棒球投手投球动作的运动生物力学研究综述

马秀杰,韩志磊,梁占锁

前言

棒球运动是以击球跑垒、跑垒得分的进攻行为与投球、接传球的防守行为相对抗为特点的运动项目[2]。它是一项结合了攻击和守备两项要素所构成的团队运动项目,它综合了传、接、打、跑四种基本技巧所组成,由这四种基本技巧演变成极其复杂且充满高度技术性的团队运动。

我国开展该运动可追溯到100多年前,自清朝学者将棒球运动由美国带入我国以来,棒球运动在我国的开展就没有间断过。但是,由于棒球运动的投资大,加上后备人才的不足等原因,我国棒球运动的发展仍十分缓慢。近几年来,在亚洲地区蓬勃发展的大好环境下,尽管2002年我国开展了职业棒球联赛,但是我国棒球运动发展相对缓慢,在亚洲向来位于日本、韩国和中华台北之后,大大小小的比赛中往往都只能获得第四名。只有在2005年的亚洲锦标赛上,中国队击败韩国队,历史性地获得第三名,让人们对于他们冲破“铁三角”、实现进一步突破充满了期待。中国队和日本队、韩国队、中华台北队都是亚洲人,身体素质和身体形态都很相近,为什么总是落于其后呢?究其原因,用中国棒协秘书长申伟的话来说,“这几年中国棒球取得了量的进步,但是还没发生质的变化,中国棒球每次失利,最主要的客观原因在于投手群的羸弱”[3]。

目前,由于我国棒球水平仍较低,群众基础较差,对于棒球运动的生物力学研究基本还是处于一个探索的阶段,研究结果寥寥可数,仅2000年和平等人和2005年王正利等人对棒球投手的运动生物力学研究进行了综述。而在棒球项目开展较普及的美国、日本、韩国等国家和台湾地区的学者对棒球的研究众多且深入。对于一支棒球队来说,投手水平的高低是非常重要的,可以说,投手的水平左右甚至决定了一场比赛的胜负。因此,对投手技、战术特点的研究一直以来都是国外学者关注的重点,其中,运用运动生物力学研究手段的研究报道也屡见不鲜。本研究综述了近年来国内、外学者对棒球投球在运动生物力学方面的相关研究,以期能引起国内学者们对于此领域研究的关注,为今后的进一步研究奠定基础,为教学训练提供数据参考和理论依据。

1 关于棒球投手投球动作阶段划分的研究

Pappas等人(1985）[35]以15名职业棒运动员为受试者,使用高速摄影机进行投球动作分析。其在实验中将投球动作分为3个阶段：1）挥臂期(cocking phase）：指投球臂由举臂动作(wind up）开始,到肩关节最大外旋的整个过程,其主要目的在于增加投球的工作距离；2）加速期：指由肩关节最大外旋姿势开始,将球向前加速到棒球离手之过程(约50ms）,在这样的极短的时间内须将球从近乎静止状态增加到时速153km/h；3）随挥动作：指球离手后到完成投球动作的过程。

Fleisig等[19](1996）对棒球投球的动作以生物力学的角度区分,分为六个阶段：预备阶段 (wind-up phase）、前导脚触地阶段(stride phase）、上肢后摆阶段 (arm cocking phase）、上肢加速阶段(arm acceleration phase）、上肢减速阶段(arm deceleration phase）、随挥动作阶段(follow through phase）。

我国台湾学者把投球动作分为准备期(wind-up phase）、跨步期(cocking phase）、加速期(acceleration phase）、减速期 (deceleration）、投掷后期(follow through）5个时期的分期方法,其中的跨步期包含了 Fleisig划分方法的脚触地期及上肢后摆期。由于 Fleisig等(1996）所提出的棒球投手投球的分期方法较细腻,被大多数学者所采用。故将其划分阶段叙述如下：

图1 投球动作流程示意图(图片作者自制）

投球动作流程如图 1,预备阶段(wind-up phase）(A）为投掷动作的开始,手摆在起始位置,两脚着地,呈自然放松的姿势,接着前导脚开始慢慢抬起,支撑脚维持身体平衡,上半身的动作没有太大的变化,身体的重心仍维持不变,直到前导脚的膝关节抬至最高点(B）。膝关节抬至最高点后,前导脚触地阶段(stride phase）开始,前导脚开始向前方跨出,支撑脚从维持平衡转为向前推蹬,投球手开始做水平外展(E）,将肩关节伸展到最大,身体重心开始向前转移,最后前导脚触地(F）,脚尖向前,投球侧肩关节呈现外展90°的状态。前导脚触地后,上肢后摆阶段(arm cocking phase）开始,上半身躯干及骨盆开始向前旋转,肩关节开始外旋(shoulder external rotation）,重心持续向前移动,直到躯干转至正面,肩关节外旋角度达到最大值(G）时,上肢后摆期结束[19]。

2 运动学方面的研究

运动学是对人体运动的定量描述,是研究人体运动的几何性质,研究人体或器械在空间的位置随时间变化的规律性,研究人体或器械的轨迹、速度和加速度等[4]。有关棒球投手运动学的研究主要探讨关节角度、角速度及角加速度的变化,配合时间、空间参数,了解关节在活动时的状态和特性。所搜集的文献针对投手的运动学的研究,有多方面的探讨。

2.1 关于球速与运动学参数的关系研究

Matsuo等[31](2001）曾以127名健康的大学投手及职业投手为受试者,比较球速较快和较慢的投手,分析运动学及时间参数,发现球速较慢的投手之前导脚膝关节最大屈曲角速度(260°/s）明显大于球速快的投手(161°/s）,球速较快的投手则有相当大的肩关节最大外旋角度(179°）。

Stodden等[42](2001）以7位职业、9位大学及3位高中的投手探讨骨盆和上半身躯干位置对球速的关系,发现当球速增加,上半身躯干和骨盆的旋转角度都会有增加的现象。此外,在上肢后摆期的骨盆平均速度,及上肢加速期时上半身躯干的平均速度,都会随着球速的增快而增加。

Stodden等[43](2005）探讨19名大学棒球投手的投球动作,分析运动学参数与球速间的关系,其中2个时间参数(最大肩关节水平外展角度出现时刻的提前、最大肩关节内旋角度出现时刻的退后）、3个运动学参数(伸踏腿触地瞬间肩关节水平外展角度的减小、加速阶段肩关节水平外展角度的减小和球出手瞬间时躯干前倾角度的增大）都与球速增加有明显正相关。这些参数数据的提高,肩关节和肘关节可能受伤的风险也随着提高,所以投手要加强肩关节和肘关节附近肌肉力量的锻炼。

2.2 不同国家的棒球投手运动学参数比较研究

Escamilla等[14](2001）对美国、荷兰、日本、韩国、古巴、意大利、尼加拉瓜及澳大利亚等48名棒球投手为研究对象,对投球技术的21个运动学参数进行比较研究,了解在各国不同环境下所培养出来的投手在各方面有无显着差异。结果显示,肩关节水平外展角度和肩关节外旋角度在伸踏脚触地瞬间和球出手瞬间各国存在显着性差异,古巴投手的伸踏脚触地瞬间的肩关节外展角度最大与其投球速度最快(39m/s）有着密切关系,其他的运动学参数各国投手都很相似,不存在显着性差异。

Escamilla等[15](2002）分析11名美国与8名韩国职业棒球投手的运动学特性,以了解两种不同人种棒球投手在力学表现上的不同,结果显示,在脚触地期,美国投手有明显较大的肩关节水平外展,韩国投手则有较大的肩关节外展和外旋；上肢后摆期,美国投手显示出较大的最大肩关节外旋,和较大的最大骨盆角速度；球出手瞬间,美国投手的躯干向前倾斜角度较大,球速也较快,及较小的膝关节屈曲,这解释了美国投手的球速,比韩国投手的球速快10％的原因。根据这些影响球速的关节位置,在投手训练的动作调整上,或许可以提供教练一些有效的参考信息,经由适当的调整投手关节位置,可产生更高球速的投球表现。

2.3 不同球路的运动学参数差异研究

Elliott等(1986）[12]以 6名澳大利亚国家队的投手为研究对象,分析投直线快速球(fastball）和曲线球(curveball）投球动作的运动学参数,研究结果表明,两种投球动作非常相似,但存在细微的差别,像步长、球速(快速球速度35.1m/s,曲线球28.2m/s）以及前臂和腕关节在球出手瞬间的动作。

Escamilla等[13](1998）以16名大学投手投球时运动学参数,分析投手分别投掷直线快速球(fastball）、变速球(change-up）、曲线球(curveball）、滑球(slider）时的动作特性,发现投掷不同的变化球时,大部分肩关节和膝关节的运动学参数变化,皆有显著差异,直线快速球和变速球的差异最大,从前导脚触地到球出手,膝关节屈曲的角度变化,直线快速球仅有2°,投掷变速球则有13°；加速期时,投掷直球的肩关节最大内旋角速度(7 550°/s）明显大于变速球(6 680°/s）。

Barrentine等[6](1998）以8名大学的棒球投手,针对投掷不同变化球时,腕关节及前臂的运动学参数作探讨,结果显示,投掷曲球时,前臂最大旋前角度最大,可达32°,但投掷直线快速球和变速球时,腕关节和前臂的运动学参数并无差异。

由这3篇文献可知,直线快速球和变速球投掷的差异,主要发生于肩关节及膝关节的位置变化,与前臂及腕关节的活动无相关,这些与球路相关的关节位置的差异,也可提供打击者对于投手投球预测的参考信息。

2.4 不同年龄、经验或运动水平的投手运动学差异研究

Fleisig等[17](1999）以23名初中生、33名高中生、115名大学生及60名职业投手为研究对象,分别在16个运动学参数和6个时间参数进行了对比分析,结果发现,肘关节屈曲等6个运动学参数呈显著性差异。

Dun等[11](2007）探讨年龄对职业棒球投手的影响,将67名职业棒球投手高于平均年龄一个标准差的12名投手为老年组,及10名低于平均年龄一个标准差的投手为年轻组,比较两组投球动作的不同,发现老年组投手,上肢后摆期有较小的肩关节外旋,球离手时前导脚膝关节有较多的屈曲,且身体倾斜的角度较小,但球速和身体环节速度的变异上,老年组和年轻组之间没有差异。

Murata[34](2001）按照教练建议和投手球速及临场表现,将6名普通人球队投手和3名高中棒球投手分为熟练组(skilled）和不熟练组(unskilled）,探讨投球时非投球侧肩关节动作的异同,及与球速之间的关系,发现熟练组的投手,非投球侧肩关节的动作比不熟练组的投手小,且较小的动作一样可以产生较快的球速。表示球龄较久的投手,在身体动作较小与较不费力的情形下,一样可以运用技巧达到高球速。

2.5 不同投掷动作运动学差异研究

Fleisig等[19](1996）对 26名高中、大学棒球投手的投球动作和26名高中、大学橄榄球四分卫的传球动作进行三维高速摄影动作分析,研究结果表明,四分卫传球肩关节最大外旋角度、髋关节的最大转动速度、上体最大转动速度、肘关节最大伸展速度以及肩关节的最大内旋角速度都比棒球投球动作早,在球出手瞬间四分卫的步长小于棒球出手瞬间的步长长度,并且,四分卫在球出手瞬间身体是直立的,另外,在挥臂准备阶段,四分卫的肘关节伸展角度和肩关节水平外展角度比棒球投手的大。

表1 棒球投手投球之运动学相关文献一览表

3 动力学方面的研究

分析投手投球时的动力学,可了解投球时身体各部位关节作用力的变化,进而推估引起运动伤害的机制。

3.1 不同运动级别、年龄投手的动力学分析

Fleisig等[17](1999）以不同比赛级别(competition level）的投手,包括23名初中生、33名高中生、115名大学生与60名职业的投手,分析投球时动力学的差异,发现较高级别的投手,上肢后摆期和加速期,有较大的肩关节与肘关节力矩,而关节力矩值随着级别的提高显著的增加,表现出级别越高的棒球投手,越存在较大的受伤风险。

Aguinaldo等[5](2007）以6名职业、11名大学生、12名高中生和9名初中生的投手,探讨上半身躯干旋转,与肩关节力矩之间的关系,发现职业运动员上半身开始旋转的时机,在整个投球动作时程的 34％,较其他层级的投手(14％）明显的要晚了20％,并有较少的上半身旋转力矩,这使得职业选手能更有效率的使用身体来产生动量,且同时减少肩关节的负担。

3.2 不同国家之投手动力学参数研究

Escamilla等[15](2002）以11名美国与8名韩国的职业棒球投手,比较美、韩投手动力学参数,美国投手在上肢后摆期,有较高最大肩关节内旋力矩和最大肘关节内翻力矩,加速期有较高肘关节屈曲力矩,以产生高球速,相对也形成较高肩关节和肘关节的负荷。

Stodden等[43](2005）探讨 19名大学生棒球投手的投球动作,分析动力学参数与球速间的关系,其中肘关节屈曲力矩、肩关节与肘关节力量与球速增加有明显正相关。表示高球速时,这些上肢关节承受的力量与力矩也随之增加,伴随着肩关节和肘关节可能受伤的风险也随着提高。

3.3 不同球路之动力学研究

Fleisig等[18](2006）研究21名大学生投手投掷4种变化球(直线球、曲线球、变速球、滑球）的差异,发现投掷变速球时的关节力矩,比其他3种变化球小,直线球有最大的肩关节水平外展力矩(111 Nm）和肘关节内翻力矩(82 Nm）,投曲线球时,肘关节的屈曲力矩(41 Nm）比投变速球时要大。由此可知,擅长不同球路的投手,为了尽可能减低运动伤害发生的风险,肌力训练时应强调训练的肌群亦不同,如擅长投曲线球的投手,在肌力训练上,应该加强肘屈肌的训练,以适应投球时高强度的肘屈曲力矩。

Xue与 Masuda[45](1997）分析12名日本职业投手投球动作,发现快速的投掷动作中,肩关节像是一个重要的支点,支撑着加速期投球的上肢,为了让投球的动作完美且预防肩关节的损伤,避免关节承受过度的压力和剪力是相当重要的。

由以上动力学相关的研究可知,产生较高球速时,上肢关节力矩也相对提高,对于不同球路的变化球,也会造成关节负荷的不同,教练和选手应在增加球速的同时,也需注意到关节力矩的增加所带来的负担,并配合适当的肌力训练计划,以免造成运动伤害。

表2 棒球投手投球之动力学相关文献一览表

4 肌力学方面的研究

对于棒球投手而言,肌力的强弱与能否投出高球速,及避免强大作用力而造成的运动伤害,有密切的关系。

4.1 棒球投手主要肌肉群的肌电学研究

由于直接对上肢进行动力学研究难度较大,为了揭示上肢运动的动力学机制和运动过程中肌肉活动的时序与大小,国外一些研究者对上肢运动时的主要发力肌群进行了肌电研究。

Frank[20](1983）对棒球投掷动作中肩关节周围的肌肉进行了肌电研究,发现在上肢反向运动阶段肩关节周围肌肉的运动顺序是三角肌——S.I.T.(岗上肌-岗下肌-小圆肌）——肩胛下肌,在向前投掷阶段肌肉活动减小,肱二头肌几乎是静止的,而随挥阶段由于肌肉做离心收缩减小肢体运动速度所以出现较大的活动。

Sisto等人(1987）[41]以8名大学投手为受试者使用动态肌电图(450张/s）分析肘关节肌群在投快速球与变化球时,其肌肉收缩强度与形态是否有所不同。受测肌群包括伸指肌、肱桡肌、桡侧屈腕肌、屈指浅肌、桡侧伸腕短肌、旋前圆肌以及旋后肌等。结果显示：1）所有受测肌肉群在两种投球过程中仅产生低至中强度收缩；2）快速球与变化球在肌肉收缩型态仅在于投变化球时,其桡侧屈腕长肌与短肌之收缩强度于挥臂(cocking）后期、加速期以及随挥动作中有增加,但并不显著的增加。因此,该研究者推测这些受测肌群的功能,可能仅在将躯干以及肩带结构所产生的动能传送至球上。

Elliott[9](1999）对上肢肌拉长后有停顿和无停顿的投掷运动进行了肌电与高速摄像的同步研究,认为最大腕速的21.9％是由于弹性势能的再利用获得的,文章还得出了停顿时间和最大腕速之间的回归方程。

Gowan[22]等人1987年以7名职业和6名业余棒球投手为受试者,对投球动作肌电图进行分析,研究结果显示：冈上肌、冈下肌、小圆肌、三角肌、斜方肌、肱二头肌在手臂卷曲阶段(cocking phase）,肌肉收缩强度较大,而加速时期则较小；胸大肌、前锯肌、肩胛下肌与背阔肌在投球中的主要功能是使手臂与球向前加速,在加速期(acceleration phase）中这些肌群有较大的收缩强度。

Jobe[28]等人(1984）以4名男性为受试者,使用肌电图与高速摄影机(500 fps）,分析其肩关节肌群在投球动作中的收缩状况。受测肌群包括肱二头肌与肱三头肌的长头与外侧头部份、胸大肌、背阔肌、前锯肌以及肱肌等。结果显示：1）在挥臂阶段(cocking）动作初期所有受测肌群只产生低强度收缩；2）在上臂后摆阶段(即伸踏脚着地至肩关节最大外旋）二头肌产生中等强度收缩；3）在上臂加速期,肱二头肌放松,而胸大肌、背阔肌、肱三头肌以及前锯肌全都产生收缩情形。因此,这些肌群将先扮演减速的功能,接着主动收缩肩关节内旋使球向前方加速。4）随挥动作阶段,部份肌肉将继续主动收缩将肩关节带过身体中心、肘关节伸展以及前臂旋前,同时,上肢肌肉也将产生减速的离心收缩。

Jobe[29]等人(1983）以5名业余棒球投手为受试者(年龄25～33岁）,以肌电图与高速摄影机分析其三角肌与肩旋转肌群(rotator cuff）在投球过程中的收缩模式。结果显示：1）在举臂或准备阶段里(指由举臂到球离开手套之过程）其受测肌群收缩强度较低,且无固定的收缩模式。2）挥臂动作时(cocking phase）指球离开手套到肩关节最大外旋之过程,其肌肉收缩有一定的模式：首先由三角肌的前、中、后段产生收缩,使肩关节抬至90°外展,接着岗上肌、岗下肌、小圆肌(S.1.T.肌群）收缩,其中以岗上肌的收缩强度最强,最后由肩胛下肌收缩。3）加速期时(指肩关节由最大外旋姿势开始作内旋动作,至球离开手指的过程：此时肩关节的动作为水平屈曲与内旋）,受测肌群的收缩强度较低,这一过程在0.5 s内完成,在球离手前,S.1.T.肌群产生收缩,使对肩关节内旋动作形成减速功能。4）在随挥动作时(球离手至动作结束阶段）,肩关节仍继续内旋与水平屈曲,而所有受测肌群则产生最大强度之收缩,其原因可能与动作之减速有关。

Hirashima(2002）[25]等人记录了上肢表面肌电和腹部肌电在上投投球过程中检测启动和峰值时间,在受试者中的肌电图中发现：1）肌电活动的顺序是从肩胛(scapular）到肩水平屈肌,从肩水平屈肌到肘伸肌。但从肘到腕不是从肘伸肌到腕屈肌或前臂旋前肌(p ronator）,支持投球动作在肩关节、肘关节间是一个由近到远加速的动力链观点。2）投掷臂对侧的腹外斜肌较同侧的外斜肌先出现肌电活动。这样的顺序被认为能使躯干产生很大的力和能量是非常有效的。3）同侧的外斜肌在几乎伸踏足触地瞬间开始活动。最后,腹直肌的主要活动出现在球刚出手点之前。

Saitou等[39](2001年）对5名大学投手针对肱二头肌、肱三头肌、尺侧腕屈肌、尺侧腕伸肌、旋前圆肌、桡侧腕屈肌、桡侧腕伸肌等肌肉在投球时肌电活动(球离手前300 ms至球离手后200 ms）与球速进行因素分析,进而了解各肌肉对于球速的贡献。结果显示：肱三头肌、桡侧腕屈肌、桡侧腕伸肌为与球速有相关的第一级因素、伸指肌与尺侧腕伸肌为第二级因素、肱二头肌、尺侧腕屈肌与旋前圆肌为第三级因素。

由以上肌电学相关的研究可知,肌电学的研究主要对上体肌肉群(主要是腹部肌肉群和上肢肌肉群）的参与程度、参与时刻、收缩程度、贡献程度进行了研究,而对伸踏腿和轴心腿在整个投球动作过程的肌肉群的肌电学情况没有涉及,这无疑为研究者提供了研究指南。

4.2 棒球投掷臂各关节等速肌力研究

等速肌力测试仪器经过数十年来的发展与改良,已经可以更精确、客观以及有效地用来评估病人或运动选手的单一或多关节动作所产生的肌肉收缩力量与动力。棒球投球动作是由一连串复杂的关节活动所构成的,而其中又以上肢关节动作对球速的影响最大,因此对棒球投手上肢各主要关节等速肌力特性的了解,可为棒球教练拟定训练计划提供参考。

Pedegana[37]等人(1982）以 8名职业棒球投手为受试者,分析其上肢各关节在角速度为60°与180°/s的等速肌力与球速之间的关系。等速肌力测试之动作包括投掷臂与非投掷臂肩关节：外展与内收、屈曲与伸展、水平外展与内收、内旋与外旋、肘关节屈曲与伸展、前臂旋前与旋后(前臂与腕关节测试角速度为30°与120°/s）、腕伸展与屈曲。在经过简单线性回归(simple linear regressions）统计分析后,结果显示,在所有受测动作中,肘关节与腕关节伸展动作与球速之间有显著相关。

Wilk[44]等人(1992）以50名职业棒球选手为受试者,探讨肩关节外展与内收等速测力时,以1）windowed与2） unwindowed所取得之测试数值是否会对研究结果产生影响。实验所使用之测力器为Biodex等速测力系统,受试者投球臂与非投球臂皆接受角速度180°与300°/s的等速测力。结果显示：1）惯用臂、非惯用臂以及两种角速度所取得的平均峰值转矩,windowed显著大于unwindowed。2）研究指出,在进行肩关节外展与内收等速肌力测试时,应注意所采用数据的差异对实验结果产生的影响。

Bartlett[7]等人(1989）以 11名职业棒球投手为受试者,探讨其上肢各关节等速肌力与球速之间的关系。受试者投球臂与非投球臂分别对1）肩关节屈曲与伸展、2）肩关节外展与内收、3）肩关节水平外展与内收、4）肩关节90°外展的内旋与外旋、5）肘关节屈曲与伸展、6）前臂旋前与旋后、7）腕关节屈曲与伸展等动作进行角速度为90°/s等速肌力测试。结果显示：投球臂肩关节内收动作与球速间有显著相关(r=0.545，P＞0.05）,而肩关节伸展动作与球速之相关性虽高,但未达显著水平(r=0.458）；其余受测关节之等速肌力与球速间的相关系数分别为：肩关节内转动作r=0.098、腕关节伸展动作r=0.109、肘关节伸展动作r=0.000、肘关节屈曲r=0.307、腕关节屈曲r=-0.162。该研究作者推测：由于肩关节内收动作中的主作用肌如胸大肌、背阔肌以及伸展动作的背阔肌与投球动作的主要肌群相同,因此,其与球速的相关性较高。

Paw low ski[36]等人(1989）以 10名大专棒球代表队投手为受试对象,探讨其投掷臂1）肩关节伸展与屈曲、2）肩关节内旋与外旋、3）肘关节屈曲与伸展等动作的等速肌力值与球速间的关系。其实验中所采用之等速测力角速度分别为90°与240°/s,而所测得之等速肌力值包括峰值转矩、转矩加速度能量(Torque Acceleration Energy）,平均动力值(Average Power）以及总作功(Total Work）等 。结果显示,1）肩关节内旋动作在角速度为240°/s时的峰值转矩、转矩加速度能量、平均动力值以及总做功与球速间有显著相关。2）肩关节和肘关节之伸展与屈曲动作的等速测力结果与球速之间无显著相关。3）肩关节外旋动作在角速度为240°/s之峰值转矩、平均动力值以及总做功都与球速之间有显著相关。此研究结论指出,由于投球动作的特殊性使得肩关节内旋与外旋动作在较高角速度的等速测力中出现显著相关。

Hinton[24]等人(1988）以 26名高中棒球投手为受试者,探讨其投球臂与非投球臂的外旋与内旋动作在角速度为90°与240°/s的情况下进行等速肌力测试,以1）躺姿,肩关节90°外展,2）立姿,肩关节0°外展姿势所获得的峰值转矩、总做功、单位体重之峰值转矩以及作用肌与拮抗肌之比值等是否存在差异。结果显示：1）两种测试姿势所获得之转矩值显著不同,以肩关节90°/s外展姿势所产生之外旋转矩、外旋与内旋转矩之比值,以及总做功较高。2）两种角速度下之外旋与内旋峰值转矩未有显著差异。3）投掷臂之作用肌与拮抗肌的比值相对于非投掷臂较不平衡,在90°外展姿势时,投球臂90°/s为68.7％、240°/s为 79.9％,而非投球臂 90°/s为 75.9％、240°/s为 80.3％。

Brown[8]等人(1988）以41名职业棒球运动员为受试者,比较其投掷臂与非投掷臂肩关节之内旋与外旋动作在角速度为180°/s、240°/s以及300°/s之等速肌力,以及上肢各关节的活动范围是否有显著差异。结果显示,在等速肌力的比较部份：1）投手的投掷臂与非投掷臂各个测试动作与角速度之测试结果皆大于非投手；2）投手的投掷臂显著大于非投掷臂；3）在各个测试角速度下,主动肌与拮抗肌之比值,投手与非投手并无显著差异。

4.3 棒球投掷臂肌力学其他方面的研究

M ikesky等[32](1995）检测25名大学生棒球投手肩关节及肘关节等速肌力值,发现无论是肩关节或肘关节的离心力矩,都明显高于向心力矩。

Donatelli等[11](2000）比较39名职业棒球投手投球侧和非投球侧的肩关节肌力强度,结果投球侧的内旋肌肌力(18.2 Nm）,明显大于非投球侧内旋肌肌力(17.4 Nm）。

Huang等[26](2005）探讨成年棒球(19～24岁）、青年棒球(16～18岁）、青少年棒球(13～15岁）及少年棒球(9～12岁）各20名的投手,肩关节内旋肌和外旋肌之等速肌力和肌耐力的比较,结果显示,外旋肌力和内旋肌力比值的范围在0.71到0.77之间,表示内旋肌的肌力普遍大于外旋肌的肌力。此外,和成年投手相比,未成年投手的外旋肌肌力和肌耐力明显较弱,因此,对于未成年投手,外旋肌的训练应需特别加强。

Hayashida与Nakagawa[23](2005）探讨高中生投手肩关节外展肌肌力和球速在经过19场比赛后变化情形,发现肩关节外展肌肌力和球速都明显下降。

Mullaney等[33](2005）调查13位来自大学或小联盟,平均每7局投球数99球的投手,在一个短暂赛程(19场）前后,投手肌力的变化情形,发现整体的肌力数值,在赛后都呈现下降,肩关节屈肌肌力下降15％,内旋肌肌力下降18％,外展肌下降11％,表示对棒球投手而言,应重视肩关节肌力的训练,尤其是内旋肌和外展肌肌群的肌力,以维持较高的球速和应付比赛时对关节造成的负担。由此可知,肌力对投球动作的重要性,经过比赛之后,肩关节肌力有明显下降的趋势,而且,年纪较轻的选手的肌力和肌耐力明显较弱。

表3 棒球投手投球之肌力相关文献一览表[1]

5 棒球投手运动生物力学研究方法

文献资料显示,有关棒球运动的运动生物力学研究的文章中,关于棒球投手的研究占70％,形成这种格局一方面是由于棒球投手自身的特点,投手的水平对比赛的胜负起到了80％左右的作用,他是全队的灵魂,亦是衡量一个棒球队强弱的标志。另一方面,进行棒球运动生物力学的科学研究开展的比较早。

表4 关于棒球投手研究方面与研究仪器一览表

由于科技的发展和各个学科的相互渗透,有关棒球投手投球动作的运动生物力学的研究方法向准确化、同步化、模型化和电脑化方面迈进了一大步。主要通过摄影、录像进行三维现场拍摄或者实验拍摄投球动作,并结合影、像解析软件,获得人体运动学参数。在实验条件下还可与三维测力台、遥测肌电仪相结合,利用同步技术,取得与之相应的动力学和肌力参数。从运动学与动力学两方面进行分析比较,探索运动技术的原理及运动规律,为评价动作技术的合理性、设计新的训练手段、改善运动技术动作、提高运动成绩提供理论依据。

6 研究综述对我国研究者的启发与展望

6.1 启发

从国外学者对棒球投手投球动作的运动学、动力学和肌电特征等各个方面的科研报道,得知很多先进的科研手段,如高速摄像、等速肌力测试系统、表面肌电图等已经被引入到对棒球投手的研究中。这样可以启发我国学者对棒球研究者,无疑对我国开展棒球投手运动生物力学研究提供很多的思路和方案参考。我国棒球研究者可以根据我国棒球的实际情况对影响棒球投球球速的技术动作生物力学因素,以及如何优化投球动作进行深入的研究。同样通过对国外学者的研究状况提示我国学者可对此方向进行多角度、多层次的研究,以提高我国棒球运动水平,增加我国棒球运动投手运动员的技战水平和棒球的观赏性。

6.2 研究思路的扩展

通过分析国外学者的研究思路和研究方案,为进一步开展我国其他运动项目的运动生物力学研究提供了思路,例如：类似棒球投手的投掷鞭打动作(铅球、排球的扣球、标枪等）的扩展性研究；对投手投球动作过程中下肢动作的运动生物力学研究的展开；对击打员的击打动作的运动生物力学研究；对外场手接不同球时的运动生物力学研究；运用两种或两种以上的研究仪器进行某一动作的同步运动生物力学研究；研究方法扩展和深入开发研究；扩展到其他运动项目动作技术的监控研究。

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