网球发球力学:研究进展与趋势

马孝刚，史 兵

发球是网球比赛中最重要的一种击球方式，也是一项完全由球员自身控制的封闭技术，通过发球可直接得分或占据进攻优势。网球发球技术动作复杂程度较高，身体参与环节较多，需要掌握精细化的技术动作要领和身体表现，因此多数有关网球发球的研究集中在运动生物力学方面[1-4]。通过运动生物力学研究手段分析发球技术动作，得出决定发球落点、旋转、力量和速度的共性规律，探究人体各环节部位的角色扮演，提高球员发球动作技术质量。网球发球也被认为是最具损伤风险的技术动作之一，表现为重复次数多和关节活动范围大以及短时高强度特征，使肩、腰、腹、背等关节部位存在高损伤风险。据统计[5，6]:网球运动员参赛60 场/年，发球50～150 次/场，不含训练时间，双方累计发球约400次/场和击球1 000 次/场，约占击球总数的45%～60%，每次发球产生约4 000 W 能量，相当于2 s 内跑12 步。发球时各关节部位聚集高强度能量，如何通过高质量力学技术动作释放关节能量降低损伤风险是关注的焦点。此外，网球球拍结构生物力学特征与发球动作规范性呈显著性相关，并随科技发展不断更新，以提升击球速度和旋转，这与现代网球发展趋势(力量与旋转)密切相关。球拍性能(材质、质量分布、惯性矩、“感觉”和线床等)的差异决定了发球质量，也是预防损伤的重要因素[7-9]。本文通过回顾国内外网球发球力学相关文献，旨在对比国内外网球发球力学研究差异性，总结发球技术动作规律、探索各环节运动损伤力学特征和明确球拍器械参数对击球的影响，为网球运动员发球力学特征提供理论依据。

1 国内外网球发球力学研究差异

以“网球发球”和“Tennis Serve”为主题词检索国内CNKI(期刊及硕博论文)、国外Web of Science 和PubMed 数据库，时间截止至2019 年6 月30 日。共计国内文献386篇，国外文献282 篇，对所获文献进行人工处理，手动查阅文献内容，剔除无关文献，经筛选得出国内37 篇，国外116 篇。对比国内外文献，发现其差异主要体现在研究主题，实验设计及分析思路。

1.1 研究主题

国外研究始于20 世纪60 年代末，发文量逐年递增，国内研究相对较晚，自2010 年后处于滞留状态。经对比得出，国内研究主题单一，国外研究精细且全面。国外对各种类发球技术都进行了深入分析，如平击发球[10-11]、侧上旋发球和侧旋发球[12-13]，一发和二发[14]，Foot up 和Foot back[15]，成功与失误[16]、缩简和传统发球方式[17]等。发球时各环节发力特征及角色扮演也引起了学者们的广泛关注，对上肢[9]、躯干[18]、下肢[1]等部位都进行了针对性剖析，精确标记肩胛骨[3，12]和脊柱[19]等区域，分析其损伤力学致因。而国内网球发球力学分析主要集中在大力发球和第一次发球[20-22]，仅数篇文献报道上旋和侧上旋发球的运动学特征[23]，对各环节部位的研究寥寥无几，缺少运用力学手段分析发球损伤致因的研究。

1.2 实验设计

网球发球属高精细化的技术动作，实验设计变量包括站位方式、发球落点、阶段划分和飞行轨迹等。国内外对比得出，国外学者的实验设计更加严谨和精细。均强调发球落点区域，面积为1 m2[10，11]、1 × 2 m2[8]、1.5 m2[15]、1 × 1.5 m2[24-25]，而国内仅数篇文献设计落点因素[26-27]。此外，发球动作阶段划分详细，根据技术特征分为数个小阶段，根据研究角度选取各阶段关键指标。阶段划分包括以下种类:3阶段[28]、4 阶段[3，11]、6 阶段[10]、8 阶段[29]，而国内仅为1 种阶段划分方式(抛球引拍-挠背-挥拍击球-随挥)。

1.3 分析思路

从网球发球动作的实质来看，国外研究概括了人体参数和器械参数在空间范围和时间维度上的动态化特征。如表1，肩关节内旋/外旋、屈/伸、内收/外展等，躯干屈/伸、内旋/外旋、后倾等)。发球时网球的运动参数有抛球时角度、速度和高度，击球后球速、转速和角度。各指标都应从3 个平面的分量进行分析，绝对速度并不能代表总体效果，如不同落点发球击球时刻各分速度存在较大差异性。总体得出，国外的指标涉及较广，运动学和动力学指标均有体现，而国内网球发球力学分析中以运动学指标为主，有关器械的力学分析较少。

表1 各阶段关键指标[1,2,14]Table 1 List of key indicators of each stage

2 不同发球类型的力学特征

2.1 常规发球类型的力学特征

常规发球类型包括3 种技术，平击、上旋和侧上旋发球。网球发球意在通过球员自身控制力量、速度、落点和旋转等因素争取主动得分，从抛球到击球受多种因素影响。网球发球属于自下至上的力量传导顺序，其传递效率是影响击球质量的核心要素。研究表明[13，18，28]:肩内旋贡献率为(41.1%)，腕关节屈(31.7%)，约占拍头总速度的30%，肘关节内旋和伸动作还决定球拍空间位置。此外，肩关节活动范围(ROM)和内旋速度也是影响棒球[30]、手球扔球[31]和排球扣球[32]球速的关键指标。也有学者持相反观点[6，8，28]，认为击球时刻平击发球直接得分(Ace)不仅取决于击球速度，击球落点和旋转也占重要比重。Whiteside[25]统计澳网公开赛151 名男子网球运动员的25 680 次发球数据(击球位置、速度、击球水平角、落点位置和相对球员位置)，得出Ace 取决于精准度，而不是速度。当Serve Angle(击球点-落点连线与击球点球员站位位置连线在水平面的投影角)﹥5.88°，落点离发球区域边线距离小于15.27 cm 时，Ace 成功率最高。

人体形态学指标对发球速度影响较大，高身材长肢体击球点就越高，入射角越大，发球成功率就越高，速度也就越快。Vaverka[33]等指出身高与一发最快速度、一发平均速度的相关系数R 为(男0.48～0.64，女0.48～0.59)。与二发平均速度相关性R 为(男0.20～0.50，女0.24～0.42)。Fett[2]得出臂展、身高和体重影响男子和女子发球速度的相关系数R 分别为(R=0.31～0.52；R=0.26～0.38)、(R=0.44～0.57；R=0.35～0.39)和(0.37～0.56；R=0.24～0.36)。但学者们[3，10，11]普遍认为身高并不是影响发球速度的核心因素，平击发球速度更取决于训练指导和技术水平因素，各环节肌群协调性收缩是技术娴熟运动员产生高速发球的关键。

常见3 种发球类型都各具旋转、落点和分速度等差异，表现在击球点空间位置、角度、分速度和旋转。击球点(Ball Impact)，侧上旋发球击球点靠近球员头顶中心位置，平击发球击球点更靠前，侧上旋外角发球击球点更靠近左侧。击球点空间位置取决于抛球方式，而早期学者们[34，35]就提出教练员应当要求每一种发球及不同落点发球使用同一种抛球方式，因为抛球方式差异性会使接发球方易预判出发球的规律。Reid[20]等人得出，平击发球的水平速度和拍头速度较高，侧上旋发球横向和垂直速度分量较大。Vorobie[36]等人指出，侧上旋发球时拍头垂直和水平速度显著大于平击发球。研究得出[16，28，34]3 种发球类型击球转速分别为平击球(127.4 ±56.3) rad/s、侧旋球(232.1 ±34.8) rad/s 和侧上旋球(336.5 ±51.5) rad/s。水平合成速度是(52.0 ±2.9)m/s、(46.4 ±3.4) m/s 和(40.8 ±2.8) m/s，自转轴与水平面(仰角)夹角分别为(65.68 ±10.28)°、(68.48 ±6.98)°和(54.58 ±8.48)°。

2.2 特殊发球类型的力学特征

除上述3 种常规发球类型，由于技术动作的特异性，还衍生出多种特殊发球类型。如:缩简与传统发球、成功与失误以及非完整发球技术动作。网球发球成功与失误的关键因素出现在击球末端指标，击球前两者的技术动作无显著性差异，可见击球末端时刻的参数对发球成功率影响较大。职业网球教练员认为[13，35]，应当随机干预击球前的一系列动作，增加球员在非常规状态下神经肌肉补偿的感知觉能力和控制拍面的知觉反馈能力，即针对不可控条件下提高应变调节能力。缩简发球(Abbreviated Serve)和传统发球(Traditional Serve)的差异发生在引拍和挠背阶段，缩间发球在引拍阶段拍头起始高度高于髋关节，且挠背阶段拍头下降幅度较小。Seeley[17]认为缩简发球冈下肌肌电平均振幅较大，会增加患有肩伤史球员的损伤风险。因此，普遍认为缩简发球不应被宣传为一种较好的发球技术。“服务员”发球(Waiter's Serve， WS)[25]，是一种初学选手经常出现的错误发球动作，挠背时刻球拍与地面平行，建议教学训练时教练应该专注球员在挠背时刻手腕伸和肩膀外展动作。

综上得出，肩关节内旋决定了发球速度，肘腕关节控制击球方向和贡献速度，发球质量更受击球落点和旋转因素影响。人体形态学特征、训练学因素和技术水平共同决定了发球的击球速度。挥拍击球阶段是决定不同类型和落点发球的关键时刻，发球成功与否取决于击球点的指标参数，击球前一系列准备动作应具备高度一致性，提高发球的隐蔽性。关注常规发球技术动作的同时，还需总结特异性发球技术的规律性特征。实践应用中，教练员应当综合多种因素(速度、角度、落点、旋转及个体差异等)指导网球发球技术动作。

3 网球发球各环节部位的损伤力学特征

3.1 肩关节损伤力学特征

肩关节是躯干和臂拍复合体链接的纽带，将力量从下肢和躯干转移至击球点的关键环节，传递力量约占总力量的20%，其特殊生理结构导致活动范围较大且缺乏稳定性。Pluim[37]等人报导，20%到50%的网球运动员都存在肩关节损伤史，常见的肩部损伤包括肩峰下疼痛综合征、肩袖病变和上唇前后撕裂(SLAP)，多发生在挠背和随挥阶段，及力量的蓄积和释放环节。网球发球使肩关节内部多次重复接触(肱骨头大结节与肩胛盂后上区)导致肩袖肌腱病变，软骨和肌腱过度受压。

挠背初期预拉伸肌肉初始长度，使肩关节快速外旋，是教练员需要着重关注的时期。挠背后期肱骨外展和外旋速度下降，肩胛骨上旋增加，然后外旋后倾达到最大肱骨外旋。加速阶段肩胛向前旋转并倾斜，以达到最大拍头高度。肩胛骨后倾斜角度从0°到27°，同时外旋从6°到9°，保持上旋(32°)达到肱最大外部旋转(138°)。随挥阶段需要通过肩关节内下旋来释放关节内部的能量，大多数肌群用于控制过度拉伸负荷。此外Martin[4]通过逆向动力学计算各环节的能量流失状况，发现技术水平较低和患有肩伤史球员能量传递效率较低，导致其他关节出现力量代偿，导致损伤风险也就越高。

3.2 躯干损伤力学特征

骨盆连接下肢和躯干，腹部连接骨盆和上躯干，腹背肌群是力量传导的重要环节，下腰椎区域(L3 -L5)是损伤风险最大的区域[20]。此外，据统计青少年网球运动员受腰腹损伤导致缺席比赛的风险最大[29]。网球运动员躯干损伤为腹部肌群拉伤和腰部损伤，腹直肌是最常见的损伤肌群，挠背阶段腹直肌被强行拉长收缩是公认的损伤致因。腹部肌群出现障碍是出现局部损伤的潜在危险来源，导致能量流失和关节代偿现象。侧上旋发球背部和肩部的损伤风险较大，均发生在挠背后期阶段，躯干过度后倾和肩关节外展导致脊柱和肩内肌群承受较大负荷。但迄今为止，关于网球腰部损伤和疼痛潜在机制的研究较少，阻碍了损伤预防和管理策略的发展。

3.3 下肢损伤力学部位

网球运动员下肢损伤发生在底线移动击球中，发球导致下肢损伤因素较少。但其在发球中的角色不容忽视，下肢是发球动力链的“起点”，直接影响拍头速度、球速和挥拍击球的准确性。如Fett[2]指出，单纯下肢力量(如CMJ)与球速无相关性，主要提高动力链传导的协调性。发球常采用的两种站位方式中，相比FB 发球技术，FU 技术发球时地面的垂直反作用力峰值更大，产生更大的水平制动力，限制身体前移的线性动量和角动量。Martin[4]探究了上网时间和球速在两种发球技术之间是否存在差异，得出:FB 发球技术的上网时间较短，FU 发球速度较高，FB 发球站位方式是发球上网技术的最佳选择。

综上所述，肩关节和腰部损伤发生率较高，下肢更多扮演着协调动力链的传导作用，损伤多发生在挠背和随挥阶段。肩关节损伤类型有肩峰下疼痛综合征、肩袖病变和上唇前后撕裂(SLAP)，下腰椎区域(L3 -L5)是损伤风险最大的区域。实践应用中，教练员应当从青少年时期就关注损伤致因、损伤部位及预防策略，实时监控高损伤部位的动态变化。

4 网球拍结构的力学研究

自20 世纪80 年代以来，现代设计和材料彻底改变了网球拍的物理特性，旨在提高击球速度和旋转。模拟显示，与19 世纪70 年代球拍相比，现代球拍击球速度提高了18%。1981 年国际网球联合会(ITF)为控制球拍设计，限制了球拍尺寸和面积。网球拍是传递击球力量的终端，它与球员之间的相互作用对运动表现、伤病预防和舒适度起着重要的作用。击球时球拍作为一个杠杆系统，其独特的结构(如:材质结构、质量分布、拍线、惯性矩、“感觉”和挥拍质量等)是决定击球速度的重要因素[7-9]。

4.1 球拍材质

网球拍材质的演变推动现代网球朝着力量化、速度化和精准化的方向发展，经历了从木质球拍—铝合金—碳纤维—玻璃纤维—高级航天航空材料的过程。各大网球拍制造商运用高端科技力量不断创新球拍材质，旨在减轻质量、加固硬度、吸收击球时的震动力量，同时也为在击球球感和性能方面提升空间，增加球员对球拍的感知觉，降低击球后高震动频率对手臂的损伤，优质材料产生的震动音效能够对听觉产生愉悦感[34，38]。纳米技术也运用在网球拍设计上，研究指出纳米材料的网球拍最大击球区范围较大，能够提高球员击球手感。采用纳米材料制造的网球拍，不仅使拍框的强度和击球威力明显提升，而且使球拍性能更加出众，增加了稳定性，控球性能明显提高，球速和旋转结合得更加完美[7-8]。此外，网球拍材质中也融入了科技元素，如百宝力Babolat 网球拍的专利技术Woofer 科技，它是一项滑轮加活塞效应的应用，能使拍框与网球线之间的互动增强，而扩大球拍甜区。其作用原理就像是扩音装置，只要输入声源，它就能有效地扩大共成鸣悦耳的音符。Woofer 技术让威力型球拍更舒适，轻的球拍控球更好，准型的球拍更有威力。

4.2 球拍质量分布

球拍的各项特性中，质量分布(Mass Distribution)是最重要的参数之一。可分为中性平衡、头重或头轻，取决于平衡点(重心)是在球拍的中间，接近头部还是拍柄。研究表明[39]，球拍安慰剂效应Placebo -Racket Effects 与运动表象训练能够有效提升发球的准确性。但对于增加挥重是否会提高击球速度还存在争议，如:部分学者[40]认为增加挥重并不能提高球速，因为增加挥重阻碍了发球时肩内旋和腕关节屈，而这两个动作是影响击球速度的核心因素。也有学者指出，假设挥拍速度和击球点位置保持不变，增加挥重将产生更快的球速。Allen[7]等人指出，头重的球拍，球的平均反弹速度要高出32%。然而，球拍重量分布的变化必然影响球员对球拍的控制，调整过度会无疑会增加损伤风险和疲劳，及使用过重的球拍会增加肩关节损伤风险。增加球拍质量，胸大肌、背阔肌和肱二头肌的激活水平下降，拍柄上增加质量更易增加挥拍速度。拍头中部对称增加质量会增加极转动惯量，当球撞击球拍侧面时，球拍抵抗长轴的扭转力更大。

4.3 球拍惯性矩

惯性矩(Moment of Inertia，MOI)是一个物理量，通常被用作描述一个物体抵抗弯曲的能力。网球拍有3 个通过质量中心作用于主轴的惯性矩MOI，惯性矩的变化会影响球拍在比赛中的表现。一般MOIs 定义冠状轴(Ix)、横轴(Iz)和极轴(Iy)，分别作用于横向的面内轴、面外轴和纵向轴。研究表明[38]，减小球拍惯性矩可以显著提高发球时拍头速度，尤其是横向惯性矩的减少使运动员能够更快地挥拍，是现代比赛中发球速度提高的主要因素。逐步线性回归模型表明，球拍质量和质量中心位置对拍柄转动惯量的影响最大，宽拍头对纵轴转动惯量的影响最高。

挠背阶段增加球拍极转动惯量与肩关节伸、外展力矩和肘关节伸力矩的增加显著相关。挥拍击球阶段，随着极惯性矩的增大，手腕伸峰值和径向偏差力矩显著增大[7，38]。随挥阶段，肩关节内收、肘腕关节屈与极转动惯量呈负相关。当球员使用高极转动惯量的球拍时，肘腕部的关节力显著增大。表明虽然较大的极惯性矩使运动员能够更好地承受偏离甜区的击球，但也会增加上肢额外负荷，增加损伤风险。

4.4 球拍“感觉”

“感觉”被定义为击球时所体验到的“身体和心理反馈”，四肢及视觉、触觉和听觉上得到的正向反馈。运动员的触觉和听觉感受器在击球过程中接收到的感觉是评价运动器材感知质量的重要因素。球拍制造商也致力于开发用户所期望的具有振动音质的球拍，击球音质来源于球拍的机械振动，产生的振动频率是舒适程度和预防网球肘的一个关键参数。研究表明，握力越紧振动减弱的速度就越快，靠近线床中心位置的击球很少将震动传递到手和手腕[9]。目前利用微机机电技术使用三轴加速度计和陀螺仪直接测量线性加速度和角速度的传感器普遍用于训练中，有助于记录击球参数(如击球次数、撞击位置、击球类型和速度)[8，38]。击球次数是网球运动中体力消耗的一个重要标志，对教练员和临床医生在训练监测、运动表现或损伤预防方面提供参考依据。增加结构硬度通常会增加球的回弹速度。结构硬度增加172%平均反弹速度增加约9%。

4.5 球拍线床

线床性能取决于材料、张力、厚度和粗糙度，较低的张力能产生更多的能量，较高的张力则能提供更多的控制。因为球拍与球接触过程中主要是网球损失能量，约为击球前能量的50%，而线床的效率要高得多，传递约90%～95%的能量。弦床的刚度于弦的形状和张力、以及直径和材料相关，网球弦有多种材料可供选择，传统的天然肠线是首选，但现在已经转向尼龙和聚酯等合成材料[41]。线床摩擦分为两类，球和线及线间摩擦，摩擦系数取决于材料，尤其是表面涂层，通过涂上润滑剂或使表面粗糙增加球拍控制感。球拍的性能能够影响网球的回弹，反弹球速度与球拍硬度成正比，与网线张力成反比。通常挥重在0.03 到0.035 kg/m2之间，可以提高球的速度和准确性。球拍性能还取决于撞击条件、速度、角度、旋转以及与球员的相互作用和击球生物力学[42-43]。

球拍参数对于教练员来说，是训练肩关节伤病和慢性上肢损伤运动员的关键点，应考虑到球员的个体差异。从各参数特征发现，球拍参数与球员个人喜好、形态学特征、技战术打法等因素关系密切。大量影响因素处于动态变化趋势，因此，球员需要实时关注器械的创新性和变异性。如技战术素养和球拍设计，赛中关键比分和更换新球等时刻。

5 结论与展望

网球发球力学研究在国际上引起了广泛的关注，国内前期对此也进行了深入的剖析，但近几年相关研究出现停滞不前现象。国外相关研究涉及运动技术共性规律、各环节部位运动特征、运动损伤致因和器械结构，国内外研究差异表现在研究主题、实验设计和分析思路，对不同类型发球、各环节运动特征和损伤致因都进行了全面的分析。目前国际学者将焦点转向实际比赛中发球动作的动态变化，某环节的运动特征不再局限于其表面，更深层次分析其关节部位的骨骼运动特征。随科技不断进步，对球拍器械保持科研创新力，提高球拍性能的同时能够帮助使用者监控训练状态。

力学研究普遍运用于各个领域，其重要程度不言而喻。我国网球发球力学研究应更新实验仪器，创新分析思路，从实际出发解决国内网球运动员最具针对性的问题。国内外人体形态学特征存在本质差异，因此，目前仍然应当从技术动作规律和运动损伤规律角度出发，探索符合国内网球运动员人体结构的规律性特征。掌握研究的动态性和实践可行性，精湛精细化思考问题的全面性，旨在提升网球发球“训-赛-研”的紧密性。