运动生物力学测试仪器在足球技术动作诊断中的应用

张承意，牛健壮，牛 峥，任祥钰，邵妮娜，高妮娜，于雪梅

（西安电子科技大学体育部，陕西 西安 710071）

1 国内有关足球运动生物力学方面的研究现状

运动生物力学研究对足球技术动作的发展至关重要，运动生物力学研究能够确定足球技术动作的技术原理，建立合理的动作模型，作为运动员技术诊断和改进训练教学方法的理论依据。同时，可减少运动过程中的运动损伤，促进科学训练，等等。对近20年来我国关于生物力学视角下关于足球技术动作的研究成果总结后发现，我国目前关于足球技术生物力学分析的研究数量并不多，主要集中在关于足球教学训练方法及运动伤病的防护等方面。近年来，我国高度重视足球运动的发展，国家在足球基础设施建设和足球体制建立健全等方面都投入了大量的人力、物力，在这样的背景下，与足球技术动作测试方法方面的相关理论研究和建设就显得相当关键。

2 运动生物力学的研究方法及测试手段评述

运动生物力学的测试主要以3个方面为主：运动学方面的摄影分析、动力学方面的测力系统、生物学方面的肌电研究。研究发现，由于传统的影响分析方法发展的时间较长，较为成熟，所以传统的影像分析方法仍然是运动生物力学获取研究参数的主要手段。近年来，这一传统方法也有了更深入的进一步发展，由以前的低速摄影分析技术发展到现在的高速摄像分析技术，摄影技术发展至今越来越精确可靠。图像分析法也获得了很大的发展，现代生物力学中运用DLT由平面二维坐标转换到三维立体坐标，为足球技术动作运动生物力学研究提供了更加准确可靠的参照和数据。足底压力测试系统及三维测力台系统应用于分析运动员在做出不同技术动作时足底受力的特点，结合理论研究，得出并分析实验数据。肌电生物学测量系统在运动生物力学领域已得到了广泛的应用，使得肌肉生物测量获得的数据参数更加准确和精确，而现代科学技术的飞速发展使得研究测量的方法手段更为广泛，仪器精度更高。同时，一些传统的研究方法，如实验法、文献研究法、理论分析法等在足球技术动作的运动生物力学研究中运用仍然非常普遍。Vicon系统是世界上第一个设计用于动作记录与捕捉的光学系统，Vicon因其准确的技术性能及其较强的可操作性获得了广泛的应用，其不仅运用在体育训练、生物力学等研究方向，也广泛应用于机器人遥控、人体工程学研究等方面，为运动生物力学研究提供了更好的研究设备和条件。

3 从技术动作上分析我国足球技术的运动生物力学评述

3.1 头顶球技术

头顶球是足球比赛中的重要技术动作，尤其是在禁区附近的进攻及防守，会频繁地运用到头顶球技术。周世孝对前人的理论成果进行了总结研究，指出前人在进行头顶球生物力学研究时所用到的主要实验仪器包括三维测力台、大型工具显微镜（30倍）、CCFT、计算机模拟系统等，其主要通过实验法、理论法等研究方法，对头顶球损伤进行了研究，指出正确的头顶球技术有助于减少运动损伤，延长运动寿命。对于头顶球的运动学研究，国内开展得较早，基于人体全身的视角，采用的设备仪器主要包括在当时较为先进的日本摄影技术、三维图像解析系统、立体红外线标志点二维录像拍摄等。对于头顶球的肌肉学研究主要采用EMG（肌电仪）及高速摄影机等。

3.2 脚背内侧踢球技术

脚背内侧踢球技术在所有足球踢球技术中运用次数最多，也是足球技术动作中最为基础和关键的动作。李明通过对苏州大学2000级体育系足球专修班的15名学生及苏州大学校足球代表队的15名高水平足球运动员进行研究，运用三维立体摄影与分析，采用多台高速摄影机所拍摄的录像及照片，对其进行数字化处理后得出运动员踢球时肌肉的肌电数据，计算出有关的运动学参数。同时提出协调能力是基本的运动能力，对完成技术动作具有重要作用，在运动中起到了控制全身的作用，对于完成脚背内侧踢球技术也很关键。

3.3 脚背正面踢球技术

脚背正面的部位是指系鞋带的部位，由于使用脚背正面踢球时，人体腿部肌肉及关节的基本运动方式一致，同时脚部与球的接触面积较大，出球准确性较高，较为稳定，而摆腿踢球动作较其他踢球动作顺畅，因而出球力量更大、速度更快。部义峰采用高速摄影技术及定点拍摄的方法，对10名高水平运动员进行生物力学测试，提出与球速相关的各项指标包括助跑，大腿摆速小腿摆速及脚的速度，而其中各项指标中，脚触球前的水平速度与出球速度相关值最高（0.872）。运动员踢球时小腿摆动幅度大、摆速快，运动员踢球腿重心的移动速度也就越大，而摆动距离不变，这样的踢球方法出球力量大，速度快。

3.4 旋转球技术

王尼分析了旋转球的物力学原理，指出球在运行过程中，因为空气阻力方向的原因，向前飞行的球下半部分表面空气阻力与球体表面的环流相对流动，导致空气流动速度相对减慢，足球在飞行过程中的上半部分表面空气的阻力与空气环流方向一致，所以上半空气流动速度较快。根据伯努利原理，空气流动速度快气压较小，而空气流动速度慢气压大的原理，球的上半部分空气压力小，而下半部分空气压力大，会对球产生一个向上的推力，这种推力就会导致球在空中的旋转。

3.5 掷界外球技术

冯超提出，手臂运动的质量直接影响到球的距离，即手臂运动的阶段，身体的角度越大，肘的角度越小，手臂运动的速度就越快。在摆臂阶段，当球离开手时，腕关节的固定可以提高鞭动作的末端连杆的速度，并有助于提高球的速度，使球运行距离更远。远距离投球不仅可以依靠上肢力量完成长距离的球运动，还应该是一个动员全身肌肉的顺序，整个身体从下到上摆动，可以抛出一个很远的球。

4 从研究方法上分析我国足球技术的运动生物力学评述

4.1 以实验法为研究方法

郭尼选取了10名专业组和非专业组足球运动员进行了实验，基于全身的角度，采用三维运动捕捉系统和高速摄像机同步分析和比较。对比分析了2组不同水平级别的运动员在运用脚内侧踢球时的不同数据，发现运动员在踢球时给球一个相反的力，速度越快，球速也更快。

4.2 以文献资料法为研究方法

周世孝在对国内及国外有关头顶球技术的文献资料进行整理分析，并对其进行对比分析，提出在头顶球技术的研究中，应将运动学、动力学和肌肉学有机结合起来进行研究，丰富研究手段，运用现代科技及先进设备仪器，获得更准确地第一手数据，形成一套较为完整的理论体系，分析动作构成，形成合理的运动技术评价体系，促进足球运动的发展。

4.3 以录像统计法为研究方法

熊志峰通过下载研究清晰的视频剪辑得到的影像资料，分解了贝克汉姆踢定位球的各个技术阶段，采用图像分析的方法，收集整理贝克汉姆踢弧线球时的参数，包括身体与球所处的位置关系及距离，身体的角度及支撑脚的落地方向及踝关节的旋转角度大小等，建立数据模型，同时与其他优秀运动员踢球时的各个参数进行比较分析，总结出提出踢定位球时的助跑及助跑完毕支撑脚的落地位置和方向对定位球的质量具有重要影响。

5 结 语

目前国内已有的有关足球技术动作的运动生物力学分析方面的研究较少，研究所涉及足球技术动作并不全面，如对守门员技术动作等的研究开展的较少，大部分涉及的是有球技术，如头顶球、脚背内侧、脚背外侧等技术动作，一定程度上忽视了足球无球技术的研究，我国踢球技术的运动学的研究，研究者在大多数仪器设备相对落后的条件下，定性研究的方法较多，研究视角过于单一；随着更多高科技仪器设备的问世和研究者孜孜不倦科研探索精神的努力下，利用运动生物力学理论相关知识和实验方法相结合的研究方法，定量的研究某一体育运动中的动作技术特征，采用三维分析技术对足球踢球动作运动学特征分析的相关文章和报道也越来越多；虽然我国运动生物力学的研究起步较晚，但只要研究人员坚持使用科学的研究方法、跨学科的相互交叉借鉴参考，一定会提高我国在运动生物力学领域的科研

水平。