謝冬興，彭 森

1 乒乓球擊球動作結(jié)構(gòu)及相關(guān)概念

1．1 乒乓球擊球動作結(jié)構(gòu)

乒乓球擊球動作構(gòu)成要素可依擊球單個技術(shù)動作的先后順序劃分為一個連續(xù)性的動作結(jié)構(gòu)［1］。在這個時間先后順序中，局部動作聯(lián)合成一個完整的動作系統(tǒng)，即為擊球動作過程。從乒乓球運(yùn)動技能理論分析，這個完整的擊球動作順序為“選位→引拍→揮拍迎球→拍觸球→隨勢揮拍→放松還原”。擊球過程中每個單一動作是一個條件反射活動，又是下一個單一動作發(fā)生的條件刺激。乒乓球運(yùn)動的技術(shù)動作多種多樣，但擊球動作結(jié)構(gòu)卻是一致的，可分為引拍階段、揮拍擊球階段、隨勢揮拍緩沖階段、動作還原四個階段。擊球的全過程，又可以設(shè)置五個臨界時間點:分別是引拍點、引拍結(jié)束點、球拍觸球點、隨勢揮拍結(jié)束點、還原結(jié)束點。當(dāng)代乒乓球運(yùn)動，技戰(zhàn)術(shù)、球拍設(shè)備的不斷創(chuàng)新以及運(yùn)動員心理素質(zhì)的不斷提高，擊球爆發(fā)力與擊球穩(wěn)定性成為比賽獲勝的關(guān)鍵因素。乒乓球擊球動作結(jié)構(gòu)中，揮拍擊球階段處于核心地位。球拍觸球這一點，決定了乒乓球回?fù)舻男D(zhuǎn)、落點、速度以及弧線等各種競技要素。在人體進(jìn)行整個揮拍擊球的動作時，肘關(guān)節(jié)是聯(lián)結(jié)軀干、上臂、前臂以及手腕各關(guān)節(jié)的中樞。它的運(yùn)動力學(xué)特征對擊球力量與穩(wěn)定性具有重要的影響。

1．2 幾個重要概念［2］

(1)肘關(guān)節(jié)角度。根據(jù)乒乓球擊球動作的結(jié)構(gòu)特點，肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動要結(jié)合運(yùn)動生物力學(xué)及運(yùn)動解剖學(xué)的相關(guān)知識，以空間角度描述肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動和位置。因此，將肘關(guān)節(jié)角度定義為“肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)標(biāo)志點連線與肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)標(biāo)志點連線之間的夾角”。

(2)動量與沖量。物體的運(yùn)動量與其速度和質(zhì)量有關(guān)。力學(xué)上定義速度與質(zhì)量的乘積作為物體運(yùn)動量的量度，稱為動量，K=mV。在碰撞問題中，物體動量的變化反映了物體對其他物體產(chǎn)生的機(jī)械效果，在由相互作用而引起的機(jī)械運(yùn)動傳遞中，是以動量交換的。力學(xué)中，將作用于物體上的外力與外力的作用時間的乘積，定義為力的沖量，I=FΔt。物體在運(yùn)動過程中，在某段時間內(nèi)動量的改變(ΔK)等于所受外力在這段時間內(nèi)的沖量，F(xiàn)Δt=mΔV。乒乓球運(yùn)動的擊球瞬間，是球拍與球的碰撞，球拍動量傳遞給球的過程。

(3)角度速度與線速度。物體在單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度叫角速度，用ω表示。設(shè)物體在Δt時間內(nèi)角位移為Δφ，那么物體轉(zhuǎn)動的快慢可用平均角速度表示，Δφ/Δt。當(dāng)時間 Δt趨于無限小時的極限值，稱為瞬時角速度，是轉(zhuǎn)動物體在某一時刻轉(zhuǎn)動快慢的反映。線速度是質(zhì)點繞一點轉(zhuǎn)動或一物體繞某軸轉(zhuǎn)動時，質(zhì)點或物體上各點的速度。線速度V的大小等于從轉(zhuǎn)軸到這一點的距離與角度的乘積:V=ωr。線速度與角速度是描述乒乓球被擊中瞬間的兩個重要運(yùn)動指標(biāo)。

(4)轉(zhuǎn)動慣量。在力學(xué)中，物體轉(zhuǎn)動慣性的大小是用“轉(zhuǎn)動慣量”來描述。轉(zhuǎn)動慣量的大小不僅與物體的質(zhì)量有關(guān)，還與質(zhì)量的分布及轉(zhuǎn)軸的位置有關(guān)。質(zhì)量愈大、質(zhì)量分布離軸越遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)動慣量也就越大。理論上，對于質(zhì)量為m的質(zhì)點，如果它離轉(zhuǎn)軸的垂直距離為r，那么這個質(zhì)點對該轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動慣量為:I=mr2。一般物體可視為質(zhì)點的集合。

(5)動量距定理。動量距的改變，等于作用于剛體上的沖量距，即 MΔt=I2ω2－I1ω1(其中 MΔt叫外力的沖量距，Iω叫剛體的動量距)。兩個不同時刻動量距之差表示的是在這段時間內(nèi)剛體轉(zhuǎn)動狀態(tài)的變化情況。

(6)定肘。乒乓球揮拍擊球階段，以及連續(xù)多次擊球時，肘關(guān)節(jié)的空間位置處于一個相對固定的狀態(tài)。本文定義的“定肘”是與擊球中的“抬肘”、“肘關(guān)節(jié)前后移動”等相對而言，并非物理意義的靜止與固定不變之意。

2 乒乓球擊球過程的運(yùn)動學(xué)本質(zhì)

2．1 擊球瞬間球拍與球的碰撞

以提拉下旋球為例［3］。拉下旋球時，球拍對球產(chǎn)生碰撞與摩擦兩種效果(俗稱打摩結(jié)合)，球體呈現(xiàn)平動與轉(zhuǎn)動的復(fù)合運(yùn)動狀態(tài)。球轉(zhuǎn)動方向為坐標(biāo)系:假設(shè)拍觸球瞬間，球拍線速度為V拍與法線的夾角為α，球體自轉(zhuǎn)角度速度為ω，以拍與球的接觸點M及球轉(zhuǎn)動方向建立坐標(biāo)系，運(yùn)動受力分析見圖1。V拍在法線方向的分量為V拍·cosα，切線方向的分量為V拍·sinα;球體自轉(zhuǎn)線速度為ω·r(r為乒乓球半徑)。V拍·sinα與ω·r在M點方向一致，當(dāng)V拍·sin·－ω·r＞0，摩擦力為阻力，球下網(wǎng);當(dāng)V拍·sinα －ω·r=0，為理想狀態(tài);當(dāng) V拍·sinα －ω·r＞0，摩擦力為動力，球過網(wǎng)。

圖1 轉(zhuǎn)動方向力學(xué)分析

以球拍、球、擊球點E及球平動方向(V平)建立坐標(biāo)系(見圖2)，依據(jù)矢量合成和分解理論(平行四邊形法則)，假設(shè)擊球瞬間(擊球點為E)，球的平動速度為V平，與拍面夾角為θ。將V平從圓心O點平移到E點，并分解為法線方向的V平·sinθ與切線方向的V平·cosθ。擊球瞬間，法線方向球拍受到球的正壓力N作用，平動速度有一個從V平·sinθ到0，再到另一速度V'被擊出的過程。依據(jù)動量定理，在法線方向有 Ft=mΔV;Nt=m(V平·sinθ+V')，其中 V'與 V平·sinθ方向相反，N為法線方向的正壓力。外界條件一定時，N與V平·sinθ成正比。由摩擦力f=μN(yùn)，可知增大球拍與來球速度角度(正壓力增大)可增大摩擦力，達(dá)到提高擊球旋轉(zhuǎn)的目的。

圖2 平動方向受力分析

2．2 揮拍擊球過程球拍的轉(zhuǎn)動運(yùn)動

將球拍視為手腕的延長部分。在運(yùn)動力學(xué)的研究中，為了抓本質(zhì)的因素，撇開一些影響不大的次要因素，對研究對象進(jìn)行簡化，采用了人體力學(xué)模型的方法，即把人體簡化為多個剛體(環(huán)節(jié))，通過鉸鏈(關(guān)節(jié))聯(lián)結(jié)成國一個剛體系統(tǒng)。在實際問題中，通常都是用剛體的整體質(zhì)量。假設(shè)繞某軸轉(zhuǎn)動的全部質(zhì)量集中在某軸某一距離的一點上，即用這個點來代表整個物體的質(zhì)量。這時它的轉(zhuǎn)動慣量如果恰好與原物體相對于此軸轉(zhuǎn)動慣量相等，則這個距離為回轉(zhuǎn)半徑。乒乓球擊球過程的揮拍擊球階段(以右手持拍，正手擊球為例)，將球拍視為腕關(guān)節(jié)的延伸部分，那么球拍表現(xiàn)為以肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)為軸的復(fù)合轉(zhuǎn)動運(yùn)動(動軸轉(zhuǎn)動)，其中繞肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的半徑為r(見圖3)。前臂在曲肘肌群的牽引下，以肘關(guān)節(jié)為軸，使球拍轉(zhuǎn)動角速度由ω0→ω1→ω2依次增大，同時球拍線速度V也隨著增大。由角加速度公式β=(ω－ω0)/Δt和線速度與角速度的關(guān)系式V=ωr，可以求出揮拍擊球時球拍切向加速度at與轉(zhuǎn)動角加速度 β 的關(guān)系式 at=ΔV/Δt=rΔω/Δt=rβ。乒乓球擊球過程，對某一時刻球拍轉(zhuǎn)動慣量的計算或測量，只能說明是某一瞬間的情況，存在即時性。影響球拍轉(zhuǎn)動慣量大小的因素主要有身體形態(tài)姿勢、肌肉力量、轉(zhuǎn)動半徑及轉(zhuǎn)軸位置等。人體內(nèi)部在未受到外力作用時，人體內(nèi)力只能改變各環(huán)節(jié)的相對位置，改變各環(huán)節(jié)的動量值。由軀干、肩、肘組成的揮拍擊球系統(tǒng)的內(nèi)力只能使動量在軀干、上臂、前臂、手腕及球拍之間傳遞轉(zhuǎn)移。

圖3 “定肘”時球拍做加速轉(zhuǎn)動

3 “定肘”技術(shù)的運(yùn)動學(xué)分析

3．1 “定肘”與擊球的穩(wěn)定性

擊球點是指球拍與球接觸的那一點所屬空間的位置，它包涵球處于身體的前后位置、球和身體的遠(yuǎn)近距離、球的高低位置三個因素［4］。擊球時間是指來球在本方臺面彈起后，其運(yùn)行軌跡從著臺點上升再下落至觸及地面以前的過程，分為上升前期、上升后期、高點期、下降前期、下降后期。乒乓球擊球節(jié)奏分快、慢兩種，改變節(jié)奏主要通過改變擊球時間與擊球力量來實現(xiàn)。擊球時機(jī)越早，節(jié)奏越快;力量越大，節(jié)奏越快［5］。擊球點與擊球時間的選擇，決定了擊球階段的空間位置。合理的擊球位置對提高擊球的準(zhǔn)確性和動作協(xié)調(diào)性十分重要。

由圖4可以看出，揮拍擊球瞬間，肘關(guān)節(jié)在由肩、上臂、肘、前臂、手腕及球拍組成的動力系統(tǒng)中，起著決定性的作用。在上臂與前臂長度不變的前提下，擊球點以及球拍到肩關(guān)節(jié)之間的拍肩距由肘關(guān)節(jié)角度與肘所處的相對空間位置決定。因此，當(dāng)肘關(guān)節(jié)角度及肘的位置相對固定時(本文稱為“定肘”)，擊球位置相對固定。擊球位置不對，不但會使動作變型，而且也容易擊球失誤。不同的類型、風(fēng)格打法以及身體條件的運(yùn)動員，擊球位置是不同的。例如，正手攻球時，擊球一般在胸部略下、腰部以上的位置。這個擊球位置離身體的遠(yuǎn)近是，上臂與前臂成120°角時，前臂屈成與地面平行后，擊球點恰好在身體前。因此，各種類型打法的人，總是根據(jù)自己的特點，找好擊球距離、計算好擊球時間，相對固定的擊球位置有助于提高擊球的穩(wěn)定性。

圖4“定肘”與擊球點的位置確定

3．2 “定肘”與“加速制動”(見圖5)

乒乓球揮拍擊球階段是一個肩、肘局部肢體的轉(zhuǎn)動動作過程。人體完成揮拍擊球運(yùn)動是以肘關(guān)節(jié)為支點，以上臂骨(肱骨)、前臂骨(尺骨、橈骨)骨杠桿的轉(zhuǎn)動為基礎(chǔ)，以屈肘肌群(主要是肱二頭肌等)肌肉力矩作用的結(jié)果。對于肘關(guān)節(jié)軸而言，屈肘肌群的拉力距(肌力距)在收前臂擊球動作時就是外力距。由轉(zhuǎn)動定律可知，肌力距大于阻力距，環(huán)節(jié)做克制性工作;肌力矩小于阻力距，環(huán)節(jié)做退讓性工作;肌力距等于阻力距，環(huán)節(jié)處于平衡狀態(tài)，肌肉作等長收縮，完成靜力性工作。因此，為增大前臂轉(zhuǎn)動揮拍擊球時的效果，可以采取以下兩種途徑:(1)增加屈肘肌群對前臂骨杠桿的拉力距。由轉(zhuǎn)動定律和動量距定理可知，前臂轉(zhuǎn)動慣量不變時，增加屈肘肌群肌力距，可加大前臂的轉(zhuǎn)動角速度。肌力距等于肌力臂的乘積。欲增大屈肘肌群的肌力矩，一方面是增大屈肘肌群肌力的大小，這是主要的;另一方面是增大屈肘肌群肌力臂。在收前臂過程中，由于屈肘肌群拉力角的變化，會引起肌力臂的變化，當(dāng)拉力角為90°時，力臂達(dá)到最大值。(2)減少上肢肢體轉(zhuǎn)動慣量。在揮拍擊球過程中，屈肘肌群力量是有限的，其對肘關(guān)節(jié)軸的肌力距也是有限的。當(dāng)肌力距固定時，減小肢體的轉(zhuǎn)動慣量，可增大轉(zhuǎn)動角加速度，最終可以增加球拍轉(zhuǎn)動的角速度。

由圖5可以看出，在引拍結(jié)束、揮拍擊球開始階段，上臂、前臂、球拍以ω0的角速度繞肩關(guān)節(jié)軸以拍肩距為半徑做轉(zhuǎn)動運(yùn)動;“定肘”后球拍以拍肘距為半徑，ω的角速度繞肘關(guān)節(jié)肘做轉(zhuǎn)動運(yùn)動。在肢體的轉(zhuǎn)動中，如果將肢體的各組成環(huán)節(jié)的質(zhì)量盡可能靠近轉(zhuǎn)動軸(即關(guān)節(jié)軸)，減小肢體對軸的轉(zhuǎn)動慣量，可以加大肢體的轉(zhuǎn)動速度?！岸ㄖ狻睋]拍擊球的過程中，拍肩距大于拍肘距(近似于前臂長度)，采用屈肘揮拍，使整個上肢關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量減小，提高了揮拍的角速度，可以提高擊球效益。

圖5“定肘”與加速制動原理

3．3 “定肘”與“鞭打”

人體結(jié)構(gòu)可以看成是由關(guān)節(jié)將身體各環(huán)節(jié)相連的系統(tǒng)。人們把在克服阻力或自體位移的過程中，上肢諸環(huán)節(jié)依次加速和制動，使末端環(huán)節(jié)產(chǎn)生極大速度的動作形式稱鞭打動作［6］。如圖6所示，乒乓球擊球動作結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)動力學(xué)描述的鞭打動作原理相同。

圖6“定肘”與鞭打動作原理

從參與擊球動作的各人體環(huán)節(jié)(軀干、肩、上臂、肘、前臂、腕及球拍)分析，結(jié)構(gòu)類似于鞭子，近端環(huán)節(jié)質(zhì)量大，末端環(huán)節(jié)質(zhì)量小。引拍階段軀干上下兩肢同時繞軀干縱軸的反向轉(zhuǎn)動形成軀干扭轉(zhuǎn)，以聚集肌肉勢能。在揮拍擊球做鞭打動作時，近端肩膀與上臂先加速揮動(角速度ω0)，獲得角動量。然后在球拍觸球前“定肘”制動，在制動過程中，角動量向腕關(guān)節(jié)與球拍傳遞。由于相對與肩、上臂，球拍質(zhì)量較小，因此獲得較大的運(yùn)動速度(角速度ω)。當(dāng)肩與上臂制動時，其角動量向鄰近的前臂、手腕及球拍傳遞。由于末端環(huán)節(jié)(球拍)的轉(zhuǎn)動慣量很小，角動量的不斷傳遞，可使球拍獲得很大的角速度與線速度。乒乓球揮拍擊球角動量的傳遞過程中，肩肘肌力距(角沖量)的作用，對其球拍角動量的增加起重要作用。須注意，在鞭打動作中近端環(huán)節(jié)的制動，并非以使該環(huán)節(jié)加速度的主動肌群的對抗肌用力實現(xiàn)的，而是其遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)的肌肉用力，在其遠(yuǎn)端環(huán)節(jié)產(chǎn)生角加速度運(yùn)動時，所產(chǎn)生的阻力矩造成的。乒乓球正手擊球鞭打動作的力學(xué)原理如下:下肢、軀干及肩用力，則:Mt=ΔΣIiωi=Δ(I1+I2)ω0，則 Q0=(I1+I2)ω0，腕與球拍加速度，對肩與上臂制動。因為 I1ω0=0，所以 Q=I2ω;設(shè)角動量守恒，則 Q=Q0;I2ω =(I1+I2)ω0;于是，ω =(I1+I2)ω0/I2=ω0+(I1ω0/I2)，顯然 ω ＞ω0，角速度增加的值為I1ω0/I2。在整個鞭打擊球的過程中，“定肘”起到承上啟下，傳遞動量的重要作用。鞭打動作增大球拍的轉(zhuǎn)動的角速度，提高了擊球的爆發(fā)力。

4 小結(jié)

乒乓球擊球爆發(fā)力取決于擊球瞬間球拍的速度。在整個擊球動作結(jié)構(gòu)中，揮拍擊球階段把引拍階段儲存的肌肉勢能釋放出來，是整個擊球過程中最重要的環(huán)節(jié)?！岸ㄖ狻币詻Q定擊球點與擊球時間，對回球的準(zhǔn)確性和擊球質(zhì)量具有較大影響。擊球點影響回球的弧線和線路，揮拍的速度影響回球的節(jié)奏快慢與旋轉(zhuǎn)強(qiáng)弱。揮拍擊球階段球拍觸球瞬間是整個擊球動作中的核心部分。整個揮拍擊球的鞭打動作環(huán)節(jié)中，上臂(肩關(guān)節(jié))速度最小，前臂(肘關(guān)節(jié))速度次之，球拍(腕關(guān)節(jié))第三，動量順序傳遞，逐漸積累，最終球拍(末端環(huán)節(jié))獲得最大的角速度，并在速度達(dá)到峰值瞬間的前和后擊球，這樣可以大大提升擊球的爆發(fā)力。

［1］ 唐建軍．中英兩國乒乓球理論中擊球動作構(gòu)成要素的比較分析［J］．北京體育大學(xué)學(xué)報，1996(1):82～85．

［2］ 全國體育學(xué)院教材委員會．運(yùn)動生物力學(xué)［M］．北京:人民體育出版社，2001．

［3］ 謝冬興．乒乓球橫拍反手快拉下旋球技術(shù)的運(yùn)動學(xué)量分析［J］．南京體育學(xué)院學(xué)報(自然版)，2012(5):38 ～41．

［4］ 全國體育學(xué)院教材委員會．乒乓球［M］．北京:人民體育出版社，2001．

［5］ 童?。古仪驌羟蚬?jié)奏和擊球動作的教學(xué)［J］．中國學(xué)校體育，2004(5):16．

［6］ 劉卉．上肢鞭打動作技術(shù)原理的生物力學(xué)研究［J］．體育科學(xué)，2004(11):30～36．