齊春燕，王來(lái)東，張 麗

(南開(kāi)大學(xué)體育教學(xué)部，天津 300071)

排球運(yùn)動(dòng)是集力量、速度、協(xié)調(diào)為一體的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目。起跳扣球過(guò)程由助跑、起跳、扣球、落地四個(gè)環(huán)節(jié)組成，其中起跳期是整個(gè)扣球動(dòng)作的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，起跳動(dòng)作是起跳腿的下蹲緩沖、蹬伸動(dòng)作以及全身其它環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)配合完成的過(guò)程［1］。目前，有關(guān)排球扣球的研究主要集中在下肢起跳過(guò)程運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究，而有關(guān)下肢肌肉在扣球起跳過(guò)程中緩沖和蹬伸過(guò)程的研究很少。表面肌電(sEMG)技術(shù)已經(jīng)被證明是無(wú)損傷地研究肌肉功能最有效的工具，其中運(yùn)動(dòng)肌電圖學(xué)關(guān)注的是人體功能運(yùn)動(dòng)、姿勢(shì)維持、訓(xùn)練/治療過(guò)程中的神經(jīng)肌肉激活(activation)狀況。因此，本文將三維高速攝像和下肢肌肉表面肌電相結(jié)合來(lái)探討在緩沖和蹬伸過(guò)程中從外部技術(shù)動(dòng)作結(jié)構(gòu)和內(nèi)部肌肉工作原理兩個(gè)方面同步研究扣球起跳的緩沖和蹬伸過(guò)程，這對(duì)于提高運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作水平具有較重要的意義。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

本文以遼寧省青年排球隊(duì)的7名優(yōu)秀男子運(yùn)動(dòng)員為研究對(duì)象，受試者身高為190.4±3.15 cm，體重75.9±5.1kg，年齡16.9±1.5歲，運(yùn)動(dòng)年限2.7±1.3年，所選受試者沒(méi)有肌肉損傷疾病。

1.2 研究方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與材料

兩臺(tái)eagle高速攝像機(jī)、美國(guó)產(chǎn)的Noraxon表面肌電儀、Ag/Ag-Cl表面電極、酒精棉球、彈性繃帶、三角架、三維框架、500瓦照明燈、皮尺、排球10個(gè)。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

受試者首先進(jìn)行15分鐘的熱身活動(dòng)，令一名二傳手在三號(hào)位傳球，同時(shí)令受試者在四號(hào)位起跳做強(qiáng)攻扣球動(dòng)作，將球扣在對(duì)面的五號(hào)位，每名運(yùn)動(dòng)員做5次扣球動(dòng)作，最后由專(zhuān)家確定最佳的一次扣球動(dòng)作為研究對(duì)象。根據(jù)研究的需要，本研究將扣球起跳動(dòng)作過(guò)程分為緩沖期和蹬伸期。

緩沖期:從助跑最后一步右側(cè)支撐腳的足跟著地開(kāi)始，到身體重心下降至最低點(diǎn)結(jié)束。

蹬伸期:從身體重心下降至最低點(diǎn)開(kāi)始，到雙腳離地結(jié)束。

1.2.3 數(shù)據(jù)采集與處理

(1)表面肌電數(shù)據(jù)。選取受試對(duì)象的右側(cè)腿的臀大肌、股直肌、股二頭肌、半腱肌、腓腸肌內(nèi)側(cè)頭、腓腸肌外側(cè)頭、脛骨前肌測(cè)試肌肉，使用雙極測(cè)試方法，這樣可以降低信號(hào)串線(crosstalk)［2］，兩個(gè)記錄電極放在肌肉隆起的正中線上，兩記錄電極之間的距離為2cm，參考電極放在附近的骨性突起處。采用遙測(cè)方式對(duì)下蹲起跳時(shí)下肢肌肉的電活動(dòng)進(jìn)行記錄，采樣頻率為1 000 Hz。

首先進(jìn)行肌電幅值標(biāo)準(zhǔn)化處理(normalization)，最大幅值測(cè)試方法采用Peter Konrad標(biāo)準(zhǔn)化處理，用%MVC來(lái)表示 ，為了減少誤差，取三次最大肌電幅值的平均值作為基準(zhǔn)參考值。對(duì)采集到的原始肌電信號(hào)進(jìn)行10-500Hz的帶通濾波，然后使用均方根法進(jìn)行全波整流，再使用移動(dòng)平均窗法(moving average window)進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑，窗口寬度定為0.01s，由于動(dòng)作時(shí)間比較短，所以步長(zhǎng)取2個(gè)采樣點(diǎn)。

表面肌電學(xué)相關(guān)指標(biāo)定義:肌電峰值出現(xiàn)時(shí)間，是指經(jīng)過(guò)整流濾波后的肌電信號(hào)(以重心最低點(diǎn)為零時(shí)刻點(diǎn))肌電幅值達(dá)到最大幅值的60%，最小時(shí)間窗為10ms，這樣的幅值出現(xiàn)的時(shí)刻。

(2)運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)采集與處理。兩臺(tái)eagle高速攝像機(jī)(250幀/秒)分別對(duì)運(yùn)動(dòng)員扣球起跳動(dòng)作進(jìn)行三維拍攝，場(chǎng)地布置如圖1所示，兩臺(tái)攝像機(jī)的主光軸約成90°。表面肌電和攝像采用內(nèi)同步觸發(fā)方式，即表面肌電的遙測(cè)觸發(fā)器被觸發(fā)后發(fā)送一個(gè)marker信號(hào)給肌電儀，同時(shí)觸發(fā)一個(gè)光源，攝像機(jī)記錄下該光源，從而完成同步觸發(fā)。

將收集到的影像圖片數(shù)據(jù)使用美國(guó)的APAS運(yùn)動(dòng)解析軟件進(jìn)行解析，采用6Hz截止頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑，得到速度、角度、角速度等參數(shù)。

運(yùn)動(dòng)學(xué)相關(guān)指標(biāo)定義:

下肢緩沖角:緩沖末期時(shí)，下肢的髖關(guān)節(jié)角度、膝關(guān)節(jié)角度和踝關(guān)節(jié)角度。

起跳重心速度:雙腳起跳離地瞬間，身體重心的速度，分為水平速度和垂直速度。

擺臂角度:下蹲緩沖過(guò)程中，右側(cè)上肢肩關(guān)節(jié)向后揮擺到的最大角度。

1.2.4 數(shù)理統(tǒng)計(jì)法

使用spss13.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，所有數(shù)據(jù)采用皮爾遜相關(guān)分析法對(duì)引起跳高度的因素進(jìn)行相關(guān)分析，使用Friedman雙因素非參數(shù)等級(jí)檢驗(yàn)法對(duì)時(shí)間順序進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，顯著性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為a=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 起跳緩沖和蹬伸過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

表1 起跳緩沖和蹬伸過(guò)程中相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)(n=7)

表1顯示在緩沖期，重心最低時(shí)右髖關(guān)節(jié)角、右膝關(guān)節(jié)角、右踝關(guān)節(jié)角分別為125.6±9.8°、105.7±4.7°、83.7 ±3.4°，而緩沖時(shí)間為 130.2 ±4.8ms。我國(guó)臺(tái)灣學(xué)者張資榮研究報(bào)道男子排球運(yùn)動(dòng)員在身體重心將至最低點(diǎn)時(shí)，髖關(guān)節(jié)角度為95°～115°、膝關(guān)節(jié)角度為 110°～120°、踝關(guān)節(jié)角度為 75°～80°［3］，與本文的研究結(jié)果相差不大。在緩沖階段中，重心最低時(shí)的時(shí)候，并不是髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)最小的時(shí)候，表2顯示，在重心達(dá)到最低點(diǎn)后開(kāi)始蹬伸前髖關(guān)節(jié)已經(jīng)開(kāi)始伸展了，髖關(guān)節(jié)在重心達(dá)到最低前50.8±19.1ms就開(kāi)始伸展，而膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)分別在重心達(dá)到最低點(diǎn)之后的16.4±4.5ms和32.1±14.7ms才開(kāi)始伸展，說(shuō)明髖關(guān)節(jié)在伸展時(shí)膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)依然在減小，當(dāng)膝關(guān)節(jié)開(kāi)始伸展時(shí)，踝關(guān)節(jié)依然在減小，踝關(guān)節(jié)是最后伸展的關(guān)節(jié)，總體上表現(xiàn)為髖關(guān)節(jié)-膝關(guān)節(jié)-踝關(guān)節(jié)依次伸展。

表1調(diào)查結(jié)果顯示在蹬伸期，離地時(shí)重心水平速度為2.1±0.2 m·s-1，垂直速度為3.6±0.2 m·s-1，蹬伸時(shí)間為160.1±5.9ms。Coleman等人研究發(fā)現(xiàn)國(guó)家隊(duì)男子選手扣球起跳雙腳離地瞬間，身體重心的垂直速度為3.59 m·s-1，身體重心的水平速度為2.08 m·s-1。［4］龔雅麗等人研究發(fā)現(xiàn)女子選手在雙腳離地瞬間重心的垂直速度為3.18 m·s-1，水平速度為1.31 m·s-1［5］，女子排球運(yùn)動(dòng)員在起跳時(shí)身體重心的垂直速度和水平速度都要低于男子，這可能與女子助跑速度較慢以及肌肉力量小有關(guān)。

從表1中我們能看出在蹬伸期，髖關(guān)節(jié)最大角速度、膝關(guān)節(jié)最大角速度、踝關(guān)節(jié)最大角速度分別為791.5 ± 78.5°·s-1、912.6 ±97.8°·s-1、1 154.7 ±151.4°·s-1，可見(jiàn)下肢各個(gè)關(guān)節(jié)角速度依次遞增，角動(dòng)量逐漸遞增，而且表2的數(shù)據(jù)也體現(xiàn)出髖關(guān)節(jié)-膝關(guān)節(jié)-踝關(guān)節(jié)依次伸展，有明顯的時(shí)間特征。可見(jiàn)在排球扣球的蹬伸起跳過(guò)程是以遠(yuǎn)端大關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)遠(yuǎn)端小關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，遠(yuǎn)端的踝關(guān)節(jié)是直接與地面接觸的，這樣踝關(guān)節(jié)產(chǎn)生較高的角速度必將有利于快速起跳。因此，在起跳時(shí)應(yīng)該首先積極主動(dòng)伸髖關(guān)節(jié)，再伸膝伸踝，有利于完成起跳。

表3 緩沖和蹬伸階段運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)與起跳高度的相關(guān)性(n=7)

由表3可知，起跳高度與重心最低時(shí)右髖關(guān)節(jié)角、重心最低時(shí)右膝關(guān)節(jié)角、重心最低時(shí)右踝關(guān)節(jié)角的相關(guān)系數(shù)分別為 -0.439(p＜0.05)、-0.409(p＜0.05)、-0.393(p＜0.05)，可見(jiàn)起跳高度與下蹲時(shí)下肢的關(guān)節(jié)角度呈負(fù)相關(guān)，說(shuō)明緩沖階段適當(dāng)?shù)叵露子欣谄鹛?。?dāng)著地腳著地時(shí)，下肢各個(gè)關(guān)節(jié)立即屈曲以便緩沖助跑過(guò)程中產(chǎn)生的水平動(dòng)量，在克服水平動(dòng)量的過(guò)程中，下肢髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)角變小使周?chē)募∪獗焕欤瑥亩怪苓^(guò)程產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥詣?shì)能并儲(chǔ)存在下肢關(guān)節(jié)的股四頭肌、臀大肌、小腿三頭肌等肌肉中，然后在隨后的蹬伸起跳過(guò)程中將儲(chǔ)存在肌肉中的彈性勢(shì)能釋放出來(lái)，轉(zhuǎn)化為垂直位移方向的能力，這樣下肢關(guān)節(jié)下蹲角度就成為了影響起跳高度的因素。但是并不是下肢緩沖角度越小越好，因?yàn)榧∪獗粍?dòng)拉長(zhǎng)收縮具有時(shí)間效應(yīng)，下肢關(guān)節(jié)緩沖角度越小所需要的時(shí)間長(zhǎng)，這將減弱牽張收縮效應(yīng)［6］，這也就是呈中度負(fù)相關(guān)的原因。

表3顯示擺臂角度與起跳高度成正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.679(p＜0.05)，本文中擺臂角度為緩沖階段右側(cè)肩關(guān)節(jié)的后擺角度。擺臂動(dòng)作在起跳過(guò)程中，當(dāng)向后擺臂角度較大時(shí)，相對(duì)地增加了蹬伸時(shí)向前上擺臂的位移，從而增加雙臂的做功量，而這一做功可以更多地轉(zhuǎn)換為垂直起跳時(shí)的重力勢(shì)能，也就提高了起跳高度。國(guó)外Harman研究發(fā)現(xiàn)有擺臂的跳躍高度明顯大于沒(méi)有擺臂的跳躍高度［7］。

因此，擺臂動(dòng)作對(duì)于起跳高度也具有很重要的作用，這一因素有時(shí)候常常被教練員和隊(duì)員所忽略。但是，向后的擺臂動(dòng)作對(duì)于起跳離地瞬間身體重心的水平速度方面也有影響。因?yàn)楫?dāng)后擺角度大會(huì)使身體的重心有向上移動(dòng)趨勢(shì)，制動(dòng)腳與地面產(chǎn)生的制動(dòng)作用力減少，也就導(dǎo)致了緩沖向前作用減少，從而導(dǎo)致水平速度相對(duì)增加，進(jìn)而在接下來(lái)的向前、向上擺臂起跳過(guò)程中使身體重心過(guò)多地向前移動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致選手在起跳或者空中擊球動(dòng)作中產(chǎn)生前沖現(xiàn)象，使選手產(chǎn)生觸網(wǎng)等失誤。因此，向后擺臂角度并不是越大越好，應(yīng)該尋找到一個(gè)合適的向后擺臂角度，以達(dá)到最佳的起跳效果。

表3顯示起跳高度與緩沖時(shí)間和蹬伸時(shí)間成負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.479(p＜0.05)和-0.379(p＜0.05)，說(shuō)明在一定程度上縮短緩沖時(shí)間和蹬伸時(shí)間有利于起跳。緩沖階段主要是下肢各個(gè)關(guān)節(jié)周?chē)募∪獗粍?dòng)拉伸，以便在蹬伸階段釋放能量。但是，肌肉是一個(gè)粘彈性體，它的彈性變形能力具有時(shí)間效應(yīng)，彈性回縮能力隨時(shí)間延長(zhǎng)將減弱，原因是有一部分能量以熱能形式散發(fā)出去，最終影響向心收縮時(shí)的效果，也就影響了起跳效果。從數(shù)據(jù)來(lái)看，蹬伸時(shí)間與起跳高度也成負(fù)相關(guān)，這暗示蹬伸時(shí)間也不宜過(guò)長(zhǎng)，王法信［8］研究結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。因此，尋找到一個(gè)合適的起跳時(shí)間具有重要意義。

表3的結(jié)果顯示起跳高度與雙腳離地時(shí)重心垂直速度呈高度相關(guān)(r=0.839，p＜0.01)，身體重心的垂直速度可以提供充分的動(dòng)能來(lái)克服身體的重力勢(shì)能，從而達(dá)到一定高度，因此雙腳離地時(shí)重心垂直速度是影響起跳高度的最直接因素之一。

2.2 緩沖階段和蹬伸階段下肢肌肉激活情況

同樣以重心最低點(diǎn)時(shí)刻為0時(shí)刻點(diǎn)，之前的時(shí)間為負(fù)值，之后的時(shí)間為正值。由表4可知在緩沖階段各塊肌肉表面肌電峰值出現(xiàn)在重心最低點(diǎn)之前，其中腓腸肌內(nèi)外側(cè)頭峰值出現(xiàn)的時(shí)間較早，顯著早于其它肌肉，說(shuō)明在緩沖階段最早依靠的是腓腸肌，之后是股直肌，其余肌肉在較晚后出現(xiàn)峰值。腓腸肌是踝關(guān)節(jié)周?chē)募∪?，在緩沖時(shí)首先通過(guò)腓腸肌的離心收縮牽拉制動(dòng)小腿骨來(lái)緩沖水平速度，然后股直肌積極參與收縮通過(guò)制動(dòng)大腿來(lái)緩沖水平速度，而后其它肌肉收縮開(kāi)始出現(xiàn)峰值積極收縮制動(dòng)下肢環(huán)節(jié)來(lái)緩沖水平速度。

由表4可以看出，在蹬伸階段，臀大肌的表面肌電活動(dòng)首先達(dá)到峰值為-21.4±18.5ms，顯著早于其它肌肉，這也說(shuō)明了在重心達(dá)到最低點(diǎn)之前臀大肌電活動(dòng)已經(jīng)達(dá)到峰值，與表2數(shù)據(jù)結(jié)果相符，說(shuō)明髖關(guān)節(jié)先于其它關(guān)節(jié)伸展。但是其它肌肉群幾乎同時(shí)達(dá)到峰值，這說(shuō)明由于和骨相連接的肌肉和肌腱是一個(gè)粘彈性組織，在牽拉骨杠桿的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生延遲效應(yīng)，所以肌電的時(shí)間特征與外部動(dòng)作結(jié)構(gòu)的時(shí)間特征不一定相符，有關(guān)這方面的研究還需要更精細(xì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。但是可見(jiàn)臀大肌確實(shí)是較早激活的一塊肌肉，從而使髖關(guān)節(jié)提前伸展，完成大關(guān)節(jié)帶動(dòng)小關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。

表4 緩沖和蹬伸階段各肌群表面肌電峰值出現(xiàn)時(shí)間(n=7)

2.3 不同階段肌肉做功情況

從圖2中可以看出，在緩沖階段臀大肌的%IEMG最大平均為27.7%，說(shuō)明在緩沖這段時(shí)間內(nèi)支配臀大肌的運(yùn)動(dòng)單位積極活動(dòng)，緩沖階段主要是產(chǎn)生制動(dòng)作用，臀大肌可以使髖關(guān)節(jié)制動(dòng)，而髖關(guān)節(jié)與質(zhì)量較大的軀干相連，在一定程度上制動(dòng)軀干產(chǎn)生的較大動(dòng)量也要依靠臀大肌的積極收縮來(lái)完成，所以臀大肌的電活動(dòng)最強(qiáng)烈。股后肌群在緩沖階段主要進(jìn)行退讓性地離心收縮來(lái)完成緩沖。因此，股二頭肌和半腱肌也產(chǎn)生較強(qiáng)的電活動(dòng)分別為16.9%和12.3%，值得注意的是該階段脛骨前肌的電活動(dòng)也較強(qiáng)，為12.3%，其原因可能與足在接觸地面后加強(qiáng)踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性有關(guān)。

在蹬伸階段，腓腸肌內(nèi)外側(cè)頭的作用非常重要，其%IEMG分別為19.2%和24%，原因是在蹬伸階段需要足夠的動(dòng)力，而腓腸肌積極地向心收縮可以使踝關(guān)節(jié)蹬伸地面，從而使身體離地騰空。同樣作為主動(dòng)肌的臀大肌、股直肌也積極地收縮，%IEMG分別為14.4%和16.0%。臀大肌和股直肌積極收縮可以快速地完成伸髖伸膝動(dòng)作，為離地騰空提供動(dòng)力。同時(shí)，在蹬伸階段我們可以看出，作為拮抗肌的股二頭肌和半腱肌依然積極收縮，其原因可能是與預(yù)防下肢損傷有關(guān)。Baratta等人研究下肢膝關(guān)節(jié)蹬伸動(dòng)作時(shí)發(fā)現(xiàn)，拮抗肌收縮可以維持膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性［9］。

圖2 不同階段不同肌肉的%IEMG

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

從外部動(dòng)作結(jié)構(gòu)和內(nèi)部肌肉放電情況來(lái)看，排球扣球的起跳蹬伸過(guò)程是下肢以大關(guān)節(jié)依次帶動(dòng)小關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)完成的。緩沖期首先通過(guò)踝關(guān)節(jié)的腓腸肌離心收縮來(lái)緩沖制動(dòng)水平速度，然后依靠膝關(guān)節(jié)的股直肌離心收縮來(lái)緩沖制動(dòng)。重心最低時(shí)右髖關(guān)節(jié)角、膝關(guān)節(jié)角、踝關(guān)節(jié)角、擺臂角、緩沖時(shí)間、垂直速度是影響起跳高度的因素。

3.2 建議

教練員在平時(shí)的訓(xùn)練中應(yīng)該更多地關(guān)注尋找合適的緩沖時(shí)間和擺臂角，以達(dá)到最佳的起跳效果。教練員應(yīng)根據(jù)蹬伸階段肌肉的用力順序和作用大小，合理安排下肢力量以及肌肉協(xié)調(diào)用力方面的訓(xùn)練。在以后的科學(xué)研究中也應(yīng)該更多地關(guān)注什么樣的緩沖時(shí)間和后擺臂角有利于起跳高度。

［1］蔡豐任.排球扣球技術(shù)額生物力學(xué)理論基礎(chǔ)及其應(yīng)用［J］.大專(zhuān)體育，1996，25(2):92-98.

［2］Carlo J.De Luca.The Use of Surface Electromyography in Biomechanics.Journal of applied biomechanics.1997(13):135-163.

［3］張資榮.排球正面攻擊之起跳動(dòng)力研究［D］.臺(tái)北:國(guó)立臺(tái)灣師范大學(xué)體育研究所，1971:50-52.

［4］COLEMAN，S.G.S.，BENHAM，A.S.，NOTTHCOTT，S.R.A three-dimensional cinematographical analysis of volleyball spike.Journal of Sport Sciences，1993(11):295-302.

［5］龔雅麗，姜冠軍，趙文娟，等.我國(guó)部分優(yōu)秀女排隊(duì)員4號(hào)位扣球技術(shù)環(huán)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析［J］.西安體育學(xué)院學(xué)報(bào)，1997，14(4):41-45.

［6］KOMI，PV.Physiological and biomechanical correlates of muscle function:effects of muscle structure and stretch-shortening cycle on fore and speed［J］.Exercise and Sports Sciencereviews，1984(12):81-121.

［7］Haiman，e.a.，rosenstein，m.t.，frykman，p.n.，etal.The effects of arms and conutermovement on vertical jumping［J］.Medicine and Science in Sports and Exercise，1990(22):825-833.

［8］王法信.對(duì)彈跳原理及其應(yīng)用的探討［J］.山東體育科技，1982(1):29-34.

［9］Baratta R，Solomonow M，Zhou B H..Muscular coactivation—the role of the antagonist musculature in maintaining knee stability［J］.American journal of sports medicine1988，16(2):113-122.