排球3、4号位扣球起跳足部和下肢各环节运动生物力学分析

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  在排球训练技术水平和科研方法比较先进的一些国家,已经出现了通过高科技手段研究解释排球技术训练中的生物力学规律,而国内的相关研究则多是侧重技术动作的运动学分析和力学分析,少量的也局限于运动规律机械力学研究上,结合动力学方面的分析还尚未发现. 究其原因是排球跳动扣球整个动作过程的复杂性和分析手段方法的不完善. 尤其在足底方面的研究还处于初级阶段,这是因为三维运动学和动力学的参数测量有困难. 本文通过多机摄像技术和目前先进的 Foot-scan 足底压力分布系统在时间上的同步,采集扣球起跳过程中足底以及下肢各环节运动学和动力学的参数,在统一的外部运动条件环境中,从动作结构这一角度出发,综合分析两种形式扣球起跳动作中的运动生物力学特征. 在数据的分析处理上,本文将以时间为同步,揭示排球运动员 3、4 号位扣球起跳过程中足部和下肢各环节运动生物力学的规律和特征.

  同时,进一步揭示优秀排球运动员扣球起跳技术的运动规律,为充实该项技术训练与教学提供科学依据.

  1、 研究对象与方法

  1. 1 研究对象

  本研究以河南女子排球队的 8 名主力队员为研究对象,受试者身体健康,均无足踝或下肢病痛史. 基本情况见表 1.

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  1. 2 研究方法

  1. 2. 1 实验测量法 采用两台日本产 SONY DXC-637 摄像机,采样频率是 50Hz / s; 比利时产 Foot-scan 足底压力鞋垫,采样频率为 500Hz/s,测量时长 8s. 运动学和动力学进行同步测试,对实验对象四号位扣拉开球,三号位扣近体快球( 下文简称 4 号位扣球和 3 号位扣球) 的起跳动作进行测试,获取起跳过程中足部运动的运动学、动力学指标.

  1. 2. 2 实验设计 运动学三维测试,从测试者的右侧、背侧用摄像机对每个运动员的各种起跳动作进行三到五次的三维立体拍摄,然后对起跳效果最好的一次进行技术分析. 动力学测试,受试运动员穿统一提供型号的测试鞋,要求鞋垫大小要与鞋内底边缘高度吻合; 正式测试前进行足底压力分布测试系统的连接和调试,受试运动员配戴测试设备后要先进行 5 分钟的适应性练习,然后对每个测试的动作做三次成功动作.

  2、 结果与分析

  2. 1 起跳动作的运动学分析

  2. 1. 1 起跳动作的阶段划分

  从运动学角度分析,排球扣球技术的起跳动作属纵跳类动作,纵跳类动作阶段划分的多依据人体重心升降、质心运动过程的对应关系、膝角变化以及能量转换等. 根据研究需要,依照排球扣球起跳动作的顺序把起跳动作分为: “右脚着地”、“左脚着地”、“重心最低”以及“双脚离地”四个阶段,这四个阶段也即是拍摄的 4 幅特征画面.

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  2. 1. 2 起跳动作的阶段特征

  金嘉纳的研究结果认为: 时间因素是支撑缓冲最大肌力的获得以及蹬伸时最大功率的发挥主要因素之一,同时对支撑缓冲阶段和蹬伸阶段的紧密衔接具有非常重要的作用. 因此起跳时间是评定起跳效果的一个重要的指标,表明起跳阶段的时间是影响动作效果的重要因素之一.

  从表 2 可知,扣球起跳动作中,3 号位整个起跳平均时间小于 4 号位扣球,差异性显著,3 号位扣球起跳动作中蹬伸阶段平均时间大于缓冲阶段平均时间,而 4 号位扣球起跳动作中缓冲阶段平均时间大于蹬伸阶段. 从生物力学角度分析,起跳时间短,下肢动作速度快,也就是说从缓冲到蹬伸的速度快. 这样就使下肢伸肌群储存的弹性形变能力的再利用程度得以提高,便于发挥下肢肌肉快速收缩能力. 故从这一特征看,采用3 号位扣球起跳效果要好于采用 4 号位扣球起跳效果. 但是,起跳时间快慢并不能反映动作完成质量的效果,它只是反映起跳蹬离动作的效果.

  在缓冲阶段,扣球起跳动作缓冲平均时间 3 号位明显小于 4 号位,差异性非常显著. 在缓冲阶段,起跳脚获得较大的向人体后上方的支撑反作用力,使人体在水平方向上受到一个制动的冲量,结果是运动员向前的水平速度损失,向上腾起的垂直速度增加,能量要发生转移或转化. 但如果缓冲时间过长,水平速度损失则会加大,能量不能充分利用,势必影响起跳高度. 因此缓冲阶段中,4 号位扣球在一定程度上对蹬伸阶段的衔接有一定帮助,另外 4 号位扣球动作与 3 号位扣球动作技术上的差异也可能会影响缓冲阶段时间的分配.

  2. 1. 3 起跳动作的人体重心速度特征

  从力学角度分析,人体重心的垂直速度和水平速度是影响起跳效果的两个方面. 排球扣球起跳阶段的主要任务是: 运动员充分利用起跳前获得的水平初速度,得到较大的向上腾起初速度,使其尽可能地在较高的位置上进行击球.

  从能量转化方面来讲,起跳前着地阶段水平速度越快可能创造出较好的弹跳效果,但在缓冲阶段,运动员因制动受到向斜后方的地面反作用力,使得重心水平速度自然会下降,运动员通过脚部的着地缓冲与蹬伸动作,以及全身整体动作的协调配合,使人体获得尽可能大的向上腾起初速度,从而实现能量转化的最大化.

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  表 3 的数据结果看,两种形式起跳中均有较大的水平速度、垂直速度和较大的水平速度损失,4 号位扣球起跳动作中的水平速度损失要大于 3 号位扣球,两者水平速度较大的损失可能是由于排球扣球起跳本身技术特点决定的,排球扣球跳投起跳阶段则是在较短时间内在获得较大水平速度后,通过缓冲、伸阶段得到较大的垂直方向腾起速度,争取高度,这就要求运动员有较好的缓冲与蹬伸能力来抵制地面给人体的制动力,而制动力的增大,水平速度损失就会越大,同时垂直向上冲量增大,并为垂直起跳获得较大的初速度提供保障. 在排球项目上关于扣球起跳效果方面的文章还未见,而在其他项目上华立君、李世明等人对起跳效果曾做以研究,他们认为水平速度的损失与高度 H 存在一定的正相关关系,虽然项目不同,但从起跳效果角度分析看,排球扣球起跳动作中较大水平速度的损失和较大的垂直速度对起跳效果将存在积极影响.

  2. 1. 4 起跳动作人体环节的运动特征

  2. 1. 4. 1 缓冲阶段各关节运动特征分析 在缓冲阶段,运动员所表现出的运动学指标及变化趋势为: 各关节相应关节角度逐渐减小,直到最小值( 见表 4) .

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  从表 4 可以看出,两者起跳过程中关节缓冲阶段,各关节角度呈逐渐减小趋势,直到最小值. 在缓冲幅度方面,两种形式起跳动作中髋关节的缓冲幅度相对较小,4 号位缓冲幅度略小于后者. 膝关节缓冲幅度相对较大,4 号位扣球动作缓冲幅度略大于采用跳步的缓冲幅度,踝关节缓冲角度相对较小. 在角速度方面,两种形式起跳动作中缓冲阶段膝关节角速度值远大于髋关节和踝关节平均值,从角速度与幅度看,髋关节缓冲度均较小,主要原因是髋关节只进行了轻微的缓冲便进入了加速蹬伸状态,相应的角速度也会较小,由于 4 号位扣球和 3 号位扣球均有较大的水平速度,为了抵制较大水平速度所产生的冲量,膝关节角度必然会减小,并在缓冲阶段克服冲量起到重要的作用. 从排球扣球起跳技术动作看,缓冲是为了争取在较短时间内,获得一定的时间和空间,通过缓冲段获得较大垂直初速度,并尽可能的在高点扣球,这就要求运动员必须通过快速蹬伸来完成起跳,所以膝关节缓冲幅度应控制在一定范围内,过大则会对动作的完成质量有一定的影响.

  2. 1. 4. 2 蹬伸阶段各关节运动特征分析 从技术环节分析,蹬伸阶段是从缓冲结束到双脚蹬离地面的过程,蹬伸阶段是运动员获得向上腾起初速度的重要阶段,蹬伸动作完成质量的好坏直接影响着运动员的腾起初速度,影响着运动员的腾起高度.

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  由表 5 可以看出,此阶段两者动作中的幅度与角速度峰值均值都以髋关节数值为最大,依次是膝关节、踝关节. 这表明在起跳时,运动员是髋,膝,踝三关节依次加速蹬伸,是大关节肌群首先发力,以大关节肌群带动小关节肌群,以达到理想的起跳效果,因此下肢关节合理地加速用力顺序对起跳效果有很大的积极影响. 分析还发现,运动员的踝关节缓冲与蹬伸幅度、角速度最大值均值较小,说明踝关节蹬伸相对缓慢,这对蹬伸时的起跳效果会有一定的影响.

  2. 2 起跳动作的动力学分析

  2. 2. 1 起跳动作的足底压力特征分析 人体在静止或运动时,其自身要想获得一定的运动速度,必须要和地面之间产生作用力和反作用力的关系. 研究结果表明,在排球扣球起跳过程中,运动员足底的压力分布和各阶段技术动作有着紧密的关系.

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  从图 1,2 和表 6 得出: 运动员 4 号位扣球和 3号位扣球起跳动作过程中左足出现明显的双峰形变化曲线,右足成倒 U 形变化曲线,无明显双峰形变化曲线. 两者比较结果为: 4 号位左足最大压力显著性小于 3 号位; 而右足平均压力显著性大于 3 号位扣球. 4 号位左足为中枢脚,左足首先着地,出现了一个小的波峰,然后压力下降,呈现一个波谷,接着压力上升,接着呈现第二次波峰后开始下降. 右脚着地在第二次波峰形成时刻开始出现压力值,其峰值出现在左脚最大峰值之后. 第一波峰冲击力反映在缓冲阶段地面施与人体最大冲击力的大小,随着中枢脚的着地支撑,左腿伸肌肌群开始退让性收缩,抗衡由于快速助跑起跳所造成的强大冲击力,当伸肌肌群所产生力与外力相等时,竖直力不在下降,形成波谷,该波谷在一定程度上反映起跳腿的缓冲能力,第二个波峰出现在蹬伸之前,而此时右脚开始着地,力值开始增大. 进一步观察发现,在缓冲结束进入蹬伸阶段时,左脚力值开始减小,右脚力值开始达到蹬伸最大值,理论上认为,在缓冲阶段左脚缓冲开始,右脚应快速上步来共同完成缓冲,然后两脚同时进入蹬伸阶段,产生最大力值并获得竖直方向的高度,而图中看到整个曲线图的变化中右脚没有明显的缓冲迹象便进入蹬伸阶段,只存在一个明显的波峰,同时左脚与右脚最大蹬伸力值从时间上看,左脚最大力值先于右脚产生,并且远大于右脚峰值,这一现象的产生一方面说明在缓冲阶段过渡到蹬伸阶段左脚起主要支撑作用,另一方面也说明了右脚没有积极的上步来缓冲由于较大水平速度所产生的较大冲击力,使得缓冲阶段过渡到蹬伸阶段时左脚承载着大部分的负荷,而右脚只是在蹬伸阶段起到一定的蹬伸作用.

  3 号位扣球足底压力变化曲线图上,两足出现明显的双峰变化曲线,3 号位扣球过程中,两脚落地缓冲,出现了第一个波峰,然后压力下降呈现波谷,接着压力上升,这时出现第二次小的波峰. 在扣球动作中,两脚落地缓冲首先获得最大缓冲峰值,对应时间上,左脚峰值也存在先于右脚产生,并没能达到同时落地缓冲,缓冲结束进入蹬伸阶段时,左右脚第二次波峰出现时产生峰值都要小于缓冲段的最大峰值,并且在蹬伸阶段,同样出现了两脚蹬伸不同步的现象,从图 2 看到左脚首先蹬伸,右脚落后于左脚蹬伸,并且左脚力蹬伸值呈减小趋势,右脚力值呈增大趋势. 产生这种现象可能是由于在缓冲阶段缓冲较大水平速度所产生的较大冲击力不完全便进入蹬伸阶段造成的,使得在蹬伸阶段运动员既要完成蹬伸,又得抵制缓冲段的缓冲任务,另外二级运动员缓冲与蹬伸力量的不足及技术的稳定性差等因素,也可能会产生蹬伸阶段两脚完成蹬伸的不同步,对起跳效果产生负面影响.

  2. 2. 2 起跳动作的足底压强特征分析 压强峰值压强分布是压力鞋垫每个传感器在单步运动中测得的一个最大压强值,它所反映的是足底各区在运动中所达到的最大水平. 表 7 是经过处理后的足底各区的峰值压强指标.

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  表7 数据可以看到,在 4 号位扣球起跳过程中,左足峰值压强按大小顺序依次为 H2,H1,M5,M3,M4,M1,T1,M2,右足顺序依次为 M2,H2,M3,H1,M4,M5,T1,M1. 在 3 号位扣球动作中左足峰值压强按大小顺序依次为 H2,H1,M3,M5,M1,M4,M2,T1,右足顺序依次为 H1,H2,M2,M3,M1,M4,T1,M5.运动员的足底压强结果表明,尽管压强出现区域个体差异,但总体具有一致性,4 号位扣球动作中最大峰值压强左足主要出现在 H2,H1,M5 处,即足后区和前足区外侧,右足主要出现在 M2,H2,M3 处,即前足区内侧和足后区内侧,从数值上进一步看到,左足最大压强值后足远大于前足,右足最大压强值前足远大于后足,3 号位扣球动作中最大峰值左足主要出现在 H2,H1,M3 处,右足主要出现在 H1,H2,M2 处,从数值上看,左右脚后足最大压强值均远大于前足最大压强值. 通过对 4 号位扣球与 3 号位扣球动作足底压强的分析,我们发现其最大压强峰值区域的产生符合排球运动员的技术特点,另外 3 号位扣球动作中看到,前足最大压强值较小,说明单位面积内压力值也就较小,压力值的过小也将影响排球运动员起跳蹬伸力值.

  3、 结论与建议

  3. 1 结论

  3. 1. 1 4 号位整个起跳时间长于 3 号位扣球; 人体重心水平速度损失较大.

  3. 1. 2 4 号位左足最大压力显著性小于 3 号位; 而右足平均压力显著性大于 3 号位扣球; 3 号位前足是压力最大峰值主要出现区,中足压力峰值不明显.

  3. 1. 3 4 号位扣球动作中最大峰值压强左足主要出现在 H2,H1,M5 处,即足后区和前足区外侧,右足主要出现在 M2,H2,M3 处,即前足区内侧和足后区内侧.

  3. 2 建议

  3. 2. 1 加强排球运动员扣球起跳模式的训练,注意起跳时人体环节配合的协调性,并形成动力定型.

  3. 2. 2 加强排球运动员下肢关节缓冲与蹬伸力量训练,应特别注意膝,踝关节运动的同步性训练.

  3. 2. 3 根据排球运动员足部主要区域受力分布特点,有目的的训练运动员足部关键区域( 如第二、第三跖骨) 周围肌肉群的力量,以提高起跳能力,预防与减少运动损伤.

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