在排球訓練技術水平和科研方法比較先進的一些國家,已經出現了通過高科技手段研究解釋排球技術訓練中的生物力學規律,而國內的相關研究則多是側重技術動作的運動學分析和力學分析,少量的也局限于運動規律機械力學研究上,結合動力學方面的分析還尚未發現. 究其原因是排球跳動扣球整個動作過程的復雜性和分析手段方法的不完善. 尤其在足底方面的研究還處于初級階段,這是因為三維運動學和動力學的參數測量有困難. 本文通過多機攝像技術和目前先進的 Foot-scan 足底壓力分布系統在時間上的同步,采集扣球起跳過程中足底以及下肢各環節運動學和動力學的參數,在統一的外部運動條件環境中,從動作結構這一角度出發,綜合分析兩種形式扣球起跳動作中的運動生物力學特征. 在數據的分析處理上,本文將以時間為同步,揭示排球運動員 3、4 號位扣球起跳過程中足部和下肢各環節運動生物力學的規律和特征.

同時,進一步揭示優秀排球運動員扣球起跳技術的運動規律,為充實該項技術訓練與教學提供科學依據.

1、 研究對象與方法

1. 1 研究對象

本研究以河南女子排球隊的 8 名主力隊員為研究對象,受試者身體健康,均無足踝或下肢病痛史. 基本情況見表 1.

1. 2 研究方法

1. 2. 1 實驗測量法 采用兩臺日本產 SONY DXC-637 攝像機,采樣頻率是 50Hz / s; 比利時產 Foot-scan 足底壓力鞋墊,采樣頻率為 500Hz/s,測量時長 8s. 運動學和動力學進行同步測試,對實驗對象四號位扣拉開球,三號位扣近體快球\\( 下文簡稱 4 號位扣球和 3 號位扣球\\) 的起跳動作進行測試,獲取起跳過程中足部運動的運動學、動力學指標.

1. 2. 2 實驗設計 運動學三維測試,從測試者的右側、背側用攝像機對每個運動員的各種起跳動作進行三到五次的三維立體拍攝,然后對起跳效果最好的一次進行技術分析. 動力學測試,受試運動員穿統一提供型號的測試鞋,要求鞋墊大小要與鞋內底邊緣高度吻合; 正式測試前進行足底壓力分布測試系統的連接和調試,受試運動員配戴測試設備后要先進行 5 分鐘的適應性練習,然后對每個測試的動作做三次成功動作.

2、 結果與分析

2. 1 起跳動作的運動學分析

2. 1. 1 起跳動作的階段劃分

從運動學角度分析,排球扣球技術的起跳動作屬縱跳類動作,縱跳類動作階段劃分的多依據人體重心升降、質心運動過程的對應關系、膝角變化以及能量轉換等. 根據研究需要,依照排球扣球起跳動作的順序把起跳動作分為: “右腳著地”、“左腳著地”、“重心最低”以及“雙腳離地”四個階段,這四個階段也即是拍攝的 4 幅特征畫面.

2. 1. 2 起跳動作的階段特征

金嘉納的研究結果認為: 時間因素是支撐緩沖最大肌力的獲得以及蹬伸時最大功率的發揮主要因素之一,同時對支撐緩沖階段和蹬伸階段的緊密銜接具有非常重要的作用. 因此起跳時間是評定起跳效果的一個重要的指標,表明起跳階段的時間是影響動作效果的重要因素之一.

從表 2 可知,扣球起跳動作中,3 號位整個起跳平均時間小于 4 號位扣球,差異性顯著,3 號位扣球起跳動作中蹬伸階段平均時間大于緩沖階段平均時間,而 4 號位扣球起跳動作中緩沖階段平均時間大于蹬伸階段. 從生物力學角度分析,起跳時間短,下肢動作速度快,也就是說從緩沖到蹬伸的速度快. 這樣就使下肢伸肌群儲存的彈性形變能力的再利用程度得以提高,便于發揮下肢肌肉快速收縮能力. 故從這一特征看,采用3 號位扣球起跳效果要好于采用 4 號位扣球起跳效果. 但是,起跳時間快慢并不能反映動作完成質量的效果,它只是反映起跳蹬離動作的效果.

在緩沖階段,扣球起跳動作緩沖平均時間 3 號位明顯小于 4 號位,差異性非常顯著. 在緩沖階段,起跳腳獲得較大的向人體后上方的支撐反作用力,使人體在水平方向上受到一個制動的沖量,結果是運動員向前的水平速度損失,向上騰起的垂直速度增加,能量要發生轉移或轉化. 但如果緩沖時間過長,水平速度損失則會加大,能量不能充分利用,勢必影響起跳高度. 因此緩沖階段中,4 號位扣球在一定程度上對蹬伸階段的銜接有一定幫助,另外 4 號位扣球動作與 3 號位扣球動作技術上的差異也可能會影響緩沖階段時間的分配.

2. 1. 3 起跳動作的人體重心速度特征

從力學角度分析,人體重心的垂直速度和水平速度是影響起跳效果的兩個方面. 排球扣球起跳階段的主要任務是: 運動員充分利用起跳前獲得的水平初速度,得到較大的向上騰起初速度,使其盡可能地在較高的位置上進行擊球.

從能量轉化方面來講,起跳前著地階段水平速度越快可能創造出較好的彈跳效果,但在緩沖階段,運動員因制動受到向斜后方的地面反作用力,使得重心水平速度自然會下降,運動員通過腳部的著地緩沖與蹬伸動作,以及全身整體動作的協調配合,使人體獲得盡可能大的向上騰起初速度,從而實現能量轉化的最大化.

表 3 的數據結果看,兩種形式起跳中均有較大的水平速度、垂直速度和較大的水平速度損失,4 號位扣球起跳動作中的水平速度損失要大于 3 號位扣球,兩者水平速度較大的損失可能是由于排球扣球起跳本身技術特點決定的,排球扣球跳投起跳階段則是在較短時間內在獲得較大水平速度后,通過緩沖、伸階段得到較大的垂直方向騰起速度,爭取高度,這就要求運動員有較好的緩沖與蹬伸能力來抵制地面給人體的制動力,而制動力的增大,水平速度損失就會越大,同時垂直向上沖量增大,并為垂直起跳獲得較大的初速度提供保障. 在排球項目上關于扣球起跳效果方面的文章還未見,而在其他項目上華立君、李世明等人對起跳效果曾做以研究,他們認為水平速度的損失與高度 H 存在一定的正相關關系,雖然項目不同,但從起跳效果角度分析看,排球扣球起跳動作中較大水平速度的損失和較大的垂直速度對起跳效果將存在積極影響.

2. 1. 4 起跳動作人體環節的運動特征

2. 1. 4. 1 緩沖階段各關節運動特征分析 在緩沖階段,運動員所表現出的運動學指標及變化趨勢為: 各關節相應關節角度逐漸減小,直到最小值\\( 見表 4\\) .

從表 4 可以看出,兩者起跳過程中關節緩沖階段,各關節角度呈逐漸減小趨勢,直到最小值. 在緩沖幅度方面,兩種形式起跳動作中髖關節的緩沖幅度相對較小,4 號位緩沖幅度略小于后者. 膝關節緩沖幅度相對較大,4 號位扣球動作緩沖幅度略大于采用跳步的緩沖幅度,踝關節緩沖角度相對較小. 在角速度方面,兩種形式起跳動作中緩沖階段膝關節角速度值遠大于髖關節和踝關節平均值,從角速度與幅度看,髖關節緩沖度均較小,主要原因是髖關節只進行了輕微的緩沖便進入了加速蹬伸狀態,相應的角速度也會較小,由于 4 號位扣球和 3 號位扣球均有較大的水平速度,為了抵制較大水平速度所產生的沖量,膝關節角度必然會減小,并在緩沖階段克服沖量起到重要的作用. 從排球扣球起跳技術動作看,緩沖是為了爭取在較短時間內,獲得一定的時間和空間,通過緩沖段獲得較大垂直初速度,并盡可能的在高點扣球,這就要求運動員必須通過快速蹬伸來完成起跳,所以膝關節緩沖幅度應控制在一定范圍內,過大則會對動作的完成質量有一定的影響.

2. 1. 4. 2 蹬伸階段各關節運動特征分析 從技術環節分析,蹬伸階段是從緩沖結束到雙腳蹬離地面的過程,蹬伸階段是運動員獲得向上騰起初速度的重要階段,蹬伸動作完成質量的好壞直接影響著運動員的騰起初速度,影響著運動員的騰起高度.

由表 5 可以看出,此階段兩者動作中的幅度與角速度峰值均值都以髖關節數值為最大,依次是膝關節、踝關節. 這表明在起跳時,運動員是髖,膝,踝三關節依次加速蹬伸,是大關節肌群首先發力,以大關節肌群帶動小關節肌群,以達到理想的起跳效果,因此下肢關節合理地加速用力順序對起跳效果有很大的積極影響. 分析還發現,運動員的踝關節緩沖與蹬伸幅度、角速度最大值均值較小,說明踝關節蹬伸相對緩慢,這對蹬伸時的起跳效果會有一定的影響.

2. 2 起跳動作的動力學分析

2. 2. 1 起跳動作的足底壓力特征分析 人體在靜止或運動時,其自身要想獲得一定的運動速度,必須要和地面之間產生作用力和反作用力的關系. 研究結果表明,在排球扣球起跳過程中,運動員足底的壓力分布和各階段技術動作有著緊密的關系.

從圖 1,2 和表 6 得出: 運動員 4 號位扣球和 3號位扣球起跳動作過程中左足出現明顯的雙峰形變化曲線,右足成倒 U 形變化曲線,無明顯雙峰形變化曲線. 兩者比較結果為: 4 號位左足最大壓力顯著性小于 3 號位; 而右足平均壓力顯著性大于 3 號位扣球. 4 號位左足為中樞腳,左足首先著地,出現了一個小的波峰,然后壓力下降,呈現一個波谷,接著壓力上升,接著呈現第二次波峰后開始下降. 右腳著地在第二次波峰形成時刻開始出現壓力值,其峰值出現在左腳最大峰值之后. 第一波峰沖擊力反映在緩沖階段地面施與人體最大沖擊力的大小,隨著中樞腳的著地支撐,左腿伸肌肌群開始退讓性收縮,抗衡由于快速助跑起跳所造成的強大沖擊力,當伸肌肌群所產生力與外力相等時,豎直力不在下降,形成波谷,該波谷在一定程度上反映起跳腿的緩沖能力,第二個波峰出現在蹬伸之前,而此時右腳開始著地,力值開始增大. 進一步觀察發現,在緩沖結束進入蹬伸階段時,左腳力值開始減小,右腳力值開始達到蹬伸最大值,理論上認為,在緩沖階段左腳緩沖開始,右腳應快速上步來共同完成緩沖,然后兩腳同時進入蹬伸階段,產生最大力值并獲得豎直方向的高度,而圖中看到整個曲線圖的變化中右腳沒有明顯的緩沖跡象便進入蹬伸階段,只存在一個明顯的波峰,同時左腳與右腳最大蹬伸力值從時間上看,左腳最大力值先于右腳產生,并且遠大于右腳峰值,這一現象的產生一方面說明在緩沖階段過渡到蹬伸階段左腳起主要支撐作用,另一方面也說明了右腳沒有積極的上步來緩沖由于較大水平速度所產生的較大沖擊力,使得緩沖階段過渡到蹬伸階段時左腳承載著大部分的負荷,而右腳只是在蹬伸階段起到一定的蹬伸作用.

3 號位扣球足底壓力變化曲線圖上,兩足出現明顯的雙峰變化曲線,3 號位扣球過程中,兩腳落地緩沖,出現了第一個波峰,然后壓力下降呈現波谷,接著壓力上升,這時出現第二次小的波峰. 在扣球動作中,兩腳落地緩沖首先獲得最大緩沖峰值,對應時間上,左腳峰值也存在先于右腳產生,并沒能達到同時落地緩沖,緩沖結束進入蹬伸階段時,左右腳第二次波峰出現時產生峰值都要小于緩沖段的最大峰值,并且在蹬伸階段,同樣出現了兩腳蹬伸不同步的現象,從圖 2 看到左腳首先蹬伸,右腳落后于左腳蹬伸,并且左腳力蹬伸值呈減小趨勢,右腳力值呈增大趨勢. 產生這種現象可能是由于在緩沖階段緩沖較大水平速度所產生的較大沖擊力不完全便進入蹬伸階段造成的,使得在蹬伸階段運動員既要完成蹬伸,又得抵制緩沖段的緩沖任務,另外二級運動員緩沖與蹬伸力量的不足及技術的穩定性差等因素,也可能會產生蹬伸階段兩腳完成蹬伸的不同步,對起跳效果產生負面影響.

2. 2. 2 起跳動作的足底壓強特征分析 壓強峰值壓強分布是壓力鞋墊每個傳感器在單步運動中測得的一個最大壓強值,它所反映的是足底各區在運動中所達到的最大水平. 表 7 是經過處理后的足底各區的峰值壓強指標.

表7 數據可以看到,在 4 號位扣球起跳過程中,左足峰值壓強按大小順序依次為 H2,H1,M5,M3,M4,M1,T1,M2,右足順序依次為 M2,H2,M3,H1,M4,M5,T1,M1. 在 3 號位扣球動作中左足峰值壓強按大小順序依次為 H2,H1,M3,M5,M1,M4,M2,T1,右足順序依次為 H1,H2,M2,M3,M1,M4,T1,M5.運動員的足底壓強結果表明,盡管壓強出現區域個體差異,但總體具有一致性,4 號位扣球動作中最大峰值壓強左足主要出現在 H2,H1,M5 處,即足后區和前足區外側,右足主要出現在 M2,H2,M3 處,即前足區內側和足后區內側,從數值上進一步看到,左足最大壓強值后足遠大于前足,右足最大壓強值前足遠大于后足,3 號位扣球動作中最大峰值左足主要出現在 H2,H1,M3 處,右足主要出現在 H1,H2,M2 處,從數值上看,左右腳后足最大壓強值均遠大于前足最大壓強值. 通過對 4 號位扣球與 3 號位扣球動作足底壓強的分析,我們發現其最大壓強峰值區域的產生符合排球運動員的技術特點,另外 3 號位扣球動作中看到,前足最大壓強值較小,說明單位面積內壓力值也就較小,壓力值的過小也將影響排球運動員起跳蹬伸力值.

3、 結論與建議

3. 1 結論

3. 1. 1 4 號位整個起跳時間長于 3 號位扣球; 人體重心水平速度損失較大.

3. 1. 2 4 號位左足最大壓力顯著性小于 3 號位; 而右足平均壓力顯著性大于 3 號位扣球; 3 號位前足是壓力最大峰值主要出現區,中足壓力峰值不明顯.

3. 1. 3 4 號位扣球動作中最大峰值壓強左足主要出現在 H2,H1,M5 處,即足后區和前足區外側,右足主要出現在 M2,H2,M3 處,即前足區內側和足后區內側.

3. 2 建議

3. 2. 1 加強排球運動員扣球起跳模式的訓練,注意起跳時人體環節配合的協調性,并形成動力定型.

3. 2. 2 加強排球運動員下肢關節緩沖與蹬伸力量訓練,應特別注意膝,踝關節運動的同步性訓練.

3. 2. 3 根據排球運動員足部主要區域受力分布特點,有目的的訓練運動員足部關鍵區域\\( 如第二、第三跖骨\\) 周圍肌肉群的力量,以提高起跳能力,預防與減少運動損傷.

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