乒乓球击球过程中步法运动学特征比较：交叉步与滑步

摘要

本研究提出了一种用于探究乒乓球击球过程中交叉步与并步的地面反作用力特征的实验方案。

摘要

交叉步和滑步是乒乓球运动中的基本步法。本研究提出了一种用于探究乒乓球击球过程中交叉步与滑步步法地面反作用力特征的实验方案。16名健康的男性国家一级乒乓球运动员（年龄：20.75 ± 2.06岁）在了解实验目的和具体细节后，自愿参与本实验。要求所有受试者分别采用交叉步和滑步步法将球击入目标区域。通过测力台测量受试者在前后方向、内外侧方向以及垂直方向上的地面反作用力。本研究的关键发现为：交叉步步法的后向地面反作用力（0.89 ± 0.21）显著大于滑步步法（0.82 ± 0.18）（P = 0.014）；然而，交叉步的侧向地面反作用力（-0.38 ± 0.21）显著低于滑步步法（-0.46 ± 0.29）（P < 0.001），且交叉步的垂直地面反作用力（1.73 ± 0.19）也显著低于滑步步法（1.9 ± 0.33）（P < 0.001）。基于动力链机制，滑步击球时下肢更优的动力学表现可能有利于能量传递，从而提升挥拍速度。初学者应首先从滑步击球技术开始学习，再逐步练习交叉步技术。

引言

乒乓球在体育训练和竞赛实践中已持续发展了一百多年¹。随着经济全球化和文化交流的深入，乒乓球在各国迅速发展^2,3。例如在克罗地亚，乒乓球不仅在俱乐部中开展，也在大学、学校甚至宿舍中广泛进行⁴。对运动员而言，建立运动分析体系有助于训练和比赛⁵。在乒乓球比赛中，运动员需要制定良好的战术以争取赢得比赛⁶。此外，步法是乒乓球必须掌握的技术之一，也是乒乓球训练的基础和关键环节之一。滑步（chasse step）和交叉步（cross-step）是乒乓球的基本步法⁷。每一项运动技能都有其基本的力学结构，生物力学研究对乒乓球技术的进步与发展具有重要意义。在训练和比赛中，乒乓球运动员通过步法移动来找到准确的击球位置⁷。因此，有必要对乒乓球步法进行深入研究。

不同地区的乒乓球运动员在步法上存在差异，亚洲运动员在训练和比赛中使用步法的频率高于欧洲运动员⁸。在比赛中，高水平乒乓球运动员击球时所用时间更短，步法更稳定，并能留出足够时间准备击打下一个来球⁹。在乒乓球运动中，由于交叉步击球动作通常用于救球，在大多数情况下属于被动技术动作，导致无法高质量地完成击球。相反，与交叉步击球不同，滑步击球是一种常见的主动技术动作，运动员可通过练习更好地掌握击球技术，从而保证击球质量。滑步是指发力腿（右腿）向右侧（来球方向）移动后，左腿随即跟进；而交叉步则是指发力腿（右腿）向右侧（来球方向）大步移动，左腿保持不动。

既往研究表明，下肢肌肉在乒乓球运动表现中起着重要作用¹⁰。乒乓球运动与网球动作具有相似性。不同发球技术水平的网球运动员，其下肢驱动稳定性存在差异¹¹。乒乓球运动包含膝关节屈曲及躯干的非对称性扭转¹²。为了提高乒乓球运动员的技术水平，应重视骨盆的旋转¹³。在进行正手弧圈球击球时，优秀乒乓球运动员具有更强的足底控制能力¹⁴。高水平乒乓球运动员能够更好地控制足底压力偏移，增大内外侧压力偏移，减小前后方向的压力偏移¹⁵。与直线击球相比，斜线击球在挥拍过程中膝关节伸展幅度更大¹⁶。乒乓球发球技术多样，具有复杂的生物力学特征。与站立式发球相比，蹲式发球需要更高的下肢驱动力¹⁷。与初学者相比，精英运动员在交叉步练习中的步幅更为灵活⁷。

鉴于上述情况，随着科学的不断进步和乒乓球技术的持续发展，越来越多的运动员和研究人员投入到乒乓球运动中，这需要高质量的生物力学研究来支持该项目。然而，由于乒乓球运动的复杂性，研究人员难以对其进行生物力学测量¹。目前关于乒乓球下肢生物力学的研究较少。本研究旨在测量优秀大学生乒乓球运动员在滑步和交叉步移动过程中引拍与挥拍动作阶段的地面反作用力，并对两种步法的地面反作用力数据进行比较。本研究的第一个假设是：滑步与交叉步具有不同的地面反作用力特征。通过分析滑步和交叉步的地面反作用力，获取两类步法的动力学数据，从而为乒乓球运动员提供指导和建议。

方案

本研究经中国宁波大学人体伦理委员会批准。在向所有受试者告知乒乓球实验的目标、细节、要求和实验步骤后，均获得了其签署的知情同意书。

1. 乒乓球实验准备

1. 将USB加密狗插入计算机的并行端口，并打开动作捕捉红外相机和模数转换器。
   注意：本实验中，测力台（采样频率为1000 Hz）与运动采集系统配合使用，测力台采集的数据通过同一系统进行显示和初步分析。测力台的默认采样频率为1000 Hz。
2. 双击桌面上的软件图标以打开追踪软件。
   注意：在打开软件之前，清除实验环境中的所有障碍物并清洁地面。
3. 如果硬件连接正常，每个摄像机节点都会显示绿灯。当所有摄像机的指示灯均为绿色时，从中选择八个摄像机 局部系统.
4. 点击 相机 在“透视”窗口中，将频闪强度调整为0.95–1，增益设为1倍（x1），阈值设为0.2–0.4，最小圆形度比设为0.5，灰度模式设为自动，并将最大斑点高度设为50。
5. 将T校正架置于拍摄区域中心，在系统中选择八台相机。使用二维模型确认相机能够识别T校正架，并确保无噪声点。
   1. 将T校正架放置在相机区域的中央。点击 系统准备，the L 型框架 下拉列表，并选择 5 标记笔 & L-框架然后，单击 开始 按钮位于下方 AimMX 相机 选项
6. 选择 系统准备 按钮，然后单击 开始 校准 MX 相机部分中的按钮 工具 窗格。然后，在捕获范围内挥动T型感应棒。当红外相机上的蓝灯停止闪烁时，停止操作。
   1. 观察进度条，直至校准过程完成至100%并返回至0%。同时观察图像误差，当图像误差小于0.3时，继续执行以下操作。
7. 将T形校正框架置于活动区域中心，确保其轴向与测力台边界方向一致。
8. 选择 开始 按钮位于下方 设置体积原点 工具窗格中的部分。

2. 受试者的准备

注：16 名健康的男性国家一级乒乓球运动员自愿参加本实验（年龄：20.75 ± 2.06 年；身高：173.25 ± 6.65 cm；体重：66.50 ± 14.27 kg；训练年限：12.50 ± 2.08 年）。他们均隶属于宁波大学乒乓球队。在实验正式开始前，再次向参与者简要说明了实验的详细内容和流程，并获得了符合实验条件的参与者的书面知情同意书。

1. 选择惯用右手、右腿为优势腿，且身体健康、近6个月内无任何下肢疾病或损伤的受试者。共有16名符合实验条件的男性受试者参与本实验。受试者的人口统计学信息见表1。
   注：由于左利手持拍者较少，因此更容易招募到足够数量的右利手持拍者参与本实验。
2. 要求所有受试者填写一份与体能状况相关的问卷。
   注：问卷内容包括：您是否有过乒乓球比赛经历？您每周参加乒乓球训练的频率如何？近6个月内您是否遭受过下肢功能障碍或损伤？
3. 确保所有受试者穿着专业的乒乓球比赛鞋，并统一穿着相同的T恤和紧身裤。所有受试者使用同一款专业乒乓球拍。
4. 给予每位受试者5分钟时间适应实验环境，并进行15分钟的热身，包括在专业跑步机上慢跑及拉伸。由于实验持续时间较短，为保持受试者状态稳定，在正式实验过程中禁止其进食和饮水。
   注：受试者首先在实验室的专业跑步机上以适应性速度慢跑5分钟，随后进行5分钟的下肢肌肉拉伸。最后进行5分钟的乒乓球步法技术练习。完成热身后，给予受试者2分钟时间调整状态，随后开始正式数据采集。

3. 静态校准

1. 单击工具栏上的 数据管理 按钮。
2. 单击工具栏上的 新建数据库 选项卡，点击 位置，然后导入试验描述。选择 临床模板，然后单击 创建 按钮。
3. 在 打开数据库 窗口中选择已创建的数据库名称。然后，单击绿色的 新建受试者类别 按钮、黄色的 新建受试者 按钮以及灰色的 新建会话 按钮，在新打开的界面中创建实验信息。
4. 单击 受试者，在 Nexus 主窗口中创建新的受试者数据集。
5. 在 受试者采集 区域单击 开始 按钮以建立静态模型。当图像帧数达到 140–200 时，单击 停止 按钮，完成静态模型的建立。
   ​注意：实验过程中要求受试者站立于测力台上，双手交叉抱于胸前，目视前方，双脚分开与肩同宽，并保持姿势稳定。

4. 动态试验

1. 如图1所示，将乒乓球台和球篮放置于实验环境中，确保受试者有足够的空间完成两种步法。
   注意：乒乓球台和乒乓球均符合专业赛事标准。
2. 要求受试者保持准备姿势，当实验者发出开始指令后，由教练分别将乒乓球发至第一和最终落点区域。
   1. 在正式实验开始前，给予受试者充足时间通过练习适应该姿势。
   2. 要求受试者从球台左侧约半米处起始，随后用正手以最大力量击打第一和第二个发球，并在完成第二次击球任务后返回准备姿势。
   3. 要求受试者首先使用并步步法完成5次成功击球，然后使用交叉步步法完成5次成功击球。
3. 在软件中，点击压力平台上的采集按钮以开始记录，点击停止按钮以结束记录。每位受试者重复五次。
   ​注意：若击球未落在目标区域范围内，或受试者右脚未完全位于测力台上，则需重新测量。

5. 后处理

1. 在数据管理窗口中双击试验名称。点击工具栏中的重建流程和标签按钮，以显示实验演示。
2. 在透视窗口中，移动时间轴上的蓝色三角形，以截取所需的时间区间。
3. 选择位于受试者校准面板中的动态插件步态。点击开始按钮以运行并导出数据。

6. 统计分析

1. 使用专业的统计软件分析所有数据。对所有变量进行Shapiro-Wilks检验，以检查其正态分布情况。
2. 采用配对t检验比较乒乓球击球过程中滑步步法与交叉步法的运动学特征。
3. 显著性水平设定为 p < 0.05。除非另有说明，文中结果均以均值 ± 标准差形式表示。

结果

如图2和表2所示，交叉步法的后侧地面反作用力（0.89 ± 0.21）显著大于滑步步法（0.82 ± 0.18）（P = 0.014）。然而，交叉步法的侧向地面反作用力（-0.38 ± 0.21）显著低于滑步步法（-0.46 ± 0.29）（P < 0.001）。此外，交叉步法的垂直地面反作用力（1.73 ± 0.19）也显著低于滑步步法（1.9 ± 0.33）（P < 0.001）。在乒乓球击球过程中，交叉步法与滑步步法在内侧或前侧地面反作用力方面均无显著差异（P > 0.05）。

讨论

本研究旨在探讨乒乓球击球过程中交叉步与滑步的地面反作用力特征。本研究的主要发现如下：交叉步法的前后方向地面反作用力显著大于滑步法；交叉步法的侧向地面反作用力显著低于滑步法；交叉步法的垂直地面反作用力显著低于滑步法。

Marsan 等人（2020年）表明，除峰值地面反作用力外，牛顿第二定律可作为地面反作用力数值的良好估算方法¹⁸。本研究的结果显示，地面反作用力的数值与 Marsan 等人（2020年）观察到的测量值接近，这进一步支持了本研究的结果。一次完美的击球需要全身的协调配合。脚步模式的控制依赖于身体各部位相互作用的协调序列，所有环节的最佳激活被称为"动力链"^11,19,20。下肢作为动力链的起始点，通过动力链的连续运动，将下肢充分激活的能量传递至上肢^9,

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
14 mm 直径被动式逆反射标记点	Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK		n=22
双面胶带	Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK		用于将标记点固定于皮肤
测力台	Advanced Mechanical Technology, Inc.		测量地面反作用力
运动追踪相机	Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK		n= 8
T形架	Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK		-
有效加密狗	Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK		Vicon Nexus 1.4.116
Vicon 数据采集站 ADC	Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK		-