於金星

摘  要：研究旨在对国内、外网球发球的生物力学研究进行汇总综述，客观地呈现国内、外网球发球的生物力学的研究动向以及国内外相关研究所存在的共异性。研究最终得出：（1）与国外研究相比，国内网球发球的相关生物力学研究，无论从研究数量还是研究内容方面与国外还存在较大的差距。（2）国内外相关生物力学研究成果为网球发球训练的科学化、发球动作的技能分析与评估、人与器械的交互以及损伤预防提供可量化的指标与信息;但上述生物力学科研信息的获取的多围绕运动员躯干、上肢进行，对运动员下肢的涉入相对不足。（3）国内网球发球的生物力学研究视角主要围绕网球发球动作技术的分析、发球的训练方法评估以及器械的生物力学分析展开。（4）国外的相关研究则围绕发球时器械的生物力学特征、发球的损伤风险及机制、发球动作的生物力学特征、发球的体能训练以及人体形态学对发球的影响等视角展开。

关键词：网球  发球  运动学  动力学

中图分类号：G804                                   文献标识码：A                       文章编号：2095-2813（2019）05（c）-0018-07

Abstract：The aim of this study is to review the biomechanical study in tennis serve from the CNKI and WOS databases;dynamically show biomechanical research orientation at home and abroad. The results showed that， （1） comparison with international biomechanical studies in tennis serve， a significant difference was found in Chinese biomechanical research in tennis serve whatever in research quantity and quality. （2） The research achievements provided a lot of useful information for the sports training， the movement analysis of tennis serve， the interaction between athlete with equipment and the sports injury prevention. This information obtained from above studies mainly adopted from athlete`s upper limb and trunk; There were fewer information about the lower-limb analysis. （3） The view of Chinese biomechanical research in tennis serve mainly focused on the movement analysis， the assessment of training method and the biomechanical analysis in equipment. （4） The perspective of international relevant research mainly focused on the biomechanical analysis in equipment， the injury risk and mechanism， the physical conditioning training and the influence of anthropometric on performance.

Key Words： Tennis; Tennis serve; Kinetics; Kinematics

2015年，國际网球协会（association of tennis professionals，ATP）比赛统计数据显示，51名高水平男子网球运动员比赛中80%以上的得分来自网球的第一次发球;客观的数据显示网球发球在比赛中的重要性。网球发球被认为是一种最不受外人干扰的得分手段[1]，快速、准确是得分取胜的有力手段[2，3]。网球的发球可分为上旋、侧旋和平击3种。上旋发球，球可借助上部快速运动的气流迫使球过网后呈现出快速下坠、高反弹等特点;平击发球，由于拥有力量大的优势，球在运行过程中呈现速度快且飞行轨迹近似支线的特点;侧旋/切削发球，由于采用向右/左侧击球使旋转的方式，使球最终以曲线的形式进入发球区[4]。

网球发球技术是一个复杂的动作技术[5]，要求上、下肢和躯干的协调配合，通过肢体和关节相互协调与活动，将从地面所获得的力传递至球[6];在这个过程中，任何一部分障碍均会影响网球发球动力的传递。网球发球的动力来源于足与地面的相互作用力，其后身体各环节按照从下到上、从大关节到小关节的顺序将从地面获得的动力传递至球拍，最终以鞭打的形式释放[5，7]。相关生物力学研究表明：整个发球过程中，发球所产生力的50%是由下肢所产生，不同的下肢动作会对发球过程中力的传递产生影响[6]。

网球发球过程中不同的下肢动作，常由不同的站位/步法造成。网球的步法可分为原地发球和并步发球两种。原地发球（foot-back serve technique）是指发球过程中双脚保持稳定，这种特殊的站位有利于人体平衡的保持和发球的精确性，但发球的力量较弱[5，7]。并步发球（foot-up serve technique）是指发球时采用前腿支撑，后腿在发球过程中上步并腿完成发球;该技术可借助重心的前移提供发球的力量，但相较于原地发球的双脚支撑，并步发球容易破坏人体的平衡，影响到发球的质量[5，7]。与原地发球相比，采用并步发球，由于前腿可提供稳定的支撑抵抗旋转动量，后腿的并步可提供很大的向上和向前的推力和较大垂直地面反作用力，有利于运动员击球是获得更高的击球高度，进而提高发球的速度与质量[8]。

上述研究再次验证了“网球发球的复杂性特征”，但这些认识的获得多是采用运动生物力学的方式/方法获取。研究表明，运动生物力学是体育学领域内的一门基础性应用学科[9]，由力学、生物学和运动科学等学科综合分化而成[10]。在运动生物力学发展的进程中，由于其多学科交叉所特有的生命力[11]，使其在运动作技能分析方面发挥独特的作用[12]。因此，对网球发球的相关生物力学进行及时的回顾、分析，不仅可以进一步增进对网球发球动作力学机制的理解，同时可为网球训练实践的科学化提供有益信息。基于该背景，该研究对国内、外有关网球发球的生物力学研究进行综述。

1  国内外文献数据统计

以“网球”“发球”为主题词，对CSSCI和CSCD收录的有关网球发球的相关文献进行全纳式检索，共检索到109篇相关文献（见图1）;通过阅读标题、摘要和关键词对所检索到的文献进行筛查，筛选是否与“网球”“发球”“上旋”“侧旋”“平击”“运动学”“动力学”和“生物力学”等关键词相关，排除非相关文献，最终检索到10篇生物力学文献。同样，以“tennis serve”和“biomechanics”为主题词，对Wed of Science（WOS）核心数据库中收录的生物力学文献进行检索，共检索到48篇相关文献（见图1b）;同样采用人工阅读的方式对所检索到文献进行二次筛选，判断所筛文献是否与“tennis”“tennis serve”“biomechanics”、“kinematics”“kinetics”相关，同时排除非相关研究，最终检索到36篇生物力学相关文献。

2  国内网球发球生物力学研究动向

国内数据库中收录10篇生物力学文献可分为：9篇实验性研究、1篇综述。通过整理、分析其研究内容发现，国内相关研究多采用三维高速摄像机、等动肌力训练仪、肌电以及计算机仿真技术等方法，研究对象围绕着男、女网球运动员发球的动作技能、训练效果、肌肉活性以及网球的运行轨迹与速度等内容展开探讨，研究结果最终为运动员的科学化训练提供理论基础。但与国际相关研究相比，国内相关研究的基数与国外仍存在很大的差距[13]。

2.1 网球发球的动作技能分析

网球发球的生物力学研究可简单分为对人的研究和对器械的研究两种;目前国内对人的研究主要侧重运动员发球动作的改善、训练方法的验证等。早在2000年，刘卉[14]对我国优秀青年女子网球运动员大力发球的动作进行运动学分析;研究指出，网球发球可分为举拍、骚背和挥拍击球3个阶段，运动员下肢活动与举拍和骚背阶段的运动表现存在联系，建议运动员在腿部肌肉允许的条件下，增加膝关节下蹲的深度和快速蹬伸的节奏提高举拍和骚背两阶段的运动表现。严波涛等人[3]采用高速摄像机对我国男、女网球运动员抛球、击球的动作技术和动作节奏的本质展开探讨，认为：（1）网球的发球属于爆发力动作，动作模式基本符合大肌群优先的原则，力的传递从踝-膝-髋-肩-肘-腕进行角线传递;（2）发球抛球高度的落差通常是造成运动员发球动作不连贯的主要根源，新旧两种发球在用力模式上存在本质区别，新的发球技术更符合人体运动模式。2008年，学者张德智、李艳霞[15]和刘保华[16]分别对我国优秀女子网球运动员郑洁和彭帅发球动作分析发现，发球是两位运动员一个薄弱的技术环节，运动员的发球速度和力量与世界优秀运动员存在较大差距。同年，金春林和曲峰[17]对我国青年男子网球运动员柏衍发球技术分析指出，下肢屈膝下蹲是发球技术重要组成部分，下肢伸肌群离心收缩增大肌肉的弹性势能，同时增加击球的挥拍距离，为运动员发球骚背动作的完成提供良好的身体姿势和用力状态。

整体上讲，国内学者对网球发球的生物力学研究的关注点更多集中运动学视角，研究多借助高速摄像机对运动员的发球动作进行三维分析;但相关研究并未对于网球发球的动力学进行过深的探讨。由于网球发球“发球动力”的获取与应用是一个影响网球发球质量的重要因素，相关方面研究的缺乏可能会使“网球运动员发球动力学方面的探索”成为该领域研究的一个局限点。不过值得肯定的是，上述对网球发球动作的量化的生物力学研究，确实为我国网球运动员发球训练的科学化、精细化提供了诸多有益信息，从而为运动员动作技能水平的提高提供“力学视角”的保障。

在器械分析的生物力學方面，仅有1研究对其进行模型分析。蒋中伟[18]采用计算机仿真技术，对不同条件下平击发球球的运行轨迹的变化规律进行分析探讨，其研究结果不仅给出不同初速度和高度条件下发球球拍角度的参考值，也指出击球点越高发球的成功率越高。

2.2 网球发球的训练效果评估

在训练效果评估方面，3篇相关研究对网球的发球展开探讨。金宗学等人[19]利用无线肌电对我国优秀运动员大力发球发肌肉用力特征进行研究，发现：肱桡肌、三角肌和胸大肌是大力发球的过程中决定发球落点的主要肌群。王会会等人[20]证实：训练实践中，肩关节力量一直是决定网球发球质量的关键因素，利用弹力带练习可作为一个有效的训练手段，该方法可有效发展肩关节主动肌和拮抗肌肌肉力量，提高网球发球的成功率。同样，周桂芹和尹军[21]围绕振动训练对网球运动员肩关节屈伸肌力改善的效果进行探讨，指出：振动训练相较于传统训练可有效地发展运动员肩关节屈伸肌力的能力和运动员发球能力，但振动训练对运动员发球成功率和出手速度与传统训练无差异，建议教练员可以在常规训练的基础将振动训练作为力量训练的一种补充手段。

上述生物力学在网球发球训练法方面的研究对网球发球的主要作用肌肉、力量训练方法与策略进行有效的评估和验证，客观地证实“力量因素”对网球发球的影响，为教练员针对发球力量训练计划的制订提供理论基础。但该方面的研究主要围绕躯干和上肢肌群展开，并未对网球运动员下肢肌群的过深的探讨。

3  国外网球发球生物力学研究

与国内网球科研成果相比，国外网球发球生物力学方面的研究无论从数量还是内容研究的深度方面都领先与国内，这种差异的造成很大程度上与网球在不同区域的传播和社会公众对网球的定位有关。36篇网球发球的生物力学文献，依据研究目的可将其分为5大类：（1）对器械的研究8篇;（2）对网球运动损伤的研究8篇;（3）对发球生物力学特征的探讨和动作技能分析的研究12篇;（4）对训练效果的研究6篇;（5）其他方向的研究2篇。

3.1 网球发球的器械生物力学分析

生物力学在网球发球时器械方面的研究主要围绕着网球和球拍两个器械展开，相關研究内容涉及网球运行轨迹、发球的精确度、球的旋转、球拍的惯性、拍重以及拍头的速度等方面。Whiteside等人[22]借鉴人体三维运动学模型设计建立适用于Vicon的网球模型。Sakurai团队[23]则利用网球模型在借助Viocn的条件下对高水平男子网球运动平击、侧旋和上旋3种发球的旋转和旋转轴进行分析，并获取出两者在不同界面的运动学数值。Reid等人[24]则对计算网球发球时球拍与球的冲击力的方法进行验证，研究结果证实：即使在噪点增加的情况下，多项推理（polynomial extrapolation method）的计算方式在计算网球球拍与球冲击力方面仍是一种有效的方法。上述研究为网球发球中人与器械互动方面的探讨提供有力条件。

研究表明，网球发球过程中球拍与人体存在密切的相互作用关系，发球过程中人体身体不同部分和不同关节会对相邻身体部分的运动和发球的速度产生影响[25];如：膝关节最大屈曲和冲击力产生的时间段、肘关节的伸和腕关节的屈是影响速度的最大的影响因素[26]。然而，相关研究也提出，在摆动期间增加球拍摆动力量并不能对发球产生实质性的效果[27]。除了球拍与运动表现的相关研究方面，不少研究对器械对运动员的损伤风险展开探讨。Reid等人的研究证实，有运动必然有损伤，不同的发球动作伴随着不同的损伤风险水平;即使相同的发球动作但由于球落地点的区别，同样伴随着不同水平的损伤风险[28]。Rogowski等人认为，运动员网球发球时，球拍会对运动员上肢的负荷产生影响;虽然较大的转动惯量可以作为一种刺激提高运动员对负荷的忍受度，但额外负荷却增加运动员发球的损伤风险[29]。上述对器械与人体互动的生物力学研究成果不仅为球员运动装备的研发与个性化设计提供力学理论，同时也反映网球器械研发与设计的进一步改善可能会对运动员的运动表现、运动员损伤风险产生积极影响。

3.2 网球发球的损伤分析

网球发球的速度和上肢运动学参数的异常是造成网球运动员损伤影响因素，相关研究表明，发球过程中不合理力学机制不仅降低发球的速度和导致大关节的运动学参数，同时这些指标的变化增加上肢过劳性损伤的发生率[30]。Abram等人研究表明发球动作、伤病史、早期训练监控的评估和平击、上旋、侧旋3种发球动作所带来的异常的生物力学变化与运动员损伤的发生存在相关性。另外，不同类型的发球对运动员体能需求存在明显不同;如：平击球要求运动员的背部和肩部具备很高机能水平，而侧旋发球仅需要较小腰、背部肌肉力量便可以维持[31]。上述不同发球的动作技能对身体需求的不同的研究提示，在有伤病史的运动员中尤为注意。因为相关研究表明，具有伤病史的网球运动员，在执行发球动作时会导致代偿现象的出现。如Campbell等人[32]研究表明：由于网球发球和击球时，运动员身体下背部需要承受持续性的负荷;下背部损伤的运动员发球时左侧躯干屈肌的力值会明显增大。另外，Martin等人[33]研究表明：损伤和非损伤的运动员在能量流失方面也存在明显不同，损伤运动员发球过程中不适的能量流失不仅降低发球的速度，同时增加了上肢动力学的异常，增加上肢过劳性损伤的发生。

上述发球损伤的生物力学分析较为客观地呈现出不同发球动作所带来的力学机制的变化，且这些网球发球损伤方面的研究多集中于运动员上肢和躯干方面;这种现象可能是由于网球发球动作鞭打的动作特征或肩、肘、腕以及躯干是网球运动损伤的高发部位所形成[34]。不过值得肯定的是，上述生物力学研究不仅对运动员损伤风险机制进行探讨和对损伤风险进行预测、评估，同时其研究成果也为网球运动员损伤的预防和治疗提供力学领域的理论知识。

3.3 网球发球的生物力学特征分析

网球发球动作的生物力学特征分析与探讨是国外关注最多的领域，研究主要集中发球动作的生物力学特征分析和发球的动作技术分析两大领域;另外，少部分研究也对三维运动学分析方法在发球中的应用展开探讨[35]。Bahamonde[8]采用摄像和直接线性变化法（the direct linear transformation method）计算发球瞬间身体各部分的角惯量发现，在接近击球最高点时，发球臂产生的角动量可高达75.1%，其中球拍占35.9%，前臂占25.7%。Girard[36]对不同级别网球运动员发球时下肢的动力学分析发现：不同运动级别网球运动员即使发球时表现相同的爆发力，但运动员下肢在垂直地面反作用力和下肢的协调性方面仍存在明显的差异;且这些生物力学参数方面的差异很可能是造成不同级别运动员发球有效性差异的原因。De Subijana等人[37]指出，尽管很多研究对过头击球和投掷动作与网球发球动作展开探讨，但对两种动作与发球动作的“动力链传递规则”（the Kinetic Link Principle）的联系却没有客观的数据可以证实;然而，对这种“动力链之间功能的理解”可成为网球训练量化的一个有效工具。Girard等人[38]又对网球运动员在不同场地界面一发时双足的足底压力特征进行分析发现;网球在不同场地发球时，人体会根据不同的场地界面调整双足的负荷特征;但在红土场地时人体需要额外的力量去机体维持平衡，长时间红土场地比赛会增加网球运动员的损伤风险。

“没有数据就没有训练，没有就监控及没有训练[39]”。随着多学科的介入，当今的运动训练已经成为一个多元化系统;各学科、方法为运动员的训练提供可量化的信息。因此，在了解网球发球动作的项目特征基础上，获取网球发球相关的生物力学指标，可仅以步增进对网球发球动作技能的认识，从而为运动员发球训练的科学化提供良好的保障。在检索的相关生物力学文献中，仅有3篇研究对发球臂、不同的发球动作以及动作技能分解展开研究。Ida [40]团队是最早对网球发球动作技能进行分析的团队，该团对比赛现场和实验室采集所获取的持拍臂的运动学、动力学数据进行比较，发现：实验室和比赛现场采集的运动学、动力学参数存在明显的不同，而这种差异的原因可能是比赛现场条件和实验室测试条件吻合度的差异不同所造成。Reid等人[41]用Vicon运动捕捉系统对精英网球运动员发球分解的分解动作进行分析，探讨发球的分解动作对球拍和球的影响。研究结果显示，过多的网球发球分解动作的练习会对网球发球动作技能的完善性产生消极影响;另外，高的发球速度和球快速地前移可以作为两个主要标准评价网球运动员发球表现的客观指标。Martin等人[42]对网球并步（foot-up）和原地发球（foot-back）的运动表现进行运动学评估，依据实验结果认为：原地发球技术由于低水平的躯干角动量，网球可以快速地向前移动是一种较好的技术。但该研究中，15名受试者仅4名女性运动员，受试者性别的差异可能是一个影响最终结论因素;仍需要较大的运动员基数对不同发球的技术进行评估与分析。

3.4 网球发球的体能训练

运动员高水准运动表现的背后，除了精细的动作技术练习外，仍需要系统的体能训练为运动员高水平的运动表现提供保障。在所检索的文献中，网球发球的体能训练主要围绕运动员的协调性、力量训练、训练效果的评估展开。研究表明，网球的发球节奏是影响发球有效性的一个因素，而隐藏在节奏的背后的人体机能水平则是完成动作所表现的协调性。Reid等人[43]认为，一发时下肢的协调性与肩部的运动学和动力学具有相关性;在下肢主导发力条件下，高运动表现的网球运动员对球拍的速度呈现出相似的容忍度;但在非下肢主导的情况下，运动员对球拍速度的承受度下降;这种差异的原因可能是因为不同的站位和运动员下肢不同的力学机制所造成。Whiteside等人[44]对精英女子运动员关节旋转和下肢、躯干、发球臂和球位置的变化进行分析发现：网球运动员可以用根据发球位置变化管理自身的动作，从而是发球动作变得协调、流畅。尽管这种对发球协调性认识可以对教练员指导运动员训练有特殊的指导作用;但作者同样也指出这种高水平的运动表现仅在精英级别的运动员中发现，是否其他水平的运动员也会呈现相同的运动表现特征仍待进一步探索。

过去的几十年，网球运动员的专项体能训练受到相当大的关注;研究围绕网球运动的生物学特征展开探讨，其中对于网球发球、正手和反手与训练方法练习的生物力学探索却介入较少[45];但研究表明网球击球、发球的生物力学研究以及网球运动员力量训练方法设计对网球运动员运动表现得最佳化具有相当大的意义[45-47]。Baiget等人[46]研究發现：网球运动员肩关节内旋的最大肌力水平与运动员发球的速度有极强的相关性，发球速度变化主要是由运动员肩关节内旋的最大肌力水平和屈曲的肌力水平所决定。Kovacs等人[47]研究同样发现，网球运动员的力量水平与运动员发球时的运动表现存在高相关性，运动员的肌力水平可以作为评估运动员运动表现的一个评价指标。这些研究的发现，为网球运动员发球的体能训练提供有力的支持。

但仍有一个比较尴尬的背景值得相关教员、科研人员关注。在训练实践领域，对于网球发球动作的分析更多围绕牛顿第二定律进行解释分析，教练员在应用这些生物力学的方法对动作技能进行量化分析和应用时却时常产生矛盾[48]。如：De Subijana等人[37]认为过头投掷练习与网球发球两者之间存在功能性联系，对两者功能性关系的探索会对网球发球的改善产生积极影响;然而，Reid等人[49]的研究却与其得出相反的结论，他们认为尽管过头投掷对躯干动力学的传递会产生积极影响，但两个动作之间存在很小的相似性，对网球发球的改善帮助并不大。对这种矛盾的产生的原因进行分析发现，矛盾观点的产生有可能是由相关从业人员对生物力学规则和原理认识的差异所造成，因为很多生物力学原理和规则与人们的认识往往存在一定的偏差[48]。对于这种矛盾的解决，生物力学专业术语的标准化是一个有效的方法，但这个方法的建立与推广需基于国际间的相互合作，同时也需要对生物力学原理在教练员执教中的有效性展开研究[48]。

网球的生物力学其他研究主要对运动员年龄和身体成分对运动表现的影响展开。Whiteside等人[50]基于女子网球运动员和青少年网球运动员受关注较少的背景，对年龄与运动员发球的影响进行分析。研究结果显示，青春期开始后，发球臂对球速的作用会很快突显，而“下肢的主导”（leg drive）和“肩部超越器械的旋转”（shoulder-over-shoulder）对球速的速度作用则待机体的成熟后才开始发挥作用;另外，建议降低青春期阶段女子网球运动员动作技能练习的复杂度，因为该阶段由于女子运动员身体机能的发育和机能状态的紊乱，运动员薄弱的力量素质并不能为复杂发球动作的执行提供足够的支持。Wong等人[51]对运动员身体形态和全身关节的运动学与网球发球速度的影响进行分析，指出：BMI和持拍侧的膝关节关节活动范围、膝关节和髋关节的伸的速度、肩关节冠状面的运动范围、肘关节最大伸的速度与运动员发球的速度具有明显相关性，建议在运动员训练中应增加有利于发展运动员关节伸的练习。

4  结论

通过综述国内、外有关网球发球的生物力学研究成果，研究最终得出以下结论。

（1）国内外在网球发球的生物力学研究方面差异明显，国内无论从先研究的数量还是研究内容方面与国外相比还存在较大的差距。

（2）国内、外生物力学的相关研究成果为网球发球科学化训练、网球发球的动作技能分析、人与器械的交互以及运动损伤的预防提供大量可量化的指标与信息。

（3）研究视角方面，国内相关生物力学研究视角可分为对运动员发球动作的生物力学分析、发球训练方法的评估以及器械的生物力学分析等视角;国外网球发球的生物力学研究可围绕对器械的生物力学分析、运动损伤的分析、发球动作生物力学特征的探索、发球体能训练的优化以及人体形态学的影响等视角展开。

（4）除了上述共异性外，网球发球的生物力学研究仍有一点值得关注：无论国内还是国外，大多数均围绕网球发球的上肢、躯干展开，对于产生50%发球力量的下肢并未进行过深的探讨。因此，该研究最后呼吁：相关科研人员应重视网球发球运动员下肢的生物力学研究，以进一步为网球发球训练的科学化务实基础。

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