影响网球发球效果的力学因素分析*

任喜平

(浙江师范大学体育与健康科学学院，浙江金华 321004)

0 引言

有效发球是指发出的球既要能越过球网又要落在发球区内，Elliot等［1］指出，发球是网球技巧中重要的动作，但却不容易掌握．“好的发球，已胜了球赛的一半”、“能胜发球局，你绝对不会输掉球赛”等已成为人们的共识．在过去几十年里，生物力学研究技术(生物力学测量与模型技术等)广泛应用于评估网球发球技术动作．本文通过文献资料分析和逻辑归纳总结，得出影响发球效果的相关力学技术指标，从发球的客观规律认识技术原理，并以此为视角探索发球易犯的错误及有效的纠正方法，从而提升发球效果．

1 发球技术指标

网球发球效果主要体现为落点、旋转和速度［1-5］，其技术指标有以下几项:

1．1 球离拍时瞬间角度

球离拍时瞬间角度，是指球被击离的瞬间其与水平面的夹角．Owens等［4］通过比较成功发球与发球出界2种情况后认为，两者之间最大的差异为球离拍时的瞬间角度，角度越大则需球离拍速度越快，否则球将无法成功进入发球区．击球点高度越高，球离拍角度有越大的趋向．当击球角度为0°时，过网时间最短，其弧线接近直线．

1．2 击球瞬间高度

击球瞬间高度，是指球拍与球撞击时的那一点与地面的垂直高度．Owens等［4］和严波涛等［5］指出，击球点高度越高，过网高度的范围及进球机率越大;蒋中伟［6］研究表明:击球点高度相同时，球越靠近球网，进球机率越大;Howard［7］指出，提高击球点可以增加进球率;刘卉［3］和 Elliot等［8］认为采用脚前移式技巧(foot-up technique)发球，可以提高击球点高度;Beerman等［9］用牛顿运动力学研究计算，较高的抛球落至击球点会有较快的向下速度，虽无法有充分的时间击球，但是击球点越高，击出的球越快，且不易出界．这也是网球技术类书籍所强调的［10-13］．

杨秀兰［14］通过公式

表示发球的有效距离与球离拍时瞬间角度、击球瞬间高度、球击中时初速度的关系．式(1)中:L表示发出球的距离;θ表示击球后的角度;h表示击球点高度;V0表示击球后的初速度;g为重力加速度9．8 m/s2．蒋中伟［6］通过数学模拟计算得出，发内角球和外角球的有效距离 L为18．28 ～18．74 m．当击球点高度h高出球网高度的2倍时，如果V0不变，θ接近0°，这样就能发出力量大、攻击性强、速度快、落点准确的平击球．

另外，身高与击球点高度密切相关．刘卉［3］指出，身高较高者有较好的发球成功率，具有爆发力型的攻击性发球，其发球者的身高是关键．由此可知，击球点高度的增加，有助于发球的进球角度与速度．

1．3 球击中时初速度与球体飞行轨迹

在三维空间里运动的网球如图1所示，设球心的运动速度沿x轴方向，y轴为网球飞行时的旋转轴，y轴与水平轴形成的角度为γ．

不管γ的角度如何，若球体转速为0，则视为无旋转，即平击球．平击发球的威力体现在球的攻击性，此时，球飞行过程中只受重力和空气阻力的作用;旋转球是依靠球本身的旋转、落地后不规则的弹跳方向与前冲速度而获得发球优势，它受重力、空气阻力、马格努斯力3个力的作用．严波涛等［5］指出旋转球与快速发球相比，在破攻、得分率方面较有优势，特别是它的失误率较低．所以旋转球也被视为一种有攻击性的发球．

图1 网球飞行示意图

研究表明，无论平击发球还是旋转发球，决定球飞行轨迹的应该是球被击中时的初速度［12］．初速度V0和球质量m的乘积为球的动量，它来自于球拍击中球时的冲量Ft．根据动量守恒定理，冲量的大小决定球飞出时的动量，而球拍击中球时的冲量等于手臂挥拍产生的动量．球拍的动量来自于肌肉做功产生的力量衍生而成的速度．力量决定于肌力值，肌力越大，产生的加速度越快，速度也越快，其公式为

球飞行轨迹的决定要素如下式所示:

式(3)中:S1为击中球的瞬间球与支撑点的水平距离．

1．4 球体飞行时间

球体飞行速度与时间成反比，增加球体飞行速度势必缩短飞行时间．减少球的飞行时间由运动员本身的爆发力与鞭打挥击动作的完整性来完成．在挥拍动作中，发挥肌肉预张的反向运动原理与鞭打原理，将会使挥击产生更大的力量与速度．开始挥击动作阶段，下肢与躯干产生向上驱动力量与速度，但拍头产生向下的速度，从而增加击球力量，这是运用反向动作的制动，使反向动作的动能转化为肌肉与肌腱的弹性势能，然后在后续的功能性动作中，弹性势能转化为鞭打挥击动作的动能，使网球拍获得巨大的挥拍速度和击球力量，从而获得高速的发球［3，15-16］．

2 发球技术原理

速度、旋转体现为发球攻击性，落点体现为发球准确性．有效掌握发球技术原理才能真正提升攻击性及准确性．笔者认为，“接触点、击球点、目标点”三者综合体现为发球的技术原理，从而理性认识发球的客观规律．

2．1 接触点

击球时拍面与球接触的点称为接触点．著名网球专家Peter Burwash首先指出“接触点”的重要性，并把它作为击球的第一条基本原理．球拍“甜点”这个词在教材中普遍介绍，但却没有概念定论，是在拍面中心附近的区域?拍面上击球感觉良好的区域?还是拍面上能获得最佳击球效果的区域?这些说法都有一定的道理，但都不够准确．Brody［17］对球拍击球的动力响应进行了研究，认为拍面的撞击中心(Center of Percussion，COP)、节点(Node)、最大恢复系数点(Maximum Coefficient of Restitution，Max COR)3个点对球的撞击有特殊反应，具体见图2．COP位于接近拍面的几何中心处，当在该点处击球时，握拍手臂所感觉到的冲击力量较小;接触点偏离COP越远，手臂感觉到的冲击就越大．Node位于撞击中心上方，在该点处击球时，球拍几乎不产生振动或仅有很小的振动．Max COR位于COP的下方．

能量恢复系数以球撞击静止拍面的速度及球从拍面弹起的速度来确定．结果表明，球击在Max COR处时约有65%的能量转变为动能，是3个点中最大的，并提出以恢复系数35%作为划分拍面“甜点”边界的依据，“甜点”较为科学的概念为强力区(Power Area)，并非一个点，而是一个区域．显然，击球时接触点位于强力区以外，击球的能量利用率就相对较低．此外，由于击球力的偏心作用，拍面方向易扭转而难以控制球路的方向．因此，可以认为击球时接触点应在拍面的强力区内，接触点越接近Max COR，击球的能量利用率就越高;反之则越低．

图2 网球拍拍面上的特殊点

2．2 击球点

击球时拍面与球接触的时刻，球相对于身体的空间位置叫做击球点．最佳击球点因击球方法、方向、握拍方法及个人身体条件的不同而变化．

最佳击球点的存在时间有瞬间性特点，影响因素较多，其含义是:在合适的击球点范围内，存在一个最佳击球点．在这个点处击球最顺手与得力，最稳定与准确．若击球点离最佳击球点越远，击球就越困难且勉强，软弱且无力，并且容易产生失误．平击、侧旋及上旋发球，最佳击球点的位置也不同．

2．3 目标点

目标点是运动员击球时选择的落点，与球飞行轨迹有关．目标点选择的前提是成功击球，与思维能力、战术意识及击球技能有关．发向目标点的技能及掌握技能的关键在于控制球速、拍面角度、击球深度及方向．

3 发球易犯错误及有效训练手段

通过分析影响发球效果的技术指标，并以技术原理为切入点，进而明晰发球技术教学、训练中易犯的错误及相应的纠正手段和方法．

3．1 易犯错误

从技术原理出发，各技术环节易产生以下错误:抛球不准，球不能送到准确的位置，击球瞬间脱离拍面接触点;击球点靠后，仰头击球;击球点过低;发球的节奏感欠佳，协调性差，目标点不明确等．

3．2 专项训练手段及方法

篮圈抛球练习:借助篮圈，将网球抛至篮圈内．此方法可了解抛球的高度及线路，提高抛球的准确度，如图3所示．

挂吊式击球练习．此方法能清楚说明击球点、击球时的拍面角度及不同旋转类型的击球部位，如图4所示．

弹力绳牵拉练习．2人一组相互练习．此方法可发展三角肌肌群，同时熟悉出拍时的动作技巧，如图5所示．

图3 篮圈抛球练习

图4 挂吊式击球练习

图5 弹力绳牵拉练习

排球扣球练习．借助排球，2人一组间隔距离约8 m，采用排球扣球动作互相练习．此方法能有效运用手腕扣腕动作，如图6所示．

垒球传球练习．借助垒球2人一组，距离约12 m互相传球练习．此方法能加强下肢→躯干→上肢等环节的协调性，如图7所示．

图6 排球扣球练习

图7 垒球传球练习

4 结论

网球发球属于封闭式技能，不受空间、对手之外条件的影响．除了要能够掌握握拍、击球动作、身体平衡与协调外，球离拍瞬间角度、击球瞬间高度、击球时初速度、球飞行轨迹及飞行时间等影响着发球效果．“接触点、击球点、目标点”三者综合体现为发球技术原理，从该视角出发认为:抛球不准，球不能送到准确的位置，击球瞬间脱离拍面接触点;击球点靠后，仰头击球;击球点过低;发球的节奏感欠佳，协调性差，目标点不明确等是网球发球各技术环节易犯的错误．提出以“篮圈抛球、挂吊式击球、弹力绳牵拉、排球扣球和垒球传球”等专项练习来改善发球技术，从而提高发球效果．

［1］Elliot B C，Marsh T，Blanksby B．A three-dimensional cinematographic analysis of the tennis serve［J］．International Journal of Sports Biomechanics，1986，2(4):260-271．

［2］陶志翔，祁兵，胡亚斌，等．对网球发球体系的探究［J］．北京体育大学学报，2004，27(12):1695-1697．

［3］刘卉．网球大力发球技术的运动生物力学原理［J］．北京体育大学学报，2000，23(2):173-176．

［4］Owens M S，Lee H Y．A determination of velocities and angles of projection for the tennis serve［J］．Res Q，1969，40(4):750-754．

［5］严波涛，吴延禧，苑廷刚，等．网球发球技术的生物力学分析［J］．体育科学，2000，20(4):80-85．

［6］蒋中伟．关于提高网球平击发球成功率的研究［J］．体育科学，2000，20(4):41-43．

［7］Howard．Tennis science for tennis player［M］．Philadelphia:University of Pennsylvania Press，1987:106-107．

［8］Elliott B C，Wood G A．The biomechanics of the foot-up and foot-back tennis serve techniques［J］．The Australian Journal of Sports Sciences，1983，3(2):3-6．

［9］Beerman J，Sher L．Improve tennis serve through mathematics［J］．American Journal of Health，Physical Education and Recreation，1981，52(7):55．

［10］陶志翔．网球运动教程［M］．北京:北京体育大学出版社，2006:109-113．

［11］陈禹．网球技巧［M］．北京:中国社会出版社，2008．

［12］殷剑巍．网球技战术教程［M］．合肥:安徽科学技术出版社，2008．

［13］伦斯特伦．网球［M］．徐国栋，译．北京:人民体育出版社，2006．

［14］杨秀兰．网球发球动作的力学分析［J］．西安体育学院学报，1996，13(1):64-66

［15］李诚志．运动生物力学［M］．北京:北京体育学院出版社，1994．

［16］严波涛，李早．网球发球动作和基本技术模式［J］．中国体育科技，2001，37(10):36-40．

［17］Brody H．Physics of the tennis racket［J］．American Journal of Physics，1979，47(6):482-487．