排球運(yùn)動(dòng)扣球起跳和落地動(dòng)作的髖、膝、踝動(dòng)力學(xué)分析

原文惠，吳 劍，魏 亮

排球運(yùn)動(dòng)扣球起跳和落地動(dòng)作的髖、膝、踝動(dòng)力學(xué)分析

原文惠，吳 劍，魏 亮

目的研究排球運(yùn)動(dòng)扣球起跳和落地動(dòng)作時(shí)髖、膝、踝的動(dòng)力學(xué)特征。方法采用VICON紅外三維動(dòng)作分析系統(tǒng)、AMTI測(cè)力臺(tái)對(duì)9名排球運(yùn)動(dòng)員的扣球起跳和落地動(dòng)作進(jìn)行拍攝，并對(duì)不同方式扣球起跳和落地動(dòng)作的髖、膝、踝進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。結(jié)果與結(jié)論在不同方式扣球起跳過(guò)程中左側(cè)關(guān)節(jié)受力均大于右側(cè)關(guān)節(jié)。在起跳和落地過(guò)程中，踝關(guān)節(jié)在X軸方向起主要作用，髖關(guān)節(jié)在Y軸上起主要作用，膝關(guān)節(jié)在Z軸上起主要作用。排球扣球起跳時(shí)，右腳先著地—重心最低點(diǎn)—左腳著地，屬于排球起跳動(dòng)作特有特征。在排球動(dòng)作起跳中，右腿主要負(fù)責(zé)將水平速度轉(zhuǎn)化到垂直方向而后伴隨蹬地輔助起跳，左腿則主要負(fù)責(zé)垂直方向發(fā)力起跳。

排球；起跳；落地；動(dòng)力學(xué)分析

膝關(guān)節(jié)損傷是最常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)損傷之一，在球類(lèi)項(xiàng)目中最為常見(jiàn)。排球運(yùn)動(dòng)中的急停、急轉(zhuǎn)、減速、跳躍、落地不穩(wěn)等會(huì)造成膝關(guān)節(jié)非接觸損傷，出現(xiàn)關(guān)節(jié)外翻、外旋、過(guò)伸的損傷。在損傷部位的構(gòu)成比中，占首位的是膝關(guān)節(jié)為43.1%，腰背部、肩關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)分別為 22.3%、10.4%、7.1%［1］。 在排球運(yùn)動(dòng)中膝關(guān)節(jié)損傷率最高，而在整個(gè)扣球階段對(duì)于膝關(guān)節(jié)的損傷主要集中在起跳和落地階段。扣球起跳和落地是排球扣球技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)也是排球運(yùn)動(dòng)員最容易發(fā)生損傷的環(huán)節(jié)。

扣球是排球比賽勝利的最重要的環(huán)節(jié)，扣球高度、力量和速度是提高扣球成功率的關(guān)鍵因素，充分的起跳有利于增加扣球效果的攻擊性，而在追求扣球高度的同時(shí)勢(shì)必會(huì)增大落地時(shí)下肢損傷的風(fēng)險(xiǎn)。排球扣球技術(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的騰空高度和在空中的身體平衡能力有很高的要求［2］。因此良好的起跳和落地動(dòng)作能夠保證運(yùn)動(dòng)員在做動(dòng)作時(shí)能夠達(dá)到更高的高度同時(shí)也預(yù)防運(yùn)動(dòng)員下肢關(guān)節(jié)的損傷。

排球扣球由4個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成：助跑、起跳、空中擊球和落地。其中前兩個(gè)環(huán)節(jié)是整個(gè)技術(shù)動(dòng)作的基礎(chǔ)，尤其對(duì)于騰起高度的獲得起決定性作用［3］。排球扣球的起跳環(huán)節(jié)其技術(shù)動(dòng)作具有獨(dú)特性，既不同于跳遠(yuǎn)又不同于跳高，而是在追求高度的前提下需要保持適宜的水平速度，以此來(lái)增大扣球威力［4］。而前人對(duì)扣球技術(shù)的研究都集中在起跳時(shí)如何提高起跳高度為更好的擊球提供條件和空中擊球階段如何將扣球技術(shù)最優(yōu)化的問(wèn)題［5］。排球是一項(xiàng)要求運(yùn)動(dòng)員連續(xù)起跳—落地、啟動(dòng)—制動(dòng)的球類(lèi)項(xiàng)目，比賽獲取勝利主要是通過(guò)空中來(lái)完成動(dòng)作擊敗對(duì)方，各項(xiàng)技術(shù)要求運(yùn)動(dòng)員反復(fù)深蹲且幅度過(guò)大，很多的訓(xùn)練動(dòng)作要求從不同的方向落地以及訓(xùn)練時(shí)高強(qiáng)度訓(xùn)練負(fù)荷，不斷增加膝關(guān)節(jié)的負(fù)荷，導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)最容易受傷［6］。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于膝關(guān)節(jié)損傷機(jī)制的研究主要集中在運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的研究，對(duì)于動(dòng)力學(xué)的研究較少。國(guó)外最新研究報(bào)道，潛在性的膝關(guān)節(jié)損傷患者在完成屈膝發(fā)力動(dòng)作時(shí)，某些核心肌肉力學(xué)參數(shù)會(huì)出現(xiàn)代償性的變化，但這種代償機(jī)制對(duì)于早期膝關(guān)節(jié)損傷患者臨床癥狀并不明顯［7］。本研究對(duì)9名中北大學(xué)男子排球運(yùn)動(dòng)員的不同方式扣球起跳和落地動(dòng)作 （四號(hào)位集中扣球、四號(hào)位拉開(kāi)扣球、后排扣球）進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)對(duì)下肢髖、膝、踝三關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)的分析，進(jìn)一步了解男子排球運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作特點(diǎn)對(duì)于下肢關(guān)節(jié)的影響，探討不同方式扣球起跳和落地動(dòng)作下肢關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特征，揭示膝關(guān)節(jié)發(fā)生損傷時(shí)下肢三關(guān)節(jié)力學(xué)參數(shù)所產(chǎn)生的影響及變化規(guī)律，為排球扣球技術(shù)的教學(xué)和訓(xùn)練以及損傷的預(yù)防提供有效的參考，為科學(xué)化的訓(xùn)練提供一些理論依據(jù)。

1 研究對(duì)象與研究方法

1.1 研究對(duì)象

以排球運(yùn)動(dòng)員扣球起跳和落地動(dòng)作的髖、膝、踝動(dòng)力學(xué)分析為研究對(duì)象。以9名中北大學(xué)男子排球運(yùn)動(dòng)員為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，運(yùn)動(dòng)員的平均年齡為（21.2±0.83）歲，平均身高為（188.18±4.63）cm，平均體重為（83.29±8.41）kg。 參加測(cè)試期間無(wú)損傷。受試者測(cè)試前均無(wú)踝、膝關(guān)節(jié)手術(shù)史。所有受試者都表示自愿參加本次實(shí)驗(yàn)。運(yùn)動(dòng)員基本信息見(jiàn)表1。

表1 運(yùn)動(dòng)員基本信息統(tǒng)計(jì)表

圖1 受試者圖片

圖2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)的采集

以Vicon動(dòng)作分析測(cè)量系統(tǒng)12臺(tái)Vicon MX紅外線(xiàn)高速攝影機(jī)進(jìn)行三維空間的影像收集，采集頻率為300 Hz，收集黏貼于全身的39個(gè)反光球在坐標(biāo)系統(tǒng)中的軌跡，利用軟件處理反光球在空間中的軌跡，并建立3D人體模型，解析技術(shù)動(dòng)作。

以四塊AMTI三維測(cè)力臺(tái)收集地面反作用力的數(shù)據(jù)，采集頻率1 500 Hz，將測(cè)力臺(tái)與VICON系統(tǒng)連接；進(jìn)行運(yùn)動(dòng)員身體數(shù)據(jù)的測(cè)量（身高、體重、年齡、腿長(zhǎng)、膝寬、踝寬、肩峰端與肩關(guān)節(jié)活動(dòng)中心之間距離、肘寬、腕寬、掌厚）輸入VICON紅外三維動(dòng)作分析系統(tǒng)。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

備好實(shí)驗(yàn)所需器材（Marker點(diǎn)、雙面膠、緊身衣、三腳架等），將Marker點(diǎn)按照VICON紅外三維動(dòng)作分析系統(tǒng)測(cè)試要求的39個(gè)點(diǎn)粘貼在測(cè)試者的關(guān)節(jié)處。所有受試者穿著自己的運(yùn)動(dòng)鞋進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試前要求參與者進(jìn)行10min的熱身并練習(xí)扣球的動(dòng)作。本實(shí)驗(yàn)扣球動(dòng)作要求工作人員站在測(cè)力臺(tái)右側(cè)，并將球傳給受試者進(jìn)行扣球動(dòng)作。受試者的扣球路線(xiàn)：1）為四號(hào)位集中扣球；2）為四號(hào)位拉開(kāi)扣球；3）為后排扣球。對(duì)運(yùn)動(dòng)員的不同扣球助跑起跳動(dòng)作和落地動(dòng)作進(jìn)行多次采集。測(cè)試過(guò)程中要求受試者在起跳時(shí)雙腳必須踏入四塊測(cè)力臺(tái)中的兩塊，扣球動(dòng)作完成后，雙手不能觸網(wǎng)，落地后雙腳分別落在兩塊測(cè)力板，并維持穩(wěn)定站立姿勢(shì)，并在每次測(cè)試時(shí)提醒受試者盡最大努力進(jìn)行扣球動(dòng)作。在落地時(shí)發(fā)生失去平衡、跨步等不穩(wěn)定著地的動(dòng)作則被認(rèn)為動(dòng)作無(wú)效須重新測(cè)試，共收集3次成功的數(shù)據(jù)。

圖3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)示意圖

圖中圓圈為VICON的紅外攝像頭，矩形為4塊AMTI測(cè)力臺(tái)。X軸為排球場(chǎng)短邊，Y軸為排球場(chǎng)長(zhǎng)邊（即運(yùn)動(dòng)方向），Z軸為垂直軸。

1.2.3 數(shù)據(jù)的處理與分析

本研究中，人體環(huán)節(jié)慣性參數(shù)采用WINTER所介紹的標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)測(cè)力臺(tái)收集扣球著地的原始數(shù)據(jù)，所測(cè)得的數(shù)據(jù)用來(lái)判斷著地的瞬間，并將其測(cè)得的地面反作用力數(shù)據(jù)以身體的體重對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，將標(biāo)準(zhǔn)化后的地面反作用力進(jìn)行處理分析。根據(jù)逆動(dòng)力學(xué)理論，將得到的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和人體模型參數(shù)對(duì)下肢各關(guān)節(jié)受力情況進(jìn)行推導(dǎo)，通過(guò)軟件Vicon Nexus 2.5.0建立下肢剛體模型，并對(duì)其進(jìn)行濾波平化處理并導(dǎo)出，通過(guò)逆動(dòng)力學(xué)推算出膝、髖、踝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)受力數(shù)據(jù)，找出膝、髖、踝三關(guān)節(jié)受力最大時(shí)刻。以此時(shí)刻為研究對(duì)象，對(duì)關(guān)節(jié)受力、關(guān)節(jié)力矩進(jìn)行對(duì)比研究。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)Microsoft Excel軟件進(jìn)行記錄與統(tǒng)計(jì)。

2 結(jié)果

2.1 起跳方式下膝、髖、踝受力比較

在整個(gè)起跳過(guò)程中，找出膝、髖、踝關(guān)節(jié)受力最大時(shí)刻，以此為研究時(shí)刻進(jìn)行研究。

表2 不同起跳方式下膝、髖、踝關(guān)節(jié)受力情況（N）

圖4 不同起跳方式下膝、髖、踝關(guān)節(jié)合力

表2是不同起跳方式下膝、髖、踝關(guān)節(jié)受力的研究結(jié)果。其中，左側(cè)膝關(guān)節(jié)所受合力為1 988.3±111.5N；右側(cè)膝關(guān)節(jié)所受合力為1 454.9±82.9N；左側(cè)髖關(guān)節(jié)所受合力為1 640.3±127.0N；右側(cè)髖關(guān)節(jié)所受合力為1 229.4±153.2N左側(cè)踝關(guān)節(jié)所受合力為1 923.4±106.8N；右側(cè)踝關(guān)節(jié)所受合力為1 446.0±97.6N。從表2可以看出左側(cè)關(guān)節(jié)受力均大于右側(cè)關(guān)節(jié)，說(shuō)明在起跳過(guò)程中左腿主要為蹬伸腿，右腿主要為緩沖腿，扣球主要以左腿蹬伸來(lái)獲得高度，因此左側(cè)關(guān)節(jié)受力必定大于右側(cè)。

2.2 落地時(shí)膝、髖、踝關(guān)節(jié)比較

圖5 起跳過(guò)程截圖

在整個(gè)落地過(guò)程中，找出膝、髖、踝關(guān)節(jié)受力最大時(shí)刻，以此為研究時(shí)刻進(jìn)行研究。

圖6 不同落地方式下膝、髖、踝關(guān)節(jié)合力

表3 不同方式落地時(shí)膝、髖、踝關(guān)節(jié)受力情況（N）

表3是不同方式落地時(shí)膝、髖、踝關(guān)節(jié)受力的研究結(jié)果。其中，左側(cè)膝關(guān)節(jié)所受合力為3 265.8±366.9N；右側(cè)膝關(guān)節(jié)所受合力為2 968.4±155.1N；左側(cè)髖關(guān)節(jié)所受合力為2 755.3±404.6N；右側(cè)髖關(guān)節(jié)所受合力為2 630.2±49.8N左側(cè)踝關(guān)節(jié)所受合力為1 748.2±290.1N；右側(cè)踝關(guān)節(jié)所受合力為1 633.0±297.1N。從表3中可以看出左側(cè)關(guān)節(jié)受力大于右側(cè)，這是因?yàn)槿梭w在空中扣球是身體與球網(wǎng)存在一定的角度，空中人體的軀干和上肢都是向右側(cè)展腹和拉臂，到揮臂扣球階段時(shí)人體由右側(cè)向左側(cè)旋轉(zhuǎn)做收腹和揮臂動(dòng)作，因此在落地過(guò)程中人體的受力都向左側(cè)轉(zhuǎn)移，于是增大了左側(cè)關(guān)節(jié)的受力。

3 分析與討論

3.1 不同起跳方式下膝、髖、踝關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)分析

排球扣球起跳動(dòng)作是指從右腳著地瞬間開(kāi)始到雙腳起跳離地瞬間結(jié)束。

通過(guò)不同起跳方式下膝、髖、踝關(guān)節(jié)受力情況對(duì)比可以看出，左側(cè)關(guān)節(jié)發(fā)力比右側(cè)關(guān)節(jié)發(fā)力要大，不同起跳方式下髖、膝、踝左右側(cè)趨勢(shì)一致。踝關(guān)節(jié)在X軸方向起主要作用，髖關(guān)節(jié)在Y軸上起主要作用，膝關(guān)節(jié)在Z軸上起主要作用［8］。

由于排球起跳動(dòng)作是要將Y軸的水平速度轉(zhuǎn)化到Z軸垂直速度，來(lái)獲得更高的高度［9］，研究結(jié)果表明，在速度轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，通過(guò)將腳尖從Y軸向X軸轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)獲得制動(dòng)，故踝關(guān)節(jié)在X軸方向起主要作用；通過(guò)髖關(guān)節(jié)的屈伸來(lái)獲得制動(dòng)，減少Y軸的水平速度，故髖關(guān)節(jié)在Y軸方向起主要作用；通過(guò)膝關(guān)節(jié)的屈伸來(lái)獲得制動(dòng)和主動(dòng)蹬伸為了獲得高度，故膝關(guān)節(jié)在Z軸方向起主要作用，髖關(guān)節(jié)在Z軸受力也較大，表明在Z軸主要有膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)起主要作用。

3.2 不同落地方式下膝、髖、踝關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)分析

通過(guò)不同落地方式下膝、髖、踝關(guān)節(jié)受力情況對(duì)比可以看出，整個(gè)落地過(guò)程中，緩沖主要由膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)完成［10］。通過(guò)以上對(duì)比可以看出，踝關(guān)節(jié)在X軸起主要緩沖作用，髖關(guān)節(jié)在Y軸起主要緩沖作用，膝關(guān)節(jié)在Z軸起主要緩沖作用、髖關(guān)節(jié)其次。在整個(gè)落地過(guò)程中，緩沖主要由膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)完成。由于運(yùn)動(dòng)員完成擊球動(dòng)作需要在空中完成上肢的轉(zhuǎn)體動(dòng)作，故造成 X 軸受力較大［11］。

在起跳和落地過(guò)程中，踝關(guān)節(jié)主在X軸方向要主要作用，髖關(guān)節(jié)在Y軸上起主要作用，膝關(guān)節(jié)在Z軸上起主要作用。3個(gè)關(guān)節(jié)分別負(fù)責(zé)不同方向軸的工作，可以幫助教練員分析運(yùn)動(dòng)員損傷原因、以及技術(shù)動(dòng)作的不足之處。

排球扣球起跳時(shí)，右腳先著地—重心最低點(diǎn)—左腳著地的現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，為起跳瞬間的能量轉(zhuǎn)化提供理論依據(jù)，可以幫助教練員重新認(rèn)識(shí)起跳動(dòng)作，為運(yùn)動(dòng)員優(yōu)化起跳技術(shù)。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

1）在起跳過(guò)程中，關(guān)節(jié)受力分析踝關(guān)節(jié)主在X軸方向要主要作用，髖關(guān)節(jié)在Y軸上起主要作用，膝關(guān)節(jié)在Z軸上起主要作用。

2）在落地過(guò)程中，關(guān)節(jié)受力分析踝關(guān)節(jié)主在X軸方向要主要作用，髖關(guān)節(jié)在Y軸上起主要作用，膝關(guān)節(jié)在Z軸上起主要作用。

3）排球扣球起跳時(shí)，右腳先著地—重心最低點(diǎn)—左腳著地，屬于排球起跳動(dòng)作特有特征。本人認(rèn)為在排球動(dòng)作起跳中，右腿主要負(fù)責(zé)將水平速度轉(zhuǎn)化到垂直方向而后伴隨蹬地輔助起跳，左腿則主要負(fù)責(zé)垂直方向發(fā)力起跳。

4.2 建議

1）由于排球起跳和落地動(dòng)作在X、Y、Z軸中膝、髖、踝三關(guān)節(jié)各有作用，為了保護(hù)運(yùn)動(dòng)員關(guān)節(jié)壽命建議增加每個(gè)關(guān)節(jié)的專(zhuān)項(xiàng)訓(xùn)練。

2）由于右腳先著地—重心最低點(diǎn)—左腳著地現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，左右腿部在訓(xùn)練中著重點(diǎn)有所不同，右腿主要訓(xùn)練水平方向的力量，左腿則主要訓(xùn)練垂直方向的力量。

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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，山西祁縣人，在讀碩士，研究方向:運(yùn)動(dòng)生物力學(xué).

中北大學(xué)體育學(xué)院，山西 太原，030051 Physical Education College of North University of China，Taiyuan 030051，China