网球运动生物学特征综述
2017-09-23黎涌明
李 博,鲍 勤,缪 律,黎涌明,3
LI Bo1,BAO Qin2,MIAO Lv1,LI Yong-ming1,3
网球运动生物学特征综述
李 博1,鲍 勤2,缪 律1,黎涌明1,3
LI Bo1,BAO Qin2,MIAO Lv1,LI Yong-ming1,3
网球是世界上普及化程度较高的运动项目之一,现代网球职业赛事比赛期长达10个月,大量的比赛对网球运动员竞技能力的保持提出了极高的要求。国内对网球运动的研究热度较高,然而,研究多集中于社会学领域,较少采用实验法,对网球生物学特征认识非常有限。通过综述国内、外网球相关研究文献,对网球运动员和网球项目特征进行总结和分析。结果显示:1)网球运动员的形态特征与生理学特征都高于普通人;2)网球属于间歇性运动项目,高强度运动与间歇性休息是网球比赛的基本特征;3)网球比赛的平均强度不高,但在击球与多回合长时间对打过程中的生理学强度较高;4)网球运动的技术特征与运动损伤是网球生物力学研究的热点。未来对网球项目的研究应多从运动生物学角度出发,加强对网球训练和比赛的运动学特征与生理学特征的研究,以进一步促进对网球项目特征的认识,提高网球项目的科学化水平。
形态学;生理学;比赛特征;生物力学
1 前言
网球是一项高度职业化的运动。1877年,英国全英网球运动俱乐部举办了第1届全英草地网球男子单打锦标赛,标志着现代网球的诞生。现代网球自诞生之初就受到世界各地人民的欢迎,在1896年的第1届奥运会上网球即被列入比赛项目。1968年,国际网球联合会(International Tennis Federation,以下简称“ITF”)宣布允许职业网球运动员参加比赛并设立奖金,极大地促进了网球项目的发展,网球从此进入公开赛时代,职业网球逐渐形成以四大满贯赛事和以不同级别巡回赛构成的职业网球赛事体系。根据2016年职业网球联合会(Association of Tennis Professionals,以下简称“ATP”)与国际女子网球协会(Women’s Tennis Association,以下简称“WTA”)公布的赛程信息(图1),2016年全年,男子网球比赛自1月3日至11月25日,共计71项赛事,持续47周,女子职业网球比赛自1月3日至10月31日,共计66项赛事,持续44周。为了得到更多的积分和奖金,职业网球运动员需要尽可能多的参加职业比赛。根据ITF与WTA公布的排名中,顶级网球单打运动员(世界排名前4名,查询时间2016年6月)2011—2015年,男子运动员年平均参加18.2站赛事,共进行75.8场比赛,女子运动员年平均参加20.1站赛事,共进行69.1场比赛。除了频繁的比赛,运动员还需要克服长途飞行带来的疲劳,应对不同的场地类型,适应不同的气候条件,面对不同类型的选手,许多运动员还要参加其他兼项双打比赛,这对运动员的适应能力和竞技能力提出了非常严苛的要求。本文拟通过对国内、外网球相关研究文献进行分析,探究网球在科学研究方面的现状,并重点从生理学与生物力学角度出发,了解网球运动员形态学和生理学特征[2]。
图1 2016年职业网球赛程时间分布柱状图Figure 1. Professional Tennis World Tour in 2016 Season
2 国内、外网球项目研究现状
以“网球”为检索词对中国知网体育类核心期刊进行主题检索(截止至2016年6月30日),对检索到的691篇文献进行筛选,去除和网球无关的文献,最终得到574篇文献。对检索到的文献按照发布时间进行统计发现,自1976年开始国内对网球运动的研究文献数量呈不断上升趋势,2005年以来关于网球的文献研究数量以每年25篇的数量迅速增加。对检索到的文献按照学科性质进行分类可以发现,国内有457篇(79.6%)研究文献属于社会科学领域,而自然科学领域仅有117篇(20.4%)。如果对得到的文献按照专题领域进行划分可以发现,文献集中于格局/现状/对策、技战术、课程教学、其他(文化、历史、宣传等)4大领域,占文献总量的71.6%(411篇)。
同样,以“tennis”为检索词在Google Scholar、Web of Science、Ebsco体育运动全文数据库对国外关于网球的研究文献进行检索(截止至2016年6月30日),并对检索到的512篇文献进行筛选(其中109篇是对非网球运动员网球肘的研究文献),最终得到384篇文献。对比国内文献分布状况,国外研究文献属于社会科学类的仅有106篇(27.6%),属于自然学科的文献有278篇(72.4%)。如果按照专题进行划分发现,国外研究文献集中于生理学/生物化学、器材/软件开发、心理学、医学4大领域,占研究总量的62.3%(238篇)。
图2 国内、外网球文献研究分类柱状图Figure 2. Classif i cation of Tennis Literatures at Domestic and Foreign
对国内、外网球自然科学领域的相关文献按照是否采用实验法为分类标准进行分类,发现,国内采用实验法的研究文献占文献总数的41.9%(49篇),而国外此占比达83.0%(229篇)。进一步将与网球项目特征密切相关的生理学、生物化学与生物力学研究文献进行分类发现,国内仅有24篇,而国外有107篇。这可能是由于网球运动在我国被定位为技能主导类项目,相关研究人员主要从技、战术角度对其进行了研究,而从运动生物学角度对其进行的研究非常有限。
3 网球运动员的运动生物学特征
3.1 网球运动员的形态学特征
高水平运动员的形态学特征与运动成绩之间的关系是很多教练和科研人员普遍关注的问题。有研究表明,近几十年来,不论非运动员[39]还是运动员[101],体型均有逐渐增加的趋势。目前,对于运动员形态学特征的研究较多地出现在集体类运动项目,如足球[96]、排球[90]、橄榄球[103]等,个人项目中如皮划艇[88]、短跑[134]等也有涉及,但是,对网球运动员形态学特征的研究较少[115],尤其是对优秀运动员的形态学特征的研究。人体形态学特征主要包括3类不同但相互关联的测量学指标:体型、身体成分、身体结构或形状[67]。ITF官方网站实时更新职业运动员基本的身高(cm)、体重(kg)情况,其他形态学方面的数据却非常少,但是,基于身高体重的一些派生指标,体重指数(Body Mass Index,BMI)[62,135]、克托莱指数(Quetelet Index,QI)[3,8]、倒数体重指数(Reciprocal Ponderal Index,RPI)[62]在实际研究中应用较多。
对于网球运动员,身高越高发球优势就越明显[24,132]。发球是网球中最重要的技术之一,速度快、旋转强烈、落点精准的发球往往给运动员带来直接得分机会,运动员发球局的得分要显著高于接发球局[102]。研究表明,运动员身高越高,发球时的击球点就越高,发球的成功率越高,发球的速度也越快[132]。同样,Wong等[135]对12名优秀香港网球队运动员的研究发现,BMI值高的运动员和BMI值低的运动员相比有更快的发球速度。高水平网球运动员的体脂率普遍偏低[82,135],对于持拍类项目,BMI值越高,意味着运动员的肌肉量就越高,运动员的爆发力就越好[62,97]。Gale-Watts等[62]对1982—2011年参加大满贯比赛男子运动员的BMI进行统计发现,自1982年以来男子网球运动员大满贯比赛中获胜者的BMI由<22.5 kg/m2快速增长至23.5 kg/m2(图3)。逐渐增加的BMI也说明,网球正在从一项耐力性运动逐渐转化为爆发性运动,运动员的无氧能力显得越来越重要[55]。但是,身高和体重并不是越高越好,网球是一项结合时间与空间的运动,快速而准确地移动能力是取胜的关键,运动员在比赛中需要不断地进行多方向的加速与减速。身高越高,运动员的步长就相应的增加,移动的准确性下降。此外,身高越高,相应的体重就越大,运动员的惯性就越大,运动员加速与减速能力就受到非常大的影响,移动时承受的身体负荷也越大,同时伤病的风险也逐渐增加[84]。因此,大满贯赛事中获胜方运动员的BMI并没有持续性增加,而是相对稳定在23.5 kg/m2左右。郭立亚等[3]人对ATP排名榜上的选手进行统计(截止时间为2008年4月,n=211)发现,世界优秀网球男运动员的平均身高为184.5±6.6 cm,平均体重为79.0±6.9 kg,而亚洲运动员的身高和体重分别为178.6±4.2 cm、74.2±7.5 kg。田广等[8]对WTA排名榜上优秀运动员进行统计(截止时间为2010年4月,n=297)发现,世界优秀女子网球运动员平均身高、体重分别为173.1±6.7 cm、62.8±5.8 kg,而亚洲优秀女子网球运动员的平均身高与体重为170.0±8.4 cm、60.5±6.2 kg。可见,亚洲网球运动员的平均身高与体重均低于世界优秀网球运动员,BMI值没有显著性差别。体型上的差距在一定程度上可能影响了我国网球运动员运动水平的进一步提高。
3.2 网球运动员的生理学特征
图3 男子网球运动员大满贯比赛中获胜方与失败方体重指数(BMI)趋势线[62]Figure 3. Change in BMI of the Successful (“Winners”) and Less-successful (“Losers”) Male Tennis Players Over Time
对网球运动员生理学特征的了解可以帮助教练员、运动员、科研人员合理地进行科学选材、制定训练计划以及监控运动员的机能状态[81,129]。网球运动员生理学特征中最常见的是对运动员最大摄氧量(O2max)的研究。本研究对查阅到的文献中网球运动员O2max进行统计整理,发现,成年男子网球运动员的O2max为46~72 mL/min/kg(表1)。有关女子网球运动员O2max的报道少于男子,成年女子运动员的O2max在42~52 mL/min/kg之间[7,43,85,112]。网球运动员的O2max水平,明显低于优秀耐力项目(如长跑[121]、自行车[116]),略低于集体球类项目(如橄榄球[41]、足球[17]),与持拍类项目相似(如羽毛球[107]、乒乓球[6]),稍高于普通人[69]。Fernandez等[56]对德国国家级优秀青年女子运动员的O2max研究发现,尽管运动员年龄只有16.3岁,O2max却达到53.0 mL/min/kg,稍高于成年女子网球运动员,但是,该组运动员的运动水平是所有对女子网球运动员O2max的研究中最高的,这似乎可以说明,运动水平高的运动员O2max要好于运动水平低的运动员。同样,Thiel等[127]的研究对比了ATP排名在前30、前100和前1 000的3名职业网球运动员经过休赛期训练后的O2max,ATP排名在前30的O2max为72 mL/min/kg,而其余两名运动员的O2max分别为64 mL/min/kg和62 mL/ min/kg ,明显低于水平较高者。但是,该研究对象只有3名,并不能准确说明运动员的O2max越高运动成绩就越好。有研究者针对运动水平与O2max进行了研究,梁高亮[7]、Baiget等[16]的研究均发现,运动水平高的运动员的O2max略高于运动水平低的运动员,但是结果均不存在显著性差异。Kovacs[81]对比职业男子网球选手的O2max发现,≥50 mL/min/kg 的O2max对男子网球运动员是非常必要的,某些网球运动员的O2max可以达到>65 mL/min/kg。较高的O2max水平可以使运动员从比赛间歇中快速恢复,从而帮助运动员达到较高的运动水平,但当运动员O2max>55 mL/min/kg 时,运动成绩与O2max之间并不存在相关性。Kovacs还对比了大学网球运动员停训5周前后的V.O2max,发现运动员O2max从53.9 mL/min/kg下降至47.9 mL/min/kg,下降了11.1%,这说明,日常训练会提高运动员O2max。对网球运动员来说,维持V.O2max>55 mL/min/kg是非常必要的,但训练不应只关注对运动员O2max的提高,网球运动员应该结合项目特征,尽可能提高专项有氧能力。
实验室测定无氧能力最常用的是30 s Wingate测试[18]。成年男子网球运动员无氧功率峰值在10~12 W/kg之间,平均无氧功率在6~9 W/kg,大部分网球选手的无氧功率峰值为10.5 W/kg,平均值为8.0 W/kg[9,75,83,136],成年女子网球运动员的无氧功率峰值在8~10 W/kg之间[9,85]。Zupan等[137]对美国大学生运动员联盟(NCAA)1 374名男子运动员与211名女子运动员30 s Wingate测试结果进行分析与评定,并制定了7个等级(表2)。网球选手无氧功率峰值与平均值均处于中等偏下水平,略高于普通人(峰值9.2 W/kg,平均值7.3 W/kg),无氧功率峰值低于足球运动员(峰值11.9 W/kg,平均值8.2 W/kg)[11],但稍高于乒乓球运动员(峰值9.6 W/kg,平均值8.0 W/kg),三者之间无氧功率平均值没有显著差异[79]。 Kraemer等[85]对美国38名大学女子网球运动员进行30 s Wingate测试,结果表明,无氧功率峰值与击球速度、灵敏性、以及短距离冲刺均不存在显著的相关性。也有研究对比了美国大学网球运动员在停止专业训练5周前后的Wingate测试发现,无氧功率峰值无明显变化,平均无氧功率从8.4 W/kg下降到7.8 W/kg,专业训练可以提高网球运动员无氧功率表现,但改变幅度不大。网球比赛中每分球持续时间短,间隔休息时间较长,充足的休息时间使运动员总体血乳酸维持在较低的水平,糖酵解系统参与供能有限,而30 s Wingate 无氧测试过程中的能量供应有约50%来自于无氧糖酵解系统[20],因此,网球运动员无氧功率测试结果逊色于运动强度较高的项目。
网球同时还是一项对运动员爆发力要求极高的项目,在实践中常用的对下肢爆发力测定的方法有跳深、快速跳、立定跳远,对上肢爆发力常用的测试有实心球掷远和发球速度测试。但是,发球是一项与运动员形态学和专项技术联系非常紧密的技术,不能作为单一的评价运动员生理学特征的指标。Ulbricht等[129]跟踪了2009—2013年德国网球联合会注册的1 052名优秀青少年男、女网球运动员生理学指标,根据优秀网球运动员的生理学特征建立了评价标准,主要测试指标包括形态学、力量、下肢爆发力、上肢爆发力与有氧耐力5个方面(表3),根据运动员测试结果制定相应的训练计划,对了解网球运动员生理学特征有很好的借鉴意义。
表1 文献报道中的网球运动员的O2max/peakTable 1 O2max/peak of Tennis Players Reported in Literatures
表1 文献报道中的网球运动员的O2max/peakTable 1 O2max/peak of Tennis Players Reported in Literatures
注:O2max/peak 为文献中查阅到的网球运动员的最大或峰值摄氧量;ITN指International Tennis Number(国际网球等级水平测试),测试共有10个等级,1级为职业选手,10级为初学者;ATP排名为男子职业网球世界排名;BEEP-TEST为多级折返跑测试;YOYO测试为间歇性耐力跑测试,被广泛应用于测试足球运动员有氧耐力水平,下同。
作者 年份 国家 数量 性别 年龄 (岁) 运动水平 训练年限 (年)VO2max/peak 运动方式(L/min)(mL/min/kg)Powers,等[108] 1982 美国 10 女 15.8±0.4 高中 6.2±0.9 48±2.1 Buti,等[32] 1984澳大利亚 8 男 11.7 ITN等级3 56.3±6.5 8 女 52.6±8.2 Bergeron[21] 1990 美国 10 男 20.3 大学 58.5±9.4 跑台Kraemer,等[85] 1995 美国 38 女 19.55±1.95大学 47.59±4.44 跑台Smekal,等[119] 2000 奥地利 12 男 26.4 ± 5.2国家级 58.3±4.3 跑台52.4±3.7 击球Smekal,等[120] 2001 奥地利 20 男 26.0±3.7 国家级 57.3±5.1 跑台Davey,等[43] 2003 英国 5 男 21.7±1.0 国家级 58.0±1.7 折返跑推测5 女 21.9±1.3 42.2±0.7 折返跑推测Girard,等[64] 2006 法国 9 男 16.0±1.6 地区级 58.9±5.3 跑台63.8±5.7 折返跑测试Kovacs,等[83] 2007 美国 6 男 大学 53.9±1.1 20 m折返跑估测Murias,等[95] 2007 阿根廷 4 男 16.9+0.7 国家排名109~195 55.5±2.3 跑台Reid,等[109] 2007澳大利亚 6 男 22±6 58.5 预测梁高亮,等[7] 2010 中国 7 女 21.4±1.7 国家二队主力 51.7±4.4 BEEP-TEST间接推算法12 女 17.1±2.7 国家二队候补 49.4±6.2 BEEP-TEST间接推算法Ridhwan,等[112] 2010马来西亚 10 男 15.3±1.2 国家级 51.7±7.3 跑台喻晶,等[9] 2011 中国 4 男 15.8±0.8 省队 8.3±1.1 3.0±0.3 6 女 18±2 9.5±3.3 2.3±0.2 Fernandez,等[56] 2011 西班牙 4 男 16.4±1.8 国家排名1~20 8±1 66.3±6.9 跑台4 女 16.3±2.2 53.0±0.7 跑台Barbaros,等[19] 2011 克罗地亚 20 男 21.5+3.5 10名世界级10名国家级 13.9±4.1 53.7±5.7 跑台Thiel,等[127] 2011 德国 3 男 26~28 ATP排名前30 72 跑台ATP排名前100 64 跑台ATP排名前1000 60 跑台Fernandez,等[58]2012 德国11 男 22.6±4.8 ITN等级3 59.1±2.9 跑台12 男 21.2±5.1 58.6±2.9 跑台9 男 22.1±3.3 57.4±3.8 跑台Meckel,等[91] 2015 以色列 40 男 15.1±0.4 青少年国际排名1~40 49.90±5.12 20 m折返跑估测Kilit,等[75] 2016 土耳其 14 男 23.0±1.9 ITN等级1~2 54.9±2.2 跑台57.4±1.9 递增击球55.1±0.9 YOYO测试55.8±0.9 20 m多级折返跑Baiget,等[16] 2016 西班牙 8 男 17.9±1.0 优秀国际级 6.7±0.8 60.6±5.1 递增击球30 男 18.3±1.4 优秀国家级 6.4±1.3 55.7±5.4 递增击球Kilit,等[76] 2016 土耳其 10 男 22.2±2.8 ITN等级1~2 49.8±1.2 跑台30 18.3±1.4 优秀国家级 6.4±1.3 55.7±5.4 递增击球
表2 优秀青年运动员30s Wingate测试无氧功率峰值与平均值等级划分标准[137]Table 2 30 s Wingate Test Anaerobic Power Peak Value and Average Grade Division Standard of Elite Young Athletes
表3 网球运动员生理学特征测量指标[129]Table 3 Measurement Index of Physiological Characteristics of Tennis Players
4 网球比赛的运动生物学特征
4.1 网球比赛的运动学特征
网球作为间歇性运动项目,高强度击球与间歇性休息交替进行是网球比赛的基本特征。网球比赛的运动学特征反映在运动员在比赛过程中的跑动、击球、休息3个主要部分。网球比赛的持续时间在1.5~5 h,平均回合时间在4~10 s,回合间的平均间歇时间在10~25 s,运动与休息的比值在1:1-1:4,有效比赛时间在20%~50 %(表4)。
表4 网球比赛时间特征分析Table 4 Analysis on the Time Characteristics of Tennis Match
影响网球比赛结果的因素非常多,除了运动员年龄、性别、运动水平、比赛风格、战术策略、心理等个人因素外,比赛的赛制、环境、场地类型等,均会对网球比赛的运动学特征产生影响。男子职业网球比赛中的4大满贯赛事和奥运会单打决赛比赛均为5盘3胜制,其他职业赛事多为3盘2胜制,女子职业赛事单打均为3盘2胜制。对职业赛事持续时间的统计发现,男子在5盘3胜制的比赛中平均用时120 min[102],男、女运动员在3盘2胜制的比赛中均为90 min[82,102]。对网球4大满贯赛事的比赛分析发现,硬地赛事中澳大利亚网球公开赛与美国网球公开赛的平均回合时间分别为6.3 s和5.8 s,红土场地的法国网球公开赛的平均回合时间为7.7 s,而草地球场的温布尔顿网球公开赛平均回合时间在4.3 s[102]。不同场地类型对回合持续时间有较大影响,其中,红土场地回合持续时间最长,硬地次之,草地最短。此外,对回合时间性别差异的分析发现,女子比赛平均时间为7.1 s,而男子比赛平均回合时间为5.2 s,女子回合持续时间略长于男子[102]。Fernandez等[57]对不同业余水平运动员进行对比发现,高水平运动员的回合时间短于低水平运动员,这可能是因为水平较高者击球速度更快,对抗更激烈,击球回合较少,所以平均回合时间稍短。网球运动员的比赛风格也会影响回合持续时间,Bernardi等[22]的研究发现,进攻型运动员(击球速度较快、击球位置更靠近前场)回合时间最短(4.8 s),全场型运动员(根据对手回球情况选择击球位置,有时候会来到前场击球)次之(8.2 s),防守型运动员(击球位置多在底线以后,几乎不进入前场区域击球)回合时间最长(15.7 s)。
网球比赛的间歇时间是由比赛规则决定的,根据最新ITF官方规定,每分球之间的间歇休息时间不超过20 s,交换场地的间歇时间不超过90 s,每盘比赛结束后的间歇时间不超过120 s。比赛回合之间的间歇时间受回合时间影响,Fernandez等[54]对网球比赛中回合时间与间歇时间进行统计发现,回合时间多在0~3 s和3~6 s而回合之间的间歇时间多在9~12 s和12~15 s(图4)。Murias等[95]的研究发现,红土场地的有效比赛时间高于硬地比赛(红土1:2.2~1:2.9,硬地1:2.9~1:3.7),但该研究对象为模拟比赛,并不是正式比赛。Kovacs[80,82]综述了其他人的研究,认为红土场地比赛的有效比赛时间在10%~20%,硬地比赛在20%~30%之间。
图4 网球比赛中回合时间与间歇时间分布图[54]Figure 4. Distribution of Duration of Rally and Rest Time in Tennis Match
网球是一项结合时间与空间的运动,网球比赛的运动学特征除击球与休息外还有运动员在比赛中的击球次数、跑动距离、跑动速度、加速度等。网球比赛中运动员平均每次击球的移动距离约为3 m[22,57,111]。每得1分移动的距离在8~15 m[22,95],需要做4次变向动作[44,95,126],击球次数在2~6次居多[38,57,71],击球次数在1~2次占总击球次数的50%以上,击球次数在3~4次的约占30%,击球次数大于5次的只有不到20%[92]。比赛中大约有80%的击球运动员移动距离在2.5 m范围以内,有10%的击球需要运动员移动2.5~4.5 m,只有不到5%的击球需要运动员移动4.5 m以上[111]。在3盘2胜制比赛中运动员需要进行300~500次的高强度运动,比赛的总跑动距离在1 100~3 600 m[55,57,95]。
除移动距离外,传统对网球项目的研究一直缺乏对运动员在比赛过程中的速度与运动方向变化情况的研究,对运动员速度的研究多采用基于录像的动作分析技术,但录像分析法有着研究难度大、耗时长的缺点。近年来可穿戴式全球卫星定位系统(GPS)在体育领域中的应用越来越广泛,随着GPS对运动测量中的信度和效度得到不断的验证[45],足球[34]、橄榄球[27]等集体球类项目[118]越来越多的运用GPS 研究运动员比赛过程中速度变化情况。已有对网球运动员移动速度的研究多是对运动员在比赛过程中的速度区间进行划分,统计运动员在不同速度区间持续的时间。
Fernandez等[57]采用录像分析法对不同水平业余网球参与者在比赛过程中的速度划分为走(0~7 km/h)、慢跑(7~12 km/h)、中速跑(12~18 km/h)、高速跑(18~24 km/h)、冲刺跑(>24 km/h),结果发现,网球运动员约有85%的时间处于走(0~7 km/h)的低速区间。但是,这种划分借鉴的是足球对运动员跑动速度的划分方法[31],网球场地远远小于足球场地,运动员单次移动距离较短且有较多的横向移动,运动方式存在较大的差别。使用GPS对网球运动员速度区间的划分必须结合网球的项目特征,Pereira等[106]对比青少年国家级与地区级网球运动员的速度特征,根据网球运动员10 m冲刺跑最快速度将速度划分为6个区间(0~5.5 km/h、5.5~7.0 km/h、7.0~10.0 km/h、10.0~15.0 km/ h、15.0~18.0 km/h、>18 km/h,加速度则统计<0~0.5 m/s2、0.5~1 m/s2、1~1.5 m/s2、1.5~2 m/s2、2~3 m/s2、3~4 m/s2、>4 m/s2),研究结果表明,国家级比赛中运动员在不同速度区间上持续的距离要大于地区级比赛,国家级运动员比赛的总负荷也明显大于地区级运动员,国家级比赛中运动员加速度>1.5 m/s2的次数要多于地区级运动员比赛(但并不存在显著差异,图5)。Hoppe等[70]根据网球运动员20 m直线加速跑的最快速度将网球运动员速度变化划分为5个区间(0~1 m/s、1~2 m/s、2~3 m/s、3~4 m/s、>4 m/s),研究还根据运动员22 m折返跑的加速度情况,统计运动员加速度≥2 m/s2和≤-2m/s2区间内出现次数与持续时间,发现网球运动员比赛中最快速度为4.4m/s,平均速度为0.7 m/s,每盘比赛中加速度≥2 m/s2有12次,≤-2m/s2有11次,运动员胜负与速度、加速度特征不存在相关性,比赛期间速度与加速度之间没有明显差别。但是,上述两个研究的研究对象都为青少年,平均年龄在13岁,青少年运动能力与成年网球运动员存在较大的差别。目前,缺乏对成年网球运动员比赛过程中速度特征与加速度特征的研究。
图5 不同水平网球运动员不同加速度区间出现次数[106]Figure 5. Number of Accelerations Performed at Different Leavels
网球比赛的持续时间长,有效比赛时间短。网球比赛中运动员的总跑动距离长,单次移动距离较短,变向次数多。单独从时间和距离上很难全面认识网球比赛的强度,传统对网球比赛运动学特征的研究缺乏对网球运动员比赛过程中的速度、加速度以及移动方向特征的研究,对网球运动员运动学特征有待进一步的深入研究。
4.2 网球比赛的生理学特征
如果说网球比赛的运动学特征是反映运动员外部负荷的主要方式,那么,网球比赛的生理学特征则是反映运动员内部负荷的主要方式。网球比赛生理学特征主要包括运动员在比赛中的心率(HR)、摄氧量(VO2)、血乳酸(Lac)、主观疲劳度(RPE)和能量消耗等[1]。与网球比赛的运动学特征类似,网球比赛的生理学特征受外界环境的影响因素较多,且更容易受运动员心理因素的影响。除能量消耗需要通过间接计算外,运动员比赛过程中的的HR、VO2、Lac、RPE都可以通过直接测量的方法获得(表5)。
表5 网球比赛中运动员的生理学特征指标Table 5 Physiological Characteristics of Athletes in Tennis Match
与间歇性球类项目类似,网球比赛总体的生理学强度并不高。网球运动员比赛过程中的平均VO2在20~30 mL/min/kg之间,平均VO2在运动员O2max的45%~55%之间[54,57,60,76,95,120],运动员比赛过程中的平均HR在135~155次/min之间,平均心率在运动员最高HR的70%~85%[57,60,71,76,95,112,120],比赛中的平均Lac<4 mmol/L[54,60,92,95,112,120],RPE[25]在12~14之间,处于中等强度水平[54,76,92,95,112],网球比赛平均代谢当量在5~7 METs[104,117]。但是,平均强度并不能有效地反映间歇性运动项目的强度特征[59]。网球平均回合时间在4~10 s,但某些比赛中长回合时间在60 s以上,长回合过程中运动员的瞬时VO2接近50 mL/min/kg,达到运动员O2max的80%[112,120],瞬时HR可达200次/min,接近运动员的最大HR[95],长回合后运动员的即时Lac浓度可达到8 mmol/L[92],RPE达到17(属于高强度)[54,92]。网球比赛中回合时间越长,间歇时间越短,运动强度就越高[55]。
除了回合与间歇时间外,场地类型也会对网球比赛的生理学特征产生影响,红土场地比赛与硬地比赛中运动员的平均VO2无明显差异,但比赛中的运动员VO2的最大值与最小值均出现在硬地比赛中,而红土场地比赛运动员VO2变化更为平缓,此外,红土场地比赛中运动员的平均HR与平均Lac均高于硬地比赛,红土比赛对运动员生理学要求更高[95]。
运动员不同战术类型与打法风格的生理学特征也存在一定差异,防守型运动员回合时间长于进攻型运动员,所以,防守型运动员对生理学需求就更高[120]。Fernandez等[54]和Smekal等[120]的研究发现,网球比赛中运动员发球与接发球局中的HR、Lac、RPE均不存在明显差异,发球局与接发球局对运动员的生理学需求相似。但是,Mendezvillanueva等[92]人的研究发现,运动员发球局的Lac浓度和RPE明显高于接发球局(发球局Lac=4.6 mmol/L,RPE=13.5;接发球局Lac=3.2 mmol/L,RPE=12.0)。同样,Kilit等[76]的研究也发现,网球比赛中运动员发球局对生理学的需求明显高于接发球局(发球局平均VO2=27.6 mL/min/kg,平均HR=146.6次/min,RPE=13.5;接发球局平均VO2=25.6 mL/min/kg,平均HR=138.8 次/min,RPE=12.0)。这可能是由于运动员水平不同导致的,Mendezvillanueva等和Kilit等的研究中运动员有较高的国际排名,经常参加国际赛事,而Fernandez等和Smekal等的研究中运动员水平均不高。高水平比赛多是发球主导[102],运动员在发球局中往往更加积极主动,所以发球局对运动员的生理学能力要求更高。
网球运动员比赛过程中的能量消耗与不同供能系统供能比例能够更加客观地反映网球比赛的生理学特征。Fernandez等[57]在研究中将网球运动员比赛过程中的VO2直接转化为能量(1 L氧气转换为5 kcal热量,5 kcal/L),研究发现,业余运动员水平较高者比赛中平均能量消耗为8.8 kcal/min,少于水平较低者9.4 kcal/min。Kilit等[76]人运用相同的方法对职业运动员进行研究发现,运动员比赛中发球局能量消耗为9.7 kcal/min,而接发球局的能量消耗为9.3 kcal/min。此方法虽然简便易行,但是没有考虑性别与个体差异。Ferrauti等[60]采用间接测热法测定业余网球参与者比赛中的能量消耗,男子比赛中的能量消耗为0.56 kJ/min/kg,女子为0.48 kJ /min/kg,性别之间的能量消耗差异并不大。上述研究都只是统计了网球比赛中的有氧供能部分,而网球比赛多回合长时间对抗过程中运动员的最高Lac可达8 mmol/L,糖酵解供能大量参与[92],网球发球、底线击球速度可达200 km/h以上,磷酸原供能在击球动作中占主导地位。网球比赛过程中无氧供能在高强度做功中大量参与,但网球比赛回合休息时间较多,有效比赛时间不足50%,这种间歇性运动特征加大了对网球项目供能特征研究的难度。Botton等[26]在研究中采用便携式气体代谢仪测定运动员在走、跑、击球、发球、休息5个基本动作模式下的能量消耗和有氧无氧供能百分比,然后采用录像分析法记录运动员比赛5个基本模式下持续的时间与次数,最后运用数学算法进行计算,结果显示,网球运动员无氧供能在单个击球动作中约占95%,每分球约有70%,在整场比赛中约有30%。虽然,这则研究给出了无氧供能在网球比赛中的供能比例,但这种能量供应比例的计算方式还值得商榷。黎涌明等[5]基于周期类运动方式给出了对不同持续时间高强度运动的有氧供能比例,认为持续时间大于10 min的高强度运动的有氧供能比例>96.8%。按此推断,网球比赛的有氧供能比例>96.8%,但是,网球比赛属于间歇性运动(而非持续性高强度运动),其能量供应比例可能有所不同。不管怎样,可以明确的是,网球比赛属于一个有氧供能主导的过程,磷酸原供能在回合内的加速、减速和击球过程中起重要作用。
网球比赛的总体强度并不高,运动员在击球与多回合高强度对抗过程中以无氧供能为主,运动员生理学强度在短时间内会达到较高的水平,而在回合之间的休息过程中有氧能力帮助运动员快速恢复。网球是一项对运动员无氧能力和有氧能力要求均比较高的运动项目,单从各项生理学指标的平均值难以准确把握网球项目的生理学特征。网球项目特征有待对运动员比赛过程中生理学和运动学指标的动态变化进行更多研究。
4.3 网球项目的生物力学特征
对网球项目生物力学研究中最重要的是对网球击球过程中人体运动生物力学的研究。网球击球过程是将人体肌肉收缩产生的力,通过肢体环节的运动作用至网球,以达到控制网球的飞行速度与轨迹[49]。网球运动员的力量特征[28,30,46,48,72,98,114,131]、身体不同环节在击球过程中的运动学特征[14,36,50,52,87,124,125]、以及不同击球技术在生物力学方面的差异[15,37,47,51,61,78,110]一直是网球生物力学研究的热点。影响网球运动员力量产生的因素包括肌肉主动收缩力量和肌肉收缩形式两类。网球运动员在挥拍前要先向后引拍,使需要收缩做功的肌肉预先拉长,达到肌肉收缩的最佳初长度,同时增加对弹性势能的利用[133]。运动员下肢肌肉收缩,蹬地发力,依次通过躯干、肩关节、上肢、球拍最后作用于击球,身体不同环节发力要依次进行,从而保证动力链有效传导,实现力量的最大利用[74]。网球击球技术复杂多样,但是,所有的击球技术都遵循一个基本的动作结构:准备、后摆引拍、挥拍击球、随挥[4]。不同的是在技术环节上对身体部位的运动顺序和速度要求不同,通过对大量优秀网球运动员击球技术的生物力学分析可以建立正确的网球技术模型,对优化网球参与者击球技术有非常重要的意义。对网球生物力学的研究还有一大部分集中于网球运动员损伤[12,33,53,65,77,113,128],绝大多数运动损伤是由力学因素造成的[49],不同于同场对抗类运动项目,网球存在着大量因过度使用造成的慢性损伤,如网球肘[53]、肩关节损伤[113]和下腰背疼痛[33]。慢性损伤一方面是由网球运动员击球技术不合理造成的[23,33],另一方面,还与网球运动员长期技术练习造成不同部位向心收缩力量与离心收缩力量失衡有很大关系[100]。网球运动员持拍手单侧发力,长时间训练容易造成身体两侧力量不均衡,身体形态不对称的现象,网球训练中应重视对非持拍侧的训练,预防运动损伤[73]。
除了运动员自身因素外,还有其他外部因素对网球项目的生物力学发展起到重要影响。网球进入公开赛以来,随着选材的发展,网球运动员体型越来越高大。同时,网球赛事越来越多,运动员训练量与参赛量不断增加,运动员的网球技术越来越娴熟,运动员的击球速度越来越快[81]。除此之外,高科技在网球项目的应用越来越普遍,首先是球拍材质的改进,1970年,合成材料球拍的出现使得现代网球拍质量更轻,挥重更小,球拍挥拍速度大大提升,同时,合成材质抗拉程度更强,球拍可以承受更高的拍弦张力[94](表6)。其次网球线也从羊肠线、尼龙线过渡到聚酯纤维球线,球线的抗拉力程度越来越高,击球时的能量转换效率相应提高,多棱线的出现使得球拍在击球时可以为网球施加更多的旋转保证击球的稳定性[93]。科技对网球的影响还体现在网球鞋上,新型材质的应用、不同鞋底纹路的设计以及良好的包裹性,为运动员提供较大的摩擦力,增强了网球运动员移动过程中的加速与减速能力[94]。
表6 木质球拍与合成材料球拍的性能参数[94]Table 6 Comparison of Characteristics between Wood and Composite Racquets
选材与科技的进步使得网球比赛击球回合变短,加快了网球比赛的节奏,同时比赛的观赏性也大大降低。为了改变这种现状,大量的学者对网球器材[10,13,35,40,42,66,68,89]和球场[29,99,122,123]特征进行了研究,根据研究结果,ITF对网球规则进行修改。在增加网球回合所采取的措施中最有效地就是增加网球直径[68]。2005年,ITF再次修订了网球的规格,对网球的质量、直径、回弹高度和抗压性能做出规定,常规比赛用球共分为3个类型(表7),快速球(比标准球内压力大)、中速球和慢速球(比标准球直径大6%~8.5%)。除了对网球规格的规定外,2006年,ITF还修订了在不同场地使用网球的标准,草地球场摩擦力最小,球速最快,使用慢速球可以增加网球在空中飞行时间[93];硬地球场摩擦力适中,使用中速球;红土球场球接触场地表面易发生形变[68],所以使用加压快速球减小形变。根据球场类型选择使用不同型号的网球,这一规则的应用在不改变原有球场比赛风格的情况下改变了网球比赛的回合时间[29],对提高网球比赛的观赏性起到了非常重要的作用。
表7 网球性能概要Table 7 Summary of Tennis Ball Properties
5 总结和展望
5.1总结
网球是一项高度职业化的运动,高水平职业运动员每年需要参加约20站赛事和约70场比赛。世界优秀网球运动员(男子)的身高约为184 cm,体重约为79 kg,BMI约为23.5 kg/m2,运动水平低的网球运动员在身高、体重方面都与之存在一定差距。网球运动员的O2max为46~72 mL/ min/kg(男)、42~52 mL/min/kg(女),低于优秀耐力项目运动员,但与其他持拍类项目运动员类似。在低水平层面,运动员O2max似乎与运动水平有关,但在高水平层面,O2max与运动水平无关。成年网球运动员无氧功率峰值为10~12 W/kg(男)、8~10 W/kg(女),弱于运动强度较高的项目。网球递增跑动击球测试似乎是评价网球运动员O2max的一种简单而有效的方法。
网球属于间歇性运动,高强度击球和间歇性休息交替进行是网球比赛的基本特征。网球比赛的持续时间在1.5~5 h,平均回合时间在4~10 s,回合之间的平均间歇时间在10~25 s,运动与休息的比值在1:1~1:4,有效比赛时间在20%~50%。网球比赛中运动员平均每次击球的移动距离为3 m,每得1分移动的距离在8~15 m,需要完成4次变向动作,击球次数在2~6次。比赛中约80%的击球处于运动员移动距离的2.5 m范围以内,运动员需要有300~ 500次的高强度运动,比赛的总跑动距离为1 100~3 600 m。
网球比赛的整体生理学强度并不高,运动员比赛过程中平均VO2为20~30 mL/min/kg(45%~55% V.O2max),平均心率为135~155次/min(70%~85% HRmax),平均血乳酸<4 mmol/L,主观疲劳度为12~14(中等强度),平均代谢当量为5~7 METs。但是,平均强度并不能有效反映网球比赛的生理学特征,运动员在回合间的强度指标更高。网球生物力学研究主要围绕网球运动员的力量特征,身体不同环节在击球过程中的运动学特征,不同击球技术在生物力学方面的差异,网球运动员损伤,以及器材的生物力学特征。
5.2 展望
国内关于网球的研究文献呈逐年递增的趋势,但研究多是从社会科学的角度出发,较少采用实验法。网球作为一项以人为主体的运动,需要从生理学和生物力学角度出发,更多地研究网球训练和网球比赛的运动学和生理学特征,为制定训练计划和进一步认识项目特征提供更多的科学依据。此外,由于网球属于间歇性运动,量化这一运动方式的运动负荷相对更难,未来研究需要采用更为有效的测试技术,对不同运动水平的训练和比赛进行包括运动员和球移动的速度、加速度在内的运动学研究,并探究运动学特征与生理学特征之间的关系。
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Review of Sport-Biological Prof i le of Tennis
Tennis is one of the most popular sports in the world,the modern professional tennis tour nament season lasts up to 10 months,such numerous competitions puts forward high demands for the tennis players to keep their competitive capacity and perform. There is a high degree of research on tennis in China;however,the research is more concentrated in the fi eld of sociology,and experimental methods are seldom used,with very limited understanding of the biological features of tennis. This paper summarizes the domestic and international research literature on tennis,analyzes the characteristics of tennis players and the game of tennis. The results show that the morphological and physiological prof i le of tennis players are better than those of ordinary people. Tennis is an intermittent sport:high-intensity exercise and intermittent rest are the basic characteristics of tennis. Though the mean physiological intensity of tennis is not high,intensity becomes higher with the accumulation of each stroke and long rallies. The technical aspects and sports injury related to tennis are the current hotspots of research on tennis biomechanics. In the future,research on tennis should focus on biology,and the study of the kinematics and physiology of tennis training and competition should be strengthened in order to promote the understanding of tennis and improve the level of scientif i c training.
anthropometry;physiology;match characteristic;biomechanics
G804.2
A
1002-9826(2017)05-0069-15
10. 16470/j. csst. 201705008
2016-12-27;
2017-06-19
国家自然科学基金资助项目(31500963);上海体育学院研究生教育创新计划(yjscx2016025)。
李博,男,在读硕士研究生,主要研究方向为网球运动生物学特征,E-mail:412001625@qq.com。
黎涌明,男,副教授,博士,博士研究生导师,主要研究方向为人体运动的动作和能量代谢,Tel:(021)51253467,E-mail:59058729@163.com
1.上海体育学院 体育教育训练学院,上海 200438;2.南京体育学院 中国网球学院,江苏 南京 210014;3.上海市人类运动能力开发与保障重点实验室,上海 200438 1.Shanghai University of Sport,Shanghai 200438,China;2.Nanjing Institute of Physical Education and Sports,Nanjing 210014,China;3.Shanghai Key Lab of Human Performance,Shanghai 200438,China.