不能左右摆动变化。踝关节和脚面必须保持紧绷,在整个射门动作中踝关节角基本保持不变,依靠髋、踝关节突然的位置变化控制出球高度是难以实现的。脚背正面射门只能通过控制膝关节角和脚背与地面夹角控制球的高度。根据图像分析观察到,脚触球即刻膝关节角、脚背与地面夹角越小踢出的球路就越低,反之亦然。前摆期摆动腿的摆动轨迹类似扇形,摆动腿与支撑腿平行的瞬刻(后文简称平行瞬刻),脚趾尖的位置为整个轨迹的最低点。在前摆期开始至平行瞬刻,摆动腿运动轨迹是向下的,通过平行瞬刻后,摆动腿的运行轨迹开始向上。踝关节角一定,摆动腿运行轨迹越向上,膝关节角、脚背与地面的夹角越大,踢出就越容易高。为了把球射在门框范围内,就需要在触球时把膝关节角、脚背与地面的夹角控制在一定范围内。通过缩短前摆期时长,令脚更早触球是控制角度的有效途径。在摆动加速度一定的情况下,缩短摆幅可以使前摆期缩短。而摆动幅度是由支撑脚与球垂直距离决定的。所以脚背正面射门中支撑腿与球垂直距离可以决定射出的球的速度和高度。地面球、1/2膝关节高度、膝关节高度 3 种位置的球,地面球摆放高度最低,同样球达到门内相比 1/2 膝关节高度、膝关节高度的球,踢地面球,球飞行轨迹上升高度空间最大,前摆期也可以最长。所以踢地面球摆动腿前摆最充分,击球瞬间足速度最快。其余两个高度位置踢球足速度差产生的原因与此相同。所以会出现随着踢球位置高度的增加,足速度和球速度出现递减趋势。

  综上所诉,通过控制支撑腿与球垂直距离可以控制脚背正面射门的球速、球路、动作时间。

  3.2 动力学特征
  
  脚背正面射门动作 3 种不同高度踢球,前后方向触球瞬间地面的反作用力,呈现出随着踢球高度的增加力值减少的趋势;左右方向踢地面球的触球瞬间地面反作用力明显大于踢 1/2 膝关节高度、膝关节高度。任何高度位置射门的球速与支撑脚着地所受地面反作用力不存在线性相关关系,可以认为在脚背正面射门时支撑脚所受地面反作用力对射出球的球速可能没有直接影响,人体关节具有伸缩、固定、支持等功能[18-19].据此判断,足球踢球支撑脚主要扮演一个固定支持的功能,可能是为了方便髋部的扭转及动力链在击球腿的执行。

  Adrian 认为,当支撑脚接触地面,其作用就像扎根于地面,对抗髋关节向前的运动[20].Barfield 提出,支撑效果取决于支撑腿膝关节的用力及屈伸程度。着地支撑时,人体需要保持身体的动力,以控制平稳,因此膝、踝关节要以离心收缩的方式适度弯曲。在前摆球阶段,人体是以稳固支撑,为了增加踢摆的力量,支撑脚膝、踝关节作蹬伸动作,使摆动腿充分发出击球的力量[21].

  综上所述,任何支撑脚受到的地面反作用力与踢出球的球速无关,支撑腿在踢球过程中主要负责固定支撑、维持平衡使摆动腿充分发力击球。

  参考文献:

  [1] Isokawa M,Lees A. A biomechanical analysis of theinstep kick motion in soccer[M]. New York:E&FNSpon,1988:449-455.
  [2] 刘力生。 关于脚背正面踢定位球影响出球速度的若干问题讨论[J]. 四川体育科技,1988(3):22-28.
  [3] 许树渊。脚背正面踢球躯干及下肢运动学与重心力矩之分析[J]. 大专体育学刊,2003,5(1):205-215.
  [4] 黄寿军。 脚背正面踢定位球易犯错误及纠正[J].中国学校体育,2005(4):36-37.

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