我国与世界优秀女子高尔夫运动员一号木技术三维运动学对比分析

2023-04-27赵紫龙王泽峰展更豪吴淑元徐华雨

中国体育科技 2023年4期

赵紫龙，王泽峰，展更豪，吴淑元，徐华雨

在第32 届夏季奥运会高尔夫项目中，内莉·科达（美国）、稻见萌宁（日本）和高宝璟（新西兰）分获金银铜牌，我国运动员冯珊珊和林希妤分别获得第8 名和并列第9 名的成绩。在2016 年里约奥运会中冯珊珊取得铜牌，林希妤位列38 位，相比而言冯珊珊的成绩有所下降，而林希妤进步明显。可见，我国女子高尔夫奥运运动员虽滑落奖牌榜，但都跻身于前10 名之列，有冲击奖牌的可能性。如何突破奥运运动员瓶颈是亟需解决的现实问题，因此，提升我国优秀运动员的整体水平，提高其在世界大赛中的竞争力至关重要。

对于高尔夫这项以技巧为主的运动项目来说，全挥杆技术是赢得比赛的基础。在全挥技术动作中，运动员公认一号木的技术动作较难稳定发挥（Joseph et al.，2008），这也是制约运动员成绩的主要原因，因此提升一号木开球距离和准确性是提高我国优秀运动员竞技水平的必经之路（赵紫龙等，2020）。随着高尔夫运动的发展，越来越多的学者开始对高尔夫挥杆这一复杂技术进行多方面的研究，以用于竞技运动训练和奥运备战中（田野，2018）。其中，运动生物力学便是对一号木全挥杆技术分析最有效的方法之一（Hume et al.，2005； Mahadas et al.，2019； Outram et al.，2019； Zouzias et al.，2018）。如，Parker等（2019）使用240 Hz 的传感器电磁运动捕捉系统对20 名优秀男女高尔夫运动员的一号木挥杆运动学数据进行了分析，发现女子运动员在下挥杆过程中手臂速度峰值和手腕角速度峰值均较小；Joyce（2017）使用10 个250 Hz 的高速摄像机对15 名低障碍男子高尔夫运动员进行一号木和五号铁全挥杆运动学数据的运动分析，该研究支持了杆头速度的显著差异与躯干X 因子拉伸程度相关。而运动学中身体节段运动的顺序已经成为高尔夫挥杆指导和科学研究的重要主题（Neal et al.，2007）。如，Horan 等（2012）分析表明，胸腔和骨盆存在很强的耦合关系，而头部和胸腔则并非如此；Tinmark 等（2010）证实了不同性别和专业水平的高尔夫运动员在全挥杆过程中都利用了身体近端到远端的相互作用力矩。现实行全挥杆运动学分析主要采用的方法是实验性的二维、三维技术，虽然有对比赛现场职业运动员的技术分析，但仍以二维分析（徐华雨等，2020）居多，且研究的深度和广度不足；而三维技术分析（Egret et al.，2003； Joyce et al.，2010）的数据收集大多在室外练习场和封闭的高尔夫模拟室进行，不能完全反映运动员的实战表现，且研究对象的全挥杆技术难以代表世界先进水平（李淑媛等，2013）。

综上，本研究拟对现役我国和世界优秀女子高尔夫运动员在重大比赛现场的一号木全挥杆动作进行三维高速摄像，经运动学研究分析，探索我国与世界优秀女子高尔夫运动员一号木技术的差距。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

研究对象为我国优秀女子高尔夫运动员与世界优秀女子运动员，共12 名，全部为右利手。其中我国排名靠前的优秀女子运动员6 名，分别为冯珊珊、林希妤、刘钰、刘瑞欣、阎菁、殷若宁，身高（169.17±5.12）cm，年龄（25.00±4.24）岁，一号木开球距离为（256.69±7.05）码①1 码=0.914 4 m。；世界优秀女子运动员6 名，分别为内莉·科达、高真容、畑冈奈纱、李旻智、布鲁克·亨德森、丹妮尔·姜，身高（166.50±7.12）cm，年龄（24.83±2.48）岁，一号木开球距离为（263.82±8.48）码（表1）。

表1 我国与世界优秀运动员基本信息Table 1 Basic Information of Chinese and World Elite Players

1.2 研究方法

1.2.1 三维录像拍摄法

通过2 台高速摄像机采集2019 年10 月17－20 日上海LPGA（Ladies Professional Golf Association）别克锦标赛参赛运动员一号木全挥杆视频，采样频率为1 000 帧/s，2 台摄像机分别放置于距发球台右手运动员的前方、侧方约10 m 位置，高度约1.6 m，主光轴夹角接近90°，拍摄运动员全挥杆技术。

1.2.2 录像解析法

采用Simi-Motion 三维解析软件，对全挥杆动作进行解析。解析点根据研究需求进行设定（表2），将正、侧2个方向的视频同步合成进行解析，以获得研究参数数据；通过Hanavan 数学模型计算人体三维重心。

表2 部分重要解析点设置Table 2 Setting of Some Important Resolution Points

1.2.3 数理统计法

运用 Excel 2010 对选取的运动学数据进行描述统计分析；采用SPSS 23.0 对所获得的运动学参数进行皮尔逊相关性分析和U检验，结果以平均数±标准差（M±SD）表示，以P＜0.05 为具有显著性。

1.2.4 相关概念界定

1.2.4.1 各技术参数概念界定

通过结合一号木全挥杆技术，从速度、角度、位移等数据进行运动学分析。挥速为击球前最快的杆头速度；球速为球开始移动后最快的速度；击球效率是球速与挥速的比值；起飞角度为球起飞时与水平面的夹角；膝关节角度为两侧髋膝踝关节中心连线所成夹角；髋转动角度为两髋关节中心连线相对于准备姿势时转过的角度；肩转动角度为两肩关节中心连线相对于髋准备姿势时转过的角度；肩髋相对旋转角度为肩部转动角度与髋部转动角度之差；重心为人体全部环节所受重力的合力作用点。

以右利手运动员为例，以运动员准备时刻的髋角度为零点，髋、肩向出球方向转动的角度为正值；髋、肩向出球反方向转动的角度为负值。重心在X 轴的移动中，以运动员准备时刻重心在X 轴的位置为零点，正值为垂直于运动员双脚连线方向指向运动员面对方向，负值为垂直于运动员双脚连线方向指向运动员背对方向；重心在Y 轴的移动中，以运动员准备时刻重心在Y 轴的位置为零点，正值为平行于运动员双脚连线方向的出球方向，负值为平行于运动员双脚连线方向的出球反方向；重心在Z轴的移动中，以运动员准备时刻重心在Z 轴的位置为零点，正值为垂直于水平面向上，负值为垂直于水平面向下（图1）。

图1 三维坐标系图示Figure 1.3D Coordinate System Diagram

1.2.4.2 一号木挥杆阶段划分

将高尔夫全挥杆关键时刻分为9 个，分别为准备时刻、上杆9 点钟、上杆12 点钟、上杆顶点、下杆12 点钟、下杆9 点钟、击球瞬间、送杆3 点钟、随挥结束（图2）。挥杆阶段分为8 个，准备时刻到上杆9 点钟为上杆第1 阶段；上杆9 点钟到上杆12 点钟为上杆第2 阶段；上杆12 点钟到上杆顶点为上杆第3 阶段；上杆顶点到下杆12 点钟为下杆第1 阶段；下杆12 点钟到下杆9 点钟为下杆第2 阶段；下杆9 点钟到击球瞬间为下杆第3 阶段；击球瞬间到送杆3 点钟为送杆阶段；送杆3 点钟到随挥结束为收杆阶段。挥杆过程分为3 个，准备时刻到上杆顶点为上杆过程；上杆顶点到击球瞬间为下杆过程；击球瞬间到随挥结束为收杆过程。

图2 部分挥杆关键时刻模型Figure 2.Part Swing Critical Moment Model

2 结果与分析

2.1 一号木击球效果参数分析

我国优秀运动员挥速与球速的均值均小于世界优秀运动员水平，通过比较发现，我国和世界优秀运动员在球速方面呈显著性差异（P＜0.05；表3）。本研究发现挥速与球速呈正相关关系（P＜0.05），根据动量守恒定律，杆头以及球的质量不变，杆头速度越快，击球距离越远（宋巍，2016）。我国优秀运动员的落点和停点均小于世界优秀运动员水平，影响我国优秀运动员一号木击球距离的重要原因可能是挥速和球速不足。殷若宁和林希妤的挥速分别为137.99 km/h 和140.58 km/h，低于我国和世界优秀运动员均值较多。研究发现，挥速与起飞角度呈负相关关系（P＜0.05），相比世界优秀运动员的起飞角度，我国优秀运动员的起飞角度平均大2.71°，且呈显著性差异（P＜0.05），其中阎菁和殷若宁球的起飞角度过大，分别为14.05°和16.59°，偏离世界优秀运动员水平范围值较多。

表3 我国与世界优秀运动员一号木击球效果参数Table 3 Driver Hitting Effect Parameters of Chinese and World Players

综上所述，提升挥速和球速是提高我国运动员击球距离的关键。识别影响击球能力的运动学因素，特别是杆头速度和击球距离，是发展高尔夫运动表现的一个重要领域（Parker et al.，2019）。从运动学层面来看，运动员可通过改善在全挥杆过程中身体关节的运动方式来获得身体旋转速度的提升，通过身体速度向杆头速度的高效转化来达到较远击球距离的目的。Nesbit 等（2005）表示，在高尔夫挥杆过程中，下肢贡献了超过30%的身体总功。Okuda 等（2010）表示，在高尔夫挥杆过程中，适当的重心转移是增加球飞行距离的关键。本研究主要通过运动员在全挥杆过程中，膝关节变化、髋、肩转动角度以及重心转移的运动数据对击球效果的影响进行研究分析。

2.2 膝关节变化角度对比分析

我国与世界优秀运动员在下杆9 点钟的左膝关节角度与挥速两者呈显著性正相关（P＜0.05；表4），表明此刻左膝关节角度越大，挥速越快。同样有研究表明，当身体开始向目标方向旋转时，重心从后肢转移到前肢（Pataky.，2015），这就需要增加伸膝活动来抵抗膝关节屈曲，从而为骨盆和躯干的旋转提供了稳定的基础（Bechler et al.，1995）。林希妤和殷若宁在此时刻的左膝角度分别为148.79°和145.43°，远落后于我国和世界优秀运动员的平均水平，可能会造成挥速的降低。McNally 等（2014）认为，在下杆过程中完成更多下肢功的高尔夫运动员在击球时能够获得更大的杆头速度。本研究显示，我国优秀运动员击球瞬间膝关节角度的均值为168.54°±5.65°，大于世界优秀运动员均值163.70°±7.77°，在我国运动员中，刘钰在击球瞬间的左膝蹬伸较为充分，而这是完成较远击球距离的基础。

表4 我国与世界优秀运动员各时刻膝关节角度情况Table 4 Knee Joint Angle of Chinese and World Players at Each Times （°）

我国优秀运动员在上杆9 点钟和上杆顶点的右膝关节角度分别为166.85°±7.19°和162.22°±7.89°，与世界优秀运动员均呈显著性差异（P＜0.05）。下挥杆是由后侧髋部和膝盖伸肌的有力收缩开始的（Cole et al.，2016），后侧腿的有力伸展使得骨盆向侧面有力滑动而朝向目标，同时旋转到一个面向目标的开放位置（McNitt-Gray et al.，2013）。上杆顶点右膝关节的过度伸展可能会对下杆过程中的骨盆旋转造成影响，应在日常训练中引起运动员与教练员的注意。

2.3 髋、肩转动角度对比分析

现代高尔夫挥杆是一种复杂而不对称的运动，强调在上杆过程限制骨盆旋转，同时增加胸部旋转，通过拉长躯干肌肉的长度来预负荷躯干肌肉，储存更多的弹性势能为下杆带来更多的力量，产生更高的杆头速度（Cole et al.，2016）。职业高尔夫教练员和一些研究也肯定了高尔夫挥杆时，绝对与相对骨盆和上半身旋转的重要性（Hume et al.，2005； Zheng et al.，2008a）。我国优秀运动员在上杆各个时刻的髋转动角度均值接近世界优秀运动员水平，其中刘瑞欣在上杆顶点的髋转动角度最大，达到了40.97°，而要达到理想的骨盆和上半身的“螺旋旋转”效果需要更多的肩部旋转。长此以往，过度的转动负荷会给下背部带来损伤风险（Cole et al.，2016）。有研究表明，从近端到远端段（Proximal-to-distal Sequential，PDS 运动模型）的旋转速度（速度总和）的增量或携带效应可以增大远端的旋转速度（Putnam，1993），大多数优秀高尔夫运动员在下挥杆所遵循的髋-肩-手臂的发力顺序中，髋关节便属于PDS 运动模型中的近端节段。运动员们在下杆9 点钟的髋转动角度与球速两者之间呈显著性正相关（P＜0.05），表明此刻髋转动角度越大，球速越快。我国优秀运动员在下杆9 点钟髋转动角度平均低于世界优秀运动员均值11.50°，其中冯珊珊、殷若宁在下杆9 点钟的髋转动角度较小，分别低于世界优秀运动员均值15.13°和23.03°，可能会伴随着球速的降低。PDS 运动模型强调，近端节段在远端节段达到峰值角速度之前开始减速可以提高多关节运动的准确性，使得远端速度最大化（Hirashima et al.，2007； Putnam，1993）。由图3 可知，世界优秀运动员的髋转动曲线图折点出现在下杆12点钟，表明此时刻是运动员们髋减速制动的开始，我国与世界优秀运动员在下杆第1阶段髋的转动角度均值分别为33.38°±9.92°和40.65°±7.54°，分别占整个下杆过程中髋转动的44.64%和48.41%。表明世界优秀运动员在下挥杆初期已完成近半数的髋转动，且转动角度大于我国优秀运动员。因此下杆初期的髋转动量不足是我国优秀运动员应改进的重点问题。

图3 我国与世界优秀运动员髋、肩角度变化Figure 3.Changes of Hip and Shoulder Angles of Chinese and World Players

我国与世界优秀运动员在准备时刻的肩关节角度均呈现开放姿态，打开角度分别为8.52°±4.90°和6.92°±3.60°，可能是由于一号木的球位放置靠近左脚，身体稍微打开以维持准备时的杆头瞄准。在上杆过程中，高尔夫运动员的躯干就像一个螺旋弹簧，肩膀是弹簧的上端，臀部是弹簧的下端。平均而言，LPGA 运动员在上杆顶点的肩和髋都比PGA（Professional Golf Association）运动员扭转更多，其中LPGA 运动员在上杆顶点肩部旋转为109°±7°（Zheng et al.，2008b），与本研究6 名世界优秀运动员（108.84°±10.32°）相似，同时我国优秀运动员在上杆顶点肩转动角度均值（106.13°±17.79°）接近LPGA 运动员和世界优秀运动员水平。在下杆过程中肩的转动总量出现了较大的差异，我国优秀运动员下挥杆过程肩转动角度均值（133.24°±17.22°）远小于世界优秀运动员水平（140.74°±12.70°），击球瞬间我国优秀运动员朝向目标方向开放了27.11°±11.87°，小于世界优秀运动员水平（31.90°± 9.31°）。Meister 等（2011）提出了在下挥杆过程中，上半身的旋转可能比骨盆旋转对“X 因素”（相对骨盆和上半身旋转）影响更大的猜想，但并未给出肩关节旋转角度对击球效果产生积极影响的定论，本研究也未得出相关的结论。

表现高尔夫运动表现重要的指标之一是X 因素，被测量为肩膀和骨盆之间的角位移（Myers et al.，2008； Sung et al.，2016），X 因素的大小由肩髋相对转动角度测量值直观体现。相关研究表示，上半身和骨盆之间的分离导致躯干肌肉的拉伸（偏心负荷），这可能有助于击球所需的躯干肌肉收缩。这些被激活的肌肉在向下挥杆时产生杆头速度方面起到重要作用（Horton et al.，2001； Watkins et al.，1996）。肩、髋转动角度及肩髋相对转动角度的变化范围直接反映了躯干上下两部分之间扭转力矩的变化，扭转力矩会直接影响杆头角速度（孙航，2019；朱黎明等，2018）。我国优秀运动员在上杆9 点钟、上杆12 点钟和上杆顶点的肩髋相对转动角度范围分别为17.97°±7.55°、51.52°±16.14°和81.44°±9.00°，分别与世界优秀运动员水平相差1.32°、11.86°和1.86°，数据显示，我国优秀运动员在上杆过程中肩髋相对转动较为充分，这有利于提高下杆过程中的挥速。Myers等（2008）证实，通过最大化上半身和骨盆之间的距离可增加球速；Cheetham 等（2000）认为，最大的躯干-骨盆分离是增加击球距离的重要因素。上杆顶点被认为是肩髋分离的最大化时刻，冯珊珊在上杆顶点位置肩髋相对转动角度为74.66°，偏离世界优秀运动员的均值范围较多，这会对球速和击球距离造成一定影响。下挥杆开始于骨盆旋转的逆转，接着是上半身旋转的逆转（Meister et al.，2011），击球瞬间杆头速度的高低取决于挥杆过程中运动链的各部分是否依序遵从着由近及远的动作模式（Adlington et al.，1996； Chu et al.，2010），是否能实现能量的有效传递，也就是说当运动链的某个环节在不恰当位置加速或减速都会降低系统末端作用的效果。在下杆9 点钟的肩髋相对转动角度与落点两者之间呈显著性正相关（P＜0.05），由此说明，运动员在下杆9 点钟肩髋相对转动角度越大，击球距离越远，而我国运动员在此时刻的肩髋相对转动角度均值小于世界优秀运动员水平7.23°，其中殷若宁（29.36°）远小于我国优秀运动员均值（41.60°±9.03°）和世界优秀运动员水平（48.83°±13.23°），这是她损失击球距离的重要原因。

2.4 重心移动对比分析

周通等（2020）表示，运动员在全挥杆过程中身体重心前后变化幅度越小，击球效率越高。一方面是运动员身体重心前后移动过大会造成更多的能量损失，势必会影响击球的速度；另一方面由于高尔夫球较小，在击球瞬间很小的位差都会影响球飞行的远度与落点的位置。由表5 可知，运动员的重心移动趋势是在上杆过程中重心先向前移动，在下杆过程中先向前移动再向后移动，出乎意料的是重心的前移最大值并不是出现在上杆顶点，而是在下杆12 点钟，可能下杆第1 阶段双臂的回落以及骨盆的加速旋转出现了重心的前移。在下杆第2、3 阶段重心均向后移动，在击球前未突破“零点”（准备时刻重心位置）。击球瞬间重心相对上杆顶点的位移距离与落点呈显著性负相关（P＜0.05），表明在击球瞬间重心越靠近上杆顶点重心位置会对击球距离产生积极影响。我国优秀运动员在全挥杆过程中的前后移动范围均在世界优秀运动员的范围之内，其中击球瞬间相对上杆顶点的重心位移均值为（1.35±1.02）cm，与世界优秀运动员水平相当，这有利于提升击球准确性和增加击球距离。

表5 我国与世界优秀运动员各时刻重心情况Table 5 Center of Gravity of Chinese and World Players at Each Time cm

本研究发现，大部分运动员们在上杆12 点钟时就已经完成了重心向后侧脚的转移，此时重心已在Y 轴负方向（目标反方向）达到了最大值，在上杆第3 阶段开启重心向前侧脚（目标方向）的转移，但其中不乏个例，如阎菁和李旻智采取了在上杆顶点完成Y 轴负方向的全部重心转移。Cole 等（2016）认为，当骨盆旋转和侧向滑动时，球杆和主臂（右利手的高尔夫运动员是左手）形成一个≤90°手腕角度。当这个角度＜90°时，由于惯性矩的减小，引导臂向前和向下的加速度有利于高尔夫球杆向同一方向的加速。大部分运动员在上杆的最后阶段提前开启重心转移便充分验证了该研究结论，这样的重心转移模式不仅能为上杆顶点争取更大的肩髋相对转动，还能为下杆过程中手臂和手腕的释放预留了空间和时机。根据Seaman（2000）的研究，在下挥杆的早期阶段，骨盆的横向位移可能是产生更大能量的贡献者。Cole 等（2016）同样发现，在下挥杆时胸腔和骨盆朝向球，更熟练的高尔夫球运动员会侧向向目标移动盆骨，这进一步提高了杆头的最终速度。我国优秀运动员在下杆过程中重心向目标方向移动的均值［（7.75±2.39）cm］与世界优秀运动员水平［（8.60±2.16）cm］较为接近，其中阎菁和殷若宁在下杆过程中重心向目标方向分别转移5.30 cm 和12.90 cm，均偏离世界优秀运动员范围值。尽管重心的移动会带来更好的运动表现，但有研究认为，腰椎不能安全地适应过度侧移所带来的力量冲击，运动员和教练员要注意在利用重心转移提升挥杆速度的同时预防运动损伤的发生（毕志远等，2021；Cole et al.，2016）。

在上杆过程中，由于前侧支撑腿的膝关节角度变大，后侧支撑腿的膝关节角度变小，手臂举起球杆到达身体上方，直至在上杆顶点的位置，重心均在向上运动，我国优秀运动员在上杆过程中重心向上运动范围与世界优秀运动员水平接近。在下杆过程中，由于上半身的旋转带动双臂和球杆开始向下运动，整个身体通过“下沉”来积蓄更大的力量，重心也开始向下移动一直持续到下杆第2阶段结束，在下杆12 点钟重心到达最低位置。在下杆第3 阶段随着前侧支撑腿和后侧支撑腿的膝关节角度增大，杆头通过最低点向上击球，身体重心要略高于准备姿势时的重心位置（Ball et al.，2007； Koslow，1994）。对于是在重心最低值时击球，还是在上升期间击球更有利于增加击球距离是一个颇具争议的话题。王德志（2010）和周通（2020）认为，重心高度的降低意味着能量的释放，重心高度的升高意味着能量转化为重力势能，也就是能量的损失，在重心最低点击球，能使杆头有更大的速度，击出更好的球。而一些职业教练员则持相反的看法，认为腿部的蹬伸能够利用地面的反作用力，在重心上升期间击球可提升挥杆速度。除丹妮尔·姜是在下杆过程中一直降低重心直至击球外，本研究中其余运动员均是在重心上升期间击球，说明多数世界优秀运动员青睐于在下杆过程中重心先降低再升高的重心转移模式。