排球运动扣球起跳和落地动作的髋、膝、踝动力学分析

原文惠，吴 剑，魏 亮

排球运动扣球起跳和落地动作的髋、膝、踝动力学分析

原文惠，吴 剑，魏 亮

目的研究排球运动扣球起跳和落地动作时髋、膝、踝的动力学特征。方法采用VICON红外三维动作分析系统、AMTI测力台对9名排球运动员的扣球起跳和落地动作进行拍摄，并对不同方式扣球起跳和落地动作的髋、膝、踝进行动力学分析。结果与结论在不同方式扣球起跳过程中左侧关节受力均大于右侧关节。在起跳和落地过程中，踝关节在X轴方向起主要作用，髋关节在Y轴上起主要作用，膝关节在Z轴上起主要作用。排球扣球起跳时，右脚先着地—重心最低点—左脚着地，属于排球起跳动作特有特征。在排球动作起跳中，右腿主要负责将水平速度转化到垂直方向而后伴随蹬地辅助起跳，左腿则主要负责垂直方向发力起跳。

排球；起跳；落地；动力学分析

膝关节损伤是最常见的运动损伤之一，在球类项目中最为常见。排球运动中的急停、急转、减速、跳跃、落地不稳等会造成膝关节非接触损伤，出现关节外翻、外旋、过伸的损伤。在损伤部位的构成比中，占首位的是膝关节为43.1%，腰背部、肩关节与踝关节分别为 22.3%、10.4%、7.1%［1］。 在排球运动中膝关节损伤率最高，而在整个扣球阶段对于膝关节的损伤主要集中在起跳和落地阶段。扣球起跳和落地是排球扣球技术中的重要环节，同时也是排球运动员最容易发生损伤的环节。

扣球是排球比赛胜利的最重要的环节，扣球高度、力量和速度是提高扣球成功率的关键因素，充分的起跳有利于增加扣球效果的攻击性，而在追求扣球高度的同时势必会增大落地时下肢损伤的风险。排球扣球技术对运动员的腾空高度和在空中的身体平衡能力有很高的要求［2］。因此良好的起跳和落地动作能够保证运动员在做动作时能够达到更高的高度同时也预防运动员下肢关节的损伤。

排球扣球由4个环节构成：助跑、起跳、空中击球和落地。其中前两个环节是整个技术动作的基础，尤其对于腾起高度的获得起决定性作用［3］。排球扣球的起跳环节其技术动作具有独特性，既不同于跳远又不同于跳高，而是在追求高度的前提下需要保持适宜的水平速度，以此来增大扣球威力［4］。而前人对扣球技术的研究都集中在起跳时如何提高起跳高度为更好的击球提供条件和空中击球阶段如何将扣球技术最优化的问题［5］。排球是一项要求运动员连续起跳—落地、启动—制动的球类项目，比赛获取胜利主要是通过空中来完成动作击败对方，各项技术要求运动员反复深蹲且幅度过大，很多的训练动作要求从不同的方向落地以及训练时高强度训练负荷，不断增加膝关节的负荷，导致膝关节最容易受伤［6］。

目前国内对于膝关节损伤机制的研究主要集中在运动学方面的研究，对于动力学的研究较少。国外最新研究报道，潜在性的膝关节损伤患者在完成屈膝发力动作时，某些核心肌肉力学参数会出现代偿性的变化，但这种代偿机制对于早期膝关节损伤患者临床症状并不明显［7］。本研究对9名中北大学男子排球运动员的不同方式扣球起跳和落地动作 （四号位集中扣球、四号位拉开扣球、后排扣球）进行测试，通过对下肢髋、膝、踝三关节运动学、动力学参数的分析，进一步了解男子排球运动员的技术动作特点对于下肢关节的影响，探讨不同方式扣球起跳和落地动作下肢关节的生物力学特征，揭示膝关节发生损伤时下肢三关节力学参数所产生的影响及变化规律，为排球扣球技术的教学和训练以及损伤的预防提供有效的参考，为科学化的训练提供一些理论依据。

1 研究对象与研究方法

1.1 研究对象

以排球运动员扣球起跳和落地动作的髋、膝、踝动力学分析为研究对象。以9名中北大学男子排球运动员为实验对象，运动员的平均年龄为（21.2±0.83）岁，平均身高为（188.18±4.63）cm，平均体重为（83.29±8.41）kg。 参加测试期间无损伤。受试者测试前均无踝、膝关节手术史。所有受试者都表示自愿参加本次实验。运动员基本信息见表1。

表1 运动员基本信息统计表

图1 受试者图片

图2 实验过程

1.2 研究方法

1.2.1 数据的采集

以Vicon动作分析测量系统12台Vicon MX红外线高速摄影机进行三维空间的影像收集，采集频率为300 Hz，收集黏贴于全身的39个反光球在坐标系统中的轨迹，利用软件处理反光球在空间中的轨迹，并建立3D人体模型，解析技术动作。

以四块AMTI三维测力台收集地面反作用力的数据，采集频率1 500 Hz，将测力台与VICON系统连接；进行运动员身体数据的测量（身高、体重、年龄、腿长、膝宽、踝宽、肩峰端与肩关节活动中心之间距离、肘宽、腕宽、掌厚）输入VICON红外三维动作分析系统。

1.2.2 实验设计

备好实验所需器材（Marker点、双面胶、紧身衣、三脚架等），将Marker点按照VICON红外三维动作分析系统测试要求的39个点粘贴在测试者的关节处。所有受试者穿着自己的运动鞋进行测试，在测试前要求参与者进行10min的热身并练习扣球的动作。本实验扣球动作要求工作人员站在测力台右侧，并将球传给受试者进行扣球动作。受试者的扣球路线：1）为四号位集中扣球；2）为四号位拉开扣球；3）为后排扣球。对运动员的不同扣球助跑起跳动作和落地动作进行多次采集。测试过程中要求受试者在起跳时双脚必须踏入四块测力台中的两块，扣球动作完成后，双手不能触网，落地后双脚分别落在两块测力板，并维持稳定站立姿势，并在每次测试时提醒受试者尽最大努力进行扣球动作。在落地时发生失去平衡、跨步等不稳定着地的动作则被认为动作无效须重新测试，共收集3次成功的数据。

图3 实验现场示意图

图中圆圈为VICON的红外摄像头，矩形为4块AMTI测力台。X轴为排球场短边，Y轴为排球场长边（即运动方向），Z轴为垂直轴。

1.2.3 数据的处理与分析

本研究中，人体环节惯性参数采用WINTER所介绍的标准。通过测力台收集扣球着地的原始数据，所测得的数据用来判断着地的瞬间，并将其测得的地面反作用力数据以身体的体重对原始数据进行标准化，将标准化后的地面反作用力进行处理分析。根据逆动力学理论，将得到的动力学参数，运用运动学参数和人体模型参数对下肢各关节受力情况进行推导，通过软件Vicon Nexus 2.5.0建立下肢刚体模型，并对其进行滤波平化处理并导出，通过逆动力学推算出膝、髋、踝关节关节受力数据，找出膝、髋、踝三关节受力最大时刻。以此时刻为研究对象，对关节受力、关节力矩进行对比研究。实验数据通过Microsoft Excel软件进行记录与统计。

2 结果

2.1 起跳方式下膝、髋、踝受力比较

在整个起跳过程中，找出膝、髋、踝关节受力最大时刻，以此为研究时刻进行研究。

表2 不同起跳方式下膝、髋、踝关节受力情况（N）

图4 不同起跳方式下膝、髋、踝关节合力

表2是不同起跳方式下膝、髋、踝关节受力的研究结果。其中，左侧膝关节所受合力为1 988.3±111.5N；右侧膝关节所受合力为1 454.9±82.9N；左侧髋关节所受合力为1 640.3±127.0N；右侧髋关节所受合力为1 229.4±153.2N左侧踝关节所受合力为1 923.4±106.8N；右侧踝关节所受合力为1 446.0±97.6N。从表2可以看出左侧关节受力均大于右侧关节，说明在起跳过程中左腿主要为蹬伸腿，右腿主要为缓冲腿，扣球主要以左腿蹬伸来获得高度，因此左侧关节受力必定大于右侧。

2.2 落地时膝、髋、踝关节比较

图5 起跳过程截图

在整个落地过程中，找出膝、髋、踝关节受力最大时刻，以此为研究时刻进行研究。

图6 不同落地方式下膝、髋、踝关节合力

表3 不同方式落地时膝、髋、踝关节受力情况（N）

表3是不同方式落地时膝、髋、踝关节受力的研究结果。其中，左侧膝关节所受合力为3 265.8±366.9N；右侧膝关节所受合力为2 968.4±155.1N；左侧髋关节所受合力为2 755.3±404.6N；右侧髋关节所受合力为2 630.2±49.8N左侧踝关节所受合力为1 748.2±290.1N；右侧踝关节所受合力为1 633.0±297.1N。从表3中可以看出左侧关节受力大于右侧，这是因为人体在空中扣球是身体与球网存在一定的角度，空中人体的躯干和上肢都是向右侧展腹和拉臂，到挥臂扣球阶段时人体由右侧向左侧旋转做收腹和挥臂动作，因此在落地过程中人体的受力都向左侧转移，于是增大了左侧关节的受力。

3 分析与讨论

3.1 不同起跳方式下膝、髋、踝关节动力学分析

排球扣球起跳动作是指从右脚着地瞬间开始到双脚起跳离地瞬间结束。

通过不同起跳方式下膝、髋、踝关节受力情况对比可以看出，左侧关节发力比右侧关节发力要大，不同起跳方式下髋、膝、踝左右侧趋势一致。踝关节在X轴方向起主要作用，髋关节在Y轴上起主要作用，膝关节在Z轴上起主要作用［8］。

由于排球起跳动作是要将Y轴的水平速度转化到Z轴垂直速度，来获得更高的高度［9］，研究结果表明，在速度转换的过程中，通过将脚尖从Y轴向X轴转动来获得制动，故踝关节在X轴方向起主要作用；通过髋关节的屈伸来获得制动，减少Y轴的水平速度，故髋关节在Y轴方向起主要作用；通过膝关节的屈伸来获得制动和主动蹬伸为了获得高度，故膝关节在Z轴方向起主要作用，髋关节在Z轴受力也较大，表明在Z轴主要有膝关节、髋关节起主要作用。

3.2 不同落地方式下膝、髋、踝关节动力学分析

通过不同落地方式下膝、髋、踝关节受力情况对比可以看出，整个落地过程中，缓冲主要由膝关节和髋关节完成［10］。通过以上对比可以看出，踝关节在X轴起主要缓冲作用，髋关节在Y轴起主要缓冲作用，膝关节在Z轴起主要缓冲作用、髋关节其次。在整个落地过程中，缓冲主要由膝关节和髋关节完成。由于运动员完成击球动作需要在空中完成上肢的转体动作，故造成 X 轴受力较大［11］。

在起跳和落地过程中，踝关节主在X轴方向要主要作用，髋关节在Y轴上起主要作用，膝关节在Z轴上起主要作用。3个关节分别负责不同方向轴的工作，可以帮助教练员分析运动员损伤原因、以及技术动作的不足之处。

排球扣球起跳时，右脚先着地—重心最低点—左脚着地的现象发现，为起跳瞬间的能量转化提供理论依据，可以帮助教练员重新认识起跳动作，为运动员优化起跳技术。

4 结论与建议

4.1 结论

1）在起跳过程中，关节受力分析踝关节主在X轴方向要主要作用，髋关节在Y轴上起主要作用，膝关节在Z轴上起主要作用。

2）在落地过程中，关节受力分析踝关节主在X轴方向要主要作用，髋关节在Y轴上起主要作用，膝关节在Z轴上起主要作用。

3）排球扣球起跳时，右脚先着地—重心最低点—左脚着地，属于排球起跳动作特有特征。本人认为在排球动作起跳中，右腿主要负责将水平速度转化到垂直方向而后伴随蹬地辅助起跳，左腿则主要负责垂直方向发力起跳。

4.2 建议

1）由于排球起跳和落地动作在X、Y、Z轴中膝、髋、踝三关节各有作用，为了保护运动员关节寿命建议增加每个关节的专项训练。

2）由于右脚先着地—重心最低点—左脚着地现象的发现，左右腿部在训练中着重点有所不同，右腿主要训练水平方向的力量，左腿则主要训练垂直方向的力量。

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Dynamic Analysis of Hip，Knee and Ankle of Jump Spike and Landing in Volleyball

YUAN Wen-hui， WU Jian， WEI Liang

ObjectiveTo study dynamics characteristics of volleyball jump spike and landing movement in hip，knee and ankle.MethodsUsing VICON infrared three-dimensional motion analysis system，and AMTI force platform.Results and ConclusionIn different jump spike ways，the force of the left joint was greater than that of the right joint.In the process of jumping and landing，the ankle played a major role in the X-axis direction， and the hip joint played a major role in the Y axis， and the knee joint played a major role in the Z axis.The characteristic of the jumping action was that right foot touched the ground first--the lowest point of gravity--on the left foot.In the jump of the volleyball，the right leg was mainly responsible for converting the horizontal speed to the vertical direction and then with the help of the pedal，and the left leg was mainly responsible for the vertical jump.

Volleyball； Jump； Landing； Dynamic analysis

G80-05

A

1003-983X（2017）12-1085-05

2017-10-13

原文惠（1992～），女，山西祁县人，在读硕士，研究方向:运动生物力学.

中北大学体育学院，山西 太原，030051 Physical Education College of North University of China，Taiyuan 030051，China