男子羽毛球选手正手杀球动作的生物力学分析

2014-10-30刘刚纪仲秋李旭龙

当代体育科技 2014年26期

刘刚纪仲秋李旭龙

(北京师范大学体育与运动学院北京 100875)

现代羽毛球运动起源于印度,形成于英国。羽毛球运动是在20世纪初传入我国的。进入新世纪,我国羽毛球运动水平取得了长足的发展,中国羽毛球队在2000年悉尼奥运会上取得了男子单打、女子单打、女子双打和混合双打4枚金牌;2004年中国男子羽毛球队12年后重新夺回汤姆斯杯,中国女子羽毛球队连续4年获得尤伯杯;在2004年悉尼奥运会上中国取得女子单打、女子双打和混合双打3项冠军,中国羽毛球运动全面开花。2008年北京奥运会上中国取得男子单打、女子单打、女子双打的冠军。2012年伦敦奥运会更是破纪录的包揽羽毛球项目全部5个项目的金牌,中国羽毛球队再次取得辉煌的成绩。

羽毛球运动对场地器材要求不高,运动负荷容易调节以及少数人参与的优越性而被大众所接受,它符合不同年龄、不同性别、不同技术的人进行锻炼,是一项具有深厚文化底蕴,深受广大群众喜爱的体育运动[1]。羽毛球运动能全面锻炼人的身体,增强人身体机能,无论是专业羽毛球运动员进行有规则的比赛,还是业余羽毛球爱好者进行一般性的健身活动,他们都要在场地上不停地进行跑动、跳跃、转体,合理地运用各种技术和战术将羽毛球回击到对手的场地上去。因此,经常打羽毛球不仅可以提高上肢、下肢和躯干的肌肉力量,还可以增强锻炼者心血管系统和呼吸系统的功能。羽毛球基本击球技术包括击高远球、杀球、吊球、放网前球、搓球、推球、钩球、扑球、挑高球、平抽球等[2]。羽毛球击球技术多种多样,手臂、手指、手腕等动作上的细微差别会导致球飞行的线路、方向、力度、角度等多方面有很大的不同。杀球具有飞行路线短、弧线直、时间短、下落快的特点,是进攻队员必须掌握的技术。杀球的击球方式有正手、反手和绕头顶杀球3种,其中正手杀球技术是其中应用最多,也是最有效的杀球方式。

当今羽毛球运动技术的发展趋势以拉吊为主,在比赛中球员获得杀球的机会变得越来越少,杀球更多的成为比赛得分的“引线”[3]。尤其是在双打比赛中我们可以看到,扣杀往往是决定比赛主动权的关键[2]。良好的扣杀技术可有效的陷对手于被动,打乱对方的步法、站位,破坏对方的战术,甚至直接得分。扣杀是一项十分消耗体能的技术动作,如果没能起到应有的效果,则在后续比赛进程中就会使自己陷入被动。在双打比赛中,杀球的数量和杀球的得分率不一定成正比,杀球的得分率不是取决于杀球的数量,而是取决于杀球的准确性[4]。杀球落点刁钻,可使对手防守回球的质量下降,从而为自己提供更多的封网机会。所以,羽毛球打法的发展不是降低了杀球技术的难度,而是对其提出了更高的要求。

本文应用三维摄像和表面肌电测定的方法,获取羽毛球正手杀球动作的运动学数据,并同步测定参与完成该动作的主要肌肉的放电量。在揭示正手杀球技术动作基本原理的同时,对羽毛球正手杀球动作的肌肉活性的规律与特征进行分析,探讨做正手杀球动作时,相关肌肉的用力特征以及影响正手杀球动作速度和质量的关键因素,为羽毛球运动的参与者提高技术水平和避免伤病提供可借鉴的理论依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

研究对象为3名北师大羽毛球专业男子运动员,3名运动员熟练掌握正手杀近网球和正手杀远网球两种技术动作。

1.2 研究方法

1.2.1 文献资料法

按照研究的方向,在中国学术期刊网上收集有关羽毛球技术动作、羽毛球教学和开展状况方面的文章,并进行相关资料的收集、整理、分析、提炼,在整理的过程中发现文献隐含的规律性和本质性的观点与认识,充实论文素材。

1.2.2 三维标定及现场拍摄

对场地用PEAK三维框架分别进行标定。在解析时根据运动员的运动范围进行标定,保证标定空间能够满足动作解析的需要。对标定精度进行测量,保证精度误差不超过3%满足本研究的需要。使用两台日本JVC GR-DVL9800sH摄像机从场地两定点同步拍摄运动员动作技术的录像,拍摄频率为100Hz(图1)[5].

1.2.3 影像解析

对所拍摄到的原始材料,利用软件进行数字化处理,应用美国Ariel运动生物力学高速解析系统,及应用系统人体模型22个关节点和PEAK框架25个环节控制点进行解析。然后对数据进行DLT法处理,将二维数据转换为三维数据,用数值滤波法进行平滑,解析的过程中截断频率为6。运动空间3个轴方向为:运动方向为X,与X轴在水平面上垂直为Y轴,垂直于水平面的轴为Z轴。在解析的剪切图像过程中,运用两台摄像机都能拍到的右脚离地时间设为时间同步点。(见图1、图2)

1.2.4 表面肌电测定

实验仪器主要是表面肌电测试仪、数码摄像机和一次性表面电极,所测试肌群为:尺侧腕屈肌(FCU)、桡侧腕伸肌(ECR)、肱二头肌(BB)、肱三头肌(TB)、三角肌前束(AD)、三角肌后束(FD)、胸大肌(PM)、冈下肌(INF)。

肌电是神经、肌肉兴奋发放电的结果,是肌肉运动单位在收缩时所产生的生物电活动的集合。表面肌电(Surface Electromy ogram,SEMG)信号是从皮肤表面通过点击引导、记录下来的神经肌肉系统活动时的一维时间序列信号,其时频特征与肌肉的活动状态和功能状态之间存在着不同程度的关联性,能在一定程度上反映神经肌肉的活动。由于这种采集技术简便易行,无创伤,对技术动作的干扰小,易于被试者接受,因而在竞技体育科学研究方面具有重要的实用价值。

在进行表面肌电测试时,首先用酒精棉球清洗受试者局部皮肤,使用剃须刀将皮肤表面刮净,再用细砂纸将皮肤表面打磨,用酒精棉球清洗和去除皮肤表面的油脂。待运动员准备活动完毕之后再用酒精棉球清洗所测肌肉肌腹处。表面肌电型号的采集频率为1000Hz,电极设置完毕后进行零点检查,并晃动导线和敲击电极进行噪音检查。被测试运动员至少进行过3年羽毛球运动,接受过正规羽毛球训练,在测试之前24h内没有进行剧烈运动,无肌肉疲劳现象。

肌肉的兴奋程度高可以说明两个问题:一是肌肉已经疲劳,因为在完成相同负荷的工作状态下,肌肉疲劳时肌电的振幅增值增加:当肌肉疲劳时,为了保持规定的肌力,肌肉不得不动用更多的肌纤维参加运动,这样导致肌肉放电能力增大。但是在测试时运动员只进行了3次测试,24h内没有进行过剧烈的运动,肌肉不可能疲劳。二是说明这几块肌肉是发力过程中的主要用力肌群,发力过程主要依靠这几块肌肉的收缩来完成[6]。在进行实验的过程中,我们已经确定被试者在进行试验之前24h内没有进行过剧烈运动,因而可以排除第一方面的原因,在实验中肌肉的兴奋程度可以反映用力肌群的发力多少和贡献率。研究某个动作参加工作的肌肉活动情况,从生理学的角度来说是肌肉之间的协调关系,从运动训练的角度来说是运动技术的问题。肌电图可以很好评定某个动作的肌肉激活的先后顺序和肌肉发力的顺序以及它们之间的协调性关系和停止活动的先后顺序,这对于运动技术是非常重要的。

1.2.5 数理统计法

运用SPSS 18.0统计软件对数据进行处理,配对样本T检验进行两种发球方式的差异,差异显著性标准P<0.05。

1.2.6 相关指标定义

正手:用持拍手掌心一侧的拍面击球[7]。

羽毛球杀球:是把对方击来的球在尽量高的击球点上斜压下去。这种球力量大、弧线直、落地快,给对方的威胁很大。它是进攻的主要技术[8]。

拉吊突击:羽毛球比赛中运动员采用打后场高球和吊前场球来寻找机会,然后突然进攻的一种战术打法[9]。

杀上网:羽毛球比赛中运用大力杀球从而赢得网前控制权,是羽毛球运动员经常采用的一种进攻性的战术打法[10]。

鞭打动作:鞭打动作是体育运动中常见的技术动作,为了掌握完成某一动作,常需要两臂(手)或两腿(足)具有尽可能大的运动速度,以达到增加动作的速度和力量,提高动作技术的质量,这些动作类似抽鞭子时的鞭打动作[11]。

2 结果与分析

2.1 高速摄影及Ariel分析

2.1.1 上臂与前臂的运动速度分析

正手杀近网球较正手杀远网球上臂最高速度差异具有显著性,羽毛球正手杀球是上臂带动前臂的发力过程,羽毛球正手杀球动作属于典型的鞭打动作[12]。羽毛球杀球的速度是指羽毛球离开球拍的瞬时速度。羽毛球的运动轨迹是由球拍击球瞬间的拍面角度和拍速决定的。随着羽毛球器材和场地等外部条件的优化,羽毛球的运动技术也经历了较多的改变,由之前的对打平高球技术转变为以“拉吊突击”和“杀上网”为主的进攻性战术,特别是高强度碳素材料在羽毛球拍的引进,使得杀球在比赛中的应用大幅度的增加,高水平的比赛中更多的讲究杀球的快速性和突然性[13]。其中快速性是要大幅度的发力,使得羽毛球获得一个最大的速度,从而突破对手的防线;而突然性是指在做羽毛球杀球动作时,上臂带动前臂瞬间发力,从而使球拍达到一个最大的加速度,使对手猝不及防,从而突破对方防线[14]。因此羽毛球杀球动作更强调上臂带动前臂在击球前一瞬间的完成加速过程,使羽毛球拍达到一个最大速度,从而传递给羽毛球一个最大的动量,实验数据可以说明这一点。

从表1我们可以看到,羽毛球正手杀近网球动作中上臂和前臂的最高速度分别是2.41～3.32m/s和6.64～8.87m/s。羽毛球正手杀远网球动作中上臂和前臂的最高速度分别是3.23～4.72m/s和6.99～8.26m/s。羽毛球正手杀进网球时上臂的速度都低于正手杀远网球。球的运行速度和弧线是由击球瞬间球拍的角度和速度决定的,由于实验中3名运动员使用同一球拍击打同一种羽毛球,在球拍和羽毛球的性能大致相同的情况下,可以看出在前臂速度大致相同的情况下,正手杀远网球需要上臂有更快的速度,差异具有显著性。正手杀近网球要求落点尖锐,要求球的入射角度大,击球点一般要高,因而上臂的发力相对不明显。而正手杀远网球要球球速快,落点靠后场,入射角度小,击球点相对低一些,要求动作具有突然性,因而上臂发力明显。

2.1.2 肩角分析

羽毛球正手杀球是一项进攻技术,在比赛中较多的被运动员使用[15]。初学者对扣杀技术动作往往认识不足,在扣杀时身体姿势容易发生变形,导致杀球下网[16]。这些错误的身体姿势主要包括:身体过度前压和身体后倒。许多初学者在杀球结束时错误的将身体连同手臂一起压下去,他们认为这样可以加大杀球的速度,增加杀球的效果。其实不然,在杀球时,身体过于下压,动作幅度过大容易影响球拍和球的接触角度,造成扣球下网。而且,过度的身体下压还会导致重心不稳定,增加机体运动的负荷,影响下一拍击球。因此研究杀球时的肩角具有一定的必要性。

在表2中我们可以看到运动员在做正手杀近网球的动作时,肩角最大值范围是168.7°～172.9°,而正手杀远网球的肩角最大值范围是109.8°～126.2°。正手杀近网球的肩角的最大值明显大于正手杀远网球。这要求运动员在杀近网球时要提前把肘关节太高,来准备杀球。而正手杀远网球因为具有动作的突然性,因而肘关节不能提高到太大的角度,所以要求前臂的发力要突然,因此在杀远网球时前臂的爆发力训练是很必要的。

表1 3名运动员击球过程中上臂与前臂的运动速度变化时间表

表2 三名运动员两种杀球动作肩角最大值统计表

表3 3名运动员杀球前肩角统计表

表4 3名运动员杀球各关节最大速度统计表

图1 人体运动坐标图

图2 艾利尔数据处理图

2.1.3 杀球前准备姿势时的肩角对比

为了获得较好的杀球效果,运动员还要尽早的调整好自己的身体姿势,以便于更好的去发力杀球,合适的击球位置也是杀球有效性的必要条件[17]。水平高的专业运动员会在球下落前就到达杀球的位置,从而有足够的时间来做杀球的准备动作。从表3中我们可以看到两种正手杀球动作准备姿势时的肩角都在85.4°～88.7°之间,角度大致相同,都接近90°。因为羽毛球是一项快速多变的运动项目,所以要求击球动作具有一定的隐蔽性,其中动作的一致性就是要满足这一点的需要,两种杀球动作的准备姿势大致相可以让对手难以判断球的路线,起到迷惑对手,增加对手防守难度,加强进攻的有效性的效果。

表5 3名运动员两种杀球动作肌电平均值分析

2.1.4 两种杀球动作过程中关节最大速度对比

两种杀球动作的完成时,腕关节和手的最大速度几乎相同,说明使用两种杀球动作完成击球时,最大球速差别不大。结合表1和表4可知,关节最大速度按肩、上臂、肘、前臂、腕、手的顺序依次增大;其中正手杀远网球时肩关节和手的最大速度大于正手杀近网球时的速度,说明正手杀近网球需要完成更大幅度的鞭打动作,躯干部发力更为明显才可以完成对手的关节贡献度,从而在保证击球落点的同时,提供最大的速度。依据鞭打动作的原理,在羽毛球杀球动作过程中,身体转动角度在预摆阶段有小幅度转动;当重心达到最高点时,运动员急速转体转身带动手臂快速鞭打,这一阶段身体转动幅度较大,此时转动角度较大,从而提高身体转动角速度,以便提高出手瞬间手的速度,从而带动拍面,提高击球速度和力量。

2.1.5 两种杀球过程中人体质心时间变化对比

杀球是一项十分复杂的技术,它需要协调身体各个关节的力共同起作用[18]。总的说来扣杀技术的发力顺序为:下肢蹬地,快速的起跳,带动腰部转动;利用腰部转动的力量将上身转向球网,带动右肩发力,增加上臂的初速度;用上臂带动前臂发力,利用前臂内旋进一步增加手腕的转动;在击球的瞬间,利用手腕的迅速下压将球击打出去[19]。杀球是一个力由下向上传递的过程,如果在其中力的传递方向不对,或者力的传递发生中断就会影响最终击球效果,导致杀球速度不足。杀球最重要的是在击球的瞬间获得最大的击球速度,前面的一系列动作都是为了这一目的服务的,所以发力一定要遵循这一顺序。

图3 同一运动员两种杀球动作人体质心变化时间图

正手扣杀的击球点应在右肩前上方靠前一点的位置,这个点既有利于进行发力又有利于将球拍控制好杀球的角度。很多运动员在杀球时往往找不到自己合适的击球点,增加了失误的频率[20]。击球点的选择应根据身高、弹跳等自身条件,准确判断球的速度、力量、落点和方向,采取合理的移动步法移动到合适的位置,做好击球准备。由图3中我们可以看出正手杀近网球是运动员的人体质心要高于杀远网球,这是由击球的位置决定的,正手杀近网球一般击球点高,运动员在准备时需要提前抬高重心,从而击打到高空的羽毛球。而正手杀远网球时,运动员需要适当压低重心,从而击打到稍低的球。正手杀近网球时运动员质心为1.29m,而在杀正手远网球时质心为1.18m,这都是由击球位置决定的。因而合理的质心位置和身体姿势是影响杀球质量的重要因素。

2.2 肌电分析

3名运动员肌肉放电量的平均值可以作为衡量肌肉活性的依据,确定该技术动作中肌肉的活跃情况。例如3名运动员在正手杀远网球的动作中,三角肌后束(FD)胸大肌(INF)的放电量平均值分别为262.81μV和578.92μV(见表5),这说明运动员在做正手杀远网球的动作时,三角肌后束和胸大肌的活性较高,发力较明显,且放电时间较长,是羽毛球正手杀球时的主要发力肌群,三角肌和胸大肌位于躯干与上肢的连接处,在正手杀球动作过程中起着承上启下的重要作用,因此加强三角肌和胸大肌的肌力可以有助于提高杀球速度。羽毛球杀球动作属于典型的鞭打动作,要求背部和肩部发力要明显,从而使手和球拍获得一个较大的速度,其中三角肌和胸大肌为速度和动量的传递起到了关键的作用。