網球發球力學:研究進展與趨勢

馬孝剛，史 兵

發球是網球比賽中最重要的一種擊球方式，也是一項完全由球員自身控制的封閉技術，通過發球可直接得分或占據進攻優勢。網球發球技術動作復雜程度較高，身體參與環節較多，需要掌握精細化的技術動作要領和身體表現，因此多數有關網球發球的研究集中在運動生物力學方面[1-4]。通過運動生物力學研究手段分析發球技術動作，得出決定發球落點、旋轉、力量和速度的共性規律，探究人體各環節部位的角色扮演，提高球員發球動作技術質量。網球發球也被認為是最具損傷風險的技術動作之一，表現為重復次數多和關節活動范圍大以及短時高強度特征，使肩、腰、腹、背等關節部位存在高損傷風險。據統計[5，6]:網球運動員參賽60 場/年，發球50～150 次/場，不含訓練時間，雙方累計發球約400次/場和擊球1 000 次/場，約占擊球總數的45%～60%，每次發球產生約4 000 W 能量，相當于2 s 內跑12 步。發球時各關節部位聚集高強度能量，如何通過高質量力學技術動作釋放關節能量降低損傷風險是關注的焦點。此外，網球球拍結構生物力學特征與發球動作規范性呈顯著性相關，并隨科技發展不斷更新，以提升擊球速度和旋轉，這與現代網球發展趨勢(力量與旋轉)密切相關。球拍性能(材質、質量分布、慣性矩、“感覺”和線床等)的差異決定了發球質量，也是預防損傷的重要因素[7-9]。本文通過回顧國內外網球發球力學相關文獻，旨在對比國內外網球發球力學研究差異性，總結發球技術動作規律、探索各環節運動損傷力學特征和明確球拍器械參數對擊球的影響，為網球運動員發球力學特征提供理論依據。

1 國內外網球發球力學研究差異

以“網球發球”和“Tennis Serve”為主題詞檢索國內CNKI(期刊及碩博論文)、國外Web of Science 和PubMed 數據庫，時間截止至2019 年6 月30 日。共計國內文獻386篇，國外文獻282 篇，對所獲文獻進行人工處理，手動查閱文獻內容，剔除無關文獻，經篩選得出國內37 篇，國外116 篇。對比國內外文獻，發現其差異主要體現在研究主題，實驗設計及分析思路。

1.1 研究主題

國外研究始于20 世紀60 年代末，發文量逐年遞增，國內研究相對較晚，自2010 年后處于滯留狀態。經對比得出，國內研究主題單一，國外研究精細且全面。國外對各種類發球技術都進行了深入分析，如平擊發球[10-11]、側上旋發球和側旋發球[12-13]，一發和二發[14]，Foot up 和Foot back[15]，成功與失誤[16]、縮簡和傳統發球方式[17]等。發球時各環節發力特征及角色扮演也引起了學者們的廣泛關注，對上肢[9]、軀干[18]、下肢[1]等部位都進行了針對性剖析，精確標記肩胛骨[3，12]和脊柱[19]等區域，分析其損傷力學致因。而國內網球發球力學分析主要集中在大力發球和第一次發球[20-22]，僅數篇文獻報道上旋和側上旋發球的運動學特征[23]，對各環節部位的研究寥寥無幾，缺少運用力學手段分析發球損傷致因的研究。

1.2 實驗設計

網球發球屬高精細化的技術動作，實驗設計變量包括站位方式、發球落點、階段劃分和飛行軌跡等。國內外對比得出，國外學者的實驗設計更加嚴謹和精細。均強調發球落點區域，面積為1 m2[10，11]、1 × 2 m2[8]、1.5 m2[15]、1 × 1.5 m2[24-25]，而國內僅數篇文獻設計落點因素[26-27]。此外，發球動作階段劃分詳細，根據技術特征分為數個小階段，根據研究角度選取各階段關鍵指標。階段劃分包括以下種類:3階段[28]、4 階段[3，11]、6 階段[10]、8 階段[29]，而國內僅為1 種階段劃分方式(拋球引拍-撓背-揮拍擊球-隨揮)。

1.3 分析思路

從網球發球動作的實質來看，國外研究概括了人體參數和器械參數在空間范圍和時間維度上的動態化特征。如表1，肩關節內旋/外旋、屈/伸、內收/外展等，軀干屈/伸、內旋/外旋、后傾等)。發球時網球的運動參數有拋球時角度、速度和高度，擊球后球速、轉速和角度。各指標都應從3 個平面的分量進行分析，絕對速度并不能代表總體效果，如不同落點發球擊球時刻各分速度存在較大差異性。總體得出，國外的指標涉及較廣，運動學和動力學指標均有體現，而國內網球發球力學分析中以運動學指標為主，有關器械的力學分析較少。

表1 各階段關鍵指標[1,2,14]Table 1 List of key indicators of each stage

2 不同發球類型的力學特征

2.1 常規發球類型的力學特征

常規發球類型包括3 種技術，平擊、上旋和側上旋發球。網球發球意在通過球員自身控制力量、速度、落點和旋轉等因素爭取主動得分，從拋球到擊球受多種因素影響。網球發球屬于自下至上的力量傳導順序，其傳遞效率是影響擊球質量的核心要素。研究表明[13，18，28]:肩內旋貢獻率為(41.1%)，腕關節屈(31.7%)，約占拍頭總速度的30%，肘關節內旋和伸動作還決定球拍空間位置。此外，肩關節活動范圍(ROM)和內旋速度也是影響棒球[30]、手球扔球[31]和排球扣球[32]球速的關鍵指標。也有學者持相反觀點[6，8，28]，認為擊球時刻平擊發球直接得分(Ace)不僅取決于擊球速度，擊球落點和旋轉也占重要比重。Whiteside[25]統計澳網公開賽151 名男子網球運動員的25 680 次發球數據(擊球位置、速度、擊球水平角、落點位置和相對球員位置)，得出Ace 取決于精準度，而不是速度。當Serve Angle(擊球點-落點連線與擊球點球員站位位置連線在水平面的投影角)﹥5.88°，落點離發球區域邊線距離小于15.27 cm 時，Ace 成功率最高。

人體形態學指標對發球速度影響較大，高身材長肢體擊球點就越高，入射角越大，發球成功率就越高，速度也就越快。Vaverka[33]等指出身高與一發最快速度、一發平均速度的相關系數R 為(男0.48～0.64，女0.48～0.59)。與二發平均速度相關性R 為(男0.20～0.50，女0.24～0.42)。Fett[2]得出臂展、身高和體重影響男子和女子發球速度的相關系數R 分別為(R=0.31～0.52；R=0.26～0.38)、(R=0.44～0.57；R=0.35～0.39)和(0.37～0.56；R=0.24～0.36)。但學者們[3，10，11]普遍認為身高并不是影響發球速度的核心因素，平擊發球速度更取決于訓練指導和技術水平因素，各環節肌群協調性收縮是技術嫻熟運動員產生高速發球的關鍵。

常見3 種發球類型都各具旋轉、落點和分速度等差異，表現在擊球點空間位置、角度、分速度和旋轉。擊球點(Ball Impact)，側上旋發球擊球點靠近球員頭頂中心位置，平擊發球擊球點更靠前，側上旋外角發球擊球點更靠近左側。擊球點空間位置取決于拋球方式，而早期學者們[34，35]就提出教練員應當要求每一種發球及不同落點發球使用同一種拋球方式，因為拋球方式差異性會使接發球方易預判出發球的規律。Reid[20]等人得出，平擊發球的水平速度和拍頭速度較高，側上旋發球橫向和垂直速度分量較大。Vorobie[36]等人指出，側上旋發球時拍頭垂直和水平速度顯著大于平擊發球。研究得出[16，28，34]3 種發球類型擊球轉速分別為平擊球(127.4 ±56.3) rad/s、側旋球(232.1 ±34.8) rad/s 和側上旋球(336.5 ±51.5) rad/s。水平合成速度是(52.0 ±2.9)m/s、(46.4 ±3.4) m/s 和(40.8 ±2.8) m/s，自轉軸與水平面(仰角)夾角分別為(65.68 ±10.28)°、(68.48 ±6.98)°和(54.58 ±8.48)°。

2.2 特殊發球類型的力學特征

除上述3 種常規發球類型，由于技術動作的特異性，還衍生出多種特殊發球類型。如:縮簡與傳統發球、成功與失誤以及非完整發球技術動作。網球發球成功與失誤的關鍵因素出現在擊球末端指標，擊球前兩者的技術動作無顯著性差異，可見擊球末端時刻的參數對發球成功率影響較大。職業網球教練員認為[13，35]，應當隨機干預擊球前的一系列動作，增加球員在非常規狀態下神經肌肉補償的感知覺能力和控制拍面的知覺反饋能力，即針對不可控條件下提高應變調節能力。縮簡發球(Abbreviated Serve)和傳統發球(Traditional Serve)的差異發生在引拍和撓背階段，縮間發球在引拍階段拍頭起始高度高于髖關節，且撓背階段拍頭下降幅度較小。Seeley[17]認為縮簡發球岡下肌肌電平均振幅較大，會增加患有肩傷史球員的損傷風險。因此，普遍認為縮簡發球不應被宣傳為一種較好的發球技術。“服務員”發球(Waiter's Serve， WS)[25]，是一種初學選手經常出現的錯誤發球動作，撓背時刻球拍與地面平行，建議教學訓練時教練應該專注球員在撓背時刻手腕伸和肩膀外展動作。

綜上得出，肩關節內旋決定了發球速度，肘腕關節控制擊球方向和貢獻速度，發球質量更受擊球落點和旋轉因素影響。人體形態學特征、訓練學因素和技術水平共同決定了發球的擊球速度。揮拍擊球階段是決定不同類型和落點發球的關鍵時刻，發球成功與否取決于擊球點的指標參數，擊球前一系列準備動作應具備高度一致性，提高發球的隱蔽性。關注常規發球技術動作的同時，還需總結特異性發球技術的規律性特征。實踐應用中，教練員應當綜合多種因素(速度、角度、落點、旋轉及個體差異等)指導網球發球技術動作。

3 網球發球各環節部位的損傷力學特征

3.1 肩關節損傷力學特征

肩關節是軀干和臂拍復合體鏈接的紐帶，將力量從下肢和軀干轉移至擊球點的關鍵環節，傳遞力量約占總力量的20%，其特殊生理結構導致活動范圍較大且缺乏穩定性。Pluim[37]等人報導，20%到50%的網球運動員都存在肩關節損傷史，常見的肩部損傷包括肩峰下疼痛綜合征、肩袖病變和上唇前后撕裂(SLAP)，多發生在撓背和隨揮階段，及力量的蓄積和釋放環節。網球發球使肩關節內部多次重復接觸(肱骨頭大結節與肩胛盂后上區)導致肩袖肌腱病變，軟骨和肌腱過度受壓。

撓背初期預拉伸肌肉初始長度，使肩關節快速外旋，是教練員需要著重關注的時期。撓背后期肱骨外展和外旋速度下降，肩胛骨上旋增加，然后外旋后傾達到最大肱骨外旋。加速階段肩胛向前旋轉并傾斜，以達到最大拍頭高度。肩胛骨后傾斜角度從0°到27°，同時外旋從6°到9°，保持上旋(32°)達到肱最大外部旋轉(138°)。隨揮階段需要通過肩關節內下旋來釋放關節內部的能量，大多數肌群用于控制過度拉伸負荷。此外Martin[4]通過逆向動力學計算各環節的能量流失狀況，發現技術水平較低和患有肩傷史球員能量傳遞效率較低，導致其他關節出現力量代償，導致損傷風險也就越高。

3.2 軀干損傷力學特征

骨盆連接下肢和軀干，腹部連接骨盆和上軀干，腹背肌群是力量傳導的重要環節，下腰椎區域(L3 -L5)是損傷風險最大的區域[20]。此外，據統計青少年網球運動員受腰腹損傷導致缺席比賽的風險最大[29]。網球運動員軀干損傷為腹部肌群拉傷和腰部損傷，腹直肌是最常見的損傷肌群，撓背階段腹直肌被強行拉長收縮是公認的損傷致因。腹部肌群出現障礙是出現局部損傷的潛在危險來源，導致能量流失和關節代償現象。側上旋發球背部和肩部的損傷風險較大，均發生在撓背后期階段，軀干過度后傾和肩關節外展導致脊柱和肩內肌群承受較大負荷。但迄今為止，關于網球腰部損傷和疼痛潛在機制的研究較少，阻礙了損傷預防和管理策略的發展。

3.3 下肢損傷力學部位

網球運動員下肢損傷發生在底線移動擊球中，發球導致下肢損傷因素較少。但其在發球中的角色不容忽視，下肢是發球動力鏈的“起點”，直接影響拍頭速度、球速和揮拍擊球的準確性。如Fett[2]指出，單純下肢力量(如CMJ)與球速無相關性，主要提高動力鏈傳導的協調性。發球常采用的兩種站位方式中，相比FB 發球技術，FU 技術發球時地面的垂直反作用力峰值更大，產生更大的水平制動力，限制身體前移的線性動量和角動量。Martin[4]探究了上網時間和球速在兩種發球技術之間是否存在差異，得出:FB 發球技術的上網時間較短，FU 發球速度較高，FB 發球站位方式是發球上網技術的最佳選擇。

綜上所述，肩關節和腰部損傷發生率較高，下肢更多扮演著協調動力鏈的傳導作用，損傷多發生在撓背和隨揮階段。肩關節損傷類型有肩峰下疼痛綜合征、肩袖病變和上唇前后撕裂(SLAP)，下腰椎區域(L3 -L5)是損傷風險最大的區域。實踐應用中，教練員應當從青少年時期就關注損傷致因、損傷部位及預防策略，實時監控高損傷部位的動態變化。

4 網球拍結構的力學研究

自20 世紀80 年代以來，現代設計和材料徹底改變了網球拍的物理特性，旨在提高擊球速度和旋轉。模擬顯示，與19 世紀70 年代球拍相比，現代球拍擊球速度提高了18%。1981 年國際網球聯合會(ITF)為控制球拍設計，限制了球拍尺寸和面積。網球拍是傳遞擊球力量的終端，它與球員之間的相互作用對運動表現、傷病預防和舒適度起著重要的作用。擊球時球拍作為一個杠桿系統，其獨特的結構(如:材質結構、質量分布、拍線、慣性矩、“感覺”和揮拍質量等)是決定擊球速度的重要因素[7-9]。

4.1 球拍材質

網球拍材質的演變推動現代網球朝著力量化、速度化和精準化的方向發展，經歷了從木質球拍—鋁合金—碳纖維—玻璃纖維—高級航天航空材料的過程。各大網球拍制造商運用高端科技力量不斷創新球拍材質，旨在減輕質量、加固硬度、吸收擊球時的震動力量，同時也為在擊球球感和性能方面提升空間，增加球員對球拍的感知覺，降低擊球后高震動頻率對手臂的損傷，優質材料產生的震動音效能夠對聽覺產生愉悅感[34，38]。納米技術也運用在網球拍設計上，研究指出納米材料的網球拍最大擊球區范圍較大，能夠提高球員擊球手感。采用納米材料制造的網球拍，不僅使拍框的強度和擊球威力明顯提升，而且使球拍性能更加出眾，增加了穩定性，控球性能明顯提高，球速和旋轉結合得更加完美[7-8]。此外，網球拍材質中也融入了科技元素，如百寶力Babolat 網球拍的專利技術Woofer 科技，它是一項滑輪加活塞效應的應用，能使拍框與網球線之間的互動增強，而擴大球拍甜區。其作用原理就像是擴音裝置，只要輸入聲源，它就能有效地擴大共成鳴悅耳的音符。Woofer 技術讓威力型球拍更舒適，輕的球拍控球更好，準型的球拍更有威力。

4.2 球拍質量分布

球拍的各項特性中，質量分布(Mass Distribution)是最重要的參數之一。可分為中性平衡、頭重或頭輕，取決于平衡點(重心)是在球拍的中間，接近頭部還是拍柄。研究表明[39]，球拍安慰劑效應Placebo -Racket Effects 與運動表象訓練能夠有效提升發球的準確性。但對于增加揮重是否會提高擊球速度還存在爭議，如:部分學者[40]認為增加揮重并不能提高球速，因為增加揮重阻礙了發球時肩內旋和腕關節屈，而這兩個動作是影響擊球速度的核心因素。也有學者指出，假設揮拍速度和擊球點位置保持不變，增加揮重將產生更快的球速。Allen[7]等人指出，頭重的球拍，球的平均反彈速度要高出32%。然而，球拍重量分布的變化必然影響球員對球拍的控制，調整過度會無疑會增加損傷風險和疲勞，及使用過重的球拍會增加肩關節損傷風險。增加球拍質量，胸大肌、背闊肌和肱二頭肌的激活水平下降，拍柄上增加質量更易增加揮拍速度。拍頭中部對稱增加質量會增加極轉動慣量，當球撞擊球拍側面時，球拍抵抗長軸的扭轉力更大。

4.3 球拍慣性矩

慣性矩(Moment of Inertia，MOI)是一個物理量，通常被用作描述一個物體抵抗彎曲的能力。網球拍有3 個通過質量中心作用于主軸的慣性矩MOI，慣性矩的變化會影響球拍在比賽中的表現。一般MOIs 定義冠狀軸(Ix)、橫軸(Iz)和極軸(Iy)，分別作用于橫向的面內軸、面外軸和縱向軸。研究表明[38]，減小球拍慣性矩可以顯著提高發球時拍頭速度，尤其是橫向慣性矩的減少使運動員能夠更快地揮拍，是現代比賽中發球速度提高的主要因素。逐步線性回歸模型表明，球拍質量和質量中心位置對拍柄轉動慣量的影響最大，寬拍頭對縱軸轉動慣量的影響最高。

撓背階段增加球拍極轉動慣量與肩關節伸、外展力矩和肘關節伸力矩的增加顯著相關。揮拍擊球階段，隨著極慣性矩的增大，手腕伸峰值和徑向偏差力矩顯著增大[7，38]。隨揮階段，肩關節內收、肘腕關節屈與極轉動慣量呈負相關。當球員使用高極轉動慣量的球拍時，肘腕部的關節力顯著增大。表明雖然較大的極慣性矩使運動員能夠更好地承受偏離甜區的擊球，但也會增加上肢額外負荷，增加損傷風險。

4.4 球拍“感覺”

“感覺”被定義為擊球時所體驗到的“身體和心理反饋”，四肢及視覺、觸覺和聽覺上得到的正向反饋。運動員的觸覺和聽覺感受器在擊球過程中接收到的感覺是評價運動器材感知質量的重要因素。球拍制造商也致力于開發用戶所期望的具有振動音質的球拍，擊球音質來源于球拍的機械振動，產生的振動頻率是舒適程度和預防網球肘的一個關鍵參數。研究表明，握力越緊振動減弱的速度就越快，靠近線床中心位置的擊球很少將震動傳遞到手和手腕[9]。目前利用微機機電技術使用三軸加速度計和陀螺儀直接測量線性加速度和角速度的傳感器普遍用于訓練中，有助于記錄擊球參數(如擊球次數、撞擊位置、擊球類型和速度)[8，38]。擊球次數是網球運動中體力消耗的一個重要標志，對教練員和臨床醫生在訓練監測、運動表現或損傷預防方面提供參考依據。增加結構硬度通常會增加球的回彈速度。結構硬度增加172%平均反彈速度增加約9%。

4.5 球拍線床

線床性能取決于材料、張力、厚度和粗糙度，較低的張力能產生更多的能量，較高的張力則能提供更多的控制。因為球拍與球接觸過程中主要是網球損失能量，約為擊球前能量的50%，而線床的效率要高得多，傳遞約90%～95%的能量。弦床的剛度于弦的形狀和張力、以及直徑和材料相關，網球弦有多種材料可供選擇，傳統的天然腸線是首選，但現在已經轉向尼龍和聚酯等合成材料[41]。線床摩擦分為兩類，球和線及線間摩擦，摩擦系數取決于材料，尤其是表面涂層，通過涂上潤滑劑或使表面粗糙增加球拍控制感。球拍的性能能夠影響網球的回彈，反彈球速度與球拍硬度成正比，與網線張力成反比。通常揮重在0.03 到0.035 kg/m2之間，可以提高球的速度和準確性。球拍性能還取決于撞擊條件、速度、角度、旋轉以及與球員的相互作用和擊球生物力學[42-43]。

球拍參數對于教練員來說，是訓練肩關節傷病和慢性上肢損傷運動員的關鍵點，應考慮到球員的個體差異。從各參數特征發現，球拍參數與球員個人喜好、形態學特征、技戰術打法等因素關系密切。大量影響因素處于動態變化趨勢，因此，球員需要實時關注器械的創新性和變異性。如技戰術素養和球拍設計，賽中關鍵比分和更換新球等時刻。

5 結論與展望

網球發球力學研究在國際上引起了廣泛的關注，國內前期對此也進行了深入的剖析，但近幾年相關研究出現停滯不前現象。國外相關研究涉及運動技術共性規律、各環節部位運動特征、運動損傷致因和器械結構，國內外研究差異表現在研究主題、實驗設計和分析思路，對不同類型發球、各環節運動特征和損傷致因都進行了全面的分析。目前國際學者將焦點轉向實際比賽中發球動作的動態變化，某環節的運動特征不再局限于其表面，更深層次分析其關節部位的骨骼運動特征。隨科技不斷進步，對球拍器械保持科研創新力，提高球拍性能的同時能夠幫助使用者監控訓練狀態。

力學研究普遍運用于各個領域，其重要程度不言而喻。我國網球發球力學研究應更新實驗儀器，創新分析思路，從實際出發解決國內網球運動員最具針對性的問題。國內外人體形態學特征存在本質差異，因此，目前仍然應當從技術動作規律和運動損傷規律角度出發，探索符合國內網球運動員人體結構的規律性特征。掌握研究的動態性和實踐可行性，精湛精細化思考問題的全面性，旨在提升網球發球“訓-賽-研”的緊密性。