基于高速影像的排球扣球防守“跨跳步移动步法”运动学特征研究

刘冠楠，张春雷

（长春理工大学，长春　130022）



基于高速影像的排球扣球防守“跨跳步移动步法”运动学特征研究

刘冠楠，张春雷

（长春理工大学，长春130022）

摘要：运用Kwon3D运动分析软件完成了14名不同水平男子排球运动员扣球防守过程中“跨跳步移动步法”动作的运动学分析，以明确跨跳步动作的腾空出现时间、腾空高度、下蹲期膝关节最大弯曲角度及角速度的运动特征。分析认为，腾空启动时机是该动作的重要技术环节，扣球防守时跨跳步的腾空动作出现时机应该在击球完成后，且时间极为短暂（0.011±0.007s）；腾空高度应保持一个相对幅度较为合适（0.115±0.029m），这就要求下蹲阶段膝关节最大弯曲角度（26.71±4.54°）和角速度（194.878±47.74deg/s）要迅速衔接过渡，以便于快速的完成迎接球动作。

关键词：防守技术；跨跳步；防守效果；运动学

随着排球竞赛规则的不断修改及世界范围内排球整体水平的提升，现代排球运动正向着高、快、准、变、技术全面的方向发展，比赛的强度与速度不断加快，比赛节奏日益增强，对抗日趋激烈，对球队的防守提出了更高的要求，在稳固防守的基础上提高进攻的攻击性已经成为现代排球比赛中取胜的关键［1］。排球运动的防守动作主要是由准备姿势、判断、启动、移位和接球等一系列动作组合而成的，是一种被动技术，防守队员需要根据对手的进攻技术及来球方向采用合适的防守技术动作。研究指出，当前世界高水平男子、女子排球选手的扣球速度已经达到了30m/s、25m/s［2，3，4］，换言之，球从扣球者手中扣出到对手半场落地时的飞行时间大约为0.3～0.5s，在如此短暂的时间内防守队员要从准备姿势开始完成一系列防守动作是相当不容易的。一般运动员对来球的反应时间为0.33s，几乎与来球的飞行时间相当，在完成预判之后还要积极移动到合适位置并完成接球动作。显然，要有良好的防守表现，防守选手必须要能准确判断并有足够的爆发力才能达到迅速移动的效果，除了要提高反应速度之外，提高防守移动步法的速度及防守动作的流畅性及娴熟程度也同等重要。从近年来高水平排球比赛可以看出，优秀排球选手在防守接球过程中，经常采用向前跃进、双脚腾空后下压的跳步动作（跨跳步），通过这一动作刺激下肢肌肉发生牵张反射（SSC）的收缩机制释放足够的爆发力，让防守队员在接球过程中有足够的下肢力量做出瞬间快速移位的技术动作，在短时间内完成有效的接球［5］。这一现象提示研究者，在排球比赛中合理运用跨跳步技术，或许有助于改善防守效果。

1　研究对象与方法

1.1研究对象

14名男子高水平运动员均受过长时间的系统专业训练，其中分别选择一级及以上（优秀）和二级（一般）队员各7人，优秀组平均年龄为24.17±2.23岁，一般组平均年龄22.25±3.54岁；优秀组平均身高191.34±3.86cm，一般组平均身高189.23±4.1cm；优秀组平均体重为80.20±7.62kg，一般组平均体重为78±9.6kg。

1.2研究方法

1.2.1运动学测量法

使用高速摄影机（JVC 9800）对队员的指定动作进行定点拍摄，实验现场的布置情况如图1所示，1、2号机主光轴呈70°夹角，1号机距离防守者12.5m，2号机距离防守者约为6.95m，防守队员在防守半场的6号位接球。高速摄影机采用现场图像计算机硬盘记录，拍摄频率为120p/s，曝光时间为1/ 1000秒，如图2所示。

图1　实验场地布置情况

实验前受试队员可以进行3次预测，了解测试过程及防守范围。正式测试时，测试人员发出“开始”口令，将球抛给举球队员，进行3号位强力扣球，扣球者随机将球扣向受试人员半场的防守位置，每人15次测试，受试者须成功防守（守起球必须在球场范围内，并可向举球人员进行组织进攻）3个有效扣球作为分析样本。

图2　跨跳步移动步法部分高速影像序列

1.2.2影片解析法

对所选取研究对象的三次成绩进行解析，取最好成绩的解析数据。使用Kwon3D三维运动分析软件（韩国）对收集到的资料进行量化处理，采用日本人体惯性参数模型，并依据人体模型的标准和研究需要选取14个关节点（左耳、左肩关节、左手肘、左手腕、左手指、左髋关节、左脚膝关节、左脚踝关节、左脚脚跟、左脚脚尖、头顶），对排球运动员跨跳步的整个过程进行解析处理，获取所需参数的原始数据指标。同时，将扣球者击球瞬间设定为整个动作的时间原点0秒，若击球完成后出现腾空动作则以“正数”表示，击球前出现的腾空动作则以“负数”表示。

1.2.3动作阶段划分

从运动学的视角看，一个完整的跨跳步动作可以划分为准备、启动、腾空开跳、落地、下压、迎球与接球等动作过程，其中准备、启动、腾空开跳可以称之为腾空动作阶段；落地、下压可以归为下蹲阶段；迎球与接球可以归为反击阶段。本研究重点探讨腾空动作（腾空动作的出现时间、腾空高度、腾空时间）和下蹲阶段（膝关节最大弯曲角度和角速度）两个阶段的运动学特征。

1.2.4数理统计法

采用统计学处理软件SPSS 18.0，对获取的数据进行描述性及独立样本检验，完成数据的处理与分析工作。

2　结果分析

2.1腾空动作

2.1.1腾空动作的出现时间

腾空动作的出现时间不仅可以反映运动员的反应能力，更能够反映运动员对于“跨跳步移动步法”技术动作的启动时机把握。通过分析显示（表1），优秀男子排球选手在跨跳步动作过程中腾空动作的出现时间约在0.011s左右，而一般男子排球运动员腾空动作的出现时间约在-0.026s左右，换言之优秀选手的腾空动作出现在击球后，而一般队员在击球前就已经开始了腾空动作，经统计学检验显示两组队员在跨跳步的腾空动作出现时间方面有显著性差异（P＜0.05）。进一步分析可见，优秀选手腾空动作的时间分布在0～0.05s范围内，分布范围较集中，且时间相对短暂；一般运动员的腾空动作时间分布在-0.2～0.2s范围内，区间既有正值也有负值，分布范围广而分散，且完成的时间也比较长。

表1　不同水平选手跨跳步腾空动作出现时间的比较（单位：s）

2.1.2腾空动作的高度与时间

在腾空动作的高度方面，优秀与一般选手的平均腾空高度为0.115±0.029m和0.026±0.042m，两者之间存在显著性差异（P＜0.001），同时，从腾空时间来看，优秀运动员的腾空时间显著高于一般运动员（优秀：0.339±0.063s；一般：0.139±0.042s）。由此可见，一般运动员虽然在腾空完成时间上相对较短，似乎更有利于完成接球动作，但由于幅度相对较小，加之，从前面的分析可见，腾空时间把握的不够准确，导致最终的接球动作未能很好的完成，也由此提示，对于该动作的完成，在腾空高度和时间上应该有一个合理的搭配，运动员应该能够在保持幅度的前提下，提高整个动作的完成速度。

表2　不同水平选手跨跳步平均腾空高度的比较（单位：m）

2.2下蹲动作

2.2.1膝关节最大弯曲角度

合理的膝关节弯曲角度不仅有利于弹性势能的储备，更有利于向动能的转化，提高移动的速度和节奏型。表3显示，我国优秀排球运动员在接扣球“跨跳步移动”的下蹲阶段，膝关节最大弯曲角度为26.29±1.60°，一般运动员在16.74±1.33°，两者之间存在显著的差异。根据Yasar（2004）的研究显示，世界优秀运动员的弯曲角度一般在20～30°之间［6］，我国优秀运动员符合这一特点，当然，个别运动员可能存在弯曲角度较大的现象，但可能存在跨越幅度较大现象导致（表2）。整体上来看，提高运动员合理的膝关节弯曲角度是完成跨跳步移动动作的一个关键因素。

表3　不同水平选手跨跳步膝关节最大弯曲角度（单位：°）

2.2.2膝关节角速度

膝关节角速度大小能够更好的反映了运动员跨跳步完成阶段时势能向动能的转换速度，也从侧面反映出运动员爆发力的大小。从表4的统计结果来看，优秀运动员的角速度明显优于一般运动员（优秀：200.43±10.58；一般：97.43±28.99），并且优秀运动员的离散程度相对较小，而一般运动员的离散程度较大，表现出在完成“跨跳步移动步法”过程中，提高最后阶段的膝关节角速度是完成动作的又一重要运动学参数。根据David（2014）的研究指出，世界优秀排球运动员的这一速度可以达到300deg/s以上［7］，因此，进一步提升这一动作速度能力尤为重要。

表4　不同水平选手跨跳步膝关节角速度（单位：deg/s）

2.3讨论

2.3.1腾空动作出现时间

一个完整的扣球防守的跨跳步移动步法包括准备、启动等一系列复杂的动作组合而成的，是属于有规律、有节奏的连续动作，防守球员在接球过程中必须根据攻击手扣出球的方向、速度及时改变防守位置或调整动作，从而将防守技术连续且节奏的呈现出来。研究发现，不同水平选手在腾空动作出现时机方面有显著差异。优秀男子排球选手腾空动作出现时间皆为正值，区间仅分布于0～0.05s之间，且动作出现的时机比较接近，一般水平男子排球选手腾空动作区间分布在-0.2～0.2s之间，腾空动作出现时机的差异性较大。从分析结果来看，优秀男子排球选手腾空动作出现时机较为整齐，在接球动作的表现上比一般选手更加“流畅且协调”，能准确预判扣球手的动作，进而调整跨跳步的使用时机。结果表明，当扣球队员与防守队员进行同步的扣接动作时，优秀选手的腾空时机出现在扣球队员扣完球后，部分选手腾空动作的出现时机甚至与击球时间接近，而一般选手的腾空动作出现时机不但不规律，部分选手甚至没有明显的跨跳步动作。

根据运动生物学知识，肌肉处于运动状态中时，离心收缩后必须紧随向心收缩才有助于产生更大爆发力，影响爆发力结果的重要因素就是离心与向心之间的转换速度及时间［8］。因此，一般水平选手平均腾空时机大多分布在扣球手击到球前，更有少部分选手在扣球手扣完球后一段时间才采用跨跳步防守，会出现如下情形：一是当扣球队员尚未击到球前，防守队员已事先向前跃进在原地等待来球时，可能导致在下压时肌肉的离心收缩期停滞时间过长，所储存的弹性能转化为热能，而无法释出有效的爆发力量，在防守时容易出现“双脚站死”的情况，也就是说，当球离防守队员身体较远或突然改变方向时，防守队员的下肢已无有效的爆发力完成瞬间移动，造成选手只能选择原地下蹲接球的动作。二是若等攻击手将球击出后才准备执行跨跳步，因球体由攻击队员手中扣出到落地之间所飞行的时间短且球速相当快，容易导致选手在尚未稳定防守姿势且身体重心尚未降低稳定动作就必须迎接来球，会导致接球动作无法完整完成，影响防守表现。通过对优秀选手的观察可以看出，当扣球队员在击球的瞬间，选手会出现向前跃进的动作，笔者认为，此动作时机为优秀防守选手所调整出的“最适时机”，其目的是能在球落地之前使下肢肌群通过跳步动作中的SSC收缩机制，使下肢肌肉产生足球的爆发力，能够应付瞬间移位的接球动作，避免出现接球来不及的状况［9］。

2.3.2腾空高度

不同水平队员跨跳步防守动的腾空高度的显著性比较显示，优秀男子排球选手的腾空高度显著高于一般水平男子排球选手，说明优秀选手在面对扣球队员的来球进行防守时，在跨跳步防守时获得的腾空冲量要明显高于一般水平队员，通过地面的反作用力为瞬间移位接球提供足够的动力，达到瞬间加速的效果。

根据力学原理，防守队员在运用跨跳步起跳时必须借助地面给予的足够的反作用力才能够腾空，才能做出移位动作。两个物体之间的作用力与反作用力总是同时存在的，防守队员必须依靠地面给予的反作用力才能够实现身体重心的转换，并实现从准备姿势向身体移位的加速。又因为作用力与反作用力具有量相等、方向相反的特点，防守队员腾空落地后必然又会受到地面的反作用力的影响，这种反作用力的大小受落地时冲量大小的影响，而冲量又受时间和力量两个因素的制约，因此在有限的腾空时间内增加力量的大小是增加冲量的有效途径。因此，对于防守队员而言，在防守扣球的跨跳步动作过程中，腾空高度越高，腾空落地时获得的冲量就越大，反之腾空高度越低则腾空落地时获得的冲量就越小。需要强调的是，虽然防守扣球动作时的跨跳步动作能够帮助防守队员在蹬离地面的瞬间提高地面的反作用力大小，但并不是任何防守扣球的情况下都能够使用这种防守动作，必须根据实际的接球情况灵活制定防守对策。因为在采用跨跳步防守动作时腾空高度直接决定了反作用力的大小，但为了获得更大的地面反作用力而一味的延长腾空时间显然是不科学的，因为这种做法虽然能够提高蹬离地面时的反作用力大小，但因球速太快会导致防守队员在球落地之前无法完整的完成跨跳步动作，影响防守效果。优秀选手在防守扣球方面的效果显著好一般队员，除了与跨跳步的节奏性、流畅性有关之外，良好的腾空高度，下肢落地时获得的较大的地面反作用力等，也能改善防守效果。

2.3.3下蹲期膝关节最大弯曲角度

在防守扣球时的跨跳步过程中，优秀男子排球运动员在下蹲期膝关节的平均最大弯曲角度显著高于一般水平队员，优秀运动员膝关节下蹲时的下压角度较大。膝关节弯曲角度是反应下蹲姿势的重要指标，膝关节弯曲角度越大说明下蹲姿势就越低。比较显示，在防守扣球时的跨跳步动作时，在下蹲期优秀队员向前跃进后下蹲较低，其身体重心也明显低于一般水平队员。根据排球运动的防守特性，防守队员在接球时降低身体重心能够为重心移动奠定良好的基础，能够提高移动的速度，并且还能够提高移动时身体重心的稳定性。此外，根据牵张反射（SSC）概念，肌肉在运动过程中通过离心-向心的收缩循环机制能够储存弹性能并产生爆发力，跳跃动作是牵张反射最具代表性的动作之一，跳跃动作中的“曲-伸”动作，表示下肢肌群正进行离心-向心收缩，可获得较大的爆发力。跨跳步动作属于跳跃动作的一种，可以通过牵张反射使下肢动作产生爆发力，使防守队员能够根据来球情况瞬间移位实现有效防守［10］。显然，优秀男子排球队员在下蹲时动作幅度明显大于一般水平运动员，说明优秀选手在下压时下肢肌群的拉长幅度较大，根据肌肉的收缩特性，肌肉张力与肌肉牵引长度密切相关，若肌肉未能获得适度的伸展，自然对动作表现具有一定程度的限制。换言之，若下蹲时下压动作不明显，说明肌肉在SSC机制中未能得到有效的伸展与收缩，弹性势能不足，会对爆发力产生制约。

2.3.4下蹲期膝关节角速度

差异比较显示，优秀男子排球运动员下蹲期膝关节平均角速度显著高于一般水平运动员，说明优秀队员在落地后膝关节执行最大动作的时间较短，下肢肌肉在下蹲期能够快速的伸展与收缩。通常情况下，在运动过程中人体肌肉收缩的特性主要分为两类：一是伸展反射，即肌肉在收缩前，如果预先牵拉（离心）肌肉使肌肉长度拉长，则可以增加收缩（向心）时产生的力量，收缩力量随着牵拉速度的加快越来越大；二是肌肉弹性能的储存与释放特性，肌肉拉长时可以使肌肉内储存的弹性能增加，并在缩短时释放出来，有效提高收缩力量［11］。对于排球防守队员而言，要想获得较大的爆发力量，在完成相关防守动作的过程中除了有有效伸展肌肉之外，还要保证被牵拉开的肌肉（离心收缩）要快速的向心收缩，从而有效提高肌肉中的弹性能。因此，在跨跳步动作中，肌肉收缩的速度也是影响爆发力的关键。另外，有研究指出，增强式训练是肌肉活动中一种独特的反射性动作，这种训练方式能将力量与动作速度结合，产生瞬发性的动作状态，其原理就是利用肌肉的伸展反射与弹性能的储存的生理特性，当某一肌群在快速的伸展后紧接着快速的缩短，可产生强有力的收缩力量。SSC肌肉收缩循环机制是增强式训练中的重要工作状态，而跳跃动作是增强式训练中最具代表性的动作。根据上述说法，跨跳步动作的肌肉生理特性与增强式训练动作状态是相同的，那么肌肉收缩的速度就是影响跨跳步动作效果的重要因素。因为膝关节的角速度是反应动作速度快慢的重要指标，因此角速度越大则肌肉收缩的就越快，瞬间爆发力就越强。

3　结论

优秀男子排球选手能够根据扣球队员的动作调整跨跳步动作的使用时机，“跨跳步”腾空动作出现的时间出现在扣球后而不是扣球前，且时间极为短暂，这一时机的把握是优秀排球运动员完成“跨跳步移动步法”的关键环节。

一般水平男子排球选手在扣球队员未击球时已开始腾空完成跨跳步动作，且因下蹲时间太长导致无法瞬间移动，从而影响了防守质量。而优秀男子排球选手是在击完球瞬间开始该动作的，且下蹲时膝关节下压积极，弯曲角度相对合理，蹬伸速度非常快（200.43±10.58deg/s），显著高于一般水平运动员，因此，在保证腾空时机的同时，还应强调完成动作的幅度与时间，在保证一定幅度的基础上，应提高动作的下压和蹬伸速度。

优秀男子排球选手在跨跳步过程中的腾空高度明显高于一般水平运动员，且下蹲后膝关节弯曲角度相对较大（26.29±1.60°），符合世界优秀运动员的角度范围，但在蹬伸速度上还明显劣于世界优秀运动员（300deg/s以上），因此，加强相关力量速度训练是该项技术有效完成的又一保证。

参考文献

［1］郭荣.现代排球比赛技战术变化与训练重点的探讨［J］.首都体育学院学报，2003，15（3）：36-37.

［2］张欢.中外男排选手跳发球失误的技术原因分析［J］.广州体育学院学报，2004，24（1）：68-70.

［3］Mitsuru T，Hirotsugu O，Hisao I，et al.Individually and reproducibility in high-speed motion of volleyball spike jumps by phase-matching and averaging ［J］.Journal of biomechanics，2005，（38）：2050-2057.

［4］Mathias V，Norman S，Hans A T，et al.Promoting lower extremity strength in elite volleyball players：Effects of two combined training methods［J］. Journal of science and medicine in sport，2012，（15）：457-462.

［5］Komi P V. Physiological and biomechanical correlates of muscle function：effects of muscle structure and stretch-shortening cycle on force and speed［J］. Exercise and sport sciences reviews，1984，12（1）：81-122.

［6］Yasar S，Behzat B K，Cengiz H，et al. Comparison of landing maneuvers between male and female college volleyball players［J］. Clinical biomechanics，2004，（19）：622-628.

［7］David Z，Daniel J，Jaroslav U，et al.Lower extremity mechanics during landing after a volleyball block as a risk factor for anterior cruciate ligament injury［J］. Physical therapy in sport，2014，（4）：1-6.

［8］Justine M，Haron R，Salleh Z，et al. Effects of concentric and eccentric abdominal training on abdominal strength and lumbo-pelvic stability：a randomized-controlled trial［J］. Indian Journal of Physiotherapy and Occupational Therapy-An International Journal，2013，7（4）：131-135.

［9］Voelzke M，Stutzig N，Thorhauer H A，et al. Promoting lower extremity strength in elite volleyball players：Effects of two combined training methods［J］. Journal of Science and Medicine in Sport，2012，15 （5）：457-462.

［10］Rodrigues C，Cardoso J，Carvalho A，et al. Principal component analysis of dynamical data in stretch shortening cyle of human lower limb［J］.Journal of Biomechanics，2012，45：S635.

［11］Markovic G，Mikulic P. Neuro-musculoskeletal and performance adaptations to lower-extremity plyometric training［J］. Sports medicine，2010，40（10）：859-895.

Kinematics Analysis on“Cross Step Moving Steps”in Volleyball Spiking Defensive Techniques Basedon High-speed Video

LIU Guannan，ZHANG Chunlei
（Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Abstract：By using Kwon3D motion analysis software，the authors analyzed kinematics features on "cross step moving steps" for spiking defense techniques and 14 male volleyball athletes of different levels were measured，by which，it can be clear to vacate motion appearing time，flight height，knee joint maximum bending angle in squatting period and angular velocity. The analysis thinks，vacated the start time is an important technical aspects of the action，and the appear time of cross jump movements should be completed when spike is in the shot，meanwhile，the time is extremely short（0.011+0.007s）；flight height should be kept in a relative amplitude is more appropriate（0.115+0.029m），which requires the squat stage the maximum bending angle of the knee joint（26.71 plus or minus 4.54 degrees）and the angular speed（194.878+47.74deg/s）to quickly transition，in order to quickly complete the meet the ball movement.

Key words：defensive techniques；cross steps；defense effects；kinematics

中图分类号：G842

文献标识码：A

文章编号：1672-9870（2016）02-0131-06

收稿日期：2015-09-01

作者简介：刘冠楠（1979-），男，博士，讲师，E-mail：zhangchunlei@cust.edu.cn