有球与无球挥杆动作对杆头速度影响差异的运动学分析

有球与无球挥杆动作对杆头速度影响差异的运动学分析

姜芹先1，2周里1，3张钊4，潘景文1，李芳5，陆青6

无球挥杆与挥杆击球普遍被认为是同一动作，所以无球挥杆动作顺畅稳定的球手如果不能将其发挥到挥杆击球中则被认为是动作未定型或者发挥不稳定的表现。目的：有球和无球挥杆动作是否相同，杆头速度是否存在差异，这些差异由哪些运动学要素决定。方法：熟练球手随机做5次有球挥杆和5次无球挥杆，计算杆头速度、肩髋夹角、躯干前倾角、躯干侧屈角和主导侧前臂角和杆-臂角，采用配对T检验对比有球和无球挥杆动作各要素间的差异。结果：击球时，无球挥杆的杆头速度比有球大，且两者差异有统计学意义（P<0.05）；无球挥杆动作下杆过程肩髋夹角最大值较小，球杆释放时的前臂角较大，球杆释放过程杆-臂角的变化幅度较小，下杆至击球点躯干的前倾角度变化较大，击球时躯干侧屈角度较小，且这些决定杆头速度的运动学要素与有球挥杆动作的差异均有统计学意义（P<0.01）。结论：有球和无球挥杆动作并不相同，球手在2种挥杆动作中表现出的杆头速度和相关运动学参数的差异体现了他们具有根据不同任务准确调控身体环节的协调能力；同时也提示，在高尔夫挥杆教学过程中，经无球挥杆练习掌握连贯动作后，必须通过加强挥杆击球练习才能达到有效提高杆头速度的目标。

高尔夫；挥杆；杆头速度；肩髋夹角；延迟释放；前倾；侧屈

高尔夫规则中，对球员的击球动作只做了“必须用球杆的杆头正确击球，不得采用推、拨或挖的动作”的规定，并没有对击球时球员所采用的击球动作技巧有所规定。所以，目前在高尔夫球界并没有所谓完美的击球方式，击球的目的就是把球击得又远又准。击球动作分为挥杆击球和推杆击球，在高尔夫比赛中，只有球落在果岭上才能使用推杆击球，其余情况均使用挥杆击球。无球挥杆动作（简称NB-Swing），是在无球的状态下，只做挥杆动作，是挥杆动作学习过程中的常用方法，同时也是高尔夫专项热身的必备练习。如果NB-Swing与有球挥杆动作（简称B-Swing）相同，通过长时间的NB-Swing练习就能有效

本研究对B-Swing与NB-Swing动作是否相同提出质疑，试验采用熟练球手，首先对比有球和无球2种挥杆动作杆头速度，这一决定挥杆质量的重要要素是否相同，若存在差异，即对比已有文献中与杆头速度相关的运动学要素，找到存在显著性差异的要素。这一研究对高尔夫教学中的常见现象加以验证，有助于纠正教练员的错误认识，对改善教学方法也有一定的指导意义。提高挥杆击球水平。高尔夫教学中，如球手在NB-Swing时，动作稳定、流畅且协调，即被教练认为在B-Swing时也应该有同样精彩的表现。事实上，教练经常发现球手的B-Swing与NB-Swing的表现并不相同，这一现象普遍被教练们认为是球手动作未定型或者发挥不稳定的表现。

1 试验对象与方法

1.1 受试者

受试者为5位签署测试知情同意书的男性右手球手，身高（177.2±21.2）cm，体重（68.36±13.083）kg，年龄（25.6±4.8）岁，运动年限（3.2±1.7）年。受试者进行热身练习，测试进行时，受试者站立于2×2 m的高尔夫击打垫上，球手使用自己7号铁杆向高尔夫室内（3×2.4×2 m）拦截网击球，随机进行5次NB-Swing和5次B-Swing。随机序列由Excel自动生成，整个测试过程的每次挥杆都采用3D视频动作捕捉系统记录。

1.2 仪器设备

试验在加拿大阿尔伯塔省莱斯布里奇大学生物力学实验室进行，采用12个摄像头的VICON 3D动作捕捉系统（Oxford Metrics Ltd，Oxford，England）采集受试者每次挥杆过程身体各部分的运动，采样频率为100帧/s。受试者穿着黑色紧身高弹性全身覆盖紧身衣，38个9 mm的反光点覆盖全身。采用反光贴纸覆盖在球的表面用以确定球速，球杆3个反光点分别为球杆1个、杆头2个，用以确定杆头的角度（见图1）。身体上的点分别位于头上左右太阳穴、头后、头后左、肩峰、肱骨外上髁、尺骨茎突、桡骨茎突、第三掌指关节、胸锁切记、剑突、第七颈椎、第十胸椎、髂前上棘、髂后上棘、股骨外上髁、腓骨外踝、第一脚趾和跟骨结节。身体的反光点构成了身体15个环节（头、颈、躯干上部、躯干下部、大腿、小腿、脚、上臂、小臂和手），采用SHAN和CHU等的方法来确定运动幅度及环节和关节角度[1-2]。

图1 三维动作捕捉系统的设置Figure1The setup of 3D motion capture

1.3 参数选择

1.3.1 动作阶段的划分高尔夫挥杆过程动作阶段划分最开始采用简单的依据，上杆顶点和击球3个阶段划分；近来多项研究将挥杆分为上杆开始、上杆中期、上杆后期、上杆顶点、下杆初期、下杆中期、击球和随挥8个阶段[2-3]。本文结合2种分类方法，将过程划分为准备、上杆、下杆、击球和随挥5个阶段。

准备阶段：球手做好挥杆前的准备姿势；上杆：球手通过身体运动使球杆向上移动直至上杆顶点；下杆：球杆从上杆顶点开始向下移动直至击球前；击球：杆头触球；随挥：球手降低身体转动和球杆速度（见图2）。准备和随挥虽然是挥杆中不可缺少的重要阶段，但是根据文献报道，击球质量主要由下杆和击球阶段决定，所以本研究选择下杆和击球2个阶段的指标进行对比分析。

图2 挥杆动作阶段的划分Figure2Five temporal events of swing for data analysis

1.3.2 参数的选择和定义球的飞行距离是球手表现好坏的重要衡量标准，球的飞行距离主要由球速、球的发射角度和球的旋转速度决定[4]。杆头速度与球速相关性达到0.94[2]，与飞行距离呈高度正相关[5]，与衡量球手水平高低的差点也相关[6]。由于本研究要对比NB-Swing和B-Swing之间的差异，所以选择击球时的杆头速度进行对比，NB-Swing的击球点为球杆下杆到达上杆初始位置的时间点。根据已有文献报道，决定杆头速度的因素包括下杆过程的肩髋夹角、上杆顶点到击球点的躯干前倾角度、下杆过程中球杆的延迟释放和击球点的躯干侧屈角度，对以上与杆头速度相关的指标进行对比分析。所选指标的定义见表1和图3。

表1 所选参数及定义Table1Selected parameters and their definitions

1.4 统计学分析

采用SHAN等的方法选择成功挥杆动作进行对比，即分别采用每位受试者的NB-Swing和B-Swing中的杆头最大速度的92%作为分类挥杆成功与否的标准。若杆头速度≥92%最大速度，为成功挥杆；若杆头速度<92%最大速度，则为失败挥杆[2]。杆头速度及相关参数用平均数±标准差（M±SD）表示，数据采用配对T检验进行分析，显著性差异水平为P<0.05，非常显著性差异水平为P<0.01。

图3 所选参数的图示Figure3Selected parameters

2 结果分析与讨论

2.1 杆头速度的差异

B-Swing杆头速度为37.39 m/s，大于NB-Swing的杆头速度（36.15 m/s），且两者差异具有统计学意义（P<0.05）（见表2）。由于杆头速度与球速及飞行距离呈高度正相关[2，5]，而2种状态下的杆头速度具有显著性差异，可以认为2种状态下球手的表现存在差异。通过对比决定杆头速度的运动学参数，可以找到导致这种差异产生的运动学要素。

表2 NB-Swing和B-Swing杆头速度的对比Table2The results of club head speed

2.2 运动学参数的差异

2.2.1 下杆阶段肩髋夹角的差异MYERS等[7]对100名球手的挥杆动作进行分析发现，与球速成显著正相关的不是上杆顶点肩或者髋的扭转角度，而是此时的肩髋夹角，这一发现解释了BECHLER等的观点。他们认为，球手上杆时有效控制骨盆向球的反方向扭转能产生更高的球速[8-10]，也就有效增大肩髋夹角。另外，MYERS等对不同球速组间的对比发现了与LAMB[11]等推断完全不同的结果。MYERS等[7]发现，球手并不是通过在到达上杆顶点前开始向球的方向转动骨盆获得更大的肩髋夹角，而是在上杆阶段通过同时加大肩轴向球的反方向扭转和降低髋轴向球的反方向扭转加大肩髋夹角。19世纪60年代左右出现的新的挥杆方式能产生更远的击球距离[12]。MCHARDY[13]等认为，这种新的挥杆方式正如MYERS等发现，更注重加大肩髋夹角。而传统的挥杆方式重视加大肩轴和髋轴同时向同一方向扭转的幅度，新的挥杆方式更加有助于提高杆头速度，加大球的飞行距离，所以逐渐将传统的挥杆方式替代[14]。SPRING[15]和MCTEIGUE[16]等对下杆过程的肩髋夹角做了进一步的深入研究，结果显示，尽管上杆顶点的肩髋夹角对球的飞行距离贡献很大，但是下杆初期使肩髋夹角最大化对获得最大飞行距离更加重要。

对下杆过程肩髋夹角的研究结果显示：上杆顶点，NB-Swing和B-Swing的肩髋夹角值分别为为26.88°和34.98°，尽管B-Swing值较大但两者差异并无统计学意义（P>0.05）；下杆阶段，NB-Swing和B-Swing肩髋夹角最大值分别为33.91°和35.88°，B-Swing的值较大，且差异有统计学意义（P<0.01）（见表3）。这一结果与SPRING等的研究发现一致，说明下杆过程中肩髋夹角的最大值才是导致杆头速度产生差异的原因。可以推断，球手在上杆过程中有效控制和降低髋轴向球的反方向扭转同时加大肩轴向球的反方向扭转获得更大肩髋夹角，下杆时通过首先向球的方向转动髋轴而肩轴相对滞后，产生更大的肩髋夹角。肩髋的这种相对运动符合人体协调控制中的近端环节到远端环节依次发力的原理，这一原理已经在多个项目的上肢鞭打动作（如投掷[17]、网球发球[18]和高尔夫挥杆[19]）中得到证实。研究发现，近端环节先加速运动，获得角动量，然后制动，在制动过程中，角动量向末端环节传递，这样的环节发力顺序被认为是远端环节或器械获得较高速度的必要条件。而肩髋夹角在下杆阶段的加大说明，下杆阶段当髋向球的方向扭转时肩轴滞后，当肩轴开始旋转时髋轴的扭转放缓，这样的顺序性运动更有利于垂直轴角动量从髋轴到肩轴的传递[20]，也就更容易达到较高的杆头速度。

表3 NB-Swing和B-Swing肩髋夹角的对比Table3The results of X-factor

FLEISIG[21]的研究发现，如果环节发力顺序不当，会导致传递的角动量损失，也就无法使末端环节达到更快的速度。这可能提示，在下杆阶段NB-Swing的肩轴并未滞后于髋轴扭转，没有很好地执行髋轴带动肩轴发力的顺序性原理，所以与B-Swing相比球的飞行距离较近。同时，从协调的角度来看，球手通过控制垂直轴角动量的传递准确控制杆头速度，是球手协调性较好的表现。NB-Swing下杆过程肩髋夹角最大值较小，垂直轴角动量的传递较差，杆头速度较慢；B-Swing下杆过程肩髋夹角最大值较大，垂直轴角动量在髋轴与肩轴之间的传递更加有效，杆头速度更快。

2.2.2 下杆阶段躯干前倾角度的差异早在1996年，ADLINGTON[22]就强调，挥杆过程躯干在保持稳定的状态下扭转的重要性，教练们认为这是高尔夫姿势的重要决定因素，应该从开始的准备姿势就加以注意。CHU等[2]采用躯干的前倾角度作为衡量躯干稳定的标准，对308名球手挥杆击球动作过程中的前倾角度进行分析，尽管从下杆到击球前倾角度不断增大，但上杆顶点与击球点角度大小并无显著差异，表明球手从上杆顶点到击球过程中能尽量保持这个角度的恒定。CHU认为，球手的躯干前倾稳定有助于下杆过程中更好地利用上部躯干扭转发力，最终表现为杆头速度的有效加快。

B-Swing和NB-Swing躯干前倾角度的对比结果显示：B-Swing上杆顶点的躯干前倾角为36.67°，下杆过程中逐渐增大，到击球时前倾角度增大为37.82°，但两者差异无统计学意义（P>0.05），这一结果与CHU等的研究结果一致；NB-Swing上杆顶点时的前倾角度为36.25°，下杆过程逐渐减小，至击球时减小为33.36°，且两者具有显著性差异（P<0.01）（见表4）。高尔夫挥杆过程中，躯干是上肢力量的来源，直接影响上肢运动，所以躯干稳定性差的人，远端环节（上肢）即使力量大，也会因为躯干稳定性差而受到限制，无法发挥出最高的挥杆速度[23]。上杆顶点与击球时的躯干前倾角度是否存在差异？能有效反映挥杆过程中躯干是否能在下杆过程中保持稳定？NB-Swing的上杆顶点与击球时躯干前倾角度的差异有统计学意义（P<0.01），而B-Swing的上杆顶点与击球时躯干前倾角度的差异无统计学意义（P>0.05），说明B-Swing躯干前倾的角度在下杆过程基本保持不变，即躯干的稳定性较高，下杆过程中B-Swing躯干的这一稳定表现有助于加快杆头速度。2.2.3 下杆阶段球杆延迟释放的差异水平越高的球手对上肢运动的精确控制能力越强，这一能力对于控制球速和准确性都至关重要[24]。为了使末端环节（器械）得到更快的速度，需要对近端环节到远端环节发力顺序进行良好的时间控制，从而使角动量从近端到远端有效传递。当躯干的角动量传递到上肢时，对上肢环节运动的有效控制就直接影响到末端环节（器械）的速度。球杆的释放是球手通过精确控制上肢各环节加速腕关节运动，表现为球杆角速度在击球前瞬间迅速增大。PICKERING[25]和SPRIGINGS[24]认为，主导侧杆-臂角的变化就是球杆角度变化的最好体现，他们的研究证实球杆可以在击球前延迟并迅速释放，且这种延迟发生在主导侧前臂延迟加速的基础上。所以认为，球手通过控制主导侧前臂和手腕关节的协同作用，在前臂角达到一定值时开始加速腕关节运动，使球杆的角速度在击球前瞬间变大，产生延迟释放球杆的效果，加快杆头速度[2，24]。

表4 NB-Swing和B-Swing上杆顶点与击球点躯干前倾角度的对比Table4The results of forward tilt angle

对主导侧前臂角的研究结果显示：NB-Swing和B-Swing分别在前臂角为141.91°和134.51°时释放球杆，SPRING和CHU报道，主导侧前臂在150°～133.7°开始加速运动，并释放球杆[2，24]，这与他们报道的球杆释放的时机一致；B-Swing释放球杆时前臂角比NB-Swing更小，且两者差异有统计学意义（P<0.01），说明B-Swing释放球杆的时机较晚（见表5）。对球杆从释放到击球点杆-臂角度变化幅度的研究结果显示，NB-Swing在球杆释放过程中杆-臂角的变化幅度（18.20°）明显小于B-Swing的变化幅度（22.41°），且差异具有统计学意义（P<0.01）。B-Swing较NB-Swing的杆-臂角变化幅度大说明球杆释放角度更大，而两者球杆释放的总时间差异无统计学意义（P>0.05），可见B-Swing角速度更快，能有效加快杆头速度（见表5）。这样，B-Swing就实现了通过主导手臂和手腕关节的协同作用，在更靠近击球点的位置（前臂角更小）时加速腕关节运动，使球杆角速度瞬间加快。

表5 NB-Swing和B-Swing下杆过程球杆释放的对比Table5The results of club release

对网球发球、羽毛球杀球和排球发球这3种相似动作的研究发现了针对相似运动动作的多种不同的上肢神经肌肉模式[26]。ABERNETHY[27]认为，运动员可以通过准确地选择肌肉组合和精确的时间控制来分别准确完成这种相似的挥杆任务。在高尔夫运动中，球手需要通过挥杆击球获得不同飞行距离，这些相似的挥杆动作可能也是由很多不同肌肉运动的组合控制。尽管NB-Swing与B-Swing挥杆动作相似，但产生的杆头速度具有显著性差异，这一过程中的球杆释放也具有显著性差异。根据这一结果推断，B-Swing挥杆动作可能体现了球手对上肢运动的精确控制，球手通过准确掌控球杆的释放时机和角速度变化有效控制杆头速度，是球手具有良好协调能力的表现。NB-Swing时，球手较早释放球杆，球杆的角速度变化较小，杆头速度较小；B-Swing时，球手较晚释放球杆，球杆的角速度变化较大，杆头速度较大。

2.2.4 击球点躯干侧屈角度的差异下杆过程由于骨盆引导躯干，髋轴扭转带动肩轴扭转，角动量绕垂直轴传递，表现为肩髋夹角的变化，除此之外，角动量也在矢状轴传递，表现为躯干侧屈角的出现，即右手球手躯干相对下肢产生偏右侧的角度（正值）。击球瞬间，躯干侧屈角度变大更有利于加快杆头速度，过早出现躯干侧屈角度变大会限制脊柱的扭转[2]。另外，躯干侧屈可以使球杆、手臂和上肢保持在同一直线，帮助杆头在击球时产生向上的夹角，向上的夹角有助于加大球向上的发射角度，较快的杆头速度和较大的向上发射角度可以有效加大球的飞行距离[2]。

对躯干侧屈角度的研究结果显示：击球时，NB-Swing的躯干侧屈角度个体差异较大，有的向右屈，有的向左屈，平均值为-0.82°，B-Swing的躯干侧屈角度均向右屈，平均值为2.82°，B-Swing比NB-Swing的躯干侧屈角度大，且两者差异有统计学意义（P<0.01）（见表6）。击球时，躯干侧屈角度为正值，可能是由于角动量在矢状轴传递时，骨盆带动躯干，再由肩部带动上肢各环节运动，最终将角动量传递到杆头；躯干侧屈角度为负值，可能是由于角动量由骨盆传递到肩部的过程遭到破坏，击球时仅靠肩部和上肢发力带动球杆。所以，B-Swing与NB-Swing相比，球手能获得更高的杆头速度，更大的球向上的发射角度。从协调的角度来看，通过控制角动量在矢状轴传递时，骨盆的主导作用控制杆头速度是球手具有良好协调能力的表现。NB-Swing时，为了获得较低的杆头速度，球手只利用肩部带动上肢在矢状轴将角动量传递到杆头；B-Swing时，球手通过骨盆引导躯干，使角动量在矢状轴由骨盆传递到肩部，再由肩部传递到上肢，最后到达球杆，这一过程将骨盆产生的动量充分传递到球杆，所以更易产生较快的杆头速度。

表6 NB-Swing和B-Swing击球点躯干侧屈角度的对比Table6 The results of lateral bending angle

3 小结

无球挥杆从下杆到击球躯干前屈角度变化较大导致躯干稳定性较差，下杆过程肩髋夹角较小导致垂直轴角动量由髋轴到肩轴的传递效果较差，击球时躯干侧屈角度为负值导致矢状轴角动量由髋轴到肩轴的传递效果较差和球向上的发射角度较小，下杆过程球杆释放时间较早且球杆释放过程杆-臂角的变化幅度较小导致球杆释放的角速度较小，且这些决定杆头速度的运动学要素都具有非常显著的差异，他们的共同作用导致击球时的杆头速度具有显著性差异。由以上研究结果推断，无球挥杆动作与有球挥杆动作并不相同。尽管无球挥杆动作是在实践教学中学习技术动作初期常用的重要教学练习方法，但是挥杆动作一旦能够连贯完成，提高杆头速度就成为重要的学习目标，而无球挥杆动作与有球挥杆动作并不相同，所以无球挥杆练习无法使球手在挥杆击球时表现出更高的杆头速度，与球手的发挥是否稳定无关。教练员在高尔夫挥杆动作的教学中应该注意，球手在掌握基本动作的基础上，必须不断进行挥杆击球练习，使发力顺序和释放时间日益分化和自动化，才有可能加快杆头速度，增大球的飞行距离，不断提高自己的竞技水平。

另外，为了使末端环节（器械）得到相应的速度，需要对近端环节到远端环节发力顺序进行良好的时间控制，水平越高的球手对身体各环节运动的精确控制能力越强，而且针对相似的动作由多种不同的神经肌肉模式进行精确控制。当高尔夫球手完成有球和无球挥杆动作时，这2种看似相同的动作所要达到的目标并不相同，有球挥杆需要更快的杆头速度，无球挥杆主要目的在于顺畅地完成挥杆动作。由于无球挥杆没有击球的反作用力，所以球手采用降低杆头速度的挥杆方式，可以避免下杆过程身体环节角速度过快造成关节损伤。针对这种相似的挥杆任务，球手通过对髋、肩轴的相对运动和球杆释放时间的精确控制来分别准确完成不同挥杆任务，这是球手具有较好协调能力的表现。在高尔夫教学中，不同的远度就是不同的任务，球手只有针对不同任务不断进行练习，才能使神经肌肉模式逐渐分化和自动化，球手对肌肉组合的准确选择和环节发力顺序的精确控制能力才会不断提高，才能不断提高自己准确控制击球远度的能力。

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DifferenceofKinematicparametersonClubHeadSpeedbetweenB-SwingandNB-Swing

JIANG Qinxian1，2ZHOU Li11，3ZHANG Zhao4PAN Jingwen1LI Fang5LU Qing6
（1.Key Laboratory of Exercise and Health Sciences of the Ministry of Education，Shanghai University of Sport，Shanghai 200438，China；2. Dept.of PE，Changzhi University，Changzhi 046011，China；3.Dept.of Kinesiology，Xi’an Physical Education University，Xi’an 710068，China；4.Dept.of Kinesiology，University of Lethbridge，Lethbridge T1K 3M4，Canada；5.Dept.of PE，Hengyang Normal University，Hengyang 421002；6.Gesundheitsinstitut，Neubrandenburg Hochschule，Neubrandenburg 17033，German）

No-ball-Swing and B-Swing are commonly believed that they are the same movement.So who got the good No-ball-Swing is accepted that they can act as good as doing B-Swing.If they can’t，they are generally believed it is the poor performance.Purpose：Compare kinematic factors which influent club head speed，try to find whether there is difference between B-Swing and No-ball-Swing of the same golfer.Methods：All participants were skilled golf⁃ers，and they were asked to do five No-ball-Swing and five B-Swing.Then the club head speed was compared if there was significant difference，and then the kinematic factors were analyzed.Results：The club head speed of B-Swing was significantly greater than NB-Swing（P<0.05）.All the difference in X-factor and delay released of club during downswing，lateral bending angle and forward tilt at impact were statistical significance（P<0.01）.Conclusions：B-Swing and NB-Swing are not the same movement.In the process of teaching the golf swing，golfers should consistently practice hitting the ball after obtain coherent movement.Then they can achieve the ability how to improve the velocity of the club head.

golf；B-Swing；club head speed；X-factor；delay release；forward tilt angle；lateral bending angle

G 804.6

A

1005-0000（2014）05-433-06

10.13297/j.cnki.issn1005-0000.2014.05.012

2014-05-16；

2014-08-30；录用日期：2014-08-31

姜芹先（1979-），女，山东青岛人，讲师，在读博士研究生，研究方向为运动技术动作生物力学诊断与分析。

1.上海体育学院运动科学学院，上海200438；2.长治学院体育系，山西长治046011；3.西安体育学院健康科学系，陕西西安710068；4.莱斯布里奇大学运动人体科学系，加拿大莱斯布里奇T1K3M4；5.衡阳师范学院体育系，湖南衡阳421002；6.新勃兰登堡大学健康学院，德国新勃兰登堡市17033。