排球前、后排扣球起跳期的生物力学差异

　　在排球运动中扣球是主要的得分手段，在排球运动员的身高和跳跃能力不断提升的趋势下，为提升扣球成效，进攻战术随之出现变化，由平面进攻转变至立体化进攻，即将前排强攻扣球和前排掩护后排扣球等技术融入整体的战术体系中，以增加对手拦网的难度。排球运动中，完整的扣球技术动作共分4个阶段：助跑期、起跳期、空中期、落地期。其中以助跑期和起跳期最为重要。有学者指出，助跑阶段与起跳阶段属于连贯动作，两者之间不可分割，更不能破坏其节奏，否则将影响起跳动作进行，加快助跑并步跳速度可以减少水平速度及冲量的耗损，而保持较大的前冲力[1].Bobbert等认为，按照不同扣球型态，运用不同下蹲与起跳角度，以获取水平效益或垂直效益[2];然而，Komi则提出助跑的目的在于获得起跳时的动能与速度，对起跳高度及动作的流畅性有重要影响，因此，排球扣球技术中，助跑阶段与起跳阶段是相当重要的环节[3].排球前、后排扣球间最大的差异在于起跳期的动作，相较于前排扣球，后排扣球在起跳期会利用前冲的技术来形成空中期较大的重心水平位移，以缩短击球点与球网之间的水平距离；故此这2种技术在起跳期形成不同的跳起方向：前排扣球时运动员朝上跃起，而后排扣球时则呈朝前上方跃起，如图1所示。

　　Gerritsen等认为排球扣球的助跑跳跃技术为急停跳跃动作，在起跳期的动作过程中下肢肌群主要结合急停制动的离心收缩与跳跃蹬伸的向心收缩，为伸张-收缩动作（SSC）的动作特征[4].Bobbert等认为下肢肌群通过急停制动阶段的离心收缩可提升接下来向心收缩的表现，有利于跳跃表现[5];然而，离心收缩阶段不同的预先伸张特征会影响SSC的效益。过去研究未针对排球前、后排扣球的不同起跳技术其起跳阶段的肌肉活动特征进行探究，无法解释不同起跳技术所需的肌力特征；因此，研究者应探究排球前、后排扣球因应不同跃起方向的目的，在起跳期是否会形成不同的SSC动作特征，以了解在这两种扣球技术中反射性收缩肌力的需求。而在生物力学研究通过动作过程中关节肌肉力矩与功率的分析，研究者可以推知动作期间主作用肌群的活动现象，并进一步由肌肉力矩了解该肌群参与动作的力量，由肌肉功率了解该肌群参与动作的效能，以此可对运动进行诊断；故通过肌肉的内在动力学现象分析可更清楚地了解排球前、后排扣球动作技术的特征。过去的生物力学研究中很少关注不同跃起方向的跳跃动作探究，尤其是针对排球扣球的专项技术进行分析。本研究主要目的是探究排球前、后排扣球2种不同起跳方向的动作技术在起跳期的生物力学现象差异，可对此运动技术的动作特征与肌肉活动有更清晰的认知。

　　1研究对象与研究方法
　　
　　1.1研究对象
　　
　　本研究以10名男子排球运动员为研究对象（见表1），受试者年龄（21.4±3.2）岁、体重（83.6±9.5）kg、身高（191±0.68）cm、运动等级均为国家一级。受试者在实验前6个月内下肢未发生任何伤病，每周训练3~4次，每次2~3h.【1】

　　1.2研究方法
　　
　　本实验运用运动学、动力学同步测试方法进行，整个测试系统以6台光学摄影机、视讯系统、2块JP6060多维测力平台，通过艾力无线同步系统，同步获取受试者3步助跑后衔接跳跃扣球在起跳期各反光球在三维空间坐标中的轨迹和地面反作用力参数。

　　1）运动学参数测试。采用6台JVC9800摄像机，拍摄频率为250帧/s,曝光时间为（1/250）s.摄像机固定正对三维测力台，距离测力台5m.用以观测受试者3步助跑后衔接跳跃扣球的起跳期各反光球在三维空间坐标中的轨迹。本研究使用反光球模型是参照Helen Hayes的研究设计的。将反光球置于受试者左、右侧髂前上棘、股骨大转子、大腿外侧、股骨外侧髁、股骨内侧髁、小腿外侧、腓骨外侧髁、胫骨内侧髁、第二跖骨粗隆、脚后跟、骶骨等30处，拍摄受试者解剖站姿的静态姿势后，移除动态姿势拍摄时不需的股骨内侧髁与胫骨内侧髁等处的4处反光球，并进行实验动作拍摄。采用北京体育大学研发的视讯图像解析系统对运动图像进行解析以获取相关运动学参数。

　　2）动力学参数测试。采用国产2块JP6060多维测力平台用于监测受试者3步助跑后衔接跳跃扣球的起跳期过程中先行脚与跟随脚的地面反作用力的变化情况。本研究采用埋入式安装，测力台表面与地面保持在同一水平面上，数据采样频率为1 000Hz.

　　1.3实验程序
　　
　　1）正式实验开始前受试者进行相同的热身活动，用时30min,其中包含慢跑、伸展与跳跃活动。

　　2）正式实验时受试者随机分派成2组，一组先进行前排扣球动作、后进行后排扣球动作，另一组则反之。

　　3）动作过程中，双手摆动方式与实际比赛时的攻击动作相同。每位受试者的2种扣球动作均选取成功的3次进行数据处理。
　　
　　4）每次测验间休息60s.在测验过程中以口头方式提醒受试者尽其可能地全力进行该扣球动作，前排扣球动作结束后需落于测力板上，而后排扣球动作结束后则需落于测力板前方的助跑道上，并于测力板前端正上方（前排扣球时）与距离测力板前端0.25m远的正上方（后排扣球时）分别挂一绳状标志物作为击球目标。

　　1.4测试参数定义
　　
　　1）下肢各关节位置的定义为：

　　髋关节中心：通过左髂前上棘与右髂前上棘计算出髋关节中心。

　　膝关节中心：通过股骨外侧髁与股骨内侧髁的中点为膝关节中心。

　　踝关节中心：通过腓骨外侧髁与胫骨内侧髁的中点为踝关节中心。

　　2）各肢段定义的反光球为：

　　骨盆：以右髂前上棘、左髂前上棘与骶骨定义骨盆。

　　大腿：以髋关节中心、大腿外侧与股骨外侧髁定义大腿。

　　小腿：以股骨外侧髁、小腿外侧与腓骨外侧髁定义小腿。

　　脚掌：以腓骨外侧髁、脚后跟与第二跖骨粗隆定义脚掌。

　　注：各肢段上的局部坐标系方向的定义采右手定则。

　　3）时相划分：

　　起跳期：先行脚触地瞬间至双脚均离地瞬间，如图1所示。先行脚动作时间：先行脚触地瞬间至先行脚离地瞬间，如图1所示。

　　跟随脚动作时间：跟随脚触地瞬间至跟随脚离地瞬间，如图1所示。

　　注：触地与离地均以测力板10N的信号为判断依据，如图1所示。

　　4）并步距离定义及计算：

　　并步距离：先行脚与跟随脚间的前后距离，由于此跳跃技术是采脚跟先触地的着地动作，即触地瞬间脚尖尚未着地，故并步距离的判断是以离地瞬间贴于两脚掌上的第二跖骨粗隆反光球的水平坐标位置计算差值。

　　1.5数据获取
　　
　　本实验以每位受试者其3次成功扣球结果的平均值进行结果分析。

　　1.5.1运动学参数处理本研究将拍摄的反光球空间轨迹用北京体育大学研发的视讯分析软件进行资料处理。

　　1.5.2动力学参数处理实验的动力学参数均以受试者的体重进行标准化处理。

　　1.5.3关节力矩及关节功率的计算采用目 前 在 实 践 中 已 得 到 广 泛 应 用，并 得 到 国 内 外 学者[6-8]认可的逆动力学反推法计算以获得关节间作用力、关节肌肉力矩与关节肌肉功率。本研究定义关节肌肉力矩为正值时表示该关节处以伸肌群为主要作用肌群，关节肌肉功率为正值时表示该主要作用肌群在做向心收缩。

　　1.6统计学分析
　　
　　本文利用Spss 13.0进行描述性分析、配对t检验、相关分析等，统计学显着水平定为α=0.05.

　　2结果
　　
　　2.1排球前、后排扣球起跳期的运动学结果
　　
　　表2结果显示：

　　1）前排扣球先行脚、跟随脚动作时间分别（0.39±0.03）s、（0.26±0.03）s;后排扣球先行脚、跟随脚动作时间分别（0.35±0.02）s、（0.21±0.04）s.排球后排扣球先行脚和跟随脚动作时间明显短于前排扣球（P<0.05）。2）前排扣球和后排扣球总动作时间分别为（0.40±0.04）s、（0.37±0.03）s,后 排 扣 球 总 动 作 时 间 也 明 显 短 于 前 排 扣 球 （P=0.002<0.05）。3）前 排 扣 球 和 后 排 扣 球 并 步 距 离 分 别 为（0.24±0.05）m、（0.36±0.11）m,前排扣球并步距离明显短于后排扣球（P=0.007<0.05）。【2】

　　
　　2.2排球前、后排扣球起跳期的动力学结果
　　
　　2.2.1排球前、后排扣球起跳期内在动力学曲线本研究10位受试者在排球扣球起跳期的踝、膝与髋关节的关节肌肉力矩与功率结果曲线型态都极为相似，故仅以1位受试者的结果作图。如图2、3、4、5所示：

　　1）2种跳跃动作种先行脚在起跳期内的下肢肌群活动型态相似。根据本研究力矩与功率的定义，先行脚踝关节在着地初期有些许伸肌群向心收缩、屈肌群离心收缩与屈肌群向心收缩。此后，便呈现伸肌群的离心收缩接向心收缩。先行脚膝关节在着地初期有些许的屈肌群向心收缩后，便呈现伸肌群离心收缩接向心收缩，最后出现些许的屈肌群离心收缩。先行脚髋关节在着地后呈现伸肌群离心收缩接向心收缩，最后出现些许的屈肌群离心收缩。
　　
　　2）2种跳跃动作跟随脚在起跳期的下肢肌群活动型态相似。根据本研究力矩与功率之定义，跟随脚踝关节在着地后有些许的伸肌群向心收缩后，呈现伸肌群离心收缩接向心收缩。跟随脚膝关节在着地初期有些许的屈肌群向心收缩后，便呈现伸肌群离心收缩与向心收缩，最后再出现些许的屈肌群离心收缩。跟随脚髋关节在着地后呈现伸肌群向心收缩，最后再出现些许的屈肌群离心收缩。
　　
　　2.2.2排球前、后排扣球起跳期的最大关节伸肌力矩结果表3结果显示：前排扣球先行脚、跟随脚的最大踝关节伸肌力矩分别为（0.20±0.03）Nm、（0.26±0.04）Nm,后排扣球先行脚、跟随脚的最大踝关节伸肌力矩分别为（0.23±0.05）Nm、（0.33±0.02）Nm.后排扣先行脚和跟随脚的最大踝关节伸肌力矩均显着大于前排扣球（P<0.05），而在膝与髋关节先行脚和跟随脚的最大踝关节伸肌力矩，前、后排扣球间则没有显着性差异（P>0.05）。

　　2.2.3排球前、后排扣球起跳期的最大关节伸肌功率表3、4结果显示：

　　1）前、后排扣球先行脚的最大髋关节伸肌离心功率分别为（-0.54±0.17）W、（-0.65±0.15）W,后排扣球先行脚的最大髋关节伸肌离心功率明显大于前排扣球（P=0.037<0.05）。前、后排扣球先行脚的最大踝关节伸肌离心功率分别为（-0.39±0.09）W、（-0.53±0.10）W,跟随脚的最大踝关节伸肌离心功率分别为（-0.81±0.31）W、（-1.31±0.47）W,后排扣球先行脚和跟随脚的最大踝关节伸肌离心功率均明显大于前排扣球（P<0.05）。
　　
　　2）先行脚和跟随脚的膝关节伸肌离心功率，两动作间则无显着差异存在（P<0.05）。3）前、后排扣球先行脚的最大髋关节伸肌向心功率分别为（0.43±0.10）W、（0.50±0.12）W,前、后排扣球跟随脚的最大髋关节伸肌向心功率分别为（0.76±0.26）W、（0.96±0.32）W,后排扣球先行脚和跟随脚的最大膝关节伸肌向心功率均明显大于前排扣球（P<0.05）。前、后排扣球跟随脚的最大膝关节伸肌向心功率分别为（1.95±0.35）W、（2.14±0.45）W,后排扣球跟随脚的最大膝关节伸肌向心功率均明显大于前排扣球（P<0.05）。

　　前、后排扣球先行脚的最大踝关节伸肌向心功率分别为（1.50±0.24）W、（1.59±0.28）W,前、后排扣球跟随脚的最大髋关节伸肌向心功率分别为（1.80±0.32）W、（2.03±0.35）W,后排扣球跟随脚的最大踝关节伸肌向心功率均明显大于前排扣球（P<0.05）。4）前、后排扣球先行脚的最大膝关节伸肌向心功率分别为（2.11±0.29）W、（2.07±0.37）W,前、后排扣球先行脚的最大膝关节伸肌向心功率无显着性差异（P>0.05）。前、后排扣 球 先 行 脚 的 最 大 踝 关 节 伸 肌 向 心 功 率 分 别 为 （1.50±0.24）W、（1.59±0.28）W,前、后排扣球先行脚的最大踝关节伸肌向心功率无显着性差异（P>0.05）。
　　
　　3分析与讨论
　　
　　3.1排球前、后排扣球起跳期下肢技术动作的运动学特征
　　
　　本研究结果显示，后排扣球先行脚和跟随脚在动作时间、总动作时间、并步距离上均明显短于前排扣球。前排扣球与后排扣球为排球运动中重要与常用的基本技术，Winter研究证实前排扣球的动作目标为朝正上方跳起，而后排扣球则为朝前上方跳起[9].Winter研究认为，后排扣球与前排扣球起跳位置不同，后排扣球需起跳后在空中形成较大的水平位移，以缩短击球点与球网之间的水平距离；因此推论，后排扣球在起跳离地瞬间需具有比前排扣球更大的水平速度[9].Ridderikhoff关于助跑跳跃动作的研究指出，起跳期较短的触地时间可减少着地期的水平制动行为，有利于降低助跑期衔接起跳期水平速度的损失量[10].并步距离也是影响起跳离地水平速度的因素之一，Lin等通过30cm与50cm不同并步距离探究其对并步跳跳跃表现的影响，结果指出并步距离对起跳期的水平冲量有很大的影响，较大的并步距离可获得较多的水平位移，提升前冲效益，适用于后排攻击[11].本研究中，后排扣球无论先行脚或跟随脚的起跳期动作时间均比前排扣球时间短，且后排扣球起跳期先行脚与跟随脚间具有比前排扣球更大的并步距离。此结果与过去研究结论一致，受试者在进行后排扣球技术时采用增大并步距离的技术动作，不仅有利于起跳离地瞬间较大水平速度的获得，还会缩短触地时间，可以减少着地阶段助跑水平速度的损失，以达到朝前上方跳跃的动作目的。

　　3.2排球前、后排扣球起跳期下肢技术动作的运动学特征
　　
　　本研究通过动力学逆过程推算得到关节肌肉力矩与功率，用以分析排球前、后排扣球动作过程中下肢主作用肌群的活动现象。由本研究所得的力矩与功率时间曲线分析发现，前排与后排扣球动作在起跳期的踝、膝、髋关节的关节肌肉力矩与功率曲线型态均相似，表示跃起方向的改变不影响动作的型态，此结果和Stefanyshyn等[12]的研究相同。且此跳跃动作的下肢肌群活动特征与Ridderikhoff[11]等关于跳跃动作的内在动力学研究发现亦相似，起跳期的动作过程主要是以伸肌群的离心制动及伸肌群的向心蹬伸所构成，此为SSC的特征，跟随脚的髋关节肌群活动则有所不同，其在着地时没有离心制动，直接进行向心收缩的蹬伸。

　　Vanrenterghem等认为在排球并步跳动作中因跟随脚踩入后立即衔接双脚蹬伸，所以跟随脚触地后就立即进行离心制动，接着便朝上蹬伸，此动作特征使得跟随脚的下蹲制动时间显着短于先行脚，且着地期间的屈曲角位移较小[13].而本研究进一步发现，跟随脚触地后仅膝关节处有进行些许的屈肌群向心收缩主动下蹲，踝关节与髋关节处均无主动下蹲的动作，且髋关节处在触地后伸肌群直接进行向心收缩进行蹬伸，故其无任何的屈曲角位移。因此认为，并步跳并不是双边对称的动作，使得后着地的跟随脚于起跳期的髋关节肌群动作型态不同于一般的SSC跳跃动作。

　　Bosco等指出，并步跳动作在衔接助跑起跳期的着地制动阶段是由先行脚先着地后，跟随脚才着地，继而双脚同时进行蹬伸跳跃，故起跳期先行脚与跟随脚具有不同的运动学与地面反作用力特征[14].通过关节肌肉力矩与功率的数值比较可发现，排球前、后排扣球虽然下肢肌群活动型态没有差异，但这两种动作间各关节肌群参与动作的效能有明显差异。排球的并步跳技术属急停跳动作的一种，其起跳期于衔接助跑的着地阶段下肢先进行下蹲与制动后，进而蹬伸形成跳跃。本研究结果也证明这一点，该动作为SSC的技术动作。此SSC的动作过程中影响运动表现的下肢肌力特征为一种反射性收缩肌力，Bobbert等认为，其在预先伸张的离心制动阶段，较快的伸张速度与较短的偶联时间可有良好的SSC效益，因其肌肉弹性能的储存与再利用的效果会较好，且能产生较大的伸张反射，故可产生较大的力量与爆发力[5].Bosco等[14]将此类的反射性运动区分成关节活动范围较大、动作时间长于250s的慢SSC动作，及关节活动范围较小、动作时间介于100s至250s间的快SSC动作，且其认为肌肉在预先伸张动作的过程中需要有较大的肌肉力量才能形成较大的离心制动及快速的衔接向心动作；因此，反射性收缩肌力是影响动作时间的因素之一，进行不同速度的着地动作所需的反射性收缩肌力应会有所差异。本研究发现排球后排扣球因动作技术的需求需要较短的起跳期动作时间，故推论其需具有较大的反射性收缩肌力。进一步观察关节肌肉力矩与功率的数值比较发现，排球后排扣球比前排扣球，在起跳期两脚均有较大的踝关节伸肌力矩参与，且在离心制动阶段两脚的踝关节与先行脚的髋关节伸肌群有较大的离心功率，而在向心蹬伸阶段两脚的髋关节与跟随脚的膝关节伸肌群有较大的向心功率。

　　Lees等指出力矩是由作用在该关节处的肌肉力量与双关节肌群的能量传递所构成，功率是力矩与角速度的乘积，其可反应出肌肉以最大速度产生最大力量的爆发能力[13];因此，进行排球后排扣球技术时在起跳期需有较大的踝关节伸肌群的肌力，且踝关节与髋关节需具有较大的离心制动爆发肌力，髋关节与跟随脚的膝关节伸肌群需具有较大的向心蹬伸爆发肌力，才能使其在起跳期形成较快速的制动与蹬伸。

　　4 结论
　　
　　1）在运动学方面，相较于前排扣球，后排扣球具有较短的起跳动作时间及较大的并步距离。

　　2）在动力学方面，相较于前排扣球，后排扣球的先行脚具有较大最大踝关节伸肌力矩与离心功率、最大髋关节伸肌离心及向心功率；后排扣球的跟随脚具有较大的最大踝关节伸肌力矩、最大踝关节伸肌离心功率、最大膝关节与髋关节伸肌向心功率。

　　3）排球前、后排扣球跳跃技术，其下肢内在动力学的动作形态相似，但却有不同的技术与肌力特征。在动作技术上，排球运动员在进行排球后排扣球技术时，除需要较大的并步距离外，还需具有较快速的起跳能力，才能获得较好的前冲效益。

　　4）在进行排球后排扣球技术时，排球运动员须具有较大的踝关节肌力，且在着地阶段其双脚的踝关节伸肌群与先行脚的髋关节伸肌群需具有较大的爆发力，才能完成快速制动的技术需求，而蹬伸阶段则要依靠较大的髋关节伸肌群爆发力与跟随脚的膝关节伸肌群爆发力完成快速蹬伸的技术需求。最后才能达到快速起跳的目的。