中国排球运动员扣球环节的速度特征及协调性研究

张海斌,葛春林,王 锋

张海斌1,2,葛春林2,王 锋3

以20名女排队员4号位扣球时的速度与协调性为研究对象,通过测力台、摄像机同步测试来收集运动员扣球环节中的运动学及动力学数据。结果表明:(1)运动员助跑速度与最大起跳高度呈中度正相关,且助跑速度在5-8m/s区间时,最大起跳高度值较大,建议排球运动员训练扣球时采用此速度区间。(2)急停起跳的膝关节角速度与最大起跳高度呈高度正相关,肘关节及肩关节角速度与最大扣球速度呈中度正相关。排球运动员训练时,应在保证肩关节及肘关节肌群力量训练的同时,重点加强膝关节肌群的力量训练,且在进行力量训练时应合理安排最大力量与快速力量的比例。(3)排球运动员在腾空扣球阶段与最大扣球速度的相关性大小依次为肩关节角速度＞躯干扭转角加速度＞肘关节角速度＞腕关节角速度。建议排球运动员在进行力量训练时,应适量加大对上肢各关节肌肉快速力量以及核心力量的训练比例。(4)排球运动员在训练中应对急停起跳以及腾空扣球阶段的身体协调能力进行专项化训练,并将急停起跳阶段的肘-肩-膝关节角度联动与腾空扣球阶段的肘-肩-腕关节角度联动作为评价指标来指导协调能力的训练。

排球;扣球;速度;协调性

在激烈的排球竞技比赛中,扣球进攻作为得分的重要手段,在比赛中发挥着极为重要的作用。张华的研究指出:强攻扣球在反攻中占有主要地位,强攻仍是得分的主要手段,在以追求简捷有效为进攻战术目的的现代排球中,强攻愈发得到各国排球界的重视[1]。并且有研究指出实行每球得分制以后,排球比赛的得分手段中扣球的比重急剧增加(约占65%左右)[2]。

扣球作为排球比赛中主要的进攻动作对速度、准确性及协调性都有较高的要求。在比赛中如何把握扣球的时机,如何提高扣球的速度,以及如何提高扣球的准确性等问题已经成为提高扣球成功率而急需解决的问题。

目前,研究者们对于排球的扣球都进行了相关的探索。如吕品对排球运动员扣球助跑阶段的起跳技术进行了研究[3]。然而有关排球扣球的研究大多集中在以运动学视角来分析扣球的技术特征,所采用的动作阶段多为扣球前的助跑起跳阶段和挥臂扣球阶段,研究视角单一,研究角度不够全面,且研究的动作阶段不连贯,缺少整体性。本研究以20名排球一级运动员为测试对象,采用三维测力平台和高速红外摄像机同步收集被试完整扣球动作的运动学及动力学数据,分析运动员完整扣球动作的速度特征和协调性,为排球运动员扣球专项训练提供生物力学依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本研究选取20名排球一级水平专业女子运动员为测试对象,年龄为22.5±0.53岁,体重为77.8 ±5.2kg,身高为1.86±0.07m,BMI为22.49±1.70kg/m2,从事专业运动年限为3-7年。采用室内排球场地的4号位作为本研究的测试区域。测试前,对被试均进行严格的体格检测,确定被试者均无运动性疾病和损伤,身体机能正常,且被试两周内无大强度比赛,体能状态良好。

1.2 研究方法

1.2.1 实验方法

在进行本实验前,向被试说明实验的要求和注意事项。被试者统一着实验使用的紧身服装,依据人体体表解剖标志进行全身反光标志点的贴放工作,标志点贴放的位置依次为头顶、头前方、头后方、双侧肩峰、双侧肘点、双侧腕点、右手中指第1指骨底、右侧肩胛骨、双侧髂前上棘、四五腰椎棘突中点、双侧大腿、双侧外膝、双侧内膝、双侧小腿、双侧外踝、双侧内踝、双侧足尖、双侧足跟。室内排球场地4号位放置四块kistler三维测力台,采样频率为1 000Hz。且按照图1所示位置放置八台高速红外摄像机,采样频率为200Hz。在正式开始测试前,将设备连接好并进行调试。被试站在室内排球场地左侧边线且距中线6 m处开始起跑,跑动方向与左侧边线成30°夹角,经过加速跑后,双脚落入三维测力台,完成扣球动作后落地(被试所扣之球来自3号位二传队员且被试均为右利手)。每名被试顺利完成6次,同一名被试每次的助跑速度各不相同。

图1 测试现场示意图

1.2.2 测试过程的阶段划分

为了增加本实验运动学数据和动力学数据的关联度,以及为了更为精确的区分实验过程的动作阶段,本研究结合扣球过程中三维测力台的数据特征将完整的扣球动作分为以下四个阶段:(1)助跑阶段:从开始起跑到双脚落入三维测力台瞬间。(2)急停起跳:被试双脚踏入测力台后制动,膝关节弯曲,双腿蹬伸后起跳,直至双脚离地瞬间。(3)腾空扣球:从双脚离地到被试触球结束。(4)落地缓冲:从触球结束至双脚落入测力台。鉴于本文的研究目的,重点分析前三个阶段。

1.2.3 数据的采集和处理

实验中采用Kistler三维测力台和八镜头红外高速运动捕捉系统同步收集被试实验过程中的运动学和动力学数据,运用Visual 3D分析软件处理所收集数据。反光标志点的坐标数据采用低通滤波处理,频率为17Hz。本研究中所测量的各关节的角度均依据人体解剖学的相关定义。

2 研究结果与分析

2.1 排球运动员扣球助跑阶段速度特征分析

本实验将20名被试助跑过程中的整体跑速进行收集记录,并结合运动员在腾空阶段所达到的最大起跳高度和最大扣球速度得出表1。

表1 本研究排球运动员助跑速度与最大起跳高度测试结果(±s)

表1 本研究排球运动员助跑速度与最大起跳高度测试结果(±s)

序号 助跑速度(m/s)最大起跳高度(m)最大扣球速度(m/s) 1 6.31±0.44 2.85±0.04 19.44±1.67 2 6.75±0.61 2.80±0.05 19.16±1.53 3 7.12±0.59 2.91±0.02 19.62±1.51 4 6.07±0.33 2.61±0.03 18.75±1.72 5 7.44±0.21 3.08±0.02 20.33±0.79 6 7.53±0.79 3.17±0.03 20.71±0.53 7 5.87±0.43 2.56±0.06 19.14±0.18 8 5.39±0.31 2.53±0.05 18.57±1.37 9 7.08±0.73 2.88±0.08 19.11±0.46 10 6.15±0.83 2.72±0.06 17.85±1.17 11 5.77±0.29 2.55±0.04 17.21±1.06 12 6.91±0.57 2.83±0.04 17.93±1.33 13 7.26±0.81 2.91±0.01 18.73±0.81 14 5.73±0.17 2.57±0.05 17.55±0.99 15 5.64±0.46 2.71±0.03 19.66±1.05 16 6.51±0.36 2.89±0.02 20.03±1.31 17 7.17±0.63 2.90±0.03 19.77±1.95 18 5.73±0.49 2.61±0.05 18.06±1.88 19 6.15±0.22 2.73±0.05 18.55±1.02 20 7.46±0.33 2.97±0.01 19.33±1.71

本研究运用Pearson积差相关性对表1中的3项指标进行分析,得出运动员助跑速度与最大起跳高度呈中度正相关(r=0.537,P＜0.05;图1);最大起跳高度与最大扣球速度呈弱相关性(r=0.306,P＜0.05;见图2);助跑速度与最大扣球速度无相关性(r=0.079,P＞0.05)。

图2 运动员助跑速度与最大起跳高度线形图

图3 最大扣球速度与最大起跳高度线形图

根据实验所测数据以及助跑速度、最大扣球速度、最大起跳高度三者的相关性分析得出,在排球运动员扣球环节中的助跑阶段,运动员助跑速度与最大起跳高度呈正相关,通过对同一被试的每次测试之间以及不同被试之间的助跑速度与最大起跳高度进行分析研究,发现运动员助跑速度在5-8m/ s区间时,最大起跳高度值较大,建议排球运动员进行扣球环节训练时将助跑速度控制在此区间。根据力学的基本原理,运动员助跑结束后双脚紧急制动进入急停起跳环节,助跑时获得的动量传递到急停起跳环节,在髋、膝、踝、肩、肘等身体关节力矩的作用下,将部分动量值转化为身体的起跳高度,在整个过程中动量的变化遵循动量守恒定律。

2.2 排球运动员扣球环节急停起跳阶段的速度特征分析

急停起跳阶段是出色完成扣球所必不可少的关键阶段,此阶段的顺利完成是运动员获得较好起跳高度的关键实施环节,也是运动员整个扣球环节中极为关键的过渡阶段。在急停起跳阶段,运动员的肩关节、肘关节、髋关节、膝关节、踝关节、手部移动速度等都随着动作的进行不断发生变化,而这些变化时刻影响着运动员急停起跳的完成实效。

急停起跳阶段包含急停、缓冲、蹬伸、离地4个时相,为了更加客观地反映此阶段的动作及速度特征,本实验对被试扣球环节中的急停起跳阶段进行连贯地测量分析,没有将4个时相进行单独分析。由于实验被试均为右利手扣球,且右手扣球运动员在起跳过程中身体右侧的运动起主导作用[4]。因此,本研究重点分析被试右侧肢体的运动特征。根据实验所得数据进行统计分析,得出下图。

图4 运动员急停起跳阶段各关节角度变化图

图5 运动员急停起跳阶段手部移动速度变化图

本研究运用Pearson积差相关性对实验中运动员急停起跳阶段的肩关节角速度、肘关节角速度、髋关节角速度、膝关节角速度、踝关节角速度、手部移动速度以及运动员腾空扣球阶段所达到的最大起跳高度和最大扣球速度进行分析,所得结果在表2中列出。

表2 运动员急停起跳阶段各指标相关性系数(r)

通过表2可以看出,在急停起跳阶段,膝关节角速度与最大起跳高度呈强相关性,髋关节角速度、手部移动速度与最大起跳高度呈中度相关,踝关节角速度与之呈弱相关,肩关节角速度、肘关节角速度与之无相关性。而对于运动员的最大扣球速度来说,肘关节角速度、肩关节角速度、手部移动速度与之呈中度相关,膝关节角速度、髋关节角速度、踝关节角速度与之无相关性。运动员进行急停起跳时,双脚制动,身体重心先下降后上升。从运动生物力学的角度来分析,在此过程中,运动员的相关肌肉不断收缩产生力矩,力矩作用于相应关节使之角度发生变化产生角速度,角速度所具有的角动量在身体各关节之间进行传递,最终转化为运动员腾空扣球阶段的最大起跳高度和最大扣球速度。因此,身体各主要关节的角速度对于运动员来说具有较为重要的作用。

在急停起跳阶段,膝关节角速度、髋关节角速度的大小直接决定着角动量的传递效率和身体重心的垂直移动速度,进而决定运动员急停起跳的最大起跳高度。在此过程中,手部的加速可以增加运动员垂直向上的动量值,进而提高身体的起跳高度。而对于运动员的最大扣球速度来说,由于急停起跳阶段的各关节角动量被传递到腾空阶段,并且肘关节角速度、肩关节角速度、手部移动速度直接影响着腾空阶段上肢的速度值,进而在一定程度上影响运动员的最大扣球速度。

根据对实验所得数据的分析及上述讨论,建议排球运动员训练时,在保证肩关节肌群与肘关节肌群力量训练的同时,重点加强膝关节肌群的力量训练。并且在进行力量训练时应合理安排最大力量与快速力量的比例,做到统筹兼顾。

2.3 排球运动员腾空扣球阶段的速度特征分析

腾空扣球阶段是运动员完成扣球技术的关键阶段。万京一在研究中指出:腾空后挥臂击球是扣球各项环节的关键[5]。在腾空扣球阶段,扣球技术的出色完成直接决定扣球的成功。通过实验研究发现,运动员在腾空扣球阶段各关节的动作时序为肩关节旋外旋内、躯干扭转、肘关节伸展、腕关节内收。因此,本研究将肩关节角速度、躯干扭转角加速度、肘关节角速度以及腕关节角速度作为排球运动员腾空扣球阶段的重点研究内容。通过对实验数据的整理分析,得出图6。

图6 排球运动员腾空扣球阶段上肢各关节角速度变化图

图7 排球运动员腾空扣球阶段躯干扭转角加速度变化图

通过实验观察以及数据的分析得出,运动员在腾空扣球阶段,双侧上肢随身体向上摆动,躯干出现第一次扭转,肘关节内收,腕关节外展且肩关节旋外到最大位置。然后右侧上肢甩臂击球,同时躯干出现第二次扭转,肘关节外展,肩关节旋内且腕关节内收。排球运动员在腾空扣球阶段身体所处的物理运动为竖直上抛运动,在此阶段,运动员身体遵循动量守恒定律,身体各部分之间具有明显的相向运动。在此过程中躯干扭转角加速度、肩关节角速度、肘关节角速度、腕关节角速度不断发生变化,并且这些变化与运动员的最大扣球速度有着较为紧密的联系。

为了进一步表达出这些变化与最大扣球速度之间的关系,本研究运用Pearson积差相关性对实验中运动员腾空扣球阶段的躯干扭转角加速度、肩关节角速度、肘关节角速度、腕关节角速度以及运动员腾空扣球阶段所达到的最大扣球速度进行分析,所得结果在表3中列出。

表3 运动员腾空扣球阶段各指标相关性系数(r)

根据表3可以看出,在运动员腾空扣球阶段4项指标与最大扣球速度的相关性大小依次为肩关节角速度＞躯干扭转角加速度＞肘关节角速度＞腕关节角速度。其中肩关节角速度、躯干扭转角加速度与最大扣球速度呈强相关性,肘关节角速度、腕关节角速度与最大扣球速度呈中度相关性。

肩关节在腾空扣球阶段的快速旋内旋外,可以增加上肢向前的速度值,并且肩关节旋外角度越大,角动量越大,进而能增加扣球速度。在腾空扣球的初始时刻,运动员躯干并没有表现出扭转现象,身体跳起后,在腹外斜肌与腹内斜肌的作用下,运动员躯干上部沿身体矢状轴顺时针方向扭转,同时由于动量守恒定律的缘故,躯干下部的扭转方向与上部相反。不同方向的扭转使腹外斜肌与腹内斜肌的长度变长,增加了两者的弹性势能,此阶段为躯干第一次扭转。当第一次躯干扭转角达到最大时,腹外斜肌与腹内斜肌主动收缩,与之前所集聚的弹性势能共同作用,使躯干上部沿失状轴逆时针方向扭转,同时躯干下部沿顺时针方向扭转形成躯干第二次扭转。躯干的两次扭转角加速度越大表明运动员躯体的转动速率越快,躯体的快速打开能够使集聚在被拉伸肌肉中的弹性势能传递到运动员的右侧上肢,增加右侧上肢各关节的角动量,并且提高运动员扣球手臂的肩关节旋内速度以及腕关节内收速度,最终提高运动员的最大扣球速度。在实验中发现运动员腾空扣球阶段的肘关节打开得越充分,前臂所具有的加速度越大,所表现出的最大扣球速度也越大。对于腕关节来说,其内收角速度越大,腕关节角动量越大,在击球瞬间将腕关节所具有的动量传递到球上,提高最大扣球速度。然而对于排球运动员来说,上肢肌肉快速力量以及核心力量的训练并未引起足够的重视。基于以上分析,建议排球运动员在进行力量训练时,应适量加大对上肢各关节肌肉快速力量及核心力量的训练比例。

2.4 排球运动员扣球环节的身体协调性分析

动作协调性是指人体按照技术动作的空间、时间、节奏等要素的要求 ,人体各器官系统、各运动部位协调一致地完成动作[4]。随着排球比赛网上争夺程度的日益加剧,比赛对运动员的扣球环节又提出了进一步的要求,就是要求运动员在高协调性的完成扣球环节且保证扣球位置准确性的同时,进一步提高动作速度。由于排球扣球是在腾空阶段进行,所以协调性对于运动员扣球来说具有极为重要的作用。如何使排球运动员在比赛中扣球又快又准成为教练员和运动员较为关注的问题。

通过对排球运动员扣球环节的技术分析,并且在咨询排球高级教练员的基础上,本研究认为在排球运动员扣球环节中,急停起跳阶段的髋、膝、踝关节角度的变化以及腾空扣球阶段的肩、肘、腕关节角度的变化对运动员的协调性影响较大,因此,重点分析这两个阶段的协调性特征。本研究采用排球运动员急停起跳阶段与最大起跳高度、最大扣球速度相关性系数较高的肘关节、肩关节以及膝关节进行关节角度联动分析,然后采用排球运动员腾空扣球阶段与最大扣球速度相关系数较高的肩关节、肘关节以及躯干扭转角进行关节角度联动分析,并绘制联动关系的角-角图来表现出运动员的协调性特征。如下图所示。

图8 本研究排球运动员A急停起跳阶段的肘-肩-膝角度联动示意图

图8所示运动员在急停起跳缓冲阶段的开始时刻肩关节、肘关节以及膝关节均有一定的角度,随着缓冲阶段的进行,双侧上肢后摆,肩关节角度变大,肘关节角度增大,同时膝关节角度减小,身体重心下降,下肢肌肉收缩并集聚弹性势能。进入到蹬伸阶段后,双侧上肢由后摆所达最大位置开始向前摆动,此时,肩关节外展角度值逐渐变小,内收角度值增大,肘关节在蹬伸前期角度增大,膝关节角度逐渐增大,运动员先前所具有的助跑冲量以及角动量逐渐传递,转化为运动员的最大起跳高度和最大扣球速度。而且图8所示运动员的各关节运动的同步性较高,所表现出的各关节联动情况良好,表明该运动员急停起跳阶段的身体协调性较好。

图9 本研究排球运动员B急停起跳阶段的肘-肩-膝角度联动示意图

图9所示运动员急停起跳缓冲阶段在肩关节和肘关节角度增大的同时,膝关节角度并未出现联动减小,而是出现了一定程度的增大。并且在蹬伸阶段,随着肩关节和肘关节角度的减小,膝关节也未出现联动变化,而是在一定时间内保持角度不变,不利于角动量的传递,影响扣球效果。

运动员处于腾空扣球阶段时,其肘关节、肩关节以及膝关节的角度联动关系如图10所示。

图10 本研究排球运动员C腾空扣球阶段的肘-肩-腕角度联动示意图

图10所示运动员在腾空扣球阶段右侧上肢先后摆后前摆扣球,肩关节先旋外后旋内,肘关节先内收后外展,腕关节先外展后内收。肩关节旋外角度到达最大值后开始旋内,肘关节充分打开,同时躯干加速扭转,在动作过程中所集聚的角动量和冲量最后被传递到了手部,手部再传递到球,进而提高最大扣球速度。通过图10可以得出,运动员C在腾空扣球阶段,上肢各关节的角度变化同步性高,各关节的联动情况也表现良好,表明运动员C在腾空扣球阶段的身体协调性较好。

图11 本研究排球运动员D腾空扣球阶段的肘-肩-腕角度联动示意图

图11所示运动员D在腾空扣球阶段,腕关节和肘关节角度减小的同时,肩关节角度并未出现联动减小,而是出现了一定程度的增大。这样就会出现腕关节、肘关节所集聚的角动量被肩关节所抵制,降低上肢的移动速度,影响运动员的最大扣球速度。运动员D在此过程中的三关节联动效果差,致使协调性降低。

运动员扣球环节的身体协调能力对于扣球的最大起跳高度和最大扣球速度都有着重要的影响。基于以上的分析和协调能力的重要性,建议排球运动员在训练中对急停起跳以及腾空扣球阶段的身体协调能力进行专项化训练,并将急停起跳阶段的肘-肩-膝关节角度联动与腾空扣球阶段的肘-肩-腕关节角度联动作为评价指标来指导协调能力的训练。

3 结论

(1)在排球运动员扣球环节中的助跑阶段,运动员助跑速度与最大起跳高度呈中度正相关、最大起跳高度与最大扣球速度呈弱相关性、助跑速度与最大扣球速度无相关性。且发现排球运动员助跑速度在5-8m/s区间时,最大起跳高度值较大,建议排球运动员进行扣球环节训练时将助跑速度控制在此区间。

(2)排球运动员在急停起跳阶段,膝关节角速度与最大起跳高度呈高度正相关,肘关节角速度、肩关节角速度与最大扣球速度呈中度正相关。排球运动员训练时,应在保证肩关节肌群与肘关节肌群力量训练的同时,重点加强膝关节肌群的力量训练,并且在进行力量训练时应合理安排最大力量与快速力量的比例,做到统筹兼顾。

(3)排球运动员在腾空扣球阶段与最大扣球速度的相关性大小依次为肩关节角速度＞躯干扭转角加速度＞肘关节角速度＞腕关节角速度。其中肩关节角速度、躯干扭转角加速度与最大扣球速度呈强相关性,肘关节角速度、腕关节角速度与最大扣球速度呈中度相关性。运动员腾空扣球阶段的肩关节与肘关节应充分打开,躯体的转动速率越快且腕关节的内收角速度越大,就越能提高运动员的最大扣球速度。建议排球运动员在进行力量训练时,应适量加大对上肢各关节肌肉快速力量以及核心力量的训练比例。

(4)排球运动员扣球环节的身体协调能力对于扣球的最大起跳高度和最大扣球速度都有着重要的影响。排球运动员在训练中应对急停起跳以及腾空扣球阶段的身体协调能力进行专项化训练,并将急停起跳阶段的肘-肩-膝关节角度联动与腾空扣球阶段的肘-肩-腕关节角度联动作为评价指标来指导协调能力的训练。

[1] 张华.排球强攻扣球的新特点[J].成都体育学院学报,1997, 23(1):33-36.

[2] 邢红林,李素玲,翟均.对我国女子排球运动员扣球技术挥臂动作的生物力学分析[J].中国体育科技,2002,38(5):19 -21.

[3] 吕品.女子排球扣球助跑的起跳技术[J].体育学刊,2003,10 (5):128-130.

[4] 李世明.沙滩排球上步踏跳阶段的时相特征[J].北京体育大学学报,2004,27(9):1264-1265.

[5] 万京一,葛春林,刘铁一.对我国甲A女排主攻手强攻扣球挥臂速度的分析与研究[J].北京体育大学学报,2004,27(1): 127-129.

中国排球运动员扣球环节的速度特征及协调性研究

Research on Chinese Volleyball Players' Speed Characteristic and Coordination in Spiking

ZHANG Haibin1,2,GE Chunlin2,WANG Feng3

Twenty women volleyball players are selected to test their spiking speed and coordination atposition 4.Depending on force platform,cameras and synchro test,the paper gathers the players'data of spiking kinematics and dynamics.The results show that:(1)The players'run-up speed and maximum taking-off height show moderate positive correlation and when the approaching velocity is within the rage of 5m/s-8m/s,the maximum height value is bigger,so such speed range is suggested in the training of spiking;(2)The knee joint's angular velocity of scram takeoff is highly correlated to themaximum height,while the angular velocity of elbow and shoulder joints indicatesmoderate positive correlation to themaximum spiking speed.Strength training of shoulder and elbowmuscles should be guaranteed,with the emphasis being put strengthening the kneemuscles; (3)The correlation level between suspension spike and maximum spiking speed is shoulder joint velocity＞the accelerated speed of angular trunk torsion＞elbow jointangular velocity＞wrist jointangular velocity.It is suggested that in strength training the proportion of the training of the upper limbs'strength and the core strength should be increased;(4)The training of body coordination in scram takeoff and suspension spike should be specially emphasized.

volleyball;spiking;velocity;coordination

G842

A

1001-9154(2015)02-0081-06

G842

A

1001-9154(2015)02-0081-06

10.15942/j.jcsu.2015.02.015

中央高校基本科研业务费专项资金。

张海斌,北京体育大学在读博士,研究方向:排球运动训练理论与实践,E-mail:zhanghaibinqaz@163.com。

1.中国矿业大学体育学院,江苏徐州221116;2.北京体育大学教育学院,北京100084;3.中国石油大学(华东)体育教学部,山东青岛266580

1.China University of Mining and Technology,Xuzhou Jiangsu 221116;2.Beijing Sports University,Beijing 100084;3.China University of Petroleum Qingdao Shandong 266580

2014-08-15