垒球基本技术与常见损伤的生物力学分析

摘要 从动力学和运动学的角度进行了垒球击球以及投球的生物力学分析,对动作提出了新的看法对训练提出了新的设想。对垒球常见的损伤进行了简单的描述和分析,提出了预防损伤的建议。
关键词:风车式投球;挥击技术、肩袖损伤
 
垒球运动是一项集爆发力、速度、耐力为一体的集体对抗运动。其对运动员的技术、战术有很高的要求,同时垒球运动中运动损伤的发生率较高。对什么是正确的垒球技术认识,如何有效的防止和减少损伤,都是目前我国垒球运动中目前亟待借解决的问题。要达到这两点目的,就必须对垒球基本技术的动力学和运动学原理进行详细研究,最终得出对技术从根本上的正确认识,从而有针对性地研究出预防损伤的意见。
1.垒球技术生物力学分析
1.1投球
投手是防守队场上的核心队员,在比赛战略上,投手虽处于防御地位,但却起着控制防守局势,控制对方攻势的作用。投手要根据对方的情况和战术需要,准确地投出快慢不一,线路不同,甚至变化多端的曲线球等。
1.1.1投球技术
垒球技术投球最大的特点是,合法之投球,必须采用正面低手动作投球给击球员,这样垒球的投球必然就有别于棒球的动力学和运动学特点。垒球投球的方法有后摆式、风车式和屈臂后摆式,目前比赛中常见的投球动作多为风车式投球。
1.1.2国内外研究情况
国内对于垒球运动的研究,多是集中在运动员机能评定、技战术的运用和损伤的统计分析。国外研究垒球投球技术的文章文章相对较多,并且有结合肌电图高速摄像和的动力学和运动学研究分析,但是就目前了解到的研究垒球投球的资料更多的是风车式头球(windmill pitch)技术。
1.1.3风车式投球
国外对于风车式投球的研究,按照高速摄像和肌电图的同步分析以持球手臂的位置将其动作划分为六个阶段。

评价风车式投球的因素包括:握球方法、身体姿势、开始阶段动作、上摆动作、下摆动作、出手位置和出手后动作。
正确的力学技术原理认识,对于风车式投球来说是至关重要的。握球的正确姿势包括:用手指握球,使掌心虚控。上身开始后仰同时持球臂开始运动。在球出手之前,伸踏腿屈膝稳定的着地,手腕作急停,髋关节制动,重心从后脚转移到伸踏脚。在出手后肘关节顺势屈,肘尖指向本垒位置。转体,投球臂的位置,伸踏腿结出地面的时间、伸踏的距离和出手时投球臂的位置是最重要的因素,这些因素又和投球的时机相配合。使这些动作在同一次头球中进行最佳组合,既能有效防止损伤,也能发挥最大的出手速度。由此可见,对于头球动作要注重细节的要求,也要注意各个动作阶段的配合,能发挥最大球速。
经过对于肩上投球与低手投球,相同关节的速度和负荷在各动作阶段的运动学和动力学的对比分析。发现低手出球最主要的特点是,在动量的传递和加速的阶段,肩部和肘部运动所受的阻力是最大的。由于棒球采用肩上投球而垒球采用低手投球,并且其所使用的球,体积不同、质量不同,所以常有一种误解,认为低手投球动作不会对肩部和肘部产生很大的冲击力。因此有必要对垒球低手投球的动作做进一步详细的环节的受力分析。然而也有研究发现,虽然肩上投球与低手投球动作有很大的不同,但是它们也有一些相似之处。前锯肌和胸大肌在两种投球方式时,都同时工作,并且有相同的功能。冈上肌在两种投球方式中都有稳定肩关节窝和使肱骨旋内的重要的动力学特点。
运动学分析中,以投手投球速度和加速度划分个体的投球技术。有经验的投手,可以通过对上肢运动环节近端的制动,从而将动量传递给末端运动环节。因为末端环节是跟随着近端环节运动,由于末端环节的惯性,就会使得近端环节的屈肌受到一个离心的牵拉力。而这个牵拉力会刺激肌梭(muscle spindle)和关节感受器(joint receptor),使得近端环节屈肌产生更大的向心收缩力。     研究表明,通过这种环节的依次加速使得末端获得极大的速度。研究表明了,风车式头球动作是一个典型的鞭打动作,但是其将肌肉的收缩原理与生物力学的典型分析相结合的思路值得借鉴。
研究发现,初学者在头球开始阶段和挥臂过程中,其肩关节和肘关节角速度都频繁的波动,然而高水平投手则能精确的控制上肢关节角速度在各个阶段的连续的适当的改变。经过一年的训练可以使得投手掌握在投球的各阶段如何控制上肢个运动环节的加速和减速。在出手前,高水平投手的肩关节和肘关节角速度是初学者的三倍还多,这使得高水平投手的球出手时的线速度是初学者的两倍。同时,研究还发现,高水平投手与初学者相比,其能在更短的时间内将球释放出手。
   对于挥臂过程中,手臂的姿势多数资料都未进一步讨论。在论垒球运动专著中,要求手臂自然伸直(肘关节有一定屈),而有少数资料强调挥臂过程手臂要有意识伸直,这方面存在争议。个人观点认为,不应该强调手臂的有意识伸直,因为纵然手臂有意识伸直可以增加转动惯量表面上看有利于增加线速度,但是过分的强调有意识的伸直手臂,势必会使更多的肌肉参与运动,增加动作的复杂程度。同时,这也有悖于垒球投球动作的鞭打动作原理,使得肘关节过早的投入运动。之所以在手臂挥臂阶段,自然伸直时肘关节有一定的屈,可能是由于便大动作的原理和肘关节屈肌的力大于伸肌的力而造成的。
1.2击球
击球是一项难度大而又极其重要的进攻技术。进攻是由击球开始的,即球员只有成功将球击出,才能达到自己上垒并为同伴创造近垒、得分机会。
1.2.1击球技术
击球技术本身又是具有很多不稳定因素的被动的进攻技术,就像投手是进攻性和防守性兼备一样有其相对性,从而击球技术和理论就有多样性和相对性。击球技术与球棒的选择、握棒的方法、击球员的站位和站法以及击球的方法都有关系,其中击球方法无疑是击球结果最重要的影响因素。
1.2.2研究情况
目前,国内外关于垒球的击球技术研究文章都比较少,而更多的是对于棒球击球技术的研究,这其中又以棒球挥击技术的研究最多。因此目前,基本都将对棒球挥击技术的认识和要求直接移植到对垒球挥击技术的评价和研究中。我认为,这其中有其合理的成分,因为垒球击球动作和棒球的击球确实十分相似。但是垒球运动所使用的球、球棒和比赛场地与棒球均不相同,而这些都是挥击技术动的直接影响因素。这些不同是否会使得垒球挥击技术具有与棒球挥击技术不同的特点,这是一个值得考虑的问题。但目前,却未见有专门对垒球挥击技术于棒球挥击技术的比较研究。
1.2.3挥击技术
击球动作的第一阶段即准备阶段,当运动员开始转肩拧腰时,身体像上紧发条一样,动力学的线量与角量都发生了变化,身体重心向后移动,导致压力中心转向后脚,位于身体总中心之后,为向前的线运动创造了一个良好的姿势,有利于其后向前的线速度的增加,身体的扭转增大后脚对地面的水平压力,反过来,地面对双脚的水平支撑反作用力委髋部的转动创造了动力。
击球动作的第二阶段即挥棒转动阶段,此时运动员的身体反向转动,前脚向前伸踏撑地,重心向前移动,使压力中心从后脚转向前脚方向,在前后方向向前移动,此时,地面对前脚的水平支撑反力指向X轴的负方向和Y轴的正方向,对后脚却指向X轴的正方向及Y轴的负方向,地面对前后脚的支撑反力形成了一个力矩,有助于增大髋部的转动加速度。身体向前的线运动及躯干的转动都为加大挥棒的速度和启动跑垒提供良好的力学条件。
邹亮筹研究认为,在运动实践中,有两类不同的技术,一类是强调躯干角运动(转动型),一类是主张利用身体重心的线运动与躯干的角运动结合(结合型)。通过三维高速录像及三位测力台的手段研究两类技术类型棒球击球员的击球动作进行下肢力学研究,发现结合型击球技术通过增大重心移动的线速度与躯干的转动来达到提高击球质量以及较好的起动跑垒的目的,而转动型击球技术则强调通过增大髋部的转动以带动躯干的转动。
研究发现,两类技术动作存在明显差异。从伸踏开始到棒击中球的整个过程中,结合型击球员的身体重心不停顿的向前移动,棒球触球时,其压力中心比较偏前,地面对前脚的垂直支撑反作用力大于转动型的(P〈0.01),后脚相反(P〈0.05),重心比较接近压力中心,整个人体所受到的X方向的地面支撑反作用力的合力指向X轴的正方向,有利于起动跑垒,获得较快的速度。而转动型击球员在前脚支撑压力中心转到后脚以后,身体重量往后移,致使压力中心与重心位置都稍有后移,这种身体重心向前移动的停顿,对充分利用身体的向前的线运动来完成击球和起动跑垒都有影响。
    孙柏庆等研究认为,人体重心的移动涉及到击球员判断来球的时间,下棒时机和用力方法等诸多因素,但是从准确的目的看,重心前移过程尽量保持平稳,减少垂直方向的移动。在挥棒前,就要有意识的控制伸踏距离,伸踏时间和力量,配合左髋相对固定。
    按照惯性定律,要改变物体的运动状态就需要有外力的作用,这样就必定会伴随能量的消耗。就这点而言,结合型击球员更有优势。因为整个击球过程中,其重心都是不停顿向前移动。而转动型运动员,在重心前移之后,又有停顿并且后移,这无疑都将增加额外的能量的消耗,同时重心的位移速度和方向改变无疑都将增加下肢动作技术的难度,更容易产生中心在垂直方向上的移动,影响击球速度。
    在长期的教学和训练中,认为挥棒速度与上臂的发力机制,尤其是左臂的伸展程度和伸展速度有密切关系,挥棒的轨迹越长,挥棒的半径越长,棒速越快,所以击球速度就越快,依靠身体的惯性击球。但王慧、孙柏庆等,按照碰球时右肘角110度(Ⅰ)和130度(Ⅱ)将击球员人为分为两组。研究发现,挥击时,手臂越直,中球时的棒速越小,启动与挥击得时间越长,击球点距越远,既求效果越差。作者认为Ⅰ组击球效果好是因为,其右上臂的肱三头肌处于伸展段,有利于上臂继续发力,增加棒速,并且Ⅰ组击球瞬间的髋轴转动小,而肩轴转动大,是髋关节制动而有利于能量的传递。而测试结果表明Ⅰ组的击球速度明显高于Ⅱ组,同时邹亮筹研究也发现,结合型击球手(髋关节转动小)击球速度也高于转动型击球手(髋关节转动大),这也印证了王慧、孙柏庆等的研究结果。
    王慧、孙柏庆等还发现,腕快则棒就快,但部分球员击球瞬间手关节已经是半翻腕状态,这也是由于双臂伸展幅度的关系,双臂伸展幅度越大,则越易形成翻腕。根据解剖和肌肉力学的原理,此时,手关节的握力和抗撞击能力都最差。而这正是传统直臂击球技术所造成的问题。往往在出现击球效果差时,都将其归咎于力量素质差。但可能直臂击球造成的翻腕,才是许多力量素质较好的运动员挥击欠佳的重要原因。
   王慧、孙柏庆等人为下肢主要是起支撑稳定的作用,不强调下肢的蹬伸,认为过多的水平位移将造成前臂以惯性运动为主,主动用力不足。而邹亮筹研究认为结合型技术,向前水平位移利于增加击球速度,两者的结论似乎矛盾。但是王慧、孙柏庆等以右肘角为分组标准,邹亮筹研究以结合型技术和转动型技术下肢特点分组标准,所的得出的结论存在不可比性,所以要进一步研究应该把下肢动作特点和右肘角分组标准综合考虑,这样结果才共有代表性。
    国内外许多研究都发现,大多数运动员在击球棒速处于下降状态时才击中球,且击球点远离本垒板。下棒时间普遍存在判断不准,下棒过早。在训练中,也一直没有一种能使运动员提高掌握下棒时机的方法。而且也常常忽视判断来球能力的训练,通常运动员都在未充分判断前提下,匆忙挥棒,造成挥棒时间过长,远离本垒板击球,击球的效果极差。
    所以,设想建立一个通过测速枪测得来球的速度,预计击球最佳时刻,并且提示击球手准确下手时机的系统。首先,通过技术动作分析,得出击球员挥棒时最快速度出现点(A)的位置以及从动作开始都到达这点的时间(T1)。再通过生理学测试得出击球员的声—动反应时(T2)。通过来球的速度计算出在某一点B开始,球到达A点的时间T=T1 +T2。将测速器至于过A点垂直于来球位移方向的直线上,当测的球到达B点的同时发出提示音,提示击球手击球,而击球手听到提示音后立即做挥击动作,这样就能起到协助击球手判断准确下棒时间的作用,必定有助于提高击球效果。
1.3跑垒
跑垒是籍球员击球后进攻动作的继续。跑垒员员必须依次安全触踏各个垒位最后回到本垒方可得分。跑垒的研究就目前所得的资料只有对于跑垒的战术安排、跑垒路线的设计等研究较多,还没有对于跑垒动作的生物力学分析。这可能由于跑垒对于垒球项目来说虽然重要,但是其技术相对简单容易掌握,而跑垒更多的是战术和运动智能的较量。但是,跑垒动作要求起动快、快速奔跑、在许多情况下勇敢滑垒才能取得成功。而跑垒造成的膝关节和踝关节损伤也十分普遍,所以对于不同的跑垒上垒动作的生物力学的分析,是十分必要的。对上垒动作有了正确的理解,才能有助于形成相对正确的动作技术,教给运动员相应的自我保护动作,开发出相应的护具。由于资料欠缺,对于跑垒就略说这些,其他的都有待进一步的研究。
2.常见损伤及生物力学分析
范俊杰等对于国家青年女子垒球队的伤情分析,发现16名运动员全部都有慢性损伤。损伤类型主要包括肩袖损伤、腰肌劳损以及肘、腕、膝、踝的软组织损伤。黄高劬等对参加26届奥运会的女垒队员监测发现,所有投手的肩部都有创伤两名主力投手都患有第五腰椎椎板骨折。分析可见垒球运动员的肩和腰的损伤比例是很大的。
2.1肩袖损伤
肩袖机群包括冈上肌、冈下肌、肩胛下肌和小圆肌它们的肌腱从前方、上方和后方包绕肩关节对监管界的稳定起着重要的作用。在传球和挥击时都是在肩关节处于外站外旋位发力,此时肩关节的负荷过大,同时肩袖肌腱在肩部的骨突间滑动摩擦,加上肩部肌肉力量不足或动作的不协调,极易造成肩袖肌肉和肌键的损伤。
2.2腰肌劳损
无论是投球还是挥击动作,都要强调从腰部发力。由于大幅度的转动和超常的负荷,会导致腰部肌肉、韧带、关节力学结构等的改变,腰部的大负荷转动就会引起损伤。有一个原因可能是因为运动员通常都习惯于单一一侧转动,往往造成一侧腰肌很发达而另一侧力量不足,没有注重对侧肌肉的平衡,这样势必造成腰椎两侧肌力的明显差异。长久以后,形成腰肌劳损。
2.3肘关节损伤
肘关节损伤常发生在肘内侧屈腕肌群附着的肱骨内上髁上,其原因可能是由于前文中提到的由于在击球前,有翻腕的动作使得腕屈肌被动拉长,击球时屈肌收缩无力又受到来球冲力产生的牵拉力,造成对腕屈肌附着点的牵拉。错误的动作挥击动作造成肘部的损伤。还有在击球时,后手的肘关节从屈曲旋后位向屈肘旋前位转换,速度快,力量大,使肘关节外侧软组织反复牵拉损伤,久而久之形成慢性劳损。 
2.4其他关节损伤
在挥棒时前、后位手的腕关节均处于尺偏位,而致腕三角软骨盘受压,其中两例三角软骨盘
损伤均是在比赛是挥棒击球时受压致伤。膝关节和损伤多是由跑垒是短时间快速起动,采用弧线跑垒技术,使得膝关节在弯曲时有猛地旋内或旋外造成半月板以及十字韧带的损伤。
3.损伤的预防
在动力学和运动学角度,国外的研究文章几乎东强调一个概念,正确的动作技术,既是发挥最大投球或挥击速度的保证,也是最好的防止运动损伤的方法。击球时采用结合型技术和以较小的肘角触球,风车式投球时保持肩关节和肘关节角速度的持续稳定和连续的变化都对预防孙尚有积极 的意义
研究表明,肩袖肌对于无论投球还是挥击技术都有重要意义,其中冈上肌对于肱骨的旋内十分重要,所以应该对像肩袖肌群这样的小肌肉的训练引起重视。在腕关节,击球时应该主动发力避免触球时腕关节处于翻腕,将有效避免肘部的损伤。
关于垒球护具的研究没有收集到材料,可见护具的研究还是空白,所以以后的研究可以从这方面着手,可能会有突破。
 
对于垒球技术的生物力学分析,对于从本质上了解垒球技术有重要的意义,提高了对技术认识的层次,对实际工作中开展针对性训练提供了依据。正确认识技术之后,对于防止和减少损伤,开发专门的护具都有积极意义。
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