不同水平的篮球爱好者罚篮的运动力学分析

刘昊 金真郁 韩国国立群山大学

一、引言

现代体育尤其会产生大量详细数据，不仅描述比赛结果和球队特征，而且还描述比赛中的个别事件，例如得分事件、裁判判罚、暂停、控球、球场位置等。数据使许多个人运动的定量分析成为可能。本文据此出发，通过测定不同水平的篮球爱好者的罚篮运动力学，进而获得第一手的数据，从中找出罚篮成功率的关键条件，针对性的提升篮球爱好者的罚篮水平。

二、篮球爱好者水平测定

随着我国“运动强国”战略的持续推进，我国篮球爱好者的数量和水平均有了极大地提升。与此同时，在篮球爱好者的日常训练和比赛中，关注点更多的集中在“三分”“上篮”等更为人所熟知和更具表演性、可看性的技术上，而忽视了“罚篮技术”的训练。这种问题也在部分教练人员的身上有所体现。这部分教练人员往往在训练中，采取站成一排，进行任意投球的训练模式。但实际上，超过30%的篮球比赛最终是依靠“罚篮”来决定胜负的，而广大篮球运动员中，拥有较高罚篮水平的球员数量并不多。[1]相较于职业球员，篮球爱好者的水平更加的参差不齐。为此，研究首先要做的，是测定篮球爱好者的水平，进而将其分作“高水平组”和“低水平组”，方便后续的实验研究。

本次研究选取22名年龄在14-16岁之间的篮球爱好者，并由其父母提供了书面的知情同意。之后，对参与者进行了人体测量，包括体重、身高、髂前上棘宽度、大腿长度、大腿中部周长、膝盖直径、足长、踝高、踝宽和足宽等。数理统计结果显示，22名篮球爱好者之间，基本的人口学特征P＞0.05，无统计学意义，可以参与研究。研究采取了纪仲秋等人编制的《篮球专项测试方法与评分标准》，从“助跑摸高”“五点投篮”和“综合运球”三个方面进行测试。[2]其中，“助跑摸高”20分，摸得越高则分数越高；“五点投篮”50分，1.5min内投中次数越高则分数越高；“综合运球”30分，单次综合运球用时越少则分数越高。测试结束后，以75分为标准，高于等于75分的7名篮球爱好者设为“高水平组”；低于75分的15名篮球爱好者设为“低水平组”。

三、罚篮的运动力学分析

（一）实验方法

毋庸置疑，“罚篮”应该是篮球运动中最简单的动作之一，因为不涉及身体的接触、跳跃和扭曲。在实际中，按照国际篮联的标准，罚篮要求球员在离篮板面4.57m的地方进行投篮，且球员和篮筐之间不得有任何物体。不仅如此，在罚篮的过程中，篮球和篮筐也是标准化的。其中，篮球重0.6-0.65kg，直径24.6cm；篮筐高3.05m，内径45cm。因此，篮球运动中的“罚篮”实质上是一个一贯的动作。这也是通过分析罚篮的运动力学，进而提升球员罚篮水平的前提和基础。[3]

本次研究中，所有受试者都进行了标准的10min热身训练，包括慢跑和伸展上下肢肌肉。此后，分别进行10次“跳投”，以熟悉实验室设备和测试程序。10 次“跳投”中，受试者均赤脚进行，以帮助标记放置的可靠性并减少球员之间鞋类差异的影响。在此过程中，一个2cm的软橡胶垫被放置于测力台上，以替代一般情况下球员跳跃着陆时由鞋子提供的衬垫，并防止直接落在测力板上时的疼痛。实验过程中，选择用右脚还是左脚先着地是由受试者决定，研究人员没有给出任何指示。

本次研究规定罚球要在距篮筐中心约4.2米的罚球线后面进行。假设释放点在距离篮筐中心4米处，释放条件包括四个输入参数：释放速度、初始球路的垂直面与板垂直法向面之间的横向偏离角、释放速度与水平面之间的偏离角，以及下旋角速度。[4]其中，研究选择释放速度从7到8.2 m/s，增量为0.01 m/s，释放角度从45到65度，增量为0.5 deg 和2 hz下旋角速度。所有生物力学参数均由Workstation Biomechanical Software 收集并处理为C3D文件。Motion Lab Systems 使用Rdata2程序将C3D文件进一步转换为DST文件。

此外，研究所涉及的三维关节运动学和力数据是从Vicon系统和Vicon软件中获得。研究使用公认的生物力学技术计算力矩、功率和功值以计算动力学值。所有数据都导出为文本文件，以便在spss22.1中进行数理统计的分析。

（二）实验结果

典型的投篮动作中，要求球的中心、手和前臂在一条垂直线上。对于罚篮动作而言，球员上臂、前臂和手从水平方向的角度，分别约为40°、82°和115°-120°。当球的释放位置和肩的位置给出时，肩关节的角度范围从水平面45°（当前臂和腕关节是垂直的）到59°（当肘关节角度接近180°）。[5]实际也是如此，实验结果显示，两组篮球爱好者在进行罚篮时，上臂从水平方向的角度约为51°，手与前臂的角度约为180°，前臂从水平方向的角度约为80°。其中，高水平篮球爱好者前臂从水平方向的角度约为90°，前臂和手之间的角度为173°到201°。他们的上臂水平方向的角度范围为28°-38°，上臂与前臂的平均角度约为135°，手腕的平均角度约为190°。在发球时，高水平篮球爱好者表现出的上臂与垂直距离更近，而低水平篮球爱好者的更远。随着球的释放速度增加，肘关节角速度的幅度增加，但腕关节角速度的幅度减少，而肩关节角速度的幅度几乎没有差别。研究结果显示，随着投篮距离的增加，肩肘角速度的大小增加，但投篮距离与手腕角速度之间没有相关性。

另外，在实验中，球出手后，应向后旋转，这样球碰到篮板后，会向下走，因此，不旋转的球更容易进。从生物力学的角度来分析，一方面，根据陀螺效应。旋转的物体具有稳定性，这样的球进能的命中率会更加高；另一方面，篮球在空中飞行时，靠在篮球表面的空气会伴随着篮球的转动而被带走，形成一层边界，而在这些边界中，气流会一层层的流动，由于各层次之间的流动速度不一样，使得流动层之间会产生很多的摩擦力量，这些摩擦力加在起就是篮球在飞行中受到的阻力。因此，篮球在空中的飞行过程中，自身的状态会发生一系列变化，篮球的后侧会形成强力的滋涡，从而使得球体前后的压强，也就是途中的P1和P2产生的压强差，称为压强差阻力F2与物体运动的速度平方成正比，由于压差阻力与物体的形状有直接的关系，故也称为形状阻力，球体平动时所受的摩擦阳力E1和压差阻力F2称为空气阻力，它将不断减小物体运动的速度。显而易见，这样的飞行轨迹会加大能球在入筐时的角度，也就会提高篮球的命中率。

四、提升罚篮水平的策略

首先，要掌握标准的罚篮基本动作。优秀的篮球投手有一个漂亮的弧度，输入适当的后旋球，并尽量减少与最佳投篮路径平面的侧偏。在此过程中，他们操纵自己的肩膀，肘部和手腕，以产生最佳的球速、角度和角速度。为此，要依据研究结果，设计一套标准想罚篮基本动作，具体包括持球姿势、站立姿势和投球姿势等。例如，单手定位投篮和跳投是现代篮球比赛中最常用的罚篮方式。投手用他们的投篮手握住球，把球放在他们前额附近，抬起并伸展他们的肘部，然后把手腕向前折。非投篮手臂有助于支撑球，并允许投篮者在预期的投篮位置投篮。在此过程中，将球、手腕、肘部和肩部保持在与目标相对的垂直平面上。放球时应保持适当的下旋，有一个良好的弧度，与包括目标和放球点在内的最佳路径。

其次，要增加罚篮动作连贯性的训练。相较于其他篮球训练项目中，强调发展力量和速度属性，本次研究结果显示，罚篮的成功率更依赖于动作的连贯性。然而，传统的力量和体能训练计划，例如增强式跳跃训练，通常更加偏重于提高球员的力量、速度和平衡属性，忽视球员罚篮动作在垂直方向上的力量表达和罚篮动作的标准。因此，要在日常训练中有意识的增加罚篮动作连贯性训练，以此干预球员的罚篮训练。具体来说，在训练干预前后至少进行 1 项身体素质测量（例如，肌肉力量、线性和方向变化、平衡力量）；在训练中结合不同情况下，罚篮时篮球的运动轨迹以及球员的自身基础数据，选择合适的投球角度，在出手时尽可能的伸直手臂，抖动手腕，给予篮球一个相对柔和的外界力量；在训练后要及时的进行经验总结，不断的回忆罚篮命中时的身体感觉，并在今后的训练中有意识的向其靠近，通过机械性的训练获得肌肉记忆，形成正向的罚篮条件反射。

五、结论

综上所述，随着时代的发展，在体育研究领域中越来越需要严格收集数据，为复杂的运动现实提供经验证据。在本次研究中，每种释放条件下，肩部，肘部和手腕的角速度都有很多组合。当前臂和手在释放时是垂直的，手臂的旋转对球释放速度的垂直分量有贡献，而肘关节和腕关节的旋转对于后旋至关重要。根据研究结果，手臂关节有很大的角速度范围来产生想要的球的释放。为此，在今后的篮球训练中，要有意识的加强这方面的训练，以此提升罚篮水平。