篮球前转身过程中支撑脚的运动生物力学分析.pdf

其他研究QITAYANJIU篮球前转身过程中支撑脚的运动生物力学分析A Biomechanical Analysis of the Supporting Foot duringBasketball Forward Pivot楚仕顺,田?野,范山山,黄治官Chu Shishun,Tian Ye,Fan Shanshan,Huang Zhiguan摘要：本文主要探讨了广州体育学院11位篮球选手的前转身动作，通过利用Vicon三维红外动作捕捉设备及AMTI测量力量平台收集数据，选择下肢关节的角度与力矩的变化作为关键指标来进行分析，旨在揭示出前转身动作的下肢运动特性，以便让这些篮球选手更准确地认识和掌握这个技巧，从而提升动作能力,为提高我国篮球运动水平提供参考。关键词：篮球；前转身；生物力学；动力学Abstract:This study delves into the forward pivots of 11 basketball players from Guangzhou Sport University.Data collection involved utilizing Vicons three-dimensional infrared motion capture equipment and AMTI forceplatforms.Key indicators for analysis included changes in lower limb joint angles and torques.The objective is touncover the specific lower limb movement characteristics associated with a forward pivot,enabling basketballplayers to gain a more precise understanding and mastery of this technique.The insights derived from this studyaim to enhance players skills and contribute to the elevation of basketball proficiency in China.Keywords:basketball;forward pivots;biomechanics;dynamics中图分类号：G804.6文献标识码：A文章编号：10 0 5-0 2 56(2 0 2 3)11-0 2 38-4doi:10.19379/ki.issn.1005 0256.2023.11.064前言篮球运动是一项综合性的现代体育运动，其起源可追溯于17世纪的美国,是奥运会的核心比赛项目。在篮球比赛中,不仅考验一名篮球运动员的技术、耐力，同时也考验一名篮球运动员的爆发力、绝对力量、柔和的手感等综合能力。篮球运动不仅需要场上运动员来回折返跑，同时运动员需要在场上不断地运用跑动、跳跃、转身等动作来调整自己的身体姿态来更好地进行进攻与防守。一场精彩的篮球比赛，不仅需要运动员拥有全面的身体能力,高强度的身体对抗也是比赛中精彩部分之一。在篮球运动员竞技过程中，快速移动能力、弹跳力、爆发力以及身体稳定性均是以下肢力量作为基础，同时在篮球竞技比赛中每一个技术动作的良好运用，也要求运动员有着较强的下肢肌肉力量。在关于运动员转身准确性和转身速度之间的关系研究中认为，运动员在转身动作中，转身过程腿部运动以及运动准确性，会给运动员转身速度造成一定影响，所以在日常训练中要加强运动员腿部力量的训练，并在运动员整体柔韧性方面提高上半身和下半身运动的协调性，以此来增强运动员转身的速度及精准性。前转身是篮球运动的核心技巧,在比赛中频繁被应用。无论是有球还是无球的技术都包含了前转身这一环节。因此，本文将从动力学的角度探讨前转身动作的技术特点，以便帮助运动员更好地理解和掌握这些特性，减少运动损伤。1研究对象与方法1.1研究对象本次实验研究选取广州体育学院11名篮球运动员作为研究对象，所有受试者从事篮球专项训练达3年以上，且近半年内无下肢关节损伤，无慢性损伤史，健康状况良好，优势手均为右手，研究对象基本信息见表1。表1受试者基本信息年龄（岁）身高(cm)20.64 0.92181.55 6.31238BULLETINOF SPORTSCIENCEANDTECHNOLOGYVol.31.NO.11.20231.2数据采集方法及流程在进行实验之前，我们首先预热了实验仪器，并设置了摄像头的参数，以保证摄像头能够清晰、稳定地识别实验中的反光点，并尽可能减少实验室空间中的杂点。接着，使用标志杆在实验室空间内进行挥动，完成摄像机空间位置的标定。登记受试者的个人身高和体重信息，并要求他们在速度为5.5KMh的跑步机上进行慢跑热身。为了防止在测试过程中出现运动损伤，我们还要求他们在进行纵跳等热身动作时，让身体微微发热。在实验人员的指导下，受试者进行了单腿跳，以确定他们的优势腿。之后，实验人员详细描述了原地前转身、前转身投篮、前转身突破的动作标准，并让受试者在指导下练习这些动作，直到他们认为自已可以完成这些动作为止。在进行转身动作时,受试者需要按照特定的步骤进行。以右手持球为例,准备姿势时,受试者的左脚先踏在测力台上,右脚在测力台外,两脚平行开立，两腿微屈，屈髋屈膝，重心降低，两手持球置于腹前。转身时,受试者需要用右脚前脚掌内侧瞪地,以左脚为轴进行转动,同时,右脚随着前转身而向准备方向的反方向跨出。在测试前,我们打开了Vicon三维运动捕捉系统建立了每位受试者的身高、体重信息,并选取了FULLBODY全身模型。模型选取完成后，我们开始对受试者的皮肤表面进行Marker反光点的粘贴，全身共需要粘贴7 7 个反光Maker点（见表2)。第一作者简介：楚仕顺（19 9 9），男，湖南长沙人，在读硕士研究生，研究方向：体育教学。体重(kg)运动年限（年）80.36 12.6110.73 1.27作者单位：广州体育学院，广东广州510 6 30Guangzhou Sport University,Guangzhou 510630,China.其他研究QITAYANJIU表2 全身Maker点位置内收或外展状态;最后一次旋转在大腿坐标的z轴,产生了旋骨性标志点名称名称缩写左、右前额LFHD,RFHD左、右后脑颅骨LBHD,RBHD左、右肩峰点LSHO,RSHO锁骨点CLAV胸骨点STRN第七颈椎点C7左、右上臂（追踪点）LUPA,RUPA左、右肘内侧LELA,RELA左、右肘外侧LELB,LELA左、右小臂（追踪点）LFRA,RFRA左、右腕内侧LWRA,RWRA左、右腕外侧LWRB,RWRB左、右掌骨LFIN,RFIN左、右骼前上棘LASI,RASI左、右后上棘LPSI,RPSI左、右大转子LCTR,RGTRLFA1、L FA 2、L FA 3、L FM 1、L FM 2、L FM 3、左、右大腿（追踪点）LFP1、L FP2、L FP3、RFA 1、RFA 2、RFA 3、RFM1、RFM 2、RFM 3、RFP1、RFP2、RFP3左、右股骨外侧鯉LKNE,RKNE左、右股骨内侧LMFC,RMFC左、右胫骨外侧鯉LLTP,RLTP左、右胫骨内侧LMTP,RMTPLTA1、L T A 2、L T A 3、L T P1、L T P2、L T P3、左、右小腿（追踪点）RTA1、RT A 2、RT A 3、RT P1、RT P2、RT P3左、右踝关节外侧LANK,RANK左、右踝关节内侧LMMA,RMMA左、右跟骨LHEE,RHEE左、右第一跖骨LTOE,RTOE左、右第五跖骨LMT5,RMT51.3实验仪器本实验使用了Vicon三维红外动作捕捉系统和10 个高分辨率红外摄像头进行运动学指标的采集。为了确保数据的准确性，我们将采样频率设定为2 0 0 Hz。此外，我们还使用了嵌人地板的AMTI测力台来完成动力学数据的采集，该测力台的规格为6 0 cm*40cm。为了获取更详细的动力学数据,我们将采集频率设置为10 0 0 Hz。值得一提的是，同时进行了Vicon红外捕捉系统和足一地反作用力的同步采集，以确保数据的一致性和可靠性。通过这些采集设备和方法，我们可以获得准确且全面的运动学和动力学数据，为后续的研究和分析提供有力支持。1.4数据处理本篇的研究采用了ViconNexus这个由Nexus提供支持的数据收集与分析工具对运动学的信息进行了操作化采集过程。第一步是识别出所有的Mark点并在其周围添加补充性的标注以弥补因被覆盖或其他干扰因素导致丢失的部分；第二步则是保证所有记录下来的mark点都能够持续地保持稳定并且准确无误的存在于每个阶段中。最后一步是对这些已经获得的各类信号进行Butterworth的低频高通滤波去噪技术对其做出了优化和平整化的调整，同时设定该技术的截止值应该等于13.3Hz。膝盖的活动中心位于胫骨内外侧标识的中点上。通过这些标识来构建大腿和小腿的坐标系统，并把膝盖的角度设定成这两个坐标系统的欧拉角。这个角度被视为两个坐标系统的欧拉角,其中第一个旋转沿着大腿坐标的x轴完成,从而产生弯曲或伸直的状态；第二个旋转环绕大腿坐标的y轴,形成数量22211122222222221822221222222转向内的或者向外的姿态。这种角度的变化是由右手规则所决定的。所有的数值都经过Visual 3D软件中的命令式运算得出。1.5动作划分篮球前转身动作分为原地前转身、前转身投篮、前转身突破，由于每个动作后续衔接动作不同，本文仅分析三个转身动作的转体阶段与制动阶段。转体阶段：以左脚根骨标志点为依据，当原地前转身时,左脚在额状轴（X轴）率先转动，因此在LHEE标志点的额状轴（X轴)变化的第一顿,定义为转体阶段（见图1）。制动阶段：当受试者转动脚接触测力台，并且在测力台动力学数据上垂直地面反作用力大于10 N的第一帧时刻，定义为制动阶段（见图2）。ISL图1转身动作转体阶段示意图Visual3DProfessional图2 转身动作制动阶段示意图2研究结果2.1转身动作支撑脚角度比较支撑脚始终保持在地面，在做前转身动作时，支撑脚的稳定性决定了动作的稳定性。通过支撑脚，我们可以改变身体的方向，并调整脚的位置，以便更好地使转动脚发力完成动作。同时，延长地的时间也是非常关键的。这样做可以确保动作的稳定性和准确性,给予我们足够的时间来调整姿势和发力，从而完成前转身。因此，支撑脚是保证动作质量的关键因素之一。当膝关节屈曲度减小时，镔腱与胫骨体的距离会增大，这会导致镔腱胫骨角进一步增大。由于这个原因，伸膝力的水平分力会增加,同时前向剪切力也会增加，从而使得ACL的负荷加大 2 。在屈伸面上,运动员在做原地转身时，由于没有后续动作,重心相对来说高于前转身投篮与前转身突破，因此在踝与髋关节上，由于重心更高，踝背屈的角度会明显低于前转身投篮与前转身突破,在膝关节上，原地转身屈伸角度也明显低于前转身投篮与前转身突破,在做前转身投篮与前转身突破时，运动员往往通过降低重心来获得更多动力，在屈伸面上前转身投篮与前转身突破下肢各个关节角度会更大。更大的髋关节屈曲角度可以在向上和向前运动中产生更大的动量，这将转化为更好的跳跃高度和跳跃距离 3。239第31卷第11期2023年11月onal体育科技文献通报其他研究QITAYANJIU在收展面上，转身投篮时的踝关节、膝关节和髋关节的外展角度与原地前转身和前转身突破相比,这些关节的外展角度都较小,膝关节屈曲角度减小也会导致吸收地面反作用力的潜力下降 4。在进行转身投篮时，由于后续动作是地起跳，支撑脚需要保持稳定与平衡，为了达到最佳的起跳高度和起跳速度，下肢三个关节应尽量保持中立位，这样可以确保稳定性与平衡性，并为起跳提供更好的条件。在旋转面上，为了保持稳定性，同时要保证力的垂直向上，转身投篮时支撑脚下肢三关节在内旋角度上均小于原地转身与转身突破。转身突破在制动后的衔接动作为转动脚地发力，由于在前转身时身体的重心在左脚，此时，在转身完成后身体的重心要过渡到右脚，支撑脚左脚在转动过程中需要不断调整位置，使转动脚落在一个比较容易发力的位置，所以在转身突破动作下，下肢三关节内旋角度均大于原地转身与转身投篮，为转动脚地发力提供有利条件。表3三个转身动作支撑脚下肢关节角度（度）关节名称原地转身屈伸12.48 3.02踝关节外展内旋13.39 2.36屈伸52.67 3.61膝关节外展6.36 4.23内旋12.86 4.42屈伸50.96 7.77髋关节外展11.01 7.37内旋-0.27 3.432.2转身动作支撑脚力矩比较在转身阶段通过表4可发现，在屈伸面上，原地转身屈伸力矩会小于转身投篮与转身突破屈伸力矩，其中转身投篮的下肢三关节在屈伸力矩上最大，可以解释为转身投篮后续衔接动作为地起跳，运动员需要在垂直方向上产生更大的力，以便达到更好的高度以及更快的速度。在外展面上，原地转身的外展力矩也较转身投篮和转身突破的外展力矩小。这可以解释为了保证躯体的稳定性和平衡性，更好地衔接后续动作，机体有意识地保持中立位。通过保持中立位，可以确保动作的质量，从而更好地衔接后续动作。这种策略使得运动员能够在转身过程中保持稳定，以便更好地完成后续动作。在旋转面上，除膝关节外，踝关节、髋关节在旋转力矩上均大于转身投篮与转身突破，转身投篮与转身突破踝关节与髓关节旋转力矩要小于膝关节，可以解释为运动员在做前转身动作时，试图卸载踝关节与髋关节负荷，将负荷转移到膝关节，从而导致膝关节拥有较大的旋转力矩。表4三个转身动作支撑脚下肢关节力矩（N.m）关节名称原地转身屈伸0.57 0.39踝关节外展0.19 0.15内旋0.13 0.16屈伸0.49 0.24膝关节外展内旋0.14 0.15屈伸0.58 0.28髋关节外展0.09 0.35内旋0.15 0.172.3转身动作支撑脚地面反作用力比较研究表明,较大的股四头肌力量与较大的膝关节屈曲角峰值和较小的垂直地反力峰值相关 5，由表5可以看出,转身突破与转身投篮在前后方向上的力与垂直方向上的力明显大于原地240BULLETINOFSPORTSCIENCEANDTECHNOLOGYVol.31.NO.11.2023转身在前后、垂直方向上的力,其中转身突破在前后方向上力最大为-36.446.8 7,前转身突破后续衔接动作为转动脚地，动作方向为前上方，为了突破对方防守，使得运动员要向前方加速，所以前转身突破前后方向的力较大。在运动过程中前后方向的力不起转动作用,在对抗情况下,维持身体的平衡 6 。由表5可以看出，转身投篮与转身突破动作在左右方向上的力相比于原地转身动作更为集中，前转身突破动作和前转身投篮动作在转身时与下一衔接动作的支撑脚左右方向力有明显的差异。在突破动作中，重心下降力值增大，而跳投动作中，重心上升力值减小。不同组合的转身动作会导致支撑脚左右方向力的差异，这也会影响到转身组合动作的力值。这种差异的出现是为了完成下一衔接动作而进行的，通过重心下降和增加地力量，运动员能够更好地完成后续动作。在垂直方向的力上，原地转身相比于前转身突破与前转身投篮，垂直方向上的力明显减少，可以解释为前转身投篮下一衔接动作为地起跳，需要加大向上的力量，从而提高跳跃转身投篮转身突破15.72 4.2314.75 4.344.22 3.413.51 3.8611.62 2.0656.94 8.97-6.05 2.5810.14 3.0153.99 7.329.30 6.370.03 3.54转身投篮0.79 0.360.30 0.140.11 0.11 0.59 0.310.29 0.180.42 0.730.27 0.440.78 0.630.16 0.480.22 0.16高度与跳跃速度,前转身突破为了提高动作稳定性与平衡性，同样需要支撑腿提高在垂直力上的力量。4.24 5.0414.12 2.3661.88 8.187.23 3.8715.71 4.5552.79 8.3711.44 7.470.08 3.65转身突破-0.75 0.410.29 0.180.08 0.130.58 0.460.46 0.980.23 0.360.66 0.350.15 0.510.24 0.15表5三个转身动作支撑脚地面反作用力（N）原地转身X16.39 13.73地面反Y作用力Z58.8X51.1-106:1-161.0+0.025000750.00图3三个动作地面反作用力比较图3结论3.1前转身投篮与前转身突破相比于原地前转身在屈曲角度上都更大，前转身投篮后需衔接动作为地起跳，前转身突破后需衔接动作为转动脚地，因此通过降低重心，增大踝、膝、髋三关节屈曲角度来获得更多的动力。在外展角度与内旋角度上,为了保证前转身投篮的稳定性与平衡性,前转身投篮的外展角度与内旋角度均小于原地前转身与前转身突破。3.2相比于原地前转身,前转身投篮与前转身突破在屈伸力矩与外展力矩上明显大于原地前转身，可以更好地衔接下一个动作，为下一个动作提供稳定型与平衡性。3.3前转身投篮和前转身突破在X轴和Z轴上的地面反作用力也明显大于原地前转身。这意味着运动员在进行这两个动作时，需要更强的地力量和速度，以实现更高的跳跃或更快的突破速度。3.4相比于原地前转身，前转身投篮和前转身突破在屈伸力矩、外展力矩和地面反作用力方面都有所增加。需要运动员具备更强的力量和平衡控制能力，同时加强下肢力量与核心力量的练习。通过不断地训练和技术提升，运动员可以更好地掌握和运用这两个动作，展现出更高水平的技术和表现。转身投篮-27.65 19.4624.69 33.0112.73 11.94400.20 151.39455.75 174.08126:01092.469.2814.8N537.244.5259.6FP1pesheno1.c3damee.1859,.Time.0.929-101.40.0250500 750.100.0转身突破36.44 6.873.62 16.18429.35 208.65raahuannen-18.1卡0.02:0500750.100.0口page:134其他研究QITAYANJIU参考文献：41ELVIN NG,ELVIN AA,ARNOCZKY SP,et al.The correlation of1刘武军,向剑锋,王海飞,等.高校篮球运动课程的思政机理探索segment accelerations and impact forces with knee angle in jumpJ.西南石油大学学报：社会科学版，2 0 2 1,2 3（2）：8.landing.J Appl 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pull）还是传统高抓（traditional high catch）动作，运动员们的爆发力输出在杠铃重量增加的情况下都有显著的提升。特别是在30 kg热身重量下，平均爆发力输出为47.9 6.41和57.88.51，当重量增加到50%1RM时，平均爆发力输出提升到7 6.7 5.12 和7 4.34.2 0，而当重量进一步增加到8 0%1RM时，平均爆发力输出提升到12 3.49.13和9 8.47.31。这表明杠铃重量的增加可以有效提升青少年乒乓球运动员在这两个动作中的爆发力输出。同样的情况也发生在超等长高翻（superlong high pull)和超等长高抓(super long high catch)动作中。随着重量的增加,运动员们的爆发力输出也在不断提升。在50%1RM重量下,平均爆发力输出为12 8.58.39 和10 6.2 6.49，当重量增加到8 0%1RM时，平均爆发力输出提升到18 9.412.54和134.6 8.7 3。此外，从数据中还可以看出，在进行峰值50%1RM和8 0%1RM动作时,虽然平均爆发力输出的提升幅度相较于前两个动作较小,但仍然可以看到重量增加对提升爆发力的效果。3讨论本研究对不同重量的杠铃进行4种动作练习时青少年乒乓球运动员的下肢关节角度、角速度、人体输出功率和爆发力进行了详细的分析。以下是对这些结果的讨论：下肢关节角度分析。不同动作和不同负荷下，青少年乒乓球运动员的下肢关节角度峰值存在显著差异。传统高翻和传统高抓动作中，下肢关节的角度峰值相对较小,而超等长高翻和超等长高抓动作中，下肢关节的角度峰值明显增大。这表明在进行传统动作时，下肢关节的活动范围相对较小，而进行超等长动作时，需要更大的下肢关节活动范围。此外，随着杠铃重量的增加，下肢关节的角度峰值也逐渐增大，表明在进行力量训练时，青少年需要更大的下肢关节活动范围来完成动作。不同动作下各关节的角度峰值也有所不同，这说明不同动作对各关节的活动范围有着不同的影响。下肢关节角速度分析。不同重量的杠铃对青少年乒乓球运动员的下肢关节角速度峰值有显著影响。随着杠铃重量的增加，下肢关节的角速度峰值逐渐增加。这表明在进行这些动作时,运动员需要产生更大的力量和速度，从而增加了关节的活动范围和速度。需要注意的是，在大力量执行时,膝和髋的角速度峰值有所下降,这可能与关节的稳定性和控制能力在防止受伤方面的重要性有关。57.8 8.5184.56.4274.3 4.20128.5 8.3998.4 7.31189.4 12.5474.6 6.72116.4 5.34109.7 7.39189.2 10.26120.8 8.39229.7 12.8995.65.23106,2 6.49 134.6 8.73 149.4 8.56179.3 10.98202.8 10.32随着杠铃重量的增加，青少年乒乓球运动员的平均输出功率和峰值输出功率在进行传统高翻、传统高抓、超等长高翻和超等长高抓动作时均呈现出明显的增加趋势。这说明杠铃的负荷增加可以有效提升运动员在这些动作中的力量输出能力。然而，需要注意的是，在接近最大重量时，力量输出能力的增长速度会逐渐放缓，这可能意味着青少年乒乓球运动员在力量训练中需要更多的训练来继续提高他们的力量水平。人体输出爆发力分析。不论是进行传统高翻还是传统高抓动作，运动员的爆发力输出都在不同负荷下显著增加。这表明杠铃重量的增加可以有效提升青少年乒乓球运动员在这两个动作中的爆发力。类似的趋势也出现在超等长高翻和超等长高抓动作中。这表明力量训练可以改善运动员的爆发力，这对于乒乓球等需要快速爆发力的运动项目尤为重要。本研究提供了有关青少年乒乓球运动员在不同重量的杠铃下进行不同动作练习时下肢关节角度、角速度、人体输出功率和爆发力的重要信息。这些结果有助于教练员和运动员更好地理解力量训练对于提高运动表现的影响，同时也为个性化的训练计划提供了有力的依据。然而，需要进一步的研究来探讨这些发现在实际训练中的应用以及如何最大程度地提高运动员的训练效果。参考文献：1常婧婧,宋占孔.筋膜训练对网球运动员上、下肢爆发力的影响研究 J.体育科技文献通报，2 0 2 3,31（0 8）：7 9-8 1.D0I:10.19379/ki.issn.1005-0256.2023.08.023.2李旭.武术专项灵敏素质训练中超等长收缩训练应用效果分析J.中华武术,2 0 2 3(0 4):113-115.3刘泽瑶.超等长力量训练在瑜伽中的应用 J.体育视野,2 0 2 3(05):131 133.4杨珊珊.超等长收缩训练对武术专项灵敏素质的影响 D.吉林体育学院,2 0 2 2.D01:10.27760/ki.gjlxy.2022.000103.5赵金帅.抗阻下速度灵敏训练对青少年乒乓球运动员专项素质的影响 D.武汉体育学院，2 0 2 1.DOI:10.27384/ki.gwhtc.2021.000279.241第31卷第11期2023年11月体育科技文献通报