排球运动员急停起跳环节的生物力学分析

张海斌，葛春林，王 锋

在决定排球比赛胜负的诸多要素中，运动员扣球、拦网、跳发球、跳传球等技术的发挥水平起着关键作用，这些技术的完美表现和成功运用不但能赢得领先的比分优势，还可以极大的鼓舞队员士气，使本队占据比赛的主动优势[1-2]。然而，这些技术的完美发挥在很大程度上取决于之前的急停起跳环节。

科学合理的完成急停起跳环节不仅是出色完成扣球、拦网、跳发球、跳传球等技术所必不可少的关键阶段，也是运动员获得较好起跳高度的关键实施环节。高度作为现代排球对抗的第一要素，在网上的争斗中发挥着重要作用，谁有了高度谁就有了比赛的制空权，高空优势左右比赛的胜负已成为现代排球的一个显著特点[3]。然而，在起跳高度上，与弹跳能力高、力量超群的欧美强队相比，我国排球运动员确实存在着一些差距。造成这种差距的原因有很多，但是在很大程度上还在于后天训练效果不够理想[4]。我国大多数排球运动员在训练过程中对急停起跳环节的专项化认知不够到位，导致运动员在训练内容和方法上不能很好的结合排球比赛特点来进行训练。

本文从运动学、动力学以及肌电上详细分析排球运动员的急停起跳环节，以便排球运动员及教练员能够更好地结合比赛的特点进行更加专项化的训练，为运动员在比赛中能够取得理想的起跳高度而提供参考。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本文采用排球室内场地的4号位作为测试区域，以12名女排队员在4号位扣球环节中的急停起跳动作为研究对象。被试为排球一级水平专业女运动员，年龄为20～23岁，身高为181～191 cm，体重为71～83 kg，从事专业运动年限为3～6年。在测试之前，对所有被试均进行了较为严格的体格检测，确定被试均无下肢病史，且2周之内无大强度比赛，以及测试当天的体能状态良好。

1.2 研究方法

1.2.1 动力学测试 在室内排球场地的4号位放置4块kistler三维测力台，现场放置2个数据采集器和1台笔记本。在正式开始测试前，将设备连接好并进行调试。将测力台的测试频率设置为1 000 Hz，被试站在左侧边线且距中线6 m处开始起跑，跑动方向与左侧边线成30°夹角。经过加速跑后，双脚落入三维测力台时进行急停起跳并完成扣球动作，每名被试顺利并高质量地完成6次。

1.2.2 运动学测试 选用2台松下AG-HMC83MCU高速摄像机，一套三维DLT框架。调整好框架的水平面和垂直面，将一台摄像机放在排球场中线的延长线上，镜头中心线与中线的夹角为40°，面向4号位，另一台摄像机位于1号位的右方，镜头中心线与场地右边线的夹角为30°。摄像机高度为135 cm，拍摄频率60帧/s。正式测试之前，每名被试试扣球3次以便适应测试环境。试扣结束后进入正式测量阶段，2台摄像机记录下被试的运动全过程，被试助跑后在测力台上急停跳起并完成扣球动作，均独立完成6次。

1.2.3 表面肌电测试 使用ME6000表面肌电测试仪采集被试的肌电数据。在正式测试前，做好肌电仪的连接和调试工作，并且测试前按照测试要求为被试粘贴电极片，固定好电极片并且不影响其活动。所测肌肉为左侧和右侧下肢的臀大肌、股二头肌、股直肌、股内肌、股外肌、胫骨前肌、腓肠肌外侧和腓肠肌内侧。对测试过程中所测肌肉的肌电数据进行记录并分析。

2 研究结果与分析

2.1 排球运动员急停起跳过程中各关节的运动学特征

2.1.1 测试过程的阶段划分 被试所完成的扣球环节包括助跑、急停起跳、腾空扣球和落地缓冲4个阶段。鉴于本文的研究目的，重点分析的测试阶段为被试助跑结束后踏入测力台，双脚制动，膝关节弯曲，双腿蹬伸后起跳，直至双脚离地。

2.1.2 膝关节屈角分析 本测试将被试踏入测力台时定为起始点，双脚离开测力台时定为终止点，对这个连贯过程中的膝关节屈角进行测量、分析，没有将被试的急停、缓冲、蹬伸、离地进行单独的测量分析，以便更加连贯地观察和分析动作的变化特征。

12名被试助跑后，在测力台上双脚急停跳起并完成扣球动作。被试均独立完成，6次，选取助跑、急停起跳和扣球环节完成质量较好的动作，记录数据并进行连贯分析。为了更为准确地分析膝关节的角度特征，重点分析被试右侧下肢膝关节的测试数据。所有被试测试过程中右侧下肢膝关节屈角的变化以运动员序号进行统计（见图1至图3）。

图1 运动员膝关节屈角的变化曲线图Figure1 The change of the knee-joint flexion angle

图2 运动员膝关节屈角的变化曲线图Figure2 The change of the knee-joint flexion angle

图3 运动员膝关节屈角的变化曲线图Figure3 The change of the knee-joint flexion angle

根据现场所测试到的数据以及运动员膝关节屈角的变化曲线图可以看出，1、2、3、5、7、9、11号运动员在急停起跳阶段，双脚踏入测力台瞬间的膝关节屈角均较高，2、4、5、6、9、10号运动员的着地缓冲时间较短，1、3、7、8、11、12号运动员着地缓冲后的蹬伸阶段用时较长。10号运动员的膝关节角度变化较为迅速，并且该运动员顺利完成了所规定的测试动作，表明该运动员的膝关节稳定性较强。

通过试验得出，在急停起跳的缓冲阶段，膝关节缓冲幅度在40°～50°的被试的起跳高度普遍高于其他缓冲幅度的被试。在测试过程中，运动员进行多次重复测试，同一被试每次测试的缓冲幅度也不相同。通过试验发现，膝关节缓冲幅度在40°～50°时，其起跳高度也明显高于同一被试在其他缓冲幅度时的起跳高度。这表明，运动员在急停起跳环节的缓冲阶段，膝关节变化幅度在40°～50°之间时，运动员的起跳高度比较高。通过此结果建议，排球运动员在训练时将急停起跳环节进行独立的专项化训练，并且采用40°～50°的膝关节缓冲幅度。

2.1.3 踝、髋关节运动学分析 在测试过程中，所有的数据都是同步收集的，由于踝关节与髋关节变化的相似度较大，因此单独对这两者进行独立分析。测试过程中所收集的踝、髋关节的运动学参数见表1。

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髋关节和踝关节在急停起跳环节的变化趋势为先减小后增大，两者变化的幅度均不大（见表1）。在缓冲阶段，被试踏入测力台后，其髋关节缓冲起始角度值较小，在缓冲阶段的变化幅度也较小，踝关节的起始角度更小，缓冲阶段的变化幅度也更小。

以上变化说明，运动员在缓冲阶段，踝、髋关节只进行了轻微的缓冲便结束了缓冲状态，用时较短，下肢缓冲的大部分时间用于膝关节缓冲。排球比赛时，运动员下肢缓冲的时间受激烈程度影响而变得越来越少，运动员的缓冲时间要简化并且用于主要的缓冲关节上。

运动员要想获得较好的起跳高度和弹跳能力，蹬伸阶段就变得尤为重要。从试验过程以及表1中可以看出，髋关节较膝关节和踝关节早进入蹬伸阶段，其次是膝关节屈角发生变化后进入蹬伸阶段，最后是踝关节角度发生变化后进入蹬伸阶段。由此可以看出，运动员蹬伸阶段，髋关节首先发力然后带动膝关节发力，最后带动踝关节发力完成蹬伸过程。因此，运动员训练时应形成合理的发力顺序，更加理想地完成起跳动作，提高弹跳能力。

2.1.4 膝、踝关节的运动形式 膝关节和踝关节在蹬伸阶段先进行离心收缩后进行向心收缩，伸肌群先拉长后缩短，这种运动形式可以增加运动员的起跳力量，增加弹跳高度。所以，运动员进行训练时应结合排球起跳的特点，采用的训练形式应符合伸肌群先拉长后缩短的特点，进行科学训练。

2.2 排球运动员急停起跳过程中双脚足底压力的特征分析

力学测量是分析排球运动员急停起跳环节特性极为重要的因素。对足底压力的研究，可以揭示人体运动过程中足的动力学特征[5]。运动员在运动过程中足底压力是在不断变化的，并且足底压力的变化与运动员急停起跳动作有着非常紧密的关联。通过对这些力进行测量与分析，能够更为准确、具体的体现排球运动员运动过程中下肢的动力学特征。本试验所采用的试验动作为急停起跳后完成扣球技术，测试过程中，被试全部采用右手扣球，右手扣球运动员在起跳过程中身体右侧的运动起主导作用[6]。因此，本文将被试的右侧下肢各环节作为研究的重点。本研究将测力台所收集的数据进行统计，并对急停起跳环节的相关参数进行对比，结果见表2。

通过对被试的足底压力、着地方式、膝关节屈角和压力与体重比值的对比分析可以得出，足跟着地时，在测试过程中的足底压力与体重比值的均值、同时刻所测肌肉的肌电数值均大于足尖着地。通过测试数据得出，在测试过程中，被试采用足跟着地时，其膝关节屈角小于足尖着地。通过试验观察到，采用足跟着地的起跳高度均小于足尖着地。通过生物力学的相关知识进行分析发现，运动员足跟着地时的膝关节中心位于足底压力中心之前，致使运动员的下肢胫骨角度前倾，使垂直和向后地面反作用力均产生膝关节外部屈曲力矩，此力矩产生后就需要股四头肌以及其他下肢肌肉收缩来平衡此屈曲力矩，做出额外功。通过试验得出，在测试过程中，足尖着地的被试踝关节的缓冲幅度均大于足跟着地。因此增加了落地缓冲的时间，减少了落地时的足底压力，避免了下肢肌肉做出不必要的额外功，进而优化肌肉用力的效率和经济性，取得更高的起跳高度。

运动员扣球前的急停起跳阶段，不同的着地方式产生不同的足底压力和膝关节屈角，进而影响起跳高度，采用足尖着地更符合人体的生物力学需求，取得更好的起跳效果。所以，在排球运动员的训练过程中，应重点观察运动员急停起跳时的着地方式，建议队员采用足尖着地的方式进行训练和比赛，训练运动员形成快速、合理、经济的制动方式和最佳的起跳角度。

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2.3 排球运动员急停起跳动作的肌电特征

运动员的肌电与肌肉力量之间有着极高的相关度。肌肉收缩也必然伴随着肌电活动的变化，肌肉收缩能力越强，肌力越大，肌肉放电能力也将增大，通过肌电来观察和分析肌力变化是可行的[7]。为了能够更加合理、有力、准确地反映出实际的规律，本文选取臀大肌、股二头肌、股直肌、股内肌、股外肌、胫骨前肌、腓肠肌外侧和腓肠肌内侧进行肌电测试，结果见表3、表4。

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运动员在急停起跳的缓冲阶段，运动员的股四头肌、臀大肌、小腿腓肠肌进行的是离心式收缩。随着运动员膝关节屈角以及踝关节角度的减小，这些肌肉的长度逐渐变长，使肌肉的弹性势能逐渐增加，股二头肌和胫骨前肌在缓冲阶段主动收缩，促进膝关节屈角和踝关节角度进一步变小，成为缓冲阶段的主动肌。

运动员缓冲阶段的肌电值参数可以看出，运动员进行急停起跳时，下肢肌肉的贡献率依次为胫骨前肌、股直肌、臀大肌、股二头肌、股外肌、腓肠肌外侧、股内肌、腓肠肌内侧（见表3）。缓冲阶段的胫骨前肌为主动肌，测试结果表明，缓冲阶段的胫骨前肌肌电数值较高，贡献率较大，说明胫骨前肌在急停起跳环节起重要作用，但在训练中很少引起运动员和教练员的重视。所以，运动员在训练时应根据肌肉在急停起跳环节中贡献率的大小来合理安排训练，在重视大肌肉群训练的同时也要重视贡献率较大的小肌肉群，突出重点，全面顾及，减少损伤，提高运动员急停起跳时的下肢缓冲能力及其爆发力，进而提高起跳能力。

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在蹬伸过程中，股四头肌、腓肠肌、臀大肌进行向心式收缩，促进膝关节屈角、踝关节角度进一步增大，成为主动肌，同时股二头肌和胫骨前肌被动拉长，成为对抗肌。对测试过程中缓冲阶段和蹬伸阶段的肌电数值进行比较发现，腓肠肌的肌电数值在整个过程中都处于一个上升的趋势，并且测试时被试都表现出这种特征（见表4）。表明，腓肠肌在急停起跳环节的用力过程中发挥着重要的作用，然而腓肠肌的训练并没有引起运动员和教练员的足够重视，建议训练过程中对腓肠肌采取有针对性的专门化训练。

3 结 论

（1）排球运动员在急停起跳环节时，膝关节屈角随着动作进行而发生变化，膝关节缓冲幅度在40°～50°之间时，运动员的起跳高度比较高。建议排球运动员在训练时将急停起跳环节进行独立的专项化训练，并且训练时采用40°～50°的膝关节缓冲幅度。

（2）急停起跳环节，踝、髋关节的角度均较小，缓冲幅度小且用时少，运动员蹬伸阶段髋关节首先发力然后带动膝关节发力，最后带动踝关节发力完成蹬伸过程。因此，运动员训练时应形成合理的发力顺序，更加理想地完成起跳动作，提高弹跳能力。

（3）膝关节和踝关节在蹬伸阶段先进行离心收缩后进行向心收缩，伸肌群先拉长后缩短，这种运动形式可以增加运动员的起跳力量，增加弹跳高度。所以，运动员进行训练时应结合排球起跳的特点，采用的训练形式应符合伸肌群先拉长后缩短的特点，进行科学训练。

（4）运动员在扣球前的急停起跳阶段，不同的着地方式产生不同的足底压力和膝关节屈角，进而影响起跳高度。采用足尖着地更符合人体的生物力学需求，能取得更好的起跳效果。所以，在排球运动员的训练过程中，应重点观察运动员急停起跳时的着地方式，建议采用足尖着地的方式进行训练和比赛，训练运动员形成快速、合理、经济的制动方式和最佳的起跳角度。

（5）教练员和运动员在训练时应根据肌肉在急停起跳环节中贡献率的大小来合理安排训练，在重视大肌肉群训练的同时也要重视胫骨前肌、腓肠肌等起重要作用的小肌肉群的训练。在训练过程中采取有针对性的专门化训练，突出重点，全面顾及，减少损伤，提高起跳能力。

[1]符壮，周珺，盖洋.我国竞技排球运动技战术发展的阶段性特征研究[J].西安体育学院学报，2010（4）：93-97.

[2]谢园栋，章建成.排球运动员发球得失率效应的实证研究[J].上海体育学院学报，2008（2）：26-78.

[3]夏崇德，颜晓.青年女子排球运动员弹跳力模型的研制[J].中国体育科技，2003，39（7）：21-23.

[4]金宗强.我国优秀排球运动员专项体能评价体系与诊断方法的研究[D].北京：北京体育大学，2004.

[5]李建设，王立平.足底压力测量技术在生物力学研究中的应用与进展[J].北京体育大学学报，2005，28（2）：191-193.

[6]李世明.沙滩排球上步踏跳阶段的时相特征[J].北京体育大学学报，2004，27（9）：1264-1265.

[7]华立君.排球运动员扣球起跳动作及其专项力量的综合研究 [D].上海：上海体育学院，2007.