优秀高尔夫球运动员挥杆技术的三维运动学研究

周 通，刘生杰

1 前言

高尔夫球曾是第2、3届奥运会的正式比赛项目，此后100多年高尔夫球运动虽然不是奥运会的比赛项目，但是由于其自身“绿色健康、勇于挑战”的特点，一直受到全世界广大高尔夫球爱好者的追捧。2016年高尔夫球运动项目再次进入奥运大家庭，不仅推动了高尔夫球运动在全世界范围内的广泛开展，而且对快速发展中国高尔夫球运动起到了巨大的推动作用。

高尔夫球运动具有准确性高的特点，要求运动员必须具备出色的控制能力和协调的动作能力，这是决定运动员挥杆动作优劣的基本条件。在高尔夫球比赛中，共有18个洞。每一洞的进球都是从运动员的挥杆开始，每次挥杆动作的优劣直接决定着球飞行的远度和落点的准确性，为后续的推杆入洞奠定基础。因此，高尔夫球运动员正确协调的挥杆动作就显得尤为重要。但是，目前国内外对高尔夫球运动的挥杆动作技术的三维运动学研究还比较少。本研究运用运动生物力学相关原理与方法对高尔夫球运动员的挥杆技术进行三维运动学研究，明确高尔夫球运动员挥杆技术从下杆到击球瞬间身体各环节的速度、角度、角速度等运动学参数特征，以便让运动员了解其挥杆的技术动作特征，对运动员技术动作实施有针对性训练提供一定的参考依据；同时，为后续开展高尔夫运动员挥杆技术动作研究奠定基础，以探寻高尔夫球运动员技术动作的一般性特点与规律，丰富和完善我国高尔夫球运动员技术动作分析的内容体系，为完善技术动作、降低运动损伤风险、制定科学合理的训练方案提供理论依据。

2 研究对象

选取××省优秀高尔夫球运动员5名，其中3名运动员为国家健将级，2名为一级运动员。所有运动员均为右手型。对其挥杆技术动作进行捕捉、测试与分析(测试对象基本情况见表1)。

表1 测试对象的基本情况

3 研究方法

3.1 实验测试法

运用Vicon动作捕捉系统对5名优秀男子高尔夫球运动员的挥杆技术动作进行测试。实验测试在××大学高尔夫球练习场地进行，所使用的球杆为8号铁杆；要求测试对象每人测试6次，其中选取球的落点距离目标点比较近的挥杆动作作为技术解析的动作，以获取运动员挥杆技术动作的各种运动学参数。

所有测试对象明确试验目的，且自愿参与。每次击球后可以有适当的间歇时间，以便更好地完成后续实验任务。

3.2 数理统计法

利用Excel2007、SPSS11.0等软件对所获得的指标参数进行统计学处理以及相关性分析。

3.3 动作时相与阶段划分

(1)初始位置；(2)挥杆球杆最高点；(3)下杆阶段球杆与地面平行瞬间；(4)杆头击球瞬间；(5)击球后挥杆最高点；(6)挥杆结束瞬间(见图1)。其中初始位置到挥杆最高点为上杆阶段；挥杆最高点到球杆与地面平行瞬间为下杆前阶段；球杆与地面平行瞬间到球杆击球瞬间为下杆后阶段；挥杆击球瞬间到球杆结束瞬间为跟随阶段。

(1) 初始位置(2) 挥杆球杆最高点 (3)下杆阶段球杆与地面平行瞬间(4)击球瞬间(5)击球后挥杆最高点 (6)挥杆结束瞬间

图1 动作时相与阶段划分

4 结果与分析

4.1 运动员下杆过程中身体重心的变化

高尔夫球挥杆的过程是以躯干、上臂和球杆为一个运动链。要求挥杆速度快，击打平稳，球杆与上臂所形成的运动轨迹处于同一个平面之内。如果身体重心变化过大，势必造成过多的能量损失，从而影响击球的效果。

4.1.1 运动员身体重心的前后位置变化表2反映了运动员在下杆过程中身体重心前后变化的大小，也就是运动员在开始下杆瞬间到击球瞬间身体重心在Y轴上的变化情况。身体重心变化越小，说明运动员在下杆过程中身体重心越稳定，对击球效果的影响就越小。这是由高尔夫球运动项目的特点所决定，一方面运动员身体重心前后移动过大，会造成更多的能量损失，势必影响击球的速度；另一方面由于高尔夫球比较小，如果在击球瞬间有很小的位差，都会影响高尔夫球飞行的远度与落点的位置。

通过对高尔夫球运动员在下杆过程中身体重心前后位置的变化幅度与其击球瞬间杆头的速度相关性分析，二者存在高度的负相关性(r=-0.967 5，P<0.05)。由此可见，运动员身体重心变化幅度越小，越有利于加快杆头击球的速度，因此，身体重心的稳定对把握击球节奏，提高击球的速度具有重要的意义。

表2 运动员在下杆过程中身体重心在前后方向上的变化情况

4.1.2 运动员重心的垂直位置变化表3反映了高尔夫球运动员在下杆过程中身体重心垂直变化的情况，也就是运动员从开始下杆瞬间到击球瞬间身体重心在Z轴上的变化。高尔夫球运动员在挥杆过程中身体重心从初始位置至挥杆上引到球杆最高点再到杆头击球瞬间，运动员身体的重心变化不是很大，基本保持在同一个高度。其中从初始位置到挥杆最高点，运动员身体重心平均变化为0.014m；从挥杆最高点到杆头击球瞬间，运动员的身体重心平均变化为0.02m。这样的身体重心高度变化符合高尔夫球挥杆动作的技术要求。因为只有身体重心的最低点与击球点相一致时，才最有可能完全提高杆头的速度。在向上引杆的过程中，杆达到最高点时，身体重心不变，说明运动员反向牵拉的程度越大，运动员所获得的势能就越大，也就越有利于加大挥杆的速度。

表3 运动员在完成挥杆技术过程中不同时相位置身体重心的高度(m)

4.2 下杆过程中各关节角度变化

4.2.1 下杆动作起始点肩轴、髋轴与X轴之间的夹角分析肩轴、髋轴反拉角分别是两肩、两髋之间的连线在水平面上的投影与X轴之间的夹角。在上杆过程中，运动员躯干反向旋转，反向拉长挥杆动作的原动肌，以增加肌肉的初长度，为挥杆做“鞭打”动作创造良好的力学条件。也就是说反向牵拉的角度越大，就越能获得更多的势能；势能获得的越多，动能转化的就越多，球杆加速的效果就越好，更有利于加快挥杆的速度以及增加击球的力量。

从表4可以看出，高尔夫球运动员肩轴反拉角之间差异比较大。其中，最大的为81.3°，最小的为57.6°；同时，从肩轴反向牵引角与杆头击球速度之间的相关性分析可知，二者呈一定的相关性(r=0.673，P<0.05)，也就是说反向牵拉的角度越大，击球时越有可能取得更好的击球速度。当然，由于运动员个体之间的差异以及运动习惯的不同，可能会造成肩轴反拉牵引角的不同。因此，肩轴反拉牵引角并不是杆头获得速度的唯一原因。研究表明：杆头获得的速度与运动员击球瞬间髋轴反拉角有较大的关系[1]。在击球瞬间身体躯干旋转的位置越接近X轴，就越能增加杆头旋转的半径，在挥杆角速度相同的条件下，就会提高杆头的速度。因为肩轴与髋轴角度之间的差值越大，说明身体躯干旋转扭紧的程度就越大，释放出的能量就越大。

表4 运动员肩轴、髋轴反拉牵引角与击球瞬间的杆头速度比较

4.2.2 右臂肘关节角度的分析高尔夫球运动员挥杆时是球杆与手臂同时在一个平面内做圆周运动。假如杆头要获得最大的末速度，根据线速度与角速度、半径的关系(V=ω·R)，就必须使杆头获得更大的角速度与杆旋转的半径。而旋转的半径则取决于运动员挥臂时的肘关节角度。肘关节角度越大，手臂就越舒展，旋转的半径就越大。同时，在下杆后期，由于身体躯干发力旋转，左右两臂跟随摆动，加快了下摆的速度，使杆头获得更大的角速度。

表5 高尔夫球运动员不同时刻右肘关节角度变化(°)

从表5可以看出：高尔夫球运动员在下杆的过程中，右肘关节的角度是不断增大的，当击球的瞬间，右肘关节基本处于180°。研究表明：高尔夫球运动员在下杆初期左肘关节角度已经接近180°，并且在下杆过程中一直保持伸直的状态。因为高尔夫球运动员在挥杆过程中是把左臂作为球杆旋转轴的。假如肘关节减小，意味着旋转轴的半径变短，势必影响杆头的旋转速度。同理，右肘关节的角度也应该在下杆过程中尽早伸直，以增加旋转的半径，提高杆头的线速度，从而达到更好的击球效果。

4.2.3 右膝关节角度变化分析高尔夫运动员在挥杆过程中，身体的左侧是以轴的形式参与运动，身体的右侧是以左侧为轴发生旋转运动。如果把人与球杆作为一个整体，球杆的用力除了人体的内力之外，还有外力的作用，就是高尔夫球运动员的右脚通过蹬地发力使球杆获得更大的加速度。因此，高尔夫运动员在准备击球时都要将双脚站好位置，以便使右脚更好地蹬地发力。

根据运动生物力学原理，当球杆运动到最低点时，球杆的速度达到最大，这样击出的球飞行轨迹合理。飞行的速度较快，球就能够飞行得更高更远。此时，膝关节角度应该趋于180°。这样击球能触发出更多的储存能量，因为此时人体与球杆形成一个完整的平面，而且此时击球的力量最大。但是由于其他客观原因无法达到理想的180°，所以要在击球点时，膝关节角度应尽量趋近于180°。

表6 高尔夫运动员击球瞬间右膝关节角度比较(°)

高尔夫球运动员挥杆击球的过程实际上就是一个类似“鞭打”的过程，要取得理想的“鞭打”效果，就必须有一个连续的速度叠加过程，在下杆的前期，挥杆过程属于一个相对平滑的加速过程，在下杆的后期，挥杆过程前期的加速度更大，努力掌握好挥杆的节奏是达到击球效果更好的方法。

4.3 各关节角速度变化分析

4.3.1 髋关节角速度分析高尔夫球运动员在挥杆过程中，髋关节作为一个发力点，具有身体的制动和角动量的传递作用。在下杆过程中，下肢肌群与髋部肌群提前发力，使髋关节的最大角速度出现在击球之前。髋关节最大角速度的大小反映着运动员髋关节屈伸能力的强弱。击球时，运动员髋关节角速度逐渐减小，此时髋部的力量应当传递至球杆。

表7反映了高尔夫球运动员在击球瞬间髋关节角度的变化情况。其中，刘××在击球之前的角速度最大为421.7°/s，说明刘××的伸髋能力强，使髋关节有一个比较强的发力点。但是，他在击球瞬间的角速度最大为327.4°/s，则说明他没有将腰部的角转动量完全传递到杆头，运动链各环节用力顺序不够合理。二者差值最大的是侯××为305.4°/s，说明侯××的上体通过髋部获得了较大力量，而且在整个下杆过程中角动量传递的效果比较好，使髋部所获得的角速度有83.6%传递到杆头，使杆头获得更大的角速度与线速度。

表7 高尔夫运动员髋关节角速度变化比较(°/s)

4.3.2 肩关节角速度分析肩关节作为下肢和髋关节与上肢力量传递的中间环节具有“桥梁”的作用。高尔夫球运动员在下杆阶段肩关节才参与工作，其主要任务就是做好力的传递。

从表8可以看出，刘××的肩关节角速度最大为365.3°/s，说明刘××的肩部肌肉的加速能力比较强。但是，刘××在击球瞬间的肩角速度最大为123.4°/s，说明他的肩部传递角动量能力比较差，没有把肩关节的“桥梁”作用发挥出来，势必对其挥杆的速度造成损失。从角动量的传递效率来看，侯××的角动量传递效率最高，为84.0%，说明侯××发力顺序较正确，用力较合理。而侯××的角速度最大值仅为221.6°/s，假如其肩部肌肉力量比较强，发力顺序正确，可以进一步提高角动量。

表8 高尔夫运动员肩关节角速度变化比较(°/s)

4.3.3 腕关节角速度分析腕关节是高尔夫球运动员击球用力的最后环节，是与球杆接触的最末端环节。它对力量的传递与球杆的加速之间有着密切的关系，也就是说腕关节角速度的传递效果直接影响着击球的速度。

从表9可以看出，侯××腕关节的角速度最大，为1 226.7°/s，说明侯××所积累的角动量比较大，可能会对球杆产生较强的加速能力。但从传递的实际效果来看并非如此，侯××传递的效率仅为64.5%。因此，侯××应该加大手腕肌肉群的力量练习，发展肌肉的协调能力，提高角速度的利用率。从腕关节角速度最大值与击球瞬间角速度的差值可以看出，赵××所传递的角动量最多，达到849.4°/s，而且从传递的效率来看，赵××的传递效率最高，为74.1%。

表9 高尔夫运动员腕关节角速度变化比较(°/s)

4.4 杆头速度的分析

4.4.1 击球瞬间杆头速度的分析在击球瞬间，杆头X轴方向上的速度决定着击球的距离；同时，在击球瞬间，击球的方向也会对击球的距离产生影响。假如击球瞬间，杆头不能沿X轴方向击打球的正中心，就会使球在X轴方向上产生偏差，在Y轴方向上产生分速度，使球会产生左右旋转，影响球飞行的目标落点；另外，击球瞬间杆头在Z轴方向的速度，会使球产生上下旋转，影响球落地后的向前滚动。

以地面的坐标系作为三维坐标系，X轴方向为杆头运动的左右方向(左为正)，Y轴方向为杆头运动的前后方向(后为正)，Z轴方向为杆头运动的上下方向(下为正)。高尔夫球运动员在击球瞬间杆头在不同方向上的速度比较(见表10)。

表10 高尔夫球运动员在击球瞬间杆头在不同方向上的速度比较(m/s)

从表10可以看出，侯××在击球瞬间杆头在X轴方向上的速度最大，为29.7m/s，说明侯××下杆后阶段挥杆的方向比较好，而且杆头的角速度比较大；吕××在击球瞬间杆头在X轴方向上的速度最小，为20.4m/s，说明吕××在下杆前期挥杆速度可能较快，没有把握好挥杆的节奏与用力的顺序，致使在击球瞬间杆头没有达到一个合理的速度。刘××杆头在Y轴方向上的速度最大，为4.1m/s，说明刘××击球后球球的方向会有较大的偏差，影响球飞行的准确度；侯××杆头在Y轴方向上的速度最小，为1.8m/s，说明侯××击球后球球的飞行方向偏差度较小，击球相对稳定。马××杆头在Z轴方向上的速度最大，为1.9m/s，说明马××击出的球上下旋转比较大，落地后球的滚动相对稳定；其中，吕××和侯××杆头在Z轴方向上的速度为负值，说明他们击打到球的上部，使球会产生向前旋转，球在落地后还会继续向前滚动，会影响球停点的准确性。杆头的合速度与杆头在X轴方向上的速度比较接近，因此，杆头在X轴方向上的速度是合速度的主要组成部分。

4.4.2 影响杆头最大速度的因素分析从表11可以看出，杆头的最大速度与髋关节最大角速度、肩关节最大角速度和腕关节最大角速度均呈一定正相关关系(P<0.05)。这是因为髋关节的最大角速度反映着运动员角动量的储备。角动量储备越多，髋关节的角速度就越大，运动员屈伸髋的能力就越强，从而给杆头更大的加速度，使杆头获得更大的速度。

表11 杆头的最大速度与髋关节、肩关节和腕关节最大角速度的相关性比较

肩关节是连接下肢与上肢力量传递的中间环节，具有“桥梁”与“纽带”的作用。在运动员下杆阶段肩关节的主要任务就是做好力的传递。肩关节角速度越大，传递的速度也就越大；腕关节角速度是角动量积累与传递的结果。腕关节角速度越大，人体的传递效果越高，就会使杆头获得更大的速度。

5 结论与建议

(1)高尔夫球运动员在挥杆过程以及击球瞬间，身体重心变化幅度越小，越有利于加快杆头击球的速度；同时，只有当身体重心的最低点与击球点相一致时，才最有可能完全提高杆头的速度。因此，运动员在挥杆过程中注意控制身体重心，以免产生左右、前后的振幅。

(2)高尔夫球运动员在挥杆过程中身体躯干旋转扭紧的程度越大，所能释放出的能量就越大。应加强运动员的腰腹肌练习，提高核心力量。

(3)高尔夫球运动员在下杆的过程中，右肘关节的角度是不断增大的。当击球的瞬间，右肘关节基本处于180°。同时，在击球瞬间，膝关节角度也趋于180°。此时人体与球杆形成一个完整的平面，击球的力量最大。因此，运动员在下杆过程中要控制挥杆的节奏，明确技术细节。

(4)影响杆头最大速度的因素有肩髋扭转角、髋关节最大角速度、肩关节最大角速度和腕关节最大角速度。人体与球杆是一个完整的运动链，应该把控好运动链的各个环节，注意力的顺利传递。

6 研究不足

由于本研究的实际情况所限，研究的样本量过小，或许不能完全反映出所推出的结论，但是该结论能够说明高尔夫球运动员挥杆技术的基本特点。希望今后在此基础上做更深入的研究。