网球专项大学生不同握拍方式正手击球动作的运动学特征分析

董取胜 雷 涛 苏健蛟

(1.武汉体育学院 体育科技学院,湖北 武汉 430205;2.武汉体育学院 武术学院,湖北 武汉 430079)

网球运动是一项以技能为主导的隔网对抗性项目,技术动作的水平直接决定着网球运动员自身的竞技表现[1]。网球的基本技术动作包括发球、正手击球、反手击球、截击球等。现代网球运动主要以底线型打法为主流,正手击球是网球各项技术中继发球之后最重要的一项技术动作。正手击球是网球技术中最基本的击球方法,在比赛中正手击球次数比反手击球多25%左右[2]。因此,正手击球既是初学者的入门技术,又是多数运动员取得制胜分的主要手段。正手击球通常分为三个阶段和四个关键的动作时刻[3],即准备姿势、转肩拉拍、挥拍击球和前挥跟随[4]。近年来,关于网球正手击球技术动作的生物力学研究,主要包括正手击球过程中上肢[5-7]、躯干[8-11]、下肢[12-15]各关节角度的研究。网球正手握拍方式有东方式、西方式、半西方式、大陆式握拍四种,其中大陆式握拍受制性较大,故除了少数专业运动员比较乐于采用外,大多数人都不常使用,而当今世界网坛正手握拍法中半西方式和西方式握拍已成为主流[16]。有研究认为,初学者正手技术一般是先从东方式握拍开始学习,随着网球技能水平的提升,握拍方式也会发生相应的改变。然而,西方式握拍较其他握拍方式而言,不仅能够产生更大的速度,而且能控制住肘关节的角度。也有学者提出,西方式握拍会增大网球肘发生的概率,因为其在加速挥拍时,肘部外翻的压力增大[17]。而半西方式握拍方式不仅可以处理弹跳较低的球,也可以打出强劲有力的上旋球,击球时对肘部的压力也相对较小[18]。半西方式握拍介于东方式与西方式之间,这种握拍方法能使运动员处理好绝大多数的球,可打出强有力的上旋球并可很好地处理低球,因此受到很多运动员的喜爱,成为现代网球运动中主流的握拍方式[19]。

随着网球运动在我国高校相继开展,东方式、半西方式、西方式三种握拍方式也成为了高校网球教学中常见的握拍方式。由于大学生在初学阶段的运动损伤状况较为常见,且多为腕、肘和肩关节扭伤[20-22],而适合于我国高校网球教学的方法还在不断研究和摸索中[22]。目前对不同握拍方式正手击球技术动作深入比较研究的文献相对较少,也成为了我国高校网球在理论研究与教学训练之中的一个薄弱环节。为此,探讨三种握拍方式正手击球时上肢运动学特征之间的差异,更好地服务于我国高校的网球教学质量的提升,成为当前高校网球教学研究的重要议题。基于此,本研究在实验室的条件下,运用三维捕捉系统对三种常用的握拍方式正手击球时的运动轨迹进行采集,使用分析软件对不同时段的运动学特征进行分析并找出三种握拍方式之间的差异,旨在为丰富高校网球教学的理论与方法及预防或降低急性运动损伤的发病率等提供理论参考。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本研究选取武汉体育学院网球学院2018级网球专项男子大学生45人次的击球动作为受试对象(平均年龄20.53±0.96岁,身高175.40±3.91cm,体重69.03±8.79kg,右手持拍)。测试前要求所有被测试者身体状态良好,24小时内未进行过大强度训练,且近3个月内无上肢关节损伤及其他运动损伤现象的发生。

1.2 测定仪器与设备

运动捕捉系统采用英国生产的VICON Nexus 2.2系统,包括8个400万像素的摄像头(型号:T40s)和39个Marker球(直径:14mm),本实验采样频率为200Hz;三维测力台系统采用瑞士生产的Kistler9260AA型号测力台2块(长600mm、宽500mm、高50mm),本实验采样频率为200Hz;其他用品包括:自制固定Marker球的网球拍、皮尺、卡尺、胶带、剪刀和专业测试服装等用品。

1.3 Marker球粘贴、坐标及建模流程

受试者身体表面粘贴39个Marker球的标记,红外采集光标点,连接、修补、局域坐标定位,输入测量受试者的身高、体重、各环节参数数值,选用Plugin Gait Full Body及生成骨骼模型(图1)。

图1 受试者Marker粘贴部位及人体3D模型

图2 网球正手击球时刻和时段设定示意图

1.4 测试方法

1.4.1 准备部分

首先打开三维运动捕捉系统、测力系统等测量仪器和设备进行预热与标定,参照实验室的全域坐标和测力台位置设定击打方向,并根据躯干的得分部位设定击打高度。告知受试者实验流程、注意事项及填写实验知情同意书,再让受试者进行10分钟左右慢跑、拉伸等热身活动,更换服装以及测量建模所需的身体各个环节长度值。Marker球粘贴完成后,让受试者熟悉测试流程。

1.4.2 测试部分

准备部分完成后,受试者在指定区域采用闭合式站位,听到研究者发出“开始”口令后,分别使用东方式握拍(T1)、半西方式握拍(T2)和西方式握拍(T3)的正手击球技术动作击打前方带有光标标识的自制网球,每次击打完成后,被测试者通过自我感觉和研究者的视觉主观判断,共同商议并确定本次动作质量。动作质量依据受试者平时训练时的技术动作为基准划分:A级为较好动作,B级为一般或失败动作。最终每名受试者选定5次A级动作为本文的样本动作。

1.5 时刻(Event)和时段(Phase)设定

分别将双手握拍瞬间、右手引拍最大伸展瞬间、球拍击球瞬间和收拍后右肘关节最大屈曲瞬间,设定为准备(E1)、引拍(E2)、击球(E3)、收拍(E4)4个时刻。E1时刻结束到E2时刻开始为引拍时段(P1);E2时刻结束到E3时刻开始为击球时段(P2);E3时刻结束到E4时刻开始为随挥时段(P3)。

1.6 数据处理

人体运动学原始信号通过数模转换器与测力系统同步采集与传输,并对采集的体表Marker点命名,利用内置VICON Nexus 2.2系统内的Lowpass Filter函数对运动学数据进行滤波、删补轨迹等技术处理。所采集的上肢关节角度、球拍速度、位移和动作时间的数据,采用VICON Polygon 3.5.1软件进行计算。定义肩关节和腕关节的伸展、外展、外旋为负值(-),肘关节的外展为负值(-)。关节角度采用所选数据的平均值,球拍速度、位移和动作时间采用所选数据最大值的平均值,分别用Microsoft Excel进行前期处理和IBM SPSS Statistics 22.0后期统计分析,三个组别采用单因素重复测量方差分析和共变量处理,显著性水平设为a=0.05,结果用平均值和标准差(x±s)表示。

2 研究结果与分析

2.1 上肢关节角度特征的分析结果

受试者上肢关节角度特征分析结果见图3-5。其中,引拍时刻(E2),西方式握拍肩关节的前屈(22.31±11.78°)、旋外(41.34±6.42°),腕关节的屈曲(54.35±7.85°)相对较大,与东方式和半西方式握拍之间存在显著性差异(p<0.05);东方式握拍时肩关节的外展(51.01±19.89°)相对较小,与半西方式和西方式握拍之间存在显著性差异(p<0.05)。击球时刻(E3),东方式握拍肩关节的屈曲(35.36±19.55°)、内收(37.41±18.96°)及肘关节的屈曲(139.67±13.32°)相对较大,腕关节的外展较小(30.06±6.36°),与半西方式和西方式握拍之间存在显著性差异(p<0.05);西方式握拍肩关节的旋内(-41.03±25.36°)较大,与东方式和半西方式握拍之间存在显著性差异(p<0.05)。收拍时刻(E4),半西方式握拍肩关节的内收(146.31±90.47°)、旋外(-90.91±51.89°)与东方式和西方式握拍之间存在显著性差异(p<0.05);东方式握拍腕关节的旋内(124.43±24.84°)较大,与半西方式和西方式握拍之间存在显著性差异(p<0.05)。准备及其他时刻,3种握拍类型的上肢关节角度虽然出现了差异(p>0.05),但不存在显著性。

图3 网球正手击球肩关节角度时刻变化示意图

图4 网球正手击球肘关节屈伸角度时刻变化示意图

图5 网球正手击球腕关节角度时刻变化示意图注:以中立位零度计算法设定关节的零点位;X为绕额状轴在矢状面的运动,Y为绕矢状轴在额状面的运动,Z为绕不同轴在不同平面的运动。下同。

2.2 上肢关节角速度特征分析结果

受试者上肢关节角速度特征分析结果见图6-8。其中,引拍时刻(E2),西方式握拍肩关节的内收(88.08±69.84°/s)、旋外(129.02±93.76°/s),肘关节的伸展(91.62±31.12°/s),腕关节的外展(202.27±111.08°/s)、旋外(241.14±94.66°/s)相对较大,与东方式和半西方式握拍之间存在显著性差异(p<0.05)。击球时刻(E3),西方式握拍肩关节的旋内(249.09±131.51°/s),肘关节的伸展(139.67±13.32°/s)相对较大与半西方式和半西方式握拍之间存在显著性差异(p<0.05);东方式握拍腕关节的内收(246.59±132.47°/s)、旋内(268.23±189.42°/s)较大,与半西方式和西方式握拍之间存在显著性差异(p<0.05)。收拍时刻(E4),西方式握拍肩关节的旋内(269.74±99.85°/s)相对较大,与东方式和半西方式握拍之间存在显著性差异(p<0.05);大陆式握拍肩关节的外展(257.95±78.06°/s),腕关节的内收(246.59±33.12°/s)相对较大,与半西方式和西方式握拍之间存在显著性差异(p<0.05)。准备及其他时刻,3种握拍类型的上肢关节角速度虽然出现了差异(p>0.05),但不存在显著性。

图6 网球正手击球肩关节角速度时刻变化示意图

图7 网球正手击球肘关节屈伸角速度时刻变化示意图

图8 网球正手击球腕关节角速度时刻变化示意图

2.3 球拍的位移、时间和动作速度特征分析结果

正手击球完整动作的球拍的位移、速度和时间特征分析结果见图9-11。综合来看球拍的位移特征,西方式握拍的引拍、击球和收拍的位移分析结果数值相对较小。其中,在收拍阶段(P3),东方式握拍的位移(0.9m)与半西方式握拍的位移(0.8m)和西方式握拍(0.8m)的位移之间存在显著性差异(p<0.05);在球拍速度方面,综合来看,西方式握拍>半西方式握拍>东方式握拍。其中,在随挥时段东方式握拍(0.45m/s)相对较大,与半西方式和西方式握拍存在显著性差异(p<0.05);在动作时间方面,东方式握拍的动作时间分析结果数值相对较大。其中,引拍时段为半西方式握拍>东方式握拍>西方式握拍,击球时段为东方式握拍>半西方式握拍>西方式握拍,三种握拍的动作时间虽然出现了差异(p>0.05),但不存在显著性。

图9 正手击球时球拍位移特征示意图 图10 正手击球时球拍速度特征示意图

图11 正手击球时动作时间特征示意图

3 讨论

本研究结合人体运动链运动和正手握拍击球的动作特点,分别将受试者的头、躯干、大臂、前臂、手、大腿、小腿和脚设为14个刚体。通过观察刚体之间在3个时段绕轴转动轨迹发现,三种握拍方式正手击球时下肢关节的差异较小,因此本研究主要针对受试者的右肩、右肘、右腕(以右手持拍为例)三个关节运动轨迹的变化及球拍的位移、速度和动作时间进行分析与讨论。

3.1 不同握拍方式与上肢关节角度的变化关系

网球正手击球技术动作从“准备-引拍-击球-挥拍”四环节中都需要上肢关节和肌肉的配合,正手击球技术时的不同时段,人体最直观的表现就是各关节的活动度或关节角运动变化。观察受试者在引拍时段(P1)右手持拍后引,同时转动肩、肘外展,手臂以肩为轴自下而上引拍,小臂呈前屈、旋内,大臂呈前屈由旋内向旋外变化,上肢关节的运动轨迹类似“C”型。在引拍时刻(E2)西方式握拍的肩关节的前屈、外展、旋外以及腕关节的内收大于东方式握拍,但是东方式握拍的腕关节屈曲较大于西方式握拍。Alberto[8]等人的研究中也提到西方式握拍较东方式握拍和半西方式握拍肩关节的屈曲、旋内、外展更大。击球时段(P2)右大臂带动小臂自上而下前屈随挥,肩关节呈旋外、肩关节呈外展做加速度运动。至击球时刻(E3)西方式握拍肩关节内收、旋外较大,这与Tagliafico[23]等人的研究一致,西方式握拍在正手击球时肩关节内收和旋外较大,腕关节外展较多。在击球瞬间东方式握拍肩关节和肘关节的屈曲以及腕关节外展较大,这与Tagliafico[23]的研究结果“使用东方正手握拍的运动员在肩膀和手腕上使用了更多的水平屈曲和外展”相一致。也有研究提出腕关节的损伤和疼痛与握拍方式有关,Elliott[24]等人的研究中提出西方式和半西方式握拍增加了腕关节的屈曲,这与本文的研究结果一致。东方式握拍导致肩关节、腕关节过多的屈曲和外展,因此容易在腕关节桡侧引发伤病,而西方式握拍在击球时肩关节水平屈曲旋内,腕关节朝尺侧倾斜,常在尺侧引发伤病[8],关节局部负担量过大或过于疲劳,极易造成腕、肘关节疼痛,引起腱鞘炎或网球肘[20,21]。随挥时段(P3)大臂带动小臂进行屈曲回收,当手臂前挥时需要通过对侧肌肉群的强力收缩来减小手臂和球拍的动量以停止其运动,以缓冲上一阶段产生的动量[17]。总体来看三种握拍方式的正手击球技术动作各关节绕轴转动方向表现大致相同。但是根据实验结果发现,西方式握拍肩关节活动度较大,肘关节活动度较小,其主要原因在于西方式握拍的肩关节旋内较多,能够更好地控制肘关节的活动度,从而产生更大的速度。而半西方式握拍正手击球技术动作上肢各关节角度整体水平介于西方式与东方式握拍之间,关节角度较为平缓,腕关节的屈曲与东方式握拍差异性不大。也证实了部分学者[18,19]的研究,提出半西方式握拍方式在击球时较为稳定,能够发挥较大的速度以及能够处理大多数的球,在当代网球比赛中成为大多数运动员使用的握拍方式。

3.2 不同握拍方式与动作速度峰值的变化关系

有研究认为网球正手击球技术的上肢关节发力顺序为“肩--肘--肩--腕”,即以肩为轴发力[24,25]。根据肌肉的生理结构,我们可知肌肉的预拉长可以有效增大肌肉后续收缩能力[26],因此在引拍阶段将肌肉进行有效的拉伸到最大,使肌肉在收缩时增大张力,让球拍从最高点落下时进行加速,将势能转化成拍头的部分动能[27]。从实验数据中可以看出,正手击球过程中关节角速度达到峰值的时间顺序为肩关节、肘关节、腕关节,这与Landinger[28]的研究结果“近端节段角速度在远端段角速度之前达到峰值”相一致。因此,肌肉活动顺序进行可以使运动链中各个环节的速度相加,让末端的环节达到最大速度[20-23-29]。为探究挥拍时刻产生最大速度的原因,本研究以球拍的远端Marker点的速度进行分析。从位移、速度、时间特征(图9-11)中看出,完整的正手击球技术动作完成的时间顺序为西方式握拍、半西方式握拍、东方式握拍。其中西方式握拍的位移相对较小,与半西方式握拍和东方式握拍差异性较大,证实了Elliott等人的研究提出西方式握拍较东方式握拍肩更靠近身体[30],因此球拍拍头位移相对较小。有研究提出正手击球技术中引拍时段肩关节的旋内[30-31]是击球时速度的主要贡献者,为击球时球拍提供了42%～44%向上和向前的线速度[5]。Elliott[30,32]认为,上臂在击球动作前后,有明显的内旋动作,这是产生球拍速度(接近30%～40%)的一个必要方面。本研究中引拍时段(P1)三种握拍方式的肩关节旋内差异性较小,从完整技术动作来看采用西方式握拍的正手击球技术动作的位移、时间与东方式握拍和半西方式握拍相比数值较小,虽出现了差异但不存在显著性。随挥时段(P3),半西方式握拍和西方式握拍速度相对较小,与东方式握拍速度差异性较为显著。观察数据可知,三种握拍方式各关节变化趋势一致,上肢关节的角速度峰值都在随挥阶段,达到峰值后逐渐减慢,身体各环节的速度也逐渐降低,这在Takahashi[5]等人的研究中也得到证实。但这个数据与Seeley的研究存在偏差,他在研究中提出除肩部内旋峰值外大多数峰值角速度随着撞击后球速度的增加而增加[7]。在本研究中东方式握拍上肢关节角速度在击球后的随挥阶段较早达到峰值,而西方式和半西方式握拍的角速度峰值出现相对较晚,加速度时间相对较长,因此在随挥阶段下东方式握拍的回收速度较快。此外有研究表明肘的角速度与腕的角速度和线速度成正相关,因此东方式握拍在挥随时段的速度相对较快。另外,有部分研究表明,击球时刻肘关节角度与球员握拍方式有关,东方式握拍大约为110°,半西方式握拍大约为130°[30],三种不同握拍方式的角度差异不大,尚不清楚这一结论是否具有普遍意义或是由运动员技术水平之间存在差异所致,还需要进一步研究验证。

4 结论

网球三种握拍方式正手击球时上肢各关节绕轴转动的方向表现为一致性,而上肢各关节的活动度和角速度所表现出来的差异,成为了影响球拍位移、动作时间和动作速度的重要因素。西方式握拍正手击球技术动作的肩关节内旋较大,因此能够更好的控制肘关节的活动度,从而产生更大的速度。东方式握拍正手击球技术动作导致肩关节、腕关节过多的屈曲和外展,能够增加肌肉的预拉长可以有效增大肌肉后续收缩能力,在挥随时段的速度相对较快。半西方式握拍正手击球技术动作中上肢各关节角度整体水平介于西方式与东方式握拍之间,关节角度较为平缓,腕关节的屈曲与东方式握拍差异性不大。这提示我们,在今后的网球教学中,要根据大学生身体状况和技术水平等个体差异,合理利用三种握拍方式正手击球时上肢关节的运动学特征,先由东方式握拍入手,当技术动作掌握较为扎实后,再采取半西方式握拍和西方式握拍的递进练习过程。这既是快速提升大学生网球技术水平及降低和预防急性运动损伤风险的一种有效手段,也是有效提高网球教学质量的一个重要途径。