排球运动扣球起跳和落地动作的动力学分析

郭俊芬，贾 谊



排球运动扣球起跳和落地动作的动力学分析

郭俊芬，贾 谊

中北大学体育学院，山西 太原，030051。

研究目的：对下肢关节受力情况进行处理与分析，探究排球运动中导致膝关节损伤的机制。研究方法：以男子排球运动员为研究对象，使用VICON红外三维动作分析系统、AMTI测力台、Basler高速摄像机，采集运动员整个扣球过程中的数据，并选取运动员助跑扣球起跳、落地动作中得到的动力学参数进行分析。研究结果：整个扣球过程中，主要支撑作用由膝关节和踝关节完成。左侧膝关节主要负责蹬伸，右侧膝关节主要负责制动和辅助起跳。整个落地过程，缓冲主要由膝关节和髋关节完成。起跳过程中为了取得更高高度，运动员充分制动，使身体朝向和助跑方向存在一定夹角，在此过程中，下肢关节因为转动的发生极易损伤。结论：（1）不同方式起跳和落地时左膝关节受力在X轴较大，这是对左膝十字交叉韧带造成损伤的原因之一。（2）不同方式起跳和落地时膝关节力矩在X轴较大，这是对膝关节内侧副韧带造成损伤的原因之一。（3）膝关节力矩在Y轴较大，这是对膝关节十字交叉韧带造成损伤的原因之一。

排球；起跳；落地；动力学分析

排球运动中膝关节损伤率最高[1]，膝关节损伤主要集中在扣球起跳和落地阶段[5]。本文通过对男子排球运动员不同方式扣球起跳和落地动作进行动力学分析，获取不同方式扣球起跳和落地时得到的运动学参数，对下肢关节受力情况进行推导，找出他们的动作特点、规律以及存在的技术问题，探究排球运动中导致膝关节损伤的机制。通过分析和总结排球运动扣球动作的基本力学特征，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[6]。

1 测试与数据处理方法

1.1 测试对象

本文以大学生男子排球运动员为主要测试对象，运动员基本信息见表1。

表1 运动员情况统计表

1.2 测试设备

英国OML公司生产的VICON红外三维动作分析系统（拍摄频率300HZ）

AMTI（40cm*60cm）测力台（采集频率1500HZ）

高速摄像机两台（型号为Basler piA640-210gc，其分辨率为648×488，其拍摄帧频为50Hz）

松尾芭蕉被称为“俳圣”，他创作的俳句在日本可以说是“前无古人，后无来者”。王维被称为“诗佛”，他的山水诗继承并发展了陶渊明、谢灵运，后世极少有人能比肩。两人生于不同的国家，不同的年代，但殊途同归，在诗歌上表现了人与自然合而为一的境界，但在审美意识上却能看到若干不同之处。

本文其余部分的结构如下：第二部分为理论分析与研究假说，第三部分为研究设计与模型构建，第四部分为实证结果与分析，最后为结论和政策建议。

1.3 测试设计与测试方法

1.3.1 实验场地与器材的设计

图1 实验现场示意图

注：图中圆圈为VICON的红外摄像头、三角为Basler高速摄像机、黑色矩形为四块AMTI测力台

1.3.2 实验条件的设置

图2 实验的3种方式

（4）不同方式起跳时左膝关节受力在X轴较大，这可能是对左膝十字交叉韧带造成损伤的原因。不同方式起跳时膝关节力矩在X轴最大，这可能是对膝关节内侧副韧带造成损伤的原因；膝关节力矩在Y轴较大，这可能是对膝关节十字交叉韧带造成损伤的原因[7]。

1.3.3 测试过程

（1）前期工作。记录被测运动员的基本情况（身高、体重、年龄）输入测试系统，将测力台、高速摄像机都与VICON系统连接；进行运动员身体数据的测量[3]（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下肢长度——髂前上棘到内踝的长度

②膝宽——膝内外侧宽度

③踝宽——内外踝之间的距离

④肘宽——肘内外侧宽度

⑤腕宽——腕关节内外侧宽度

⑥掌厚——手掌掌骨最厚部位厚度

⑦肩峰端与肩关节活动中心之间距离

（2）测试步骤。将Marker点按照VICON红外三维动作分析系统测试要求粘贴在测试者的关节处；同步摄像，开始测试，为了确保数据的准确性，不同条件下每个动作进行至少3次视频采集，为了避免疲劳，应注意每组测试之间的间歇时间[4]；保存数据。

图3 被试者Marker点粘贴示意图

图4 被试者测试过程图片

1.3.4 数据处理方法 对采集的原始运动学与动力学参数进行处理[2]，通过软件VicoN Nexus 2.5建立全身刚体模型，并对其进行滤波平化处理，计算全身各环节的位移、速度、加速度以及角度、角速度、角加速度等运动学参数。

2 研究结果与分析讨论

2.1 起跳时膝关节比较

2.1.1 起跳时膝关节受力比较 计算出整个起跳过程中膝关节的受力，找出膝关节受力最大时刻，以此为研究时刻进行研究，以下均为膝关节最大受力数据。

图5 左、右膝关节受力最大时刻（注：绿色为右侧、红色为左侧）

表2 3种起跳方式膝关节受力对比表（单位：N）

相同轴3种起跳方式的对比

图6 X轴3种起跳方式膝受力对比

用单因素方差分析X轴3种起跳方式左膝受力（F=0.534，P=0. 0.806）、右膝受力（F=0.625，P=0.393），均无显著性差异；

图7 Y轴3种起跳方式膝受力对比

用单因素方差分析Y轴3种起跳方式左膝受力（F=0.946，P=0.875）、右膝受力（F=0.712，P=0.832），均无显著性差异；

图8 Z轴3种起跳方式膝受力对比

用单因素方差分析Z轴3种起跳方式左膝受力（F=0.372，P=0.521）、右膝受力（F=0.583，P=0.600），均无显著性差异。

相同起跳方式左右关节的对比

图9 集中起跳左、右膝关节受力比较

用配对样本T检验，在集中起跳方式下对X轴左膝、右膝进行对比，有显著性差异（P=0.004）；对Y轴左膝、右膝进行对比，无显著性差异（P=0.434）；对Z轴左膝、右膝进行对比，有显著性差异（P=0.026）。

图10 拉开起跳左、右膝关节受力比较

用配对样本T检验，在拉开起跳方式下对X轴左膝、右膝进行对比，有显著性差异（P=0.009）；对Y轴左膝、右膝进行对比，无显著性差异（P=0.813）；对Z轴左膝、右膝进行对比，有显著性差异（P=0.012）。

图11 后排起跳左、右膝关节受力比较

用配对样本T检验，在拉开起跳方式下对X轴左膝、右膝进行对比，有显著性差异（P=0.013）；对Y轴左膝、右膝进行对比，无显著性差异（P=0.565）；对Z轴左膝、右膝进行对比，有显著性差异（P=0.031）。

2.1.2 膝关节力矩的比较 计算出整个起跳过程中膝关节的受力，找出膝关节受力最大时刻，以此为研究时刻进行研究，以下均为膝关节最大受力时刻计算出的力矩数据。

表3 3种起跳方式膝关节力矩对比表（单位：N•M/KG）

相同轴3种起跳方式的对比

图12 X轴3种起跳方式膝力矩对比

用单因素方差分析X轴3种起跳方式左膝力矩（F=0.473，P=0.182），右膝力矩（F=0.289，P=0.587），均无显著性差异。

图13 Y轴3种起跳方式膝力矩对比

将本院在2017年1月至2018年1月收治60例病例作为研究资料,这些患者均为应用多种西药联合治疗后出现不良反应的病例,回顾性分析这些临床资料,全部患者均签署知情同意书。其中,男32例,女28例,年龄为18-76岁。

图14 Z轴3种起跳方式膝力矩对比

合肥需要开拓夜间旅游资源，注重夜游资源的多样性，不仅要关注城市现代时尚类夜游资源的开发，还要注重遗址遗迹、聚落等具有历史厚度的资源发掘，自然与人文并重，避免重复开发，同时注重夜游资源在地域空间内的优化组合。通过对合肥现有资源特点的考察，结合夜游开发的条件，综合考虑资源的夜间可进入性、设施条件及打造成本，列出合肥夜间旅游发展的潜力资源(表1)。

相同起跳方式左右关节的对比

图15 集中起跳左、右膝关节力矩比较

用配对样本T检验，在集中起跳方式下对X轴左膝、右膝进行对比，无显著性差异（P=0.298）；对Y轴左膝、右膝进行对比，无显著性差异（P=0.116）；对Z轴左膝、右膝进行对比，无显著性差异（P=0.444）。

两组患者均连续治疗7天,观察治疗过程中的身体反应,一旦出现过敏反应或者其它不良反应等应立即停止输注,及时采取诊治措施。

图16 拉开起跳左、右膝关节力矩比较

用配对样本T检验，在拉开起跳方式下对X轴左膝、右膝进行对比，无显著性差异（P=0.555）；对Y轴左膝、右膝进行对比，无显著性差异（P=0.298）；对Z轴左膝、右膝进行对比，无显著性差异（P=0.174）。

图17 后排起跳左、右膝关节力矩比较

用配对样本T检验，在后排起跳方式下对X轴左膝、右膝进行对比，无显著性差异（P=0.638）；对Y轴左膝、右膝进行对比，无显著性差异（P=0.778）；对Z轴左膝、右膝进行对比，无显著性差异（P=0.517）。

起跳过程中对膝关节受力和力矩比较可以看出：

（1）膝关节Z轴受力明显大于X轴和Y轴，在X轴和Z轴受力左膝关节明显大于右膝关节。

（2）膝关节X轴力矩明显大于Y轴和Z轴。膝关节力矩在X轴明显左侧大于右侧，Y轴和Z轴方向无明显差距。

（3）3种起跳方式下膝关节受力，在X轴和Z轴方向均有显著性差异，其原因可能是：左右膝关节所处时刻不同，动作也不同。右膝需要将Y轴的水平速度转化到Z轴而获得垂直速度以便于获得更好的高度，故将膝关节朝X轴方向产生扭动，缓冲完成；左膝在完成缓冲以后为获得起跳高度迅速蹬伸，完成起跳动作。说明在起跳时左右膝关节作用不同，左膝负责起跳时主要的蹬伸、右膝负责制动和辅助起跳。

3种扣球情况：（1）四号位集中扣球；（2）四号位拉开扣球；（3）后排扣球。

用配对样本T检验，在拉开落地方式下对X轴左膝、右膝进行对比，无显著性差异（P=0.585）；对Y轴左膝、右膝进行对比，无显著性差异（P=0.918）；对Z轴左膝、右膝进行对比，无显著性差异（P=0.289）。

（5）不同方式起跳时膝关节力矩均无显著性差异，可能的原因是：训练时没有针对位置特点进行扣球训练，统计学本身不存在差异，样本数量较少。

用单因素方差分析Y轴3种落地方式左膝受力（F=0.337，P=0.210）、右膝受力（F=0.468，P=0.805），均无显著性差异；

2.2 落地时膝关节比较

2.2.1 落地时膝关节受力比较 计算出整个落地过程中膝关节的受力，找出膝关节受力最大时刻，以此为研究时刻进行研究，以下均为膝关节最大受力数据。

众多教育名家近乎一致地提倡“农业为主”的生产教育，使得“目前的生产教育完全被笼罩于‘农业为主工业为辅’的氛围气中”[14]。这种情形引起了吴景超、钱亦石等学者的强烈不满。他们在《独立评论》、《东方杂志》等刊物上撰文，以中国社会经济现实与世界经济发展趋势为依据，反驳生产教育“农业为主”论的观点，提出“工业为主”的主张。

表4 3种落地方式膝关节受力对比（单位：N）

相同轴3种起跳方式的对比

图18 X轴3种起跳方式膝受力对比

用单因素方差分析X轴3种落地方式左膝受力（F=0.599，P=0.359）、右膝受力（F=0.940，P=0.726），均无显著性差异；

图19 Y轴3种起跳方式膝受力对比

（6）由于起跳过程是将水平速度转化成垂直速度，从而达到更高高度的过程。右侧膝关节先达到受力峰值，左侧膝关节后达到受力峰值。起跳过程中为了取得更高高度，运动员充分制动，使身体朝向和助跑方向存在一定夹角，再将身体朝向转动至助跑方向完成起跳动作。

图20 Z轴3种起跳方式膝受力对比

用单因素方差分析Z轴3种落地方式左膝受力（F=0.368，P=0.293）、右膝受力（F=0.502，P=0.853），均无显著性差异。

(2)2005年，Klein优化了在相关密钥下的唯密文攻击RC4，Tews等用Klein攻击，可以在一分钟之内破解104位WEP协议。

相同起跳方式左右关节的对比

图21 集中落地左、右膝关节受力比较

用配对样本T检验，在集中落地方式下对X轴左膝、右膝进行对比，有显著性差异（P=0.047）；对Y轴左膝、右膝进行对比，无显著性差异（P=0.815）；对Z轴左膝、右膝进行对比，无显著性差异（P=0.126）。

图22 拉开落地左、右膝关节受力比较

用配对样本T检验，在拉开落地方式下对X轴左膝、右膝进行对比，无显著性差异（P=0.927）；对Y轴左膝、右膝进行对比，无显著性差异（P=0.108）；对Z轴左膝、右膝进行对比，无显著性差异（P=0.551）。

图23 后排落地左、右膝关节受力比较

(2)高度集成化。自动化技术的应用不仅仅局限于某单一方面技术的应用，而是将不同的现代化技术，如计算机技术、单片机技术、传输系统和信息采集等技术紧密集成，借助人机控制界面实现煤矿资源开发利用的过程，实现了对机械设备动态监测及控制的目的，推动了煤矿机电自动化技术向智能化发展。

2.2.2 落地时膝关节力矩的比较 计算出整个落地过程中膝关节的受力，找出膝关节受力最大时刻，以此为研究时刻进行研究。

表5 3种落地方式膝关节力矩对比表（单位：N•M/KG）

相同轴3种起跳方式的对比

图24 X轴3种起跳方式膝力矩对比

用单因素方差分析X轴3种落地方式左膝力矩（F=0.705，P=0.355）、右膝力矩（F=0.804，P=0.351），均无显著性差异；

用单因素方差分析Z轴3种起跳方式左膝力矩（F=0.491，P=0.238），右膝力矩（F=0.325，P=0.136），均无显著性差异。

图25 Y轴3种起跳方式膝力矩对比

用单因素方差分析Y轴3种落地方式左膝力矩（F=0.043，P=0.800）、右膝力矩（F=0.071，P=0.381），均无显著性差异；

图26 Z轴3种起跳方式膝力矩对比

用单因素方差分析Z轴3种落地方式左膝力矩（F=0.135，P=0.280）、右膝力矩（F=0.430，P=0.960），均无显著性差异。

首先，事业单位各部门、人员要明确责任分工和权限，除了要设立部门责任制之外，还应将具体责任落实到个人。其次，各部门应带头细化单位内部的各类规章机制，强调细节管理，争取每一环节都设有严谨的约束机制，为经费管控保驾护航。

相同起跳方式左右关节的对比

图27 集中落地左、右膝关节力矩比较

用配对样本T检验，在集中落地方式下对X轴左膝、右膝进行对比，无显著性差异（P=0.193）；对Y轴左膝、右膝进行对比，无显著性差异（P=0.262）；对Z轴左膝、右膝进行对比，无显著性差异（P=0.691）。

图28 拉开落地左、右膝关节力矩比较

用配对样本T检验，在拉开落地方式下对Y轴左膝、右膝进行对比，无显著性差异（P=0.396）；对Y轴左膝、右膝进行对比，有非常显著性差异（P=0.009）；对Z轴左膝、右膝进行对比，无显著性差异（P=0.717）。

图29 后排落地左、右膝关节力矩比较

用配对样本T检验，在后排落地方式下对X轴左膝、右膝进行对比，无显著性差异（P=0.519）；对Y轴左膝、右膝进行对比，无显著性差异（P=0.331）；对Z轴左膝、右膝进行对比，无显著性差异（P=0.880）。

严格执行《军事训练条例》《民兵军事训练大纲》等军事训练法规，结合省军区、军分区的训练指示，安排好县（市、区）的民兵预备役人员训练，严格训练标准，保证人员、时间、内容、要求四落实。破解装备器材受限、师资力量薄弱、训练场地匮乏等普遍存在的难题，采取模拟简便器材替代实训器材，与地方应急部门和高校共享教学资源，搞好各种训练保障。遵循训练规律，按照先基础后应用、先技术后战术、先专业后演练方法，杜绝训练“走过场”搞“假把式”，提高遂行多种任务的能力。

落地过程中对膝关节关节受力和力矩比较可以看出：

用单因素方差分析Y轴3种起跳方式左膝力矩（F=0.974，P=0.990），右膝力矩（F=0.205，P=0.590），均无显著性差异。

（1）膝关节Z轴受力明显大于X轴和Y轴。

（2）膝关节Z轴力矩最小。

（3）在集中落地方式下对X轴左膝、右膝受力进行对比，有显著性差异（P=0.047）。其原因可能是：在空中扣球时身体朝向为右前方，扣球挥臂的过程中身体向左侧转体，由于排球运动员的习惯性落地动作，身体重心向左转移，使得左膝的X轴的受力大于右膝[8]。

（4）不同方式落地时左膝关节受力在X轴较大，这可能是对左膝十字交叉韧带造成损伤的原因。不同方式落地时膝关节力矩在X轴较大，这可能是对膝关节内侧副韧带造成损伤的原因；膝关节力矩在Y轴较大，这可能是对膝关节十字交叉韧带造成损伤的原因。

X片平片通常应用在脊柱骨折患者的诊断中，但是对于某些不易区分和发觉的骨折类型需要使用CT检查才能得出结论[1]。本组实验选取2016年2月—2018年2月进入本院接受治疗的脊柱骨折患者共74例作为研究样本，分别给予不同诊断方式，旨在进一步探讨在脊柱骨折患者诊断中分别应用X片平片与CT的具体效果。现将具体研究结果报道如下。

（5）不同方式落地时膝关节力矩均无显著性差异，可能的原因是：训练时没有针对位置特点进行扣球训练，统计学本身不存在差异，样本数量较少[9]。

3 结 论

（1）整个起跳过程，主要支撑作用由膝关节和踝关节完成。左侧膝关节主要负责蹬伸，右侧膝关节主要负责制动和辅助起跳。

借助哪吒的传说，我将哪吒与现代轮滑相结合，发明设计出一款现代“风火轮”。它不仅具有传统轮滑在地面滑行的功能，还能带着我们自由滑翔在空中。你不用担心平衡和重力问题，它能根据使用者的体重、身形以及风速等条件自动及时调控飞行的速度、方向等，从而带给使用者飞翔的乐趣。

（2）整个落地过程，缓冲主要由膝关节和髋关节完成。

（3）起跳过程中为了取得更高高度，运动员充分制动，使身体朝向和助跑方向存在一定夹角，再将身体朝向转动至助跑方向完成起跳动作。在这个过程中，下肢关节因为转动的发生极易损伤[10]。

④样本数据均值的主成分分析:对温度样本均值进行主成份分析,计算加权协方差矩阵得出对应k个最大特征值的特征向量ηr(r=1,2,…,k),最终确定参数向量:

（4）不同方式起跳和落地时左膝关节受力在X轴较大，这是对左膝十字交叉韧带造成损伤的原因之一。不同方式起跳和落地时膝关节力矩在X轴较大，这是对膝关节内侧副韧带造成损伤的原因之一；膝关节力矩在Y轴较大，这是对膝关节十字交叉韧带造成损伤的原因之一[11]。

4 建 议

起跳过程中左侧膝关节主要负责蹬伸，右侧膝关节主要负责制动和辅助起跳。在今后的训练中，左侧膝关节针对垂直轴的加强训练，右侧膝关节针对水平轴和关节稳定性加强训练[12]。

[1] 万绪鹏. 排球4号位强攻助跑起跳技术的运动生物力学分析[D]. 西安电子科技大学，2009.

[2] 刘 闯. 生物力学在排球扣球动作技术中的应用分析[J]. 体育世界：学术版，2011（5）：106~107.

[3] 林 森. 隋盛胜四号位扣球起跳技术的足底力学特征研究[C]. 全国运动生物力学学术交流大会. 2009.

[4] 李世明. 对优秀男排运动员沙滩排球扣球起跳动作的运动学分析[J]. 福建体育科技，2004（4）：23~25.

[5] 张清华，华立君，陈 钢. 男子排球上步扣球起跳技术的生物力学分析[J]. 体育科学研究，2008，12（2）.

[6] 李世明，刘学贞，许全盛. 沙滩排球与室内排球扣球起跳阶段人体重心运动特征的生物力学对比研究[J]. 中国体育科技，2002，38（2）：32~34.

[7] 于佳彬. 对跳马落地动作的运动学分析及其动力学仿真研究[D]. 北京体育大学，2013.

[8] 肖晓飞，郝卫亚，李旭鸿，等. 基于不同刚体模型的体操落地冲击动力学比较研究[J]. 北京体育大学学报，2015（3）：78~83.

[9] Nigg B M. The validity and relevance of tests used for the assessment of sports surfaces [J]. Medicine and science in sports and exercise, 1990, 22(1): 131.

[10] Devita P，Skelly W A. Effect of landing stiffiiess on joint kinetics andenergetics in the lower extremity [J]. Med Sci Sports Exerc, 1992, 24(1): 108~115.

[11] MeNitt，Gray，J.Landing strategy adjustments made by femal gymnastsinres Ponse to drop height and matcom position[J] Journal of applied biomechanics, 1993, 8:9(3).P173~19.

[12] 魏书涛，刘 宇. 不同高度落地缓冲地面反力及下肢关节内力变化特征研究[C]. 全国体育科学大会. 2007.

[13] 赵焕彬，王海涛，刘建国，等. 男子短跑运动员上下肢关节力矩的研究[J]. 中国体育科技，2006，42（1）：23~26.

Dynamic Analysis of Take-off and Landing of Volleyball Spike

GUO Junfen, JIA Yi

School of Sport and Physical of North University of China, Taiyuan Shanxi, 030051, China.

In the men's volleyball athletes as the research object, using the VICON infrared three-dimensional motion analysis system, AMTI force measurement, Basler high-speed camera, the whole process of the acquisition of athletes spiking data, select the run-up take-off and landing kinetic parameters obtained in the processing and analysis of the force on the lower extremity joints, the mechanisms leading to injury of knee joint the study of volleyball. The take-off process, the main supporting role performed by the knee and ankle joints. The left knee joint is mainly responsible for stretching, the right knee is mainly responsible for braking and auxiliary take-off. The whole process is completed by the landing buffer, knee and hip joints. In order to achieve a higher height, the athletes fully braked, so that the body has an angle between the running direction and the approach direction, and then the body rotates toward the approach direction to complete the take-off. In this process, the lower limb joint is easily damaged because of the rotation. In different ways of take-off and landing, the force of the left knee joint is greater at the X axis, which is one of the reasons for the damage to the cruciate ligament of the left knee. Different ways of take-off and landing on the X axis of knee joint torque is large, and this is one reason for the injury of medial collateral ligament of knee joint; knee joint torque on the Y axis is large, and this is one reason for the damage of the cruciate ligament cross.

Volleyball; Take-off; Landing; Dynamic analysis

G804.66

A

1007―6891（2018）01―0056―08

10.13932/j.cnki.sctykx.2018.01.14

2017-10-20

2017-10-30

中考体育加试政策对提升青少年体育素养影响的研究，项目编号：GH-15040。