棒球投手投球動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究綜述

馬秀杰,韓志磊,梁占鎖

前言

棒球運(yùn)動(dòng)是以擊球跑壘、跑壘得分的進(jìn)攻行為與投球、接傳球的防守行為相對抗為特點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目[2]。它是一項(xiàng)結(jié)合了攻擊和守備兩項(xiàng)要素所構(gòu)成的團(tuán)隊(duì)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目,它綜合了傳、接、打、跑四種基本技巧所組成,由這四種基本技巧演變成極其復(fù)雜且充滿高度技術(shù)性的團(tuán)隊(duì)運(yùn)動(dòng)。

我國開展該運(yùn)動(dòng)可追溯到100多年前,自清朝學(xué)者將棒球運(yùn)動(dòng)由美國帶入我國以來,棒球運(yùn)動(dòng)在我國的開展就沒有間斷過。但是,由于棒球運(yùn)動(dòng)的投資大,加上后備人才的不足等原因,我國棒球運(yùn)動(dòng)的發(fā)展仍十分緩慢。近幾年來,在亞洲地區(qū)蓬勃發(fā)展的大好環(huán)境下,盡管2002年我國開展了職業(yè)棒球聯(lián)賽,但是我國棒球運(yùn)動(dòng)發(fā)展相對緩慢,在亞洲向來位于日本、韓國和中華臺北之后,大大小小的比賽中往往都只能獲得第四名。只有在2005年的亞洲錦標(biāo)賽上,中國隊(duì)擊敗韓國隊(duì),歷史性地獲得第三名,讓人們對于他們沖破“鐵三角”、實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步突破充滿了期待。中國隊(duì)和日本隊(duì)、韓國隊(duì)、中華臺北隊(duì)都是亞洲人,身體素質(zhì)和身體形態(tài)都很相近,為什么總是落于其后呢?究其原因,用中國棒協(xié)秘書長申偉的話來說,“這幾年中國棒球取得了量的進(jìn)步,但是還沒發(fā)生質(zhì)的變化,中國棒球每次失利,最主要的客觀原因在于投手群的羸弱”[3]。

目前,由于我國棒球水平仍較低,群眾基礎(chǔ)較差,對于棒球運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)研究基本還是處于一個(gè)探索的階段,研究結(jié)果寥寥可數(shù),僅2000年和平等人和2005年王正利等人對棒球投手的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究進(jìn)行了綜述。而在棒球項(xiàng)目開展較普及的美國、日本、韓國等國家和臺灣地區(qū)的學(xué)者對棒球的研究眾多且深入。對于一支棒球隊(duì)來說,投手水平的高低是非常重要的,可以說,投手的水平左右甚至決定了一場比賽的勝負(fù)。因此,對投手技、戰(zhàn)術(shù)特點(diǎn)的研究一直以來都是國外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn),其中,運(yùn)用運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究手段的研究報(bào)道也屢見不鮮。本研究綜述了近年來國內(nèi)、外學(xué)者對棒球投球在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)方面的相關(guān)研究,以期能引起國內(nèi)學(xué)者們對于此領(lǐng)域研究的關(guān)注,為今后的進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ),為教學(xué)訓(xùn)練提供數(shù)據(jù)參考和理論依據(jù)。

1 關(guān)于棒球投手投球動(dòng)作階段劃分的研究

Pappas等人(1985）[35]以15名職業(yè)棒運(yùn)動(dòng)員為受試者,使用高速攝影機(jī)進(jìn)行投球動(dòng)作分析。其在實(shí)驗(yàn)中將投球動(dòng)作分為3個(gè)階段：1）揮臂期(cocking phase）：指投球臂由舉臂動(dòng)作(wind up）開始,到肩關(guān)節(jié)最大外旋的整個(gè)過程,其主要目的在于增加投球的工作距離；2）加速期：指由肩關(guān)節(jié)最大外旋姿勢開始,將球向前加速到棒球離手之過程(約50ms）,在這樣的極短的時(shí)間內(nèi)須將球從近乎靜止?fàn)顟B(tài)增加到時(shí)速153km/h；3）隨揮動(dòng)作：指球離手后到完成投球動(dòng)作的過程。

Fleisig等[19](1996）對棒球投球的動(dòng)作以生物力學(xué)的角度區(qū)分,分為六個(gè)階段：預(yù)備階段 (wind-up phase）、前導(dǎo)腳觸地階段(stride phase）、上肢后擺階段 (arm cocking phase）、上肢加速階段(arm acceleration phase）、上肢減速階段(arm deceleration phase）、隨揮動(dòng)作階段(follow through phase）。

我國臺灣學(xué)者把投球動(dòng)作分為準(zhǔn)備期(wind-up phase）、跨步期(cocking phase）、加速期(acceleration phase）、減速期 (deceleration）、投擲后期(follow through）5個(gè)時(shí)期的分期方法,其中的跨步期包含了 Fleisig劃分方法的腳觸地期及上肢后擺期。由于 Fleisig等(1996）所提出的棒球投手投球的分期方法較細(xì)膩,被大多數(shù)學(xué)者所采用。故將其劃分階段敘述如下：

圖1 投球動(dòng)作流程示意圖(圖片作者自制）

投球動(dòng)作流程如圖 1,預(yù)備階段(wind-up phase）(A）為投擲動(dòng)作的開始,手?jǐn)[在起始位置,兩腳著地,呈自然放松的姿勢,接著前導(dǎo)腳開始慢慢抬起,支撐腳維持身體平衡,上半身的動(dòng)作沒有太大的變化,身體的重心仍維持不變,直到前導(dǎo)腳的膝關(guān)節(jié)抬至最高點(diǎn)(B）。膝關(guān)節(jié)抬至最高點(diǎn)后,前導(dǎo)腳觸地階段(stride phase）開始,前導(dǎo)腳開始向前方跨出,支撐腳從維持平衡轉(zhuǎn)為向前推蹬,投球手開始做水平外展(E）,將肩關(guān)節(jié)伸展到最大,身體重心開始向前轉(zhuǎn)移,最后前導(dǎo)腳觸地(F）,腳尖向前,投球側(cè)肩關(guān)節(jié)呈現(xiàn)外展90°的狀態(tài)。前導(dǎo)腳觸地后,上肢后擺階段(arm cocking phase）開始,上半身軀干及骨盆開始向前旋轉(zhuǎn),肩關(guān)節(jié)開始外旋(shoulder external rotation）,重心持續(xù)向前移動(dòng),直到軀干轉(zhuǎn)至正面,肩關(guān)節(jié)外旋角度達(dá)到最大值(G）時(shí),上肢后擺期結(jié)束[19]。

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的研究

運(yùn)動(dòng)學(xué)是對人體運(yùn)動(dòng)的定量描述,是研究人體運(yùn)動(dòng)的幾何性質(zhì),研究人體或器械在空間的位置隨時(shí)間變化的規(guī)律性,研究人體或器械的軌跡、速度和加速度等[4]。有關(guān)棒球投手運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究主要探討關(guān)節(jié)角度、角速度及角加速度的變化,配合時(shí)間、空間參數(shù),了解關(guān)節(jié)在活動(dòng)時(shí)的狀態(tài)和特性。所搜集的文獻(xiàn)針對投手的運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究,有多方面的探討。

2.1 關(guān)于球速與運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的關(guān)系研究

Matsuo等[31](2001）曾以127名健康的大學(xué)投手及職業(yè)投手為受試者,比較球速較快和較慢的投手,分析運(yùn)動(dòng)學(xué)及時(shí)間參數(shù),發(fā)現(xiàn)球速較慢的投手之前導(dǎo)腳膝關(guān)節(jié)最大屈曲角速度(260°/s）明顯大于球速快的投手(161°/s）,球速較快的投手則有相當(dāng)大的肩關(guān)節(jié)最大外旋角度(179°）。

Stodden等[42](2001）以7位職業(yè)、9位大學(xué)及3位高中的投手探討骨盆和上半身軀干位置對球速的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)當(dāng)球速增加,上半身軀干和骨盆的旋轉(zhuǎn)角度都會(huì)有增加的現(xiàn)象。此外,在上肢后擺期的骨盆平均速度,及上肢加速期時(shí)上半身軀干的平均速度,都會(huì)隨著球速的增快而增加。

Stodden等[43](2005）探討19名大學(xué)棒球投手的投球動(dòng)作,分析運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)與球速間的關(guān)系,其中2個(gè)時(shí)間參數(shù)(最大肩關(guān)節(jié)水平外展角度出現(xiàn)時(shí)刻的提前、最大肩關(guān)節(jié)內(nèi)旋角度出現(xiàn)時(shí)刻的退后）、3個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)(伸踏腿觸地瞬間肩關(guān)節(jié)水平外展角度的減小、加速階段肩關(guān)節(jié)水平外展角度的減小和球出手瞬間時(shí)軀干前傾角度的增大）都與球速增加有明顯正相關(guān)。這些參數(shù)數(shù)據(jù)的提高,肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)可能受傷的風(fēng)險(xiǎn)也隨著提高,所以投手要加強(qiáng)肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)附近肌肉力量的鍛煉。

2.2 不同國家的棒球投手運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)比較研究

Escamilla等[14](2001）對美國、荷蘭、日本、韓國、古巴、意大利、尼加拉瓜及澳大利亞等48名棒球投手為研究對象,對投球技術(shù)的21個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行比較研究,了解在各國不同環(huán)境下所培養(yǎng)出來的投手在各方面有無顯著差異。結(jié)果顯示,肩關(guān)節(jié)水平外展角度和肩關(guān)節(jié)外旋角度在伸踏腳觸地瞬間和球出手瞬間各國存在顯著性差異,古巴投手的伸踏腳觸地瞬間的肩關(guān)節(jié)外展角度最大與其投球速度最快(39m/s）有著密切關(guān)系,其他的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)各國投手都很相似,不存在顯著性差異。

Escamilla等[15](2002）分析11名美國與8名韓國職業(yè)棒球投手的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性,以了解兩種不同人種棒球投手在力學(xué)表現(xiàn)上的不同,結(jié)果顯示,在腳觸地期,美國投手有明顯較大的肩關(guān)節(jié)水平外展,韓國投手則有較大的肩關(guān)節(jié)外展和外旋；上肢后擺期,美國投手顯示出較大的最大肩關(guān)節(jié)外旋,和較大的最大骨盆角速度；球出手瞬間,美國投手的軀干向前傾斜角度較大,球速也較快,及較小的膝關(guān)節(jié)屈曲,這解釋了美國投手的球速,比韓國投手的球速快10％的原因。根據(jù)這些影響球速的關(guān)節(jié)位置,在投手訓(xùn)練的動(dòng)作調(diào)整上,或許可以提供教練一些有效的參考信息,經(jīng)由適當(dāng)?shù)恼{(diào)整投手關(guān)節(jié)位置,可產(chǎn)生更高球速的投球表現(xiàn)。

2.3 不同球路的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)差異研究

Elliott等(1986）[12]以 6名澳大利亞國家隊(duì)的投手為研究對象,分析投直線快速球(fastball）和曲線球(curveball）投球動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù),研究結(jié)果表明,兩種投球動(dòng)作非常相似,但存在細(xì)微的差別,像步長、球速(快速球速度35.1m/s,曲線球28.2m/s）以及前臂和腕關(guān)節(jié)在球出手瞬間的動(dòng)作。

Escamilla等[13](1998）以16名大學(xué)投手投球時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù),分析投手分別投擲直線快速球(fastball）、變速球(change-up）、曲線球(curveball）、滑球(slider）時(shí)的動(dòng)作特性,發(fā)現(xiàn)投擲不同的變化球時(shí),大部分肩關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)變化,皆有顯著差異,直線快速球和變速球的差異最大,從前導(dǎo)腳觸地到球出手,膝關(guān)節(jié)屈曲的角度變化,直線快速球僅有2°,投擲變速球則有13°；加速期時(shí),投擲直球的肩關(guān)節(jié)最大內(nèi)旋角速度(7 550°/s）明顯大于變速球(6 680°/s）。

Barrentine等[6](1998）以8名大學(xué)的棒球投手,針對投擲不同變化球時(shí),腕關(guān)節(jié)及前臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)作探討,結(jié)果顯示,投擲曲球時(shí),前臂最大旋前角度最大,可達(dá)32°,但投擲直線快速球和變速球時(shí),腕關(guān)節(jié)和前臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)并無差異。

由這3篇文獻(xiàn)可知,直線快速球和變速球投擲的差異,主要發(fā)生于肩關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)的位置變化,與前臂及腕關(guān)節(jié)的活動(dòng)無相關(guān),這些與球路相關(guān)的關(guān)節(jié)位置的差異,也可提供打擊者對于投手投球預(yù)測的參考信息。

2.4 不同年齡、經(jīng)驗(yàn)或運(yùn)動(dòng)水平的投手運(yùn)動(dòng)學(xué)差異研究

Fleisig等[17](1999）以23名初中生、33名高中生、115名大學(xué)生及60名職業(yè)投手為研究對象,分別在16個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和6個(gè)時(shí)間參數(shù)進(jìn)行了對比分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),肘關(guān)節(jié)屈曲等6個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)呈顯著性差異。

Dun等[11](2007）探討年齡對職業(yè)棒球投手的影響,將67名職業(yè)棒球投手高于平均年齡一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的12名投手為老年組,及10名低于平均年齡一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的投手為年輕組,比較兩組投球動(dòng)作的不同,發(fā)現(xiàn)老年組投手,上肢后擺期有較小的肩關(guān)節(jié)外旋,球離手時(shí)前導(dǎo)腳膝關(guān)節(jié)有較多的屈曲,且身體傾斜的角度較小,但球速和身體環(huán)節(jié)速度的變異上,老年組和年輕組之間沒有差異。

Murata[34](2001）按照教練建議和投手球速及臨場表現(xiàn),將6名普通人球隊(duì)投手和3名高中棒球投手分為熟練組(skilled）和不熟練組(unskilled）,探討投球時(shí)非投球側(cè)肩關(guān)節(jié)動(dòng)作的異同,及與球速之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)熟練組的投手,非投球側(cè)肩關(guān)節(jié)的動(dòng)作比不熟練組的投手小,且較小的動(dòng)作一樣可以產(chǎn)生較快的球速。表示球齡較久的投手,在身體動(dòng)作較小與較不費(fèi)力的情形下,一樣可以運(yùn)用技巧達(dá)到高球速。

2.5 不同投擲動(dòng)作運(yùn)動(dòng)學(xué)差異研究

Fleisig等[19](1996）對 26名高中、大學(xué)棒球投手的投球動(dòng)作和26名高中、大學(xué)橄欖球四分衛(wèi)的傳球動(dòng)作進(jìn)行三維高速攝影動(dòng)作分析,研究結(jié)果表明,四分衛(wèi)傳球肩關(guān)節(jié)最大外旋角度、髖關(guān)節(jié)的最大轉(zhuǎn)動(dòng)速度、上體最大轉(zhuǎn)動(dòng)速度、肘關(guān)節(jié)最大伸展速度以及肩關(guān)節(jié)的最大內(nèi)旋角速度都比棒球投球動(dòng)作早,在球出手瞬間四分衛(wèi)的步長小于棒球出手瞬間的步長長度,并且,四分衛(wèi)在球出手瞬間身體是直立的,另外,在揮臂準(zhǔn)備階段,四分衛(wèi)的肘關(guān)節(jié)伸展角度和肩關(guān)節(jié)水平外展角度比棒球投手的大。

表1 棒球投手投球之運(yùn)動(dòng)學(xué)相關(guān)文獻(xiàn)一覽表

3 動(dòng)力學(xué)方面的研究

分析投手投球時(shí)的動(dòng)力學(xué),可了解投球時(shí)身體各部位關(guān)節(jié)作用力的變化,進(jìn)而推估引起運(yùn)動(dòng)傷害的機(jī)制。

3.1 不同運(yùn)動(dòng)級別、年齡投手的動(dòng)力學(xué)分析

Fleisig等[17](1999）以不同比賽級別(competition level）的投手,包括23名初中生、33名高中生、115名大學(xué)生與60名職業(yè)的投手,分析投球時(shí)動(dòng)力學(xué)的差異,發(fā)現(xiàn)較高級別的投手,上肢后擺期和加速期,有較大的肩關(guān)節(jié)與肘關(guān)節(jié)力矩,而關(guān)節(jié)力矩值隨著級別的提高顯著的增加,表現(xiàn)出級別越高的棒球投手,越存在較大的受傷風(fēng)險(xiǎn)。

Aguinaldo等[5](2007）以6名職業(yè)、11名大學(xué)生、12名高中生和9名初中生的投手,探討上半身軀干旋轉(zhuǎn),與肩關(guān)節(jié)力矩之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)職業(yè)運(yùn)動(dòng)員上半身開始旋轉(zhuǎn)的時(shí)機(jī),在整個(gè)投球動(dòng)作時(shí)程的 34％,較其他層級的投手(14％）明顯的要晚了20％,并有較少的上半身旋轉(zhuǎn)力矩,這使得職業(yè)選手能更有效率的使用身體來產(chǎn)生動(dòng)量,且同時(shí)減少肩關(guān)節(jié)的負(fù)擔(dān)。

3.2 不同國家之投手動(dòng)力學(xué)參數(shù)研究

Escamilla等[15](2002）以11名美國與8名韓國的職業(yè)棒球投手,比較美、韓投手動(dòng)力學(xué)參數(shù),美國投手在上肢后擺期,有較高最大肩關(guān)節(jié)內(nèi)旋力矩和最大肘關(guān)節(jié)內(nèi)翻力矩,加速期有較高肘關(guān)節(jié)屈曲力矩,以產(chǎn)生高球速,相對也形成較高肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的負(fù)荷。

Stodden等[43](2005）探討 19名大學(xué)生棒球投手的投球動(dòng)作,分析動(dòng)力學(xué)參數(shù)與球速間的關(guān)系,其中肘關(guān)節(jié)屈曲力矩、肩關(guān)節(jié)與肘關(guān)節(jié)力量與球速增加有明顯正相關(guān)。表示高球速時(shí),這些上肢關(guān)節(jié)承受的力量與力矩也隨之增加,伴隨著肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)可能受傷的風(fēng)險(xiǎn)也隨著提高。

3.3 不同球路之動(dòng)力學(xué)研究

Fleisig等[18](2006）研究21名大學(xué)生投手投擲4種變化球(直線球、曲線球、變速球、滑球）的差異,發(fā)現(xiàn)投擲變速球時(shí)的關(guān)節(jié)力矩,比其他3種變化球小,直線球有最大的肩關(guān)節(jié)水平外展力矩(111 Nm）和肘關(guān)節(jié)內(nèi)翻力矩(82 Nm）,投曲線球時(shí),肘關(guān)節(jié)的屈曲力矩(41 Nm）比投變速球時(shí)要大。由此可知,擅長不同球路的投手,為了盡可能減低運(yùn)動(dòng)傷害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn),肌力訓(xùn)練時(shí)應(yīng)強(qiáng)調(diào)訓(xùn)練的肌群亦不同,如擅長投曲線球的投手,在肌力訓(xùn)練上,應(yīng)該加強(qiáng)肘屈肌的訓(xùn)練,以適應(yīng)投球時(shí)高強(qiáng)度的肘屈曲力矩。

Xue與 Masuda[45](1997）分析12名日本職業(yè)投手投球動(dòng)作,發(fā)現(xiàn)快速的投擲動(dòng)作中,肩關(guān)節(jié)像是一個(gè)重要的支點(diǎn),支撐著加速期投球的上肢,為了讓投球的動(dòng)作完美且預(yù)防肩關(guān)節(jié)的損傷,避免關(guān)節(jié)承受過度的壓力和剪力是相當(dāng)重要的。

由以上動(dòng)力學(xué)相關(guān)的研究可知,產(chǎn)生較高球速時(shí),上肢關(guān)節(jié)力矩也相對提高,對于不同球路的變化球,也會(huì)造成關(guān)節(jié)負(fù)荷的不同,教練和選手應(yīng)在增加球速的同時(shí),也需注意到關(guān)節(jié)力矩的增加所帶來的負(fù)擔(dān),并配合適當(dāng)?shù)募×τ?xùn)練計(jì)劃,以免造成運(yùn)動(dòng)傷害。

表2 棒球投手投球之動(dòng)力學(xué)相關(guān)文獻(xiàn)一覽表

4 肌力學(xué)方面的研究

對于棒球投手而言,肌力的強(qiáng)弱與能否投出高球速,及避免強(qiáng)大作用力而造成的運(yùn)動(dòng)傷害,有密切的關(guān)系。

4.1 棒球投手主要肌肉群的肌電學(xué)研究

由于直接對上肢進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究難度較大,為了揭示上肢運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制和運(yùn)動(dòng)過程中肌肉活動(dòng)的時(shí)序與大小,國外一些研究者對上肢運(yùn)動(dòng)時(shí)的主要發(fā)力肌群進(jìn)行了肌電研究。

Frank[20](1983）對棒球投擲動(dòng)作中肩關(guān)節(jié)周圍的肌肉進(jìn)行了肌電研究,發(fā)現(xiàn)在上肢反向運(yùn)動(dòng)階段肩關(guān)節(jié)周圍肌肉的運(yùn)動(dòng)順序是三角肌——S.I.T.(崗上肌-崗下肌-小圓肌）——肩胛下肌,在向前投擲階段肌肉活動(dòng)減小,肱二頭肌幾乎是靜止的,而隨揮階段由于肌肉做離心收縮減小肢體運(yùn)動(dòng)速度所以出現(xiàn)較大的活動(dòng)。

Sisto等人(1987）[41]以8名大學(xué)投手為受試者使用動(dòng)態(tài)肌電圖(450張/s）分析肘關(guān)節(jié)肌群在投快速球與變化球時(shí),其肌肉收縮強(qiáng)度與形態(tài)是否有所不同。受測肌群包括伸指肌、肱橈肌、橈側(cè)屈腕肌、屈指淺肌、橈側(cè)伸腕短肌、旋前圓肌以及旋后肌等。結(jié)果顯示：1）所有受測肌肉群在兩種投球過程中僅產(chǎn)生低至中強(qiáng)度收縮；2）快速球與變化球在肌肉收縮型態(tài)僅在于投變化球時(shí),其橈側(cè)屈腕長肌與短肌之收縮強(qiáng)度于揮臂(cocking）后期、加速期以及隨揮動(dòng)作中有增加,但并不顯著的增加。因此,該研究者推測這些受測肌群的功能,可能僅在將軀干以及肩帶結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的動(dòng)能傳送至球上。

Elliott[9](1999）對上肢肌拉長后有停頓和無停頓的投擲運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了肌電與高速攝像的同步研究,認(rèn)為最大腕速的21.9％是由于彈性勢能的再利用獲得的,文章還得出了停頓時(shí)間和最大腕速之間的回歸方程。

Gowan[22]等人1987年以7名職業(yè)和6名業(yè)余棒球投手為受試者,對投球動(dòng)作肌電圖進(jìn)行分析,研究結(jié)果顯示：岡上肌、岡下肌、小圓肌、三角肌、斜方肌、肱二頭肌在手臂卷曲階段(cocking phase）,肌肉收縮強(qiáng)度較大,而加速時(shí)期則較小；胸大肌、前鋸肌、肩胛下肌與背闊肌在投球中的主要功能是使手臂與球向前加速,在加速期(acceleration phase）中這些肌群有較大的收縮強(qiáng)度。

Jobe[28]等人(1984）以4名男性為受試者,使用肌電圖與高速攝影機(jī)(500 fps）,分析其肩關(guān)節(jié)肌群在投球動(dòng)作中的收縮狀況。受測肌群包括肱二頭肌與肱三頭肌的長頭與外側(cè)頭部份、胸大肌、背闊肌、前鋸肌以及肱肌等。結(jié)果顯示：1）在揮臂階段(cocking）動(dòng)作初期所有受測肌群只產(chǎn)生低強(qiáng)度收縮；2）在上臂后擺階段(即伸踏腳著地至肩關(guān)節(jié)最大外旋）二頭肌產(chǎn)生中等強(qiáng)度收縮；3）在上臂加速期,肱二頭肌放松,而胸大肌、背闊肌、肱三頭肌以及前鋸肌全都產(chǎn)生收縮情形。因此,這些肌群將先扮演減速的功能,接著主動(dòng)收縮肩關(guān)節(jié)內(nèi)旋使球向前方加速。4）隨揮動(dòng)作階段,部份肌肉將繼續(xù)主動(dòng)收縮將肩關(guān)節(jié)帶過身體中心、肘關(guān)節(jié)伸展以及前臂旋前,同時(shí),上肢肌肉也將產(chǎn)生減速的離心收縮。

Jobe[29]等人(1983）以5名業(yè)余棒球投手為受試者(年齡25～33歲）,以肌電圖與高速攝影機(jī)分析其三角肌與肩旋轉(zhuǎn)肌群(rotator cuff）在投球過程中的收縮模式。結(jié)果顯示：1）在舉臂或準(zhǔn)備階段里(指由舉臂到球離開手套之過程）其受測肌群收縮強(qiáng)度較低,且無固定的收縮模式。2）揮臂動(dòng)作時(shí)(cocking phase）指球離開手套到肩關(guān)節(jié)最大外旋之過程,其肌肉收縮有一定的模式：首先由三角肌的前、中、后段產(chǎn)生收縮,使肩關(guān)節(jié)抬至90°外展,接著崗上肌、崗下肌、小圓肌(S.1.T.肌群）收縮,其中以崗上肌的收縮強(qiáng)度最強(qiáng),最后由肩胛下肌收縮。3）加速期時(shí)(指肩關(guān)節(jié)由最大外旋姿勢開始作內(nèi)旋動(dòng)作,至球離開手指的過程：此時(shí)肩關(guān)節(jié)的動(dòng)作為水平屈曲與內(nèi)旋）,受測肌群的收縮強(qiáng)度較低,這一過程在0.5 s內(nèi)完成,在球離手前,S.1.T.肌群產(chǎn)生收縮,使對肩關(guān)節(jié)內(nèi)旋動(dòng)作形成減速功能。4）在隨揮動(dòng)作時(shí)(球離手至動(dòng)作結(jié)束階段）,肩關(guān)節(jié)仍繼續(xù)內(nèi)旋與水平屈曲,而所有受測肌群則產(chǎn)生最大強(qiáng)度之收縮,其原因可能與動(dòng)作之減速有關(guān)。

Hirashima(2002）[25]等人記錄了上肢表面肌電和腹部肌電在上投投球過程中檢測啟動(dòng)和峰值時(shí)間,在受試者中的肌電圖中發(fā)現(xiàn)：1）肌電活動(dòng)的順序是從肩胛(scapular）到肩水平屈肌,從肩水平屈肌到肘伸肌。但從肘到腕不是從肘伸肌到腕屈肌或前臂旋前肌(p ronator）,支持投球動(dòng)作在肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)間是一個(gè)由近到遠(yuǎn)加速的動(dòng)力鏈觀點(diǎn)。2）投擲臂對側(cè)的腹外斜肌較同側(cè)的外斜肌先出現(xiàn)肌電活動(dòng)。這樣的順序被認(rèn)為能使軀干產(chǎn)生很大的力和能量是非常有效的。3）同側(cè)的外斜肌在幾乎伸踏足觸地瞬間開始活動(dòng)。最后,腹直肌的主要活動(dòng)出現(xiàn)在球剛出手點(diǎn)之前。

Saitou等[39](2001年）對5名大學(xué)投手針對肱二頭肌、肱三頭肌、尺側(cè)腕屈肌、尺側(cè)腕伸肌、旋前圓肌、橈側(cè)腕屈肌、橈側(cè)腕伸肌等肌肉在投球時(shí)肌電活動(dòng)(球離手前300 ms至球離手后200 ms）與球速進(jìn)行因素分析,進(jìn)而了解各肌肉對于球速的貢獻(xiàn)。結(jié)果顯示：肱三頭肌、橈側(cè)腕屈肌、橈側(cè)腕伸肌為與球速有相關(guān)的第一級因素、伸指肌與尺側(cè)腕伸肌為第二級因素、肱二頭肌、尺側(cè)腕屈肌與旋前圓肌為第三級因素。

由以上肌電學(xué)相關(guān)的研究可知,肌電學(xué)的研究主要對上體肌肉群(主要是腹部肌肉群和上肢肌肉群）的參與程度、參與時(shí)刻、收縮程度、貢獻(xiàn)程度進(jìn)行了研究,而對伸踏腿和軸心腿在整個(gè)投球動(dòng)作過程的肌肉群的肌電學(xué)情況沒有涉及,這無疑為研究者提供了研究指南。

4.2 棒球投擲臂各關(guān)節(jié)等速肌力研究

等速肌力測試儀器經(jīng)過數(shù)十年來的發(fā)展與改良,已經(jīng)可以更精確、客觀以及有效地用來評估病人或運(yùn)動(dòng)選手的單一或多關(guān)節(jié)動(dòng)作所產(chǎn)生的肌肉收縮力量與動(dòng)力。棒球投球動(dòng)作是由一連串復(fù)雜的關(guān)節(jié)活動(dòng)所構(gòu)成的,而其中又以上肢關(guān)節(jié)動(dòng)作對球速的影響最大,因此對棒球投手上肢各主要關(guān)節(jié)等速肌力特性的了解,可為棒球教練擬定訓(xùn)練計(jì)劃提供參考。

Pedegana[37]等人(1982）以 8名職業(yè)棒球投手為受試者,分析其上肢各關(guān)節(jié)在角速度為60°與180°/s的等速肌力與球速之間的關(guān)系。等速肌力測試之動(dòng)作包括投擲臂與非投擲臂肩關(guān)節(jié)：外展與內(nèi)收、屈曲與伸展、水平外展與內(nèi)收、內(nèi)旋與外旋、肘關(guān)節(jié)屈曲與伸展、前臂旋前與旋后(前臂與腕關(guān)節(jié)測試角速度為30°與120°/s）、腕伸展與屈曲。在經(jīng)過簡單線性回歸(simple linear regressions）統(tǒng)計(jì)分析后,結(jié)果顯示,在所有受測動(dòng)作中,肘關(guān)節(jié)與腕關(guān)節(jié)伸展動(dòng)作與球速之間有顯著相關(guān)。

Wilk[44]等人(1992）以50名職業(yè)棒球選手為受試者,探討肩關(guān)節(jié)外展與內(nèi)收等速測力時(shí),以1）windowed與2） unwindowed所取得之測試數(shù)值是否會(huì)對研究結(jié)果產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)所使用之測力器為Biodex等速測力系統(tǒng),受試者投球臂與非投球臂皆接受角速度180°與300°/s的等速測力。結(jié)果顯示：1）慣用臂、非慣用臂以及兩種角速度所取得的平均峰值轉(zhuǎn)矩,windowed顯著大于unwindowed。2）研究指出,在進(jìn)行肩關(guān)節(jié)外展與內(nèi)收等速肌力測試時(shí),應(yīng)注意所采用數(shù)據(jù)的差異對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響。

Bartlett[7]等人(1989）以 11名職業(yè)棒球投手為受試者,探討其上肢各關(guān)節(jié)等速肌力與球速之間的關(guān)系。受試者投球臂與非投球臂分別對1）肩關(guān)節(jié)屈曲與伸展、2）肩關(guān)節(jié)外展與內(nèi)收、3）肩關(guān)節(jié)水平外展與內(nèi)收、4）肩關(guān)節(jié)90°外展的內(nèi)旋與外旋、5）肘關(guān)節(jié)屈曲與伸展、6）前臂旋前與旋后、7）腕關(guān)節(jié)屈曲與伸展等動(dòng)作進(jìn)行角速度為90°/s等速肌力測試。結(jié)果顯示：投球臂肩關(guān)節(jié)內(nèi)收動(dòng)作與球速間有顯著相關(guān)(r=0.545，P＞0.05）,而肩關(guān)節(jié)伸展動(dòng)作與球速之相關(guān)性雖高,但未達(dá)顯著水平(r=0.458）；其余受測關(guān)節(jié)之等速肌力與球速間的相關(guān)系數(shù)分別為：肩關(guān)節(jié)內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)作r=0.098、腕關(guān)節(jié)伸展動(dòng)作r=0.109、肘關(guān)節(jié)伸展動(dòng)作r=0.000、肘關(guān)節(jié)屈曲r=0.307、腕關(guān)節(jié)屈曲r=-0.162。該研究作者推測：由于肩關(guān)節(jié)內(nèi)收動(dòng)作中的主作用肌如胸大肌、背闊肌以及伸展動(dòng)作的背闊肌與投球動(dòng)作的主要肌群相同,因此,其與球速的相關(guān)性較高。

Paw low ski[36]等人(1989）以 10名大專棒球代表隊(duì)投手為受試對象,探討其投擲臂1）肩關(guān)節(jié)伸展與屈曲、2）肩關(guān)節(jié)內(nèi)旋與外旋、3）肘關(guān)節(jié)屈曲與伸展等動(dòng)作的等速肌力值與球速間的關(guān)系。其實(shí)驗(yàn)中所采用之等速測力角速度分別為90°與240°/s,而所測得之等速肌力值包括峰值轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩加速度能量(Torque Acceleration Energy）,平均動(dòng)力值(Average Power）以及總作功(Total Work）等 。結(jié)果顯示,1）肩關(guān)節(jié)內(nèi)旋動(dòng)作在角速度為240°/s時(shí)的峰值轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩加速度能量、平均動(dòng)力值以及總做功與球速間有顯著相關(guān)。2）肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)之伸展與屈曲動(dòng)作的等速測力結(jié)果與球速之間無顯著相關(guān)。3）肩關(guān)節(jié)外旋動(dòng)作在角速度為240°/s之峰值轉(zhuǎn)矩、平均動(dòng)力值以及總做功都與球速之間有顯著相關(guān)。此研究結(jié)論指出,由于投球動(dòng)作的特殊性使得肩關(guān)節(jié)內(nèi)旋與外旋動(dòng)作在較高角速度的等速測力中出現(xiàn)顯著相關(guān)。

Hinton[24]等人(1988）以 26名高中棒球投手為受試者,探討其投球臂與非投球臂的外旋與內(nèi)旋動(dòng)作在角速度為90°與240°/s的情況下進(jìn)行等速肌力測試,以1）躺姿,肩關(guān)節(jié)90°外展,2）立姿,肩關(guān)節(jié)0°外展姿勢所獲得的峰值轉(zhuǎn)矩、總做功、單位體重之峰值轉(zhuǎn)矩以及作用肌與拮抗肌之比值等是否存在差異。結(jié)果顯示：1）兩種測試姿勢所獲得之轉(zhuǎn)矩值顯著不同,以肩關(guān)節(jié)90°/s外展姿勢所產(chǎn)生之外旋轉(zhuǎn)矩、外旋與內(nèi)旋轉(zhuǎn)矩之比值,以及總做功較高。2）兩種角速度下之外旋與內(nèi)旋峰值轉(zhuǎn)矩未有顯著差異。3）投擲臂之作用肌與拮抗肌的比值相對于非投擲臂較不平衡,在90°外展姿勢時(shí),投球臂90°/s為68.7％、240°/s為 79.9％,而非投球臂 90°/s為 75.9％、240°/s為 80.3％。

Brown[8]等人(1988）以41名職業(yè)棒球運(yùn)動(dòng)員為受試者,比較其投擲臂與非投擲臂肩關(guān)節(jié)之內(nèi)旋與外旋動(dòng)作在角速度為180°/s、240°/s以及300°/s之等速肌力,以及上肢各關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍是否有顯著差異。結(jié)果顯示,在等速肌力的比較部份：1）投手的投擲臂與非投擲臂各個(gè)測試動(dòng)作與角速度之測試結(jié)果皆大于非投手；2）投手的投擲臂顯著大于非投擲臂；3）在各個(gè)測試角速度下,主動(dòng)肌與拮抗肌之比值,投手與非投手并無顯著差異。

4.3 棒球投擲臂肌力學(xué)其他方面的研究

M ikesky等[32](1995）檢測25名大學(xué)生棒球投手肩關(guān)節(jié)及肘關(guān)節(jié)等速肌力值,發(fā)現(xiàn)無論是肩關(guān)節(jié)或肘關(guān)節(jié)的離心力矩,都明顯高于向心力矩。

Donatelli等[11](2000）比較39名職業(yè)棒球投手投球側(cè)和非投球側(cè)的肩關(guān)節(jié)肌力強(qiáng)度,結(jié)果投球側(cè)的內(nèi)旋肌肌力(18.2 Nm）,明顯大于非投球側(cè)內(nèi)旋肌肌力(17.4 Nm）。

Huang等[26](2005）探討成年棒球(19～24歲）、青年棒球(16～18歲）、青少年棒球(13～15歲）及少年棒球(9～12歲）各20名的投手,肩關(guān)節(jié)內(nèi)旋肌和外旋肌之等速肌力和肌耐力的比較,結(jié)果顯示,外旋肌力和內(nèi)旋肌力比值的范圍在0.71到0.77之間,表示內(nèi)旋肌的肌力普遍大于外旋肌的肌力。此外,和成年投手相比,未成年投手的外旋肌肌力和肌耐力明顯較弱,因此,對于未成年投手,外旋肌的訓(xùn)練應(yīng)需特別加強(qiáng)。

Hayashida與Nakagawa[23](2005）探討高中生投手肩關(guān)節(jié)外展肌肌力和球速在經(jīng)過19場比賽后變化情形,發(fā)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)外展肌肌力和球速都明顯下降。

Mullaney等[33](2005）調(diào)查13位來自大學(xué)或小聯(lián)盟,平均每7局投球數(shù)99球的投手,在一個(gè)短暫賽程(19場）前后,投手肌力的變化情形,發(fā)現(xiàn)整體的肌力數(shù)值,在賽后都呈現(xiàn)下降,肩關(guān)節(jié)屈肌肌力下降15％,內(nèi)旋肌肌力下降18％,外展肌下降11％,表示對棒球投手而言,應(yīng)重視肩關(guān)節(jié)肌力的訓(xùn)練,尤其是內(nèi)旋肌和外展肌肌群的肌力,以維持較高的球速和應(yīng)付比賽時(shí)對關(guān)節(jié)造成的負(fù)擔(dān)。由此可知,肌力對投球動(dòng)作的重要性,經(jīng)過比賽之后,肩關(guān)節(jié)肌力有明顯下降的趨勢,而且,年紀(jì)較輕的選手的肌力和肌耐力明顯較弱。

表3 棒球投手投球之肌力相關(guān)文獻(xiàn)一覽表[1]

5 棒球投手運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究方法

文獻(xiàn)資料顯示,有關(guān)棒球運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究的文章中,關(guān)于棒球投手的研究占70％,形成這種格局一方面是由于棒球投手自身的特點(diǎn),投手的水平對比賽的勝負(fù)起到了80％左右的作用,他是全隊(duì)的靈魂,亦是衡量一個(gè)棒球隊(duì)強(qiáng)弱的標(biāo)志。另一方面,進(jìn)行棒球運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的科學(xué)研究開展的比較早。

表4 關(guān)于棒球投手研究方面與研究儀器一覽表

由于科技的發(fā)展和各個(gè)學(xué)科的相互滲透,有關(guān)棒球投手投球動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究方法向準(zhǔn)確化、同步化、模型化和電腦化方面邁進(jìn)了一大步。主要通過攝影、錄像進(jìn)行三維現(xiàn)場拍攝或者實(shí)驗(yàn)拍攝投球動(dòng)作,并結(jié)合影、像解析軟件,獲得人體運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)條件下還可與三維測力臺、遙測肌電儀相結(jié)合,利用同步技術(shù),取得與之相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)和肌力參數(shù)。從運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)兩方面進(jìn)行分析比較,探索運(yùn)動(dòng)技術(shù)的原理及運(yùn)動(dòng)規(guī)律,為評價(jià)動(dòng)作技術(shù)的合理性、設(shè)計(jì)新的訓(xùn)練手段、改善運(yùn)動(dòng)技術(shù)動(dòng)作、提高運(yùn)動(dòng)成績提供理論依據(jù)。

6 研究綜述對我國研究者的啟發(fā)與展望

6.1 啟發(fā)

從國外學(xué)者對棒球投手投球動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和肌電特征等各個(gè)方面的科研報(bào)道,得知很多先進(jìn)的科研手段,如高速攝像、等速肌力測試系統(tǒng)、表面肌電圖等已經(jīng)被引入到對棒球投手的研究中。這樣可以啟發(fā)我國學(xué)者對棒球研究者,無疑對我國開展棒球投手運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究提供很多的思路和方案參考。我國棒球研究者可以根據(jù)我國棒球的實(shí)際情況對影響棒球投球球速的技術(shù)動(dòng)作生物力學(xué)因素,以及如何優(yōu)化投球動(dòng)作進(jìn)行深入的研究。同樣通過對國外學(xué)者的研究狀況提示我國學(xué)者可對此方向進(jìn)行多角度、多層次的研究,以提高我國棒球運(yùn)動(dòng)水平,增加我國棒球運(yùn)動(dòng)投手運(yùn)動(dòng)員的技戰(zhàn)水平和棒球的觀賞性。

6.2 研究思路的擴(kuò)展

通過分析國外學(xué)者的研究思路和研究方案,為進(jìn)一步開展我國其他運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究提供了思路,例如：類似棒球投手的投擲鞭打動(dòng)作(鉛球、排球的扣球、標(biāo)槍等）的擴(kuò)展性研究；對投手投球動(dòng)作過程中下肢動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究的展開；對擊打員的擊打動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究；對外場手接不同球時(shí)的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究；運(yùn)用兩種或兩種以上的研究儀器進(jìn)行某一動(dòng)作的同步運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究；研究方法擴(kuò)展和深入開發(fā)研究；擴(kuò)展到其他運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目動(dòng)作技術(shù)的監(jiān)控研究。

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