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乒乓球正手快攻、弧圈球技术的生物力学研究及步法垫测试系
统的研制与实验 姓名：肖丹丹 申请学位级别：博士 专业：体育教育训练学 指导教师：苏丕仁 20060601
北京体育大学 学位论文原创性声明
本人郑重声明：本人所呈交《乒乓球正手快攻、弧圈球技 术的生物力学研究及步法垫测试系统的研制与实验》是本人在导 师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明并致谢。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 北京体育大学
学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校对本人递交的学位论文《乒乓球正手快攻、弧圈球技术的生 物力学研究及步法垫测试系统的研制与实验》保留并向国家有关 部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许在校内和与学校有 协议的部门公布论文并被查阅和借阅。 本人授权北京体育大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密□，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密□。 （请在以上方框内打“√”） 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 北京体育大学博士学位论文 1 摘要 乒乓球项目是我国的优势运动，是我国奥运金牌的重点项目。乒乓球正手 快攻和弧圈球技术是该项目的核心技术，乒乓球步法的好坏直接关系到运动员 的技术水平和发展前途。对乒乓球正手快攻、弧圈球技术，及步法移动进行生 物力学研究，对于保持我国乒乓球运动的长盛不衰，发展我国的奥运战略具有 重要意义。 本文运用 QUALISYS 三维运动学测试系统和两台KISTLER 测力台系统， 对10 名乒乓球运动员的正手快攻和弧圈球技术进行了生物力学研究，每种技术 又分中等力量和最大力量两种用力方式；研制开发了一套乒乓球步法垫测试系 统，并运用该系统对1 名1 级乒乓球运动员比赛中的步法特征进行了测试与分 析。研究结论如下： （1）球拍触球瞬间并非出现在挥拍最大速度时刻，大部分出现在挥拍最大 速度之后。 （2）在击球的引拍和挥拍击球阶段，上肢各关节的动作不像其他生物力学 研究所说的是鞭打动作形式，上肢各关节最大速度出现的顺序没有定式，动作 与动作之间，个体与个体之间差异较大。 （3）乒乓球运动员完成正手快攻和弧圈球技术的力学指标差异在于，拉弧 圈球时左右、上下方向上的地面支撑反作用力的最大值大于正手快攻。提示我 们在完成弧圈球技术时，要加大左右和上下方向上的蹬地力。 （4）最大力量和中等力量两种用力方式完成正手快攻技术的力学指标差异 在于，重打时垂直、前后方向上的最大地面支撑反作用力大于大于轻打。提示 我们当要大力正手快攻时，要加大向下、向后的蹬地力。 （5）最大力量和中等力量两种用力方式完成正手弧圈球技术的力学指标差 异在于，重拉时三个方向上的最大地面支撑反作用力均大于大于轻打。提示我 们当要大力正手拉弧圈球时，要特别注重加大蹬地力。 （6）本论文所研发的乒乓球步法垫测试系统可以用作对乒乓球比赛中步法 的测试。可以获得整场比赛步法移动的运动学参数：步法移动的时间（左、右 足腾空、支撑时间、次数；双足的腾空、支撑时间等）、步法移动的空间（步法 移动的范围、步幅）及步法移动的速度、步频等指标。对深入探索乒乓球步法 技术规律有重要意义。 关键词：乒乓球；正手快攻；弧圈球；运动学；地面支撑反作用力；乒乓 球步法垫测试系统；步法 北京体育大学博士学位论文 2 Abstract Table Tennis is a preponderant sport and important Olympic sport in China. The attack and loop drive techniques of the positive hand are most important among all the techniques. Table Tennis footwork has an important effect on the result of the match. It has an important significance for us to research on the attack, loop drive and footwork of table tennis techniques, in keeping ahead and developing Chinese Olympic stratagem. 10 excellent ping-pong athletes’ attack and loop drive techniques of the positive hand were tested, using the measurement methods of the QUALISYS kinematics measurements system and the KISTLER force-plate system. Each technique was performed by two tpes of force, the middle strength and the full strength. A set of table tennis footwork mat test system was succeeded to be produced. The table tennis athlete’s footwork of one player in match was tested by using the table tennis footwork mat test system. The main conclusions were followings: (1) Racket's touching a ball was not at the moment the biggest speed of flicking racket. Moreover, it was mostly after the biggest speed of flicking racket. (2)At the leading and flicking racket stage, the sequence of the biggest speed on each joint of arms was not the same. In addition, the difference among techniques, individuals was rather big. (3)The difference of force characters between the attack and loop drive technique was that the ground reaction force (GRF) of loop drive technique was bigger than attack technique in perpendicular and level direction, which suggested that the fore in perpendicular and level direction should be strengthened when performing loop drive technique. (4)The difference of force characters between the two force methods of performing attack technique was that the GRFof full strength was bigger than middle strength in perpendicular and frontal direction, which suggested that the fore in perpendicular and level frontal should be strengthened when performing the attack 北京体育大学博士学位论文 3 technique of the full strength. (5) The difference of force characters between the two force methods of performing loop drive technique was that the GRFof full strength was bigger than the middle strength in three directions, which suggested that the fore should be added when performing the loop drive technique of the full strength. (6) The table tennis footwork mat test system could be used to test the footwork in table tennis match. The kinematic parameters of the footwork could be acquired, including the time index of footwork (the stand and empty timeof two feet, and single foot, the number of stand and empty), the space index (the scope, range of the footwork ambulation), and the index of the speed and frequency of footwork ambulation, etc. Key words: table tennis; attack technique of the positive hand, the loop drive technique, kinetics; Ground Reflection Force; table tennis footwork pad test system; table tennis footwork 北京体育大学博士学位论文 4 前言 近年来，国际乒联对乒乓球竞赛规则的三大改革，以及现代世界乒乓球技 术的迅猛发展，都要求我们要借助于科技的力量和手段更加全面地、深刻地认 识乒乓球技术的规律，观念上不断地更新，技术上不断创新进步，训练方法上 要更加科学合理，才能继续保持我国乒乓球运动的长盛不衰。 在乒乓球比赛中，运动员竞技能力（技术、战术、运动素质、心理和智力 水平等）最终是通过运动员击出的每一板球表现出来的。而每一板球质量的高 低主要是由乒乓球运动员的动作技术所决定的。乒乓球的动作技术包括手法和 步法，二者密切相连缺一不可。 随着现代科技水平的不断发展，运动生物力学研究手段与方法也不断地更 新，研究内容和层次不断深入系统，运动生物力学的研究方法在许多运动项目 中有了广泛的应用，对于认识运动项目技术的规律和提高运动技术水平，起到 了重要的作用。 对于乒乓球技术动作的运动生物力学的研究，国内外还不多，并且已有的 研究不够系统和深入，所用的运动生物力学研究方法比较单一，乒乓球专项化 的运动生物力学仪器很少，对于许多动作技术原理尚未揭示，或揭示得还不够 全面。 比如，运动员完成进攻击球技术过程的引拍和还原阶段中，上肢主要肌肉 的用力顺序问题，乒乓球界对其的认识存在争议。乒乓球教科书和以往的研究 认为是上臂带动前臂、手腕依次发力，而在运动实践中往往又有相反的感觉。 以往对此问题的认识多停留在主观认识、定性分析和为数不多的定量分析上。 对于此问题还需要深入地定量认识。 又如，我国乒乓球运动员的步法比较薄弱是公认的事实，而对于乒乓球步 法移动的研究，现在还比较落后，少有定量方面的分析，在研究数量上亦落后 对手法的研究。究其原因，是缺少合适的实验仪器。对乒乓球步法新仪器的研 发及用于实际测试，会有助于乒乓球步法的教学与训练，为乒乓球体能训练提 供理论参考。 本论文根据乒乓球生物力学研究的现状以及乒乓球生物力学发展的趋势， 结合乒乓球运动需要，依据现有实验仪器、个人能力以及实验经费、时间的限 制，从以下几个方面对乒乓球生物力学的问题进行研究： （1）对乒乓球正手快攻和弧圈球技术的生物力学分析。每种技术分中等力 量和最大力量两种用力方式击球，共4 组技术动作，运用QUALISYS 运动学测 试系统与KISTLER 测力台测试系统同时测试的实验方法，从运动学和动力学两 北京体育大学博士学位论文 5 方面进行研究。 （2）研制开发一套乒乓球步法垫测试系统。利用中科院智能所的先进技 术――柔性薄膜阵列传感器，结合乒乓球运动的专项特点，研发一套专门用于 乒乓球专项的步法测试系统。对于乒乓球专项仪器的研发做一尝试。 （3）运用乒乓球步法垫测试系统对乒乓球步法的生物力学特征进行揭示。 对运动员在一场比赛中的步法移动的运动学特征进行研究。 本研究不仅将丰富乒乓球的理论，而且对于乒乓球手法和步法技术水平的 提高，乒乓球专项仪器的开发等将提供可靠有力的科技支撑，这对于进一步维 持我国乒乓球运动长盛不衰，维持我国乒乓球技术训练先进性，实施“备战2008 奥运科研攻关计划”也具有很大的现实意义。同时对于运动生物力学如何更好 地结合乒乓球专项特点为乒乓球运动实践服务，和对于运动生物力学在其他专 项中的应用，将起到借鉴的作用。 北京体育大学博士学位论文 6 文献综述 (乒乓球生物力学的研究进展) 从运动生物力学角度来说，乒乓球运动是通过乒乓球和球拍位置的变化（平 动和转动）与运动员机体的活动相结合的一项运动。运动员的击球动作使球拍 和球碰撞后，击出的球以一定的动量、动量矩落到对方台面，与台面发生碰撞， 反弹后再与对方的球拍相碰撞。归纳起来，对乒乓球运动项目的生物力学分析 大致是从以下3 个方面进行的：对乒乓球与球台或球拍碰撞的认识、对乒乓球 飞行的运动特征的认识、对运动员的动作技术原理的认识和技术诊断。运用生 物力学的原理和方法对乒乓球运动所作的研究可以分为理论分析和实验研究两 类。 1 对碰撞过程的研究 乒乓球运动中的碰撞问题，包括两方面：乒乓球与乒乓球拍的碰撞，乒乓 球与球台的碰撞。对于球台而言，在碰撞前，球台是静止的，是被动地与乒乓 球相碰撞；而对于球拍而言，与乒乓球的碰撞就更为复杂，碰撞前球拍有一定 的速度主动去碰撞具有某种速度和旋转的球，并且乒乓球拍的性质比球台也要 复杂。由于涉及很多参数，如摩擦系数、恢复系数、球的线速度、角速度、碰 撞时间等等，因此乒乓球与球拍或球台的碰撞是一个复杂的动力学问题。 1.1 理论方面的研究 陈小华[1]（1995）和张妙玲[2]（2002）结合理论力学和碰撞原理对碰台时 和碰台后速度变化和飞行弧线加以理论推导。陈小华得出球体压缩性形变所产 生的弹性形变能以及球因受“突加约束”作用而获得水平速度是上旋球落台后 获得速度增量的重要原因。 过东升，李建设等[3]（1996），应用冲量定律、冲量矩定理及有关的力学原 理建立了一个乒乓球与球桌碰撞的力学模型，得出了乒乓球与球台碰撞的一般 运动规律。 庞杰[4]（2003）认为采用计算机仿真研究法和理论力学分析法，对两种类 型的弧圈球打法的球与台面碰撞后球的状态变化规律进行研究和比较，发现两 种研究方法得出相同结论，即前冲弧圈球速度有所减慢，但旋转增强，加转弧 圈球速度加快，但旋转减弱。但笔者认为该文的意义并不在于像庞杰自己所认 为的计算机仿真研究法与理论力学分析法的结论相同，因为动力学分析仿真软 件就是运用理论力学原理建立乒乓球与球台的碰撞模型（本来就是相同的）， 北京体育大学博士学位论文 7 而在于可以采用ADAMS 的动力学分析仿真软件进行仿真，在已知一些参数的 前提下，对乒乓球碰撞后的速度和旋转进行推算，比如，该文将他人研究的参 数，球与球台碰撞的恢复系数、球与球台的滚动摩擦系数、滑动摩擦系数（引 自张惠钦），乒乓球碰撞前的速度、旋转输入软件得出，乒乓球碰撞后的速度 旋转、的大小，可以减少计算工作量。 对乒乓球拍与球的碰撞过程分析，除张惠钦[5] [6]（1986）对如何击球，即 手上功夫进行过较细致的分析以外，其他学者多对如何发出各种不同旋转的球 进行分析[7] [8]，乒乓球教材[11]对各种乒乓球技术的叙述中也略有论及。但对具 体的乒乓球与球拍的碰撞过程没有详细的论述。 1.2 实验研究 日本蝴蝶器材公司研究部山岗树村[9]（1984）用高速摄影机（频率为7000 格/s）拍摄了25 m/s 速度的球与静止的球拍相撞，无论球拍是光板拍还是正胶 海绵拍，碰撞时间均为千分之一秒，改变击球的速度，发现碰撞时间仍相同。 严波涛，周酉元[11]（1993）运用自制的弦开关－频率计测试系统（弦开关 为一种压力开关电路）对乒乓球与球拍的碰撞过程的力学特征进行研究。实验 设计分为两部分：一为球拍水平固定，使弦开关点对准落球孔，然后让乒乓球 从落球孔以不同高度自由下落，同时启动示波器。二为运动员手持弦拍，测定 反手推挡、搓球、正手攻、弧圈球和发球五项的触球时间。对乒乓球拍的恢复 系数、碰撞时间进行了测试，同时对测试数据进行了修正，对碰撞力进行了推 算。得出了以下结论：球拍与球碰撞时的弹性恢复系数近似为一常数（0.72 左 右）；自由落体实验表明碰撞时间随高度增加（即球速增加）而缩短，极限碰撞 时间为753μs；不同击球方式触球时间不同，搓球触球时间最长为1005μs， 反手推挡触球时间最短为714μs；球与球拍的碰撞力约为100 牛顿量级。 张晓蓬，吴焕群[9]对乒乓球球拍的胶皮的静摩擦系数进行了测定。将胶皮 固定在玻璃表面，把乒乓球连成串，放在贴有胶皮的玻璃上，慢慢抬起贴有胶 皮的玻璃后沿，使角度由00 开始慢慢增大，当球在胶皮上开始下滑的一瞬间， 即不再向上抬起，同时测量倾斜角，根据平衡原理，得出摩擦系数值。实验结 论为不同品牌反胶和正胶的摩擦系数分别为3.16 ± 0.56和1.05 ± 0.19，两者差异 显著。该研究实验仪器设计简单而又巧妙，扩大了生物力学实验研究在乒乓球 运动中的领域。 1.3 小结 （1）对乒乓球碰撞问题的理论分析中，侧重于对乒乓球与球台碰撞的力学 北京体育大学博士学位论文 8 分析，所采用的分析方法主要是应用冲量定律、冲量矩定理分析或建模。 （2）对于碰撞问题的实验研究很少。在已有的实验研究中，侧重于乒乓球 与球拍碰撞的实验研究，对于球与球台碰撞的实验研究结果未见诸于报导。严 波涛对乒乓球和球拍的碰撞进行了较为全面的认识，日本的研究是对碰撞时间 进行了研究，张晓蓬等的研究是对球拍的摩擦系数的测试。 （3）对碰撞问题的实验研究很少。究其原因，因为若要对碰撞问题有清晰 的认识，得到量化的指标，必须设计适合乒乓球运动特点的专门仪器，而目前 没有现成的仪器可以使用。 2 乒乓球飞行的生物力学研究 将乒乓球飞行过程认为包含五个因素：乒乓球在与球台或球拍碰撞之后， 会产生有一定的速度、一定的力量、一定的旋转、一条弧线和一个落点。这五 个物理要素决定着每一板球的时空特征和运动性状，决定着每一板球的质量和 制胜的分量[9]。五个因素也是相互影响，相互制约的。研究时要对这五个竞技 要素单独研究和综合研究。 2.1 理论研究 2.1.1 对速度的认识 速度是指运动物体在单位时间内的位移，是描述物体运动快慢的物理量。 在乒乓球比赛或练习中，球飞行速度的快慢，是为自己争取时间，取得主动的 先决条件。球速是由挥拍速度、击球力量决定的。若单纯地从物理意义研究球 的速度是不够的，还要涉及反应、步法移动速度等方面的问题，特别是在这种 对抗性竞赛项目中。因此下面所说的“速度”就不仅是原来物理意义上的速度， 而是指从对方来球落到我方台面始（来球第二弧线时间），到弹起被我球拍回击 后又落到对方台面止（击球第一弧线时间），这一过程所用的时间，又称击球速 度[12][13][14]。提高击球速度，从理论上讲，即缩短来球第二弧线时间与第一弧线 时间。 2.1.2 对旋转的认识 乒乓球围绕自身轴的自转，就是乒乓球的旋转。张惠钦[5]在乒乓球旋转的 原因和加强旋转的方法、旋转球的种类、表面分区、性质及如何打好旋转和对 付旋转球等方面，对旋转问题做了较为全面、深入的研究，从理论上阐明了乒 乓球旋转的某些规律并有所创见。它对进一步研究、探讨乒乓球旋转及与旋转 北京体育大学博士学位论文 9 相关的问题有很高的参考价值。 韩同康[15] （1994）提出乒乓球旋转和速度的相对原理，用乒乓球表面上某 点的相对速度与球心速度之比作为特征数，将点的运动轨迹分为三类，即“螺 旋线”、“波纹线”、“旋轮线”。转速在90～160 转/s 的范围内，特征准数皆大于 1，是旋转球，表现为螺旋线。有时转速较低，但由于球速慢，特征准数也大于 1，同时也会表现出旋转。而对于特征准数T≌1，转速为160 转/s 的高转来说， 它即有速度又有旋转是具有威力的综合型球，表现为旋轮线。在转速较慢，而 速度较快时，表现为速度，点的运动轨迹呈现为波纹线。这些研究结果为我们 理解复杂的乒乓球的旋转，具有实际意义和理论价值。 球拍底板弹性、海绵厚度、硬度、胶皮的性质，击球时的作用力、作用时 间等都直接影响着球的旋转程度[9]。此外乒乓球本身的质量、直径、转动惯量、 球面的光滑程度也是影响球旋转的因素。 2.1.3 对弧线的认识 在二维空间内（垂直面），仅考虑乒乓球的平动时，乒乓球的运动轨迹就是 典型的斜抛运动中的一段弧线。在两维空间中，当考虑到球的旋转时，将其看 作是乒乓球受到空气马格努斯使得有所偏转的弧线上的一段。对于在三维空间 中，徐庆和[16]（2003）应用现代数学理论（微分不变量）和电脑程序来研究乒 乓球的旋转，提出了乒乓球螺旋球、挠旋球的新概念，阐明了乒乓球运动在三 维空间的数学和力学原理及运动的基本规律。 2.1.4 对力量的认识 力量有两种理解：一是一物体对另一物体的作用、二是运动物体所具有的 动量。在乒乓球运动中，存在着不同理解，有的文献认为球的力量是球的动量 和动量距，即指球被击出后在空中飞行时球的动量（mv），又称击球力量[12][14]。 有的认为，击球力量可以根据F=ma，用挥拍加速度来表示，也可用触球的瞬时 速度表示，已不再是球的力量，而是击球时的力[9] [12][13][14]。董树英[8]指出人体 通过球拍作用于球体的力，它是通过球飞行速度表现出来的。所谓飞行速度， 指从击球点到落到对方球台点之间这段时间内球的飞行速度。 2.1.5 对落点的认识 落点是指将球击到对方台面的着台点。落点准确又富有变化，可以使对方 的移动范围扩大，从而使自己获得较多的准备时间为进攻创造更多的机会，可 以增大对方让位的难度，例如，攻追身球，或者回击对方的薄弱点。变化和控 北京体育大学博士学位论文 10 制好回球落点对提高技术质量，加强战术效果具有重要意义。 2.2 实验研究 2.2.1 速度和旋转 由于测量这种距离近、速度快的非金属物体运动目标，有一定的特殊性和 困难性，所以在国内外文献资料中这方面的实验研究较少。 日本乒乓球运动员击出球的转速为 100～150 转/s，原联邦德国运动员击出 球的转速为50 转/s[17] [18 ]。 在国内，对于乒乓球飞行中的速度及旋转的实验研究主要是中国乒协科学 委员会、国家体育总局科研所乒乓球组运用录像和PD-1 型乒乓球动态测转仪进 行的实验研究。 吴焕群、张晓蓬等[9]运用PD-1 型乒乓球动态测转仪，对国家队和青年队不 同训练水平、不同打法、使用不同球拍的运动员的发球、搓球、弧圈球、削球 等主要技术的旋转常量做了报道，在国内外乒坛首次公布了定量结果。平均： 拉弧圈最高转速为145.3 转/s，冲弧圈最高转速为151.3 转/s，打下旋弧圈最高 转速为85.8 转/s，加转搓最高转速为73.4 转/s，正手发下旋最高转速为69 转/s。 正胶：拉弧圈最高转速为129.6 转/s，冲弧圈最高转速为136.8 转/s，加转搓最 高转速为65.9 转/s，正手发下旋最高转速为51.7 转/s；反胶：拉弧圈最高转速 为148.6 转/s，冲弧圈最高转速为155.0 转/s，加转搓最高转速为75.0 转/s，正 手发下旋最高转速为74.3 转/s。此结果既对国内不同水平的运动员进行了对比， 同时也间接地与欧洲运动员进行了对比，为运动员技术水平提高提供了基础和 量度。 张晓蓬、吴焕群等[9]做了同牌号不同厚度的海绵胶皮拍对弧圈球技术旋转 影响的实验，实验表明，正胶：海绵、胶皮总厚度为3.92 mm，弧圈球技术平 均转速为107.4 转/s；海绵、胶皮总厚度为3.05 mm，弧圈球技术平均转速为99.2 转/s，两者存在显著性差异(P<0.01)；反胶：海绵、胶皮总厚度为3.32 mm，弧 圈球技术平均转速为99.1 转/s；海绵、胶皮总厚度为2.8 mm，弧圈球技术平均 转速为86.2 转/s，两者存在显著性差异(P<0.01)。不同厚度海绵胶皮拍对弧圈球 技术旋转有明显影响，厚度越高，弧圈球技术旋转越强。正胶和反胶球拍都遵 循这一规律。 吴焕群等[9]还运用录像分析系统对不同直径和重量的乒乓球运行的速度、 旋转和弹力进行了定量测定。实验表明直径大的乒乓球旋转和速度小于直径小 的球，当直径相同时，重量和弹力大的球的旋转和速度大于重量和弹力小的球。 北京体育大学博士学位论文 11 乒乓球运动是一项小场地的对抗性运动，在多数情况下，比赛双方相距不 过3 m 左右，因球体积小而轻，球速最快可达42.22 m/s[17]，一般情况下在10～ 25 m/s[9] 。 2.2.2 力量 关于击球力量的直接测量目前做过的只有两个。一是严波涛，周酉元[10] （1993）运用自制的弦开关－频率计测试系统，在研究碰撞过程中对乒乓球击 球力量的推算，得出球与球拍的碰撞力约为100 牛顿量级。二是董树英[19（] 1988） 运用帖于球拍后的加速度传感器，通过加速度推算球和球拍的力，得出高抛发 球式球拍所受的力是85.9 牛顿，低抛时是67.4 牛顿。 除此之外，还未见有人设计出其他仪器或方法来测量。其他的研究是用间 接的方法测量球被击出后的飞行距离。这种方法很不准确，虽然球的飞行距离 是和球速相关，但击球后的出手角度也是一个重要的方面，单纯地从飞行远度 来判断，误差是很大的。王家正[20]用扣远测量，比较加速挥拍（加速距离分别 为1.3 m、1 m、0.3 m 三种不同距离）情况下的扣远成绩及比较在加速距离相同 为1m，击球与身体保持合适位置的情况下，不同的发力方法（匀速、加速、无 随势挥拍）对影响击球力量进行定量测量。结果发现，加速距离为1.3 m，击球 力量最大为5.8 m；1 m 时次之，为5.1 m；0.3 m 时最差为4.3 m。加速挥拍时 为4.9 m，无随势挥拍为4 m，匀速挥拍最差为3.64 m。并对影响扣远成绩的四 项素质（挥臂、哑铃弯举、屈膝仰卧起坐、沿球台变向跑）与扣远成绩的相关 系数进行显著性检验，发现男子：挥臂速度和手臂的快速收缩力量是影响击球 力量的主要因素，其次为腰腹肌群的快速收缩力量，而移动速度与扣远成绩相 关性不大。 2.3 小结 （1）由于乒乓球的运动千变万化，对于乒乓球空中飞行过程的生物力学的 理论分析，往往抓住解决问题的主要方面对乒乓球的运动的形式进行简化。在 研究乒乓球平动，即乒乓球的速度和位移时，将其简化为质点；而在分析乒乓 球转动时，又要将其简化为刚体。 （2）在实验研究方面，对于乒乓球的旋转和速度的认识方面主要是应用 PD-1 型乒乓球动态测转仪进行测量的。西安体院的严波涛和董树英分别在球拍 上放置弦开关－频率计测试系统和加速度传感器系统对击球的力量进行推算。 北京体育大学博士学位论文 12 3 乒乓球技术的生物力学研究 乒乓球运动的技术问题，一是手法，二是步法。乒乓球比赛中各种技术的 运用都是建立在这两者基础之上的，在乒乓球运动的理论和实践中人们认为两 者对乒乓球运动员的都非常重要。 对于乒乓球技术的分析乒乓球教材上都给出了定性的描述，并且充分肯定 了乒乓球技术要符合力学原理 [12][13][14]。如任何一板有效的击球，从动作的形 式和内容来看，大体上都要包括准确的判断及站位、适宜的击球点、正确的启 动姿势、挥拍方向和路线、恰到好处的拍面角度及触球部位等环节。如果其中 某一个或几个环节不符合力学原理，则不仅费力，而且效果也不好，因此要想 以最小的体力获得最大的效果，必须使动作具有合理性，即符合人体运动生物 力学、解剖学和生理学的要求。另外，各个动作之间、各个动作要素之间以及 动作与人体机能之间，在时间、空间上的协调配合，对提高技术质量具有重要 的作用。 3.1 乒乓球动作技术的生物力学研究 对于乒乓球运动员动作技术的分析，要以击出的乒乓球的性质作为衡量的 标准，那么运动员将以怎样的动作击打出的球会产生最好的效果呢？最好的效 果是指对对方最有威胁的球。乒乓球的技术可以大致分为进攻技术和控制技术， 而对于得分而言，两种技术都有得分的可能。进攻技术以追求运动员发挥最大 的、最合理的力，使击出的球速度最大、旋转最强，控制性技术多为小技术， 以控制速度、旋转、落点的变化为主。这就使得对乒乓球技术的分析变得复杂 多变。 3.1.1 理论分析 一些学者对不同技术间的运动时进行了对比，如郭铮[21]（1991）从动作幅 度、人体运动的潜能、稳定性三个方面运用运动生物力学的原理对弧圈球技术 和小弧圈技术进行对比。于勇，林秀岩[22]（1997）探讨了旋转和速度之间的控 制与反控制，提出了如何通过改变动作技术来实现以速度对抗旋转的方法。 对于直拍横打技术的理论论证上，许多学者也做了研究。吴焕群[23]（1989） 从正反胶快攻的球速、旋转进行比较，提出直拍反胶快攻的可行性。为直拍技 术的发展起了很大的意义。藤守刚[24]（1991）从解剖学、生物力学角度试图探 讨直拍反手正面拉弧圈球技术的可行性。尹霄（1992）[25] 在直拍反面进攻单个 技术的动作要领与运用中指出反面快拨：拍形角度略前倾约45o～50o之间，向 后引拍20～30 cm，大臂夹角45o、反面弹打技术、反面攻技术作了概括性的论 北京体育大学博士学位论文 13 述。程存德[26]（1997）认为传统的直拍反手进攻，需前臂作较大的外旋，当前 臂在身前呈近水平状时，其外旋幅度受诸多肌群尤其是多关节肌的限制，引拍 易产生多关节肌被动不足，击球时易产生多关节肌主动不足。另外肘腕关节的 解剖结构的限制等都是影响直拍反手进攻的不可解决的问题，同时提出直拍横 打的合理性。在理论上强调直拍横打势在必行。 3.1.2 实验研究 运动生物力学在乒乓球动作技术的手法研究主要分为运动学和动力学两个 领域。 3.1.2.1 运动学方面 随着实验仪器的改进，实验仪器由照相机到摄影机再到摄像机，认识的视 野从2 维空间到3 维空间，对于乒乓球动作技术的运动学方面的认识也逐渐深 入。 吴焕群[27]（1981）采用比较连续照片的方法，较详细地对郭跃华的弧圈技 术进行了全面的剖析，虽然运动学的特征量未给出，但这个研究应该是开创了 运动生物力学的方法在乒乓球运动中应用的先河。 许绍发等[28]（1987）用两台EPL 高速摄影机以100 格/s 同频同步对运动员 的直拍反面、正面击球的技术动作（关节运动幅度、球拍倾角及最大球速）进 行了拍摄，用CP—2000 型解析仪对影片进行数字化，P—3000 型计算机对原始 数据进行平滑处理和三维计算比较分析。研究发现，直拍反面击球，可使腕关 节有足够的动作幅度，可以使上肢对球的鞭打动作充分，可以使球拍倾角较小 而盖住球体避免“吃转”，可以使台内击球动作准确，从而得出直拍反面击球技 术的可行性。为直拍反手进攻提供了思路。 董树英等[19]采用自制实验仪器（加速度传感器）的方法，从生物力学角度 进行定量分析，找出高、低抛发球的挥拍加速度的差异，以及高抛发球特征规 律及存在的问题。为进一步发展创新发球技术提供了理论依据。 北京体育大学张辉 [29]（1995）采用三维高速录像分析法，对4 名优秀直拍 快攻运动员的创新技术“直拍反面拉弧圈球”进行了运动学分析，结论是：第 一、四名优秀直拍运动员（刘国梁、冯哲、黄大伟、王飞）反面拉技术时间均 数为1.125 s，其中引拍时间最长；球拍挥动路程均数为2.763 s，各阶段的球拍 挥动路程较接近。第二、反面拉的引拍以向下为主，同时向身体左侧（右手握 拍运动员）和靠近身体方向挥动；挥拍击球时以向上、向前为主，略有向右； 击球后球拍继续向上和向右，略向前。第四、反面拉挥拍击球时，膝、髋、躯 北京体育大学博士学位论文 14 干由屈至伸运动产生加速度，以获得一定的动量带动握拍手臂挥拍；躯干、肩、 肘和腕的速度依次递增，最终使球拍在最大速度或接近最大速度时击球。第五、 四名运动员各环节达最大速度值的时间顺序不同。 柳天扬[30]（1995 年）对刘国梁、孔令辉等正手近台攻打前冲弧圈球技术的 运动学特征进行了分析与研究。第一次较完整地阐述了优秀乒乓球选手正手近 台攻打前冲弧圈球技术的生物力学特点与规律。其中探究了刘国梁和孔令辉的 前冲弧圈球动作时的运动学参数：引拍方向与幅度；挥拍击球过程的方向与幅 度；引拍阶段肩、肘的角度变化；挥拍击球过程的角度变化；引拍阶段的速度 特征与时间顺序；挥拍击球过程的速度特征与时间顺序；击球点高度与拍面角 度；击球瞬间的速度特征。刘国梁和孔令辉挥拍速度最大达8.547 m/s、8. 337 m/s，回球速度为17.43 m/s 和13.335 m/s。结果发现正手近台反冲前冲弧圈球技 术相对于纯粹的前冲弧圈球技术本身(从下旋到前冲) 具有绝对的速度优势；引 拍的方向以向右、后、下方为主,并且肩、肘关节角度不宜太大；发力方向以左、 前、上方为主；发力形式以肘、腕、拍的瞬间同时发力为主；击球点是上升后 期,拍面前倾，击球中上部。 陈洁等（2001）[31]对直拍四面攻技术的击球速度、旋转、力量作了实验研 究, 并对其主要技术在比赛中的运用情况进行了统计和分析, 以了解直拍四面 攻技术的可行性及其特点。测试了球的击出速度、球的旋转和球击出后飞行的 最远距离。研究表明:直拍四面攻可以用正手正、反面和反手正、反面的四个面 击球进攻, 各个面都具有各自不同的功能和作用, 击球速度、旋转、力量以及主 要技术在比赛综合运用上没有技术死角；在击球速度上正手反面快攻不如正手 正面快攻, 正手正面更适合于扣杀；在弧圈球技术的旋转上正手正面不如正手 反面, 并且正手反面弧圈球技术带有明显的侧旋；正手正面快攻与反面快攻在 力量上没有显著性差异； 在发球技术上占有明显的优势, 但是要加强发抢意识, 提高发抢命中率；在相持能力上必须解决好正、反面的拉打转换, 充分发挥反 手能用两个面拉打的威力。 上海体育学院的黄诚等[32]（2000）对直拍横打和横拍反手位攻弧圈球的动 作特征进行了对比分析，实验通过Motion Analysis System 对两种击球动作上肢 各环节的运动时相进行了描述，并通过自制的可调球拍角度击球仪对回击弧圈 球的拍面角度和拍形角度范围进行了测量。 北京体育大学杨斌[33]（2004）对优秀女子青少年乒乓球运动员弧圈技术进 行了运动学分析，对直拍横打、传统直拍、横拍运动员在挥触和随挥两个阶段 中左右的肩、肘、髋、膝关节以及身体重心的速度和角度的变化特征进行了描 述和对比。 北京体育大学博士学位论文 15 北京体育大学孟杰[34]（2004）对乒乓球比赛中王皓与唐鹏的正反手弧圈球 技术动作技术进行了对比研究。运用三维录像分析方法，第一次分析讨论了比 赛中正反手拉弧圈球的动作技术。将王皓的直拍横打技术与运动生物力学原理 的部分要素相结合，经过整合并结合理论分析，并与优秀的横拍打法选手唐鹏 的动作技术作出比较，提出了王皓直拍横打技术动作和唐鹏横拍动作技术的特 点，从而验证王皓直拍横打技术的合理性和优秀的竞技效果。 3.1.2.2 动力学方面 孙卫星[35]（1992）利用Biodex 等速测力系统，对乒乓球运动员的腕、肘、 肩各关节屈伸肌力进行等速测试，首次为乒乓球运动员的上肢肌力提供了参考 值。 刘亚军[36]（1995）运用肌电图方法对乒乓球直拍快攻打法的正手快攻和正 手弧圈球技术动作进行肌肉工作机制的研究。结果发现：正手快攻预备姿势时 运动员右膝关节屈105o，右肩前屈20o，肘关节屈107o，冈上肌、腓肠肌开始 放电。击球时右足用力蹬地、转腰，上臂带动前臂由后向前挥动。三角肌中束、 三角肌前束相继放电。触球前，前臂加速用力向左前挥击，手腕边伸边展，加 速前臂内旋。肱二头肌、旋前圆肌、胸大肌相继放电。肘关节成90o时开始触 球，肱二头肌、旋前圆肌、腓肠肌放电幅度增强。击球结束时，肘关节成80o 角，前臂骨旋内120o，桡腕关节外展10o，右膝关节屈120o。结果说明击球时 肌肉工作的特点是大关节带动小关节，各关节肌肉依次发力；各关节肌同时结 束用力；腰、腿部肌肉力量对正手快攻技术的发挥有着重要意义，上臂借助于 下肢蹬伸获得的地面支撑反作用力带动身体的移动和转动，继而带动上臂运动， 动量从腿、腰部向上肢传递是加速手臂击球速度的重要因素。正手拉弧圈时参 与工作的关节和肌肉与正手快攻一样，只是由于运动幅度的加大，关节角度发 生较大的变化。预备姿势时肘关节屈156o，膝关节屈100o左右；击球时肘关节 屈90o，膝关节屈125o左右。参与工作的肌肉顺序是上肢的三角肌中束、冈上 肌、三角肌前束、胸大肌、肱二头肌、旋前圆肌。下肢是腓肠肌外侧头、股二 头肌。正手快攻与拉弧圈球的肌肉最大用力时发力顺序基本相同。差异是拉弧 圈预备姿势肘关节角度大49o，膝关节小5o；拉弧圈肱二头肌、胸大肌放电量 大于正手快攻时的放电量，且放电时间长。 3.2 乒乓球步法移动的生物力学研究 乒乓球步法在乒乓球技术中的重要性是勿庸置疑的。对乒乓球步法移动规 律作出科学解释的重要方法依据就是生物力学的理论和研究方法。对于乒乓球 步法的认识，随着科学的发展也在不断深入。 北京体育大学博士学位论文 16 3.2.1 理论研究 国内对步法研究的开始阶段是对乒乓球步法的经验总结和翻译日本的一些 研究成果。随后研究者逐渐开始用生物力学的角度对对步法移动进行理论分析 并试图对步法移动规律做出科学的解释。研究者运用力学、解剖学的概念，分 析了“预动”在乒乓球步法移动中的积极作用和应用方法，以及如何运用力学 概念，结合步法移动现象对“预动”作用进行再认识。有研究者运用人体运动 的重心概念和人体重心移动规律，来认识乒乓球步法移动规律[37]。岑淮光[38] （2001 年）根据长期实践经验，把步法移动的用力技巧概括为：（1）起动是步 法移动的关键，起动的动力主要来自小腿和脚迅速用力蹬地来完成；（2）重心 交换是步法移动的核心，重心交换主要依靠大腿的力量；（3）膝关节弯曲的储 存能量是步法移动中击球时的主要能源；（4）腿脚要用力配合。 3.2.2 实验研究 在步法移动问题的研究上，吴修文[39]（1986）通过SMC—70 GP 计算机形 象制作系统对我国部分优秀运动员交叉步移动技术运用中的起动、腿交叉拍触 球和落地制动3 个部分进行分析，提供了李富荣在3 个阶段中，左膝关节的角 度变化值为155o、145o和115o。从李富荣膝关节角度变化的情况，可以知道他 身体重心的变化，起动时的重心高度大于落地时的重心高度。身体重心的变化 和步法移动的基本原理是一致的。 在乒乓球步法移动范围的研究方面，王家正等人[39]（1984）采用现场跟踪 统计的方法，对我国优秀运动员左推右攻技术打法、两面攻技术打法、弧圈球 技术打法和攻削结合技术打法4 种打法类型在比赛中的步法移动范围进行研 究。结果表明步法移动范围削球打法>弧圈球打法>左推右攻打法>两面攻打法。 日本 Nobuo Yuza 等人[39]（1992）通过在比赛现场的拍摄，对4 日本优秀运 动员中三种不同技术打法：日本式进攻打法（一名右手握拍、一名左手握拍）、 中国式进攻打法和削球打法在比赛中步法移动的范围进行了研究，分别为3.0 m2、2.1 m2、2.3 m2 和6.6 m2。 詹晓希等[39][40]设计了字母标记法，先以金泽洙的经典战例，对其步法组合 类型及落点和手法的对应关系等进行了系统记录。后又以改进了的字母标记法， 从步序的角度对各类步法中两脚落地的先后顺序实行标记，并对金泽洙、马林、 王皓、蒋澎龙的步法组合类型的运用进行了系统比较研究，提出了4 人前3 板 步法组合建构基本模型及共性、个性组合类型，系统地阐述了步法与落点之间、 步法与手法之间的对应关系，展现了世界优秀乒乓球运动员快速灵活简洁有序 北京体育大学博士学位论文 17 的步法特点。此研究虽然不属于乒乓球步法生物力学研究的范畴，但字母标记 法对乒乓球定量分析及提供了新思路，对乒乓球步法的生物力学分析具有借鉴 作用。 3.3 小结 （1） 对于动作技术的理论分析多是用生物力学的原理进行解释。 （2） 对于手法的实验分析，有关动力学的分析仅有 2 篇，有关运动学的 分析有不及10 篇，所用的方法主要是录像拍摄和解析的方法。 （3） 对于步法的研究较少，对步法的定量研究更是少见，对步法移动现 象的讨论还处于描述阶段，更多的步法问题在理论和实验研究上并未有较大的 发展。 4 乒乓球生物力学研究现状总结 国内外学者对于乒乓球运动项目的生物力学应用研究，已经做出了一些有 益的探索和贡献。但有关乒乓球生物力学的研究还不多，并且已有的研究还不 够系统和深入，所用的运动生物力学研究方法比较单一，乒乓球专项化的运动 生物力学仪器很少，对于乒乓球与乒乓球台、乒乓球拍碰撞的原理、乒乓球飞 行的运动状态、乒乓球动作技术原理（尤其为步法技术和技术的力学特征）等 方面尚未揭示，或揭示得还不够全面。随着科技的进步和人类对自身认识的提 高，集中多学科的力量，对乒乓球项目进行全面、综合地研究必将是一项十分 有意义的工作。 5 乒乓球生物力学领域研究的展望 5.1 乒乓球生物力学研究方法及仪器的展望 按研究方法划分，运动生物力学应用在体育中的研究大体可分为两类：一 是力学理论研究方法，二是实验研究方法。两者应当紧密结合，才能使运动生 物力学更好地在运动实践中应用。 力学理论研究方法的基础是经典力学理论，并应用它解释分析生物体运动 及探索其运动规律。力学理论研究方法优点是能使研究工作更加严谨和深人， 但由于模拟研究目标和对运动数学化描述的困难，这类研究难度很大，且研究 结果与运动实践尚有一定的距离。所以力学理论研究方法必须辅之实验和经验， 才能使它在实际应用方面的作用得以发挥，力学理论方法与实验测试方法两者 应当紧密结合。前者提供了运动普遍规律，对分析有理论指导意义，后者是理 北京体育大学博士学位论文 18 论研究与实际应用的桥梁，能使研究更好地为运动实际服务。 实验研究方法，它通过各种实验手段，测试记录体育运动过程，并以此作 为依据，结合经验，对运动技术进行分析对比，从而提出改进技术的意见和建 议。这种研究方式是以具体运动员的具体动作作为研究对象。实验通常用高速 摄影、录像、测力台测得运动学和外力参数，用肌电测试仪测人体内力参数， 然后通过数据处理和分析，来诊断运动技术的优劣及动作的合理性。这种方法 以实验手段为主，与运动实践联系紧密，能对运动员的技术训练直接施加影响。 但由于该方法研究和实验的对象是具有个体特征的人，不可避免地造成对共性 的运动规律研究的困难，从而使研究结论难以达到理论升华。因此实验方法必 须和力学理论研究共同发展、相辅相成，才能使运动生物力学学科渐趋深入完 善。 5.1.1 乒乓球力学理论研究方法的展望 该研究方法因为是通过模拟手段对人体运动仿真，一般包括五个步骤：一、 确定运动恃征，建立目标函数；二、选择模型确定刚体的自由度；三、建立动 力学模型（拉氏方法、Kane 方法、雅各宾法等）；四、实测已知数据并求解； 五、根据求解结果解释运动规律，这一步骤是将求得的数学规律化为体育运动 语言对运动技术进行合理的指导。 从对运动生物学在乒乓球运动项目中应用的现状，可以看到，以往用的最 多的是运用力学原理对一些现象进行解释。而利用力学理论研究的方法却很少。 根据此研究方法，可以对乒乓球中许多问题进行研究。 如对上肢各关节的关节力和力矩问题。建立上肢模型，整个上肢可分为上 臂、前臂和手（包括器械）3 个部分，根据上肢实际的生理结构和以往生物力 学建模的经验，拟将人体上肢简化为3 刚体7 自由度的物理模型。运用多刚体 系统动力学理论中的Kane 方法或者扎齐奥尔斯基的雅各宾法，建立系统运动学 和动力学方程，代入运动学参数、计算推导出球拍的力学参数以及郑秀媛公布 的人体环节参数，求出腕、肘、肩关节的关节力和力矩。 5.1.2 乒乓球生物力学实验研究方法的展望 运动生物力的实验研究方法在乒乓球运动项目中应用现状是，动力学研究 仅有1 篇，运动学测试也不多，所运用到的生物力学仪器很少。所以实验研究 方法在乒乓球运动项目中有极大的发展空间。 北京体育大学博士学位论文 19 5.1.2.1 常用的生物力学仪器在乒乓球项目中的应用 许多已经在其他专项中运用较为广泛的生物力学仪器在乒乓球运动项目中 尚未广泛使用。比如，三维测力台，肌电仪，足底压力鞋垫等。 三维测力台可以反映地面对人体的反作用力的大小和方向随时间的变化。 运动员击球的力最终是通过人体蹬地面，同时地面给人体的反作用力而实现的。 而对乒乓球运动员地面反作用力的动力学特征的描述至今尚无。 通过在运动员的鞋子里放上压力鞋垫，可以得出在移动过程中，脚底压力 的分布图，可以为乒乓球运动员鞋子的设计提供参数。 通过肌电仪可对完成某动作所参与的肌肉活动的强度和时间进行描述，确 定主要的参与肌群。用在乒乓球运动员身上，就可以很清楚的知道完成某动作 的肌肉用力顺序是什么，主动肌是那些，可为力量训练提供参考。 5.1.2.2 乒乓球专项化、反馈快速化的运动技术测试仪器的开发 这是运动生物力学测试仪器的发展趋势，至今为止，在乒乓球界中尚无有 此类测试仪器的研发成功。近年来一些运动项目专用的测试仪器不断出现。例 如，体操项目单杠、双杠、高低杠、跳马、吊环的测力系统、赛艇多参数遥测 分析系统、起跑蹬力测试系统、蹬冰力测试系统、游泳出发测力系统等。 其他专项的研究可为乒乓球专项化的测试仪器提供借鉴，比如考虑是否可 以在乒乓球拍上安装加速度传感仪。随着科学技术的迅速发展，加速度传感器 体积和质量都可以做到非常小，精度可以达到很高，此仪器可以实时监控球拍 三个方向上的速度、加速度和角速度，并可据此推算球拍的受力情况，以及击 打乒乓球后，球体获得的初速度。 考虑是否可以在乒乓球桌面下安装 4 个压力传感器，即将整个桌面作为测 力台，可以对乒乓球与球台的碰撞过程进行清晰的认识，进而对乒乓球碰撞前 后的速度、旋转进行推算，对于碰撞的力量以及乒乓球的落点都会有即时准确 的反映。 如果这些设想可以实现的话，将丰富乒乓球理论知识，对乒乓球运动的实 践会有快捷的帮助。 5.1.2.3 多机同步测试的研究 多机同步测试研究是运动生物力学研究的发展趋势。人体运动十分复杂， 因此，多机同步测试方法对各项运动技术研究十分重要。由于多机同步测试研 究需要的仪器多、经费多、时间长、技术人员多，而且多数动力学指标和生物 学指标的测试在正式大赛中很难进行，所以，多机同步研究的报道较少。随着 科学技术的进步和对运动技术研究的深入，多机同步测试研究将会得到较快发 北京体育大学博士学位论文 20 展。 对于乒乓球这项精密的运动，以往的研究多是从一维的视角来进行的，对 乒乓球运动的生物力学的研究应朝着多维的研究视角发展。比如，将摄像系统 和测力台系统同步的测试方法，综合运动学和动力学的数据对乒乓球运动进行 更加深入、全面的认识。 5.1.2.4 生物反馈技术在乒乓球运动技术训练中的应用 运动生物力学测试中提供给运动员、教练员的技术动作的速度、幅度、方 向、力量等指标数据，运动员在训练中很难掌握，如果将测试的数据转换成声、 光信号直接提示给运动员，表示其当前的动作是否达到了要求或某个范围，运 动员接收到声、光信号后，便马上做出反应，调整动作的幅度、强度、速度等 就容易得多。这方面研究在其他专项中已经取得了一定进展，例如，北京体育 大学金季春教授指导其博士生闫松华所研制的用于短跑训练的“测试鞋”，对每 一步的着地时间和腾空时间进行实时监控，正朝着生物反馈的方向发展。 生物反馈技术在乒乓球运动技术训练中的应用也是乒乓球运动项目生物力 学发展的趋势。 5.2 研究领域的展望 根据乒乓球运动专项运动生物力学研究的现状、运动生物力学学科发展趋 势、我国要继续保持乒乓球长盛不衰的势头以及我国向市场经济转轨的实际出 发，运动生物力学在乒乓球运动项目中的研究领域中，可以预计运动技术研究 仍将会占较大比例，同时，在全民健身、运动医学、康复医学、运动器材、服 装、仪器设备及工具等方面也会开展研制。具体可以从以下几个方面的研究： （1） 乒乓球手法的研究 （2） 乒乓球步法的研究 （3） 乒乓球与球拍碰撞、与球台碰撞的研究 （4） 对乒乓球拍运动的研究 （5） 乒乓球拍、乒乓球运动鞋的研制与优化 （6） 乒乓球运动员肌肉、骨骼力学特性的研究 （7） 乒乓球专项测试仪器的开发 （8） 乒乓球运动员损伤机理和预防的研究 5.3 小结 根据乒乓球运动专项运动生物力学研究的现状、运动生物力学学科发展趋 势、以及乒乓球运动发展的实际需求，运用多种运动生物力学的理论力学和实 北京体育大学博士学位论文 21 验研究相结合的方法，对乒乓球运动中的多个领域进行分析和研究，是运动生 物力学在乒乓球运动项目中的研究发展趋势。随着科技的进步和人类对自身认 识的提高，集中多学科的力量，对乒乓球项目进行全面、综合地研究必将是一 项十分有意义的工作。 6 总结 对乒乓球生物力学领域的研究进行了综述，又根据乒乓球运动专项运动生 物力学研究的现状、运动生物力学学科发展趋势以及乒乓球运动发展的实际需 求，对乒乓球运动生物力学研究进行了展望。 本论文根据乒乓球生物力学的现状和乒乓球生物力学发展的趋势，结合乒 乓球运动需要，依据现有实验仪器、个人能力以及实验经费时间的限制，从以 下几个方面对乒乓球生物力学的问题进行研究： （1）对乒乓球击球技术的研究。考虑到正手进攻技术是乒乓球比赛中最主 要的得分手段，本研究选取乒乓球正手快攻和弧圈球技术，每种技术分中等力 量和最大力量两种用力方式击球，共4 组技术动作，运用QUALISYS 运动学测 试系统与KISTLER 测力台测试系统同时试方法的实验方法，从运动学和动力学 两方面进行研究。 （2）研制开发一套乒乓球步法垫测试系统。利用中科院智能所的先进技 术――柔性薄膜阵列传感器，结合乒乓球运动的专项特点，研发一套专门用于 乒乓球专项的步法测试系统。对用乒乓球专项仪器的开发做一尝试。 （3）运用乒乓球步法垫测试系统对乒乓球步法的生物力学特征进行揭示。 对运动员在一场比赛中的步法移动的运动学特征进行研究。 北京体育大学博士学位论文 22 第一部分乒乓球正手快攻、弧圈球技术的生物力学研究 1 研究方法 运用三维摄像、三维测力两个测试系统同时测量的运动学和动力学的实验 研究方法，对乒乓球正手快攻、弧圈球技术进行生物力学测试。 1. 1 测试对象 测试者情况为北京体育大学运动系 10 名优秀乒乓球运动员，均为横握拍弧 圈结合快攻打法，胶皮为反胶（表1－1－1）。 表 1－1－1 受试者基本情况 人数 年 龄 （岁） 性 别 训练年限 （年） 握法 执拍手 打 法 类型 身 高 （m） 体 重 （Kg） 运动等级 10 20±2 男 11±3 横握 右手（8 人） 左手（2 人） 弧快 1.77 ± 0.06 67±12 一级（8 人） 二级（2 人） 1. 2 实验仪器 （1） QUALISYS－MCU500 红外光点测试系统（6 个摄像头、红外光点、 数据采集系统、电脑等） （2） KISTLER 三维测力系统（包括2 块三维测力台：型号9281AA 和 9281AA、信号放大器、数据测试及分析软件及电脑等） （3） 1 台Panasonic M9500 摄像机 （4） 乒乓球台、乒乓球拍和乒乓球 1.3 实验方法 具有 6 个摄像头的QUALISYS 运动学采集系统与KISTLER 测力台（两块 三维测力台）系统，外加1 台Panasonic M9500 摄像机，同时对乒乓球正手快 攻、弧圈球技术进行生物力学测试。实验测试系统安置及测试现场见图1－1― 1，图1―1―2，在北京体育大学生物力学实验室进行实验。 北京体育大学博士学位论文 23 图 1－1－1 实验测试系统安置及测试现场示意图 图 1－1－2 实验现场图 NO.3 NO.2 NO.1 NO.4 NO.5 NO.6 测力台 摄像机 计算机 计算机 北京体育大学博士学位论文 24 1.3.1 运动学测试 应用瑞典产 QUALISYS-MCU500 红外远射测试系统（6 个镜头）对乒乓球 运动员正手快攻、弧圈球技术进行测试。拍摄频率为100 幅/ s，每次采集时间 为5 s。与传统的高速摄影（录像）与解析方法相比，红外光点测试系统省却了 人工进行逐帧、逐点解析的繁重工作，不但可以对测试结果进行快速反馈，而 且避免了人工判读测量点所产生的人为误差。 运用 1 台Panasonic M9500 录像机配合QUALISYS－MCU500 红外远射测 试系统同步拍摄。QUALISYS 系统虽然能够方便、快捷、准确地获得复杂运动 的三维运动信息，但缺点是只能对红外光点进行拍摄，无法对真实人体及实物 运动信息进行采集（比如无法采集到乒乓球的运动）。故用一台录像机配合使 用，以获得更多的动作技术信息。拍摄频率为50 幅/s。 1.3.2 动力学测试 运用两块瑞士产 KISTLER 三维测力台对运动员击球过程中地面对人体的 地面支撑反作用力进行测试。每块测力台长0.6 m，宽0.4 m，面积为0.24 m2， 两块测力台中心的距离约为50 cm，测力台采集频率为1,000 HZ，每次采集时 间为5 s。两块测力台通过测力测试系统中的数据采集系统实现内同步。 1.4 实验过程 1.4.1 实验仪器调试 对 QUALISYS 6 个镜头的高度、俯仰角度和焦距进行调整，使坐标框架在 每个镜头中的位置处于中下部，且光点的大小合适。 然后对测试空间进行标定。标定时，实验人员在运动员技术动作可能会达 到的空间内不断晃动手中标定杆，以对测试空间进行标定。标定时间为10 s， 共1,000 个画面。系统自动计算6 个镜头的标定参数，并对是否通过标定进行 判定。 一台摄像机置于运动方向的右前方，距实验对象运动区域中心的距离约为 3 m，主光轴距地面的高度0.8 m，拍摄频率为50 幅/s，在拍摄之前调整摄像机 焦距并使之达到最清晰，然后锁定。 调整两块测力台的量程及精度，对三个方向上的力进行校正。设置采集频 率和每次采集时间。 北京体育大学博士学位论文 25 1.4.2 贴标志点 表 1－1－2 标志点名称及固定位置 名称 位 置 左、右肩 肱骨大结节最向外突出的部位 左、右肘 肱骨外上髁 左、右腕 桡骨茎突外下缘 左、右髋 大转子最高点 左、右膝 胫骨外侧髁 左、右踝 外踝最高处 左、右足跟 足跟最远处 左、右足尖 脚大拇趾最前端 球拍 球拍背面中心位置 测试运动员穿紧身衣，充分的准备活动后在其身体关节部位及球拍上贴置 反射标志点，共17 个标志点。为减少误差，所有运动员标志点的设置均由一人 完成。固定位置如图1－1－1 及表1－1－2 所示。 受试运动员中有两人为左手执拍，为了研究方便，在计算时将这些左手执 拍运动员的左侧关节作为右侧关节处理，右侧关节作为左侧关节处理。由于选 用的人体模型是对称的，这样的处理对结果无影响的。 1.4.3 动作技术测试 测试运动员站在测力台上，使两只脚分别站在每块测力台的中央，要求保 证两脚始终分别在面积为0.24 m2 的测力台区域里运动的前提下，自然地完成 技术动作。运动员依次完成两种技术四组动作的测试。两种技术为正手近台快 攻和正手弧圈球技术。每种技术用两种发力方式击球，一为用最大力量，二为 中等力量，要求运动员控制好击球力量。每组动作的测试方法为运动员一直进 行多球练习，由实验员判断当技术动作比较稳定时，开始采集，各个测试系统 同时采集5 s 后停止，然后保存文件，准备下一组动作的测试。测试应得到至 少3 次动作技术质量较高，且两个测试系统数据都完整的动作。 （1）正手快攻技术测试：陪练发多球，进行正手位斜线近台快攻练习。 （2）正手弧圈球技术测试：陪练发多球，进行正手位斜线弧圈球练习。 北京体育大学博士学位论文 26 1.5 数据处理 QUALISYS 采集系统对10 个人的两种技术的4 组动作进行了采集，每次采 集5 s，每个画面有17 个标志点，采集频率是100 幅/s，共获取标志点坐标原始 数据340,000 个，再对这些点坐标处理计算获得分析所需的速度、角度、角速 度等数据。 从录像上共获取 10 个人的4 组动作，共40 个动作技术录像，找出了每个 动作技术的击球时刻。 从测力台上获得 40 组技术动作在运动员在完成击球动作过程中地面对人体 在左右、前后、上下3 个方向上的支撑反作用力，采集频率是1,000 次/ s，采 集时间为5 s，即获取原始数据600,000 个。 3 个测试系统的数据是同步获取的，将3 个测试系统的数据进行了综合分析 与处理。 1.5.1 运动学参量的计算与处理 应用 QUALISYS 运动分析系统中的QTrc 软件获得各标志点的空间三维坐 标。 应用 Excel、Origin 等软件对原始三维坐标数据进行平滑与计算，得到用于 分析的运动学数据。数据平滑采用低通滤波方法，截断频率为8 Hz。 （1）击球时刻的判断 击球时刻是研究乒乓球击球动作的重要标志点，但由于QUALISYS 测试系 统的限制，不能在球上设置反光标志物，因此通过红外光点测试不能判断球拍 击球瞬间。这一问题可以通过我们对测试全过程拍摄的摄像机来解决。由于摄 像机和QUALISYS 是同步测试的，所以可以从录像上确定的击球时刻来推算出 由QUALISYS 采集动作技术中的击球时刻。运用视讯运动解析系统对所拍摄的 技术动作进行截取与逐场分析。由于红外光点测试频率为100 场/ s，拍摄频率 为50 场/ s（一帧分两场），因此确定出手瞬间画面的误差应小于0.02 s。 （2）关节角度的定义 由于人体在运动中，肩关节、肘关节、髋关节和膝关节等大关节都在做三 维空间复合运动。本实验参考国内外的有关文献资料，根据乒乓球运动中各关 节的运动特点和运动生物力学和运动解剖学的有关内容以及本文研究的方便， 本文选用空间角度来描述各个关节在空间的运动和位置，对本实验研究中所涉 及的相关的角度概念进行了如下定义（见定义及图1－1－3）。 肩关节角：同侧肩关节标志点与同侧肘关节标志点连线，和同侧肩关节标 北京体育大学博士学位论文 27 志点与同侧髋关节标志点连线之间的夹角。 肘关节角：同侧肘关节标志点与同侧肩关节标志点连线，和同侧肘关节标 志点与同侧腕关节标志点连线之间的夹角。 髋关节角：同侧髋关节标志点与同侧膝关节标志点的连线，和同侧髋关节 标志点与同侧肩关节标志点连线的夹角。 膝关节角：同侧髋关节标志点与同侧膝关节标志点的连线，和同侧膝关节 标志点同侧踝关节标志点连线的夹角。 转角：两侧肩关节标志点的连线与两侧髋关节标志点连线的夹角。 图 1－1－3 关节角度定义图 1.5.2 动力学参量的计算与处理 运用 KISTLER 数据分析软件对原始数据进行处理，后用Microsoft Excel 软件进行分析和处理。 1.5.3 动作阶段的选取 在每组技术动作 5 s 中的采集数据中，结合运动学数据和测力台数据，选取 运动学数据间断最少的一个动作周期进行分析。运动学数据间断部分由QTrc 软件应用插值方法进行自动补充。 测力台的采集频率是 1,000 次/ s，QUALISYS 测试系统采集频率为100 场/ s， 所以在选取动作阶段时，两个测试系统的误差小于0.01 s。 髋 肩 膝 腕 肘 肘角 膝角 髋角 踝 肩角 转角 髋 髋 肩 肩 北京体育大学博士学位论文 28 1.5.4 统计方法 对数据的统计分析以及表格、曲线图的处理是运用 Microsoft Excel 和 Origin 软件进行处理的。采用的统计学方法主要是独立样本T 检验。 北京体育大学博士学位论文 29 2 对乒乓球正手快攻、弧圈球技术的测试结果与分析 2.1 动作阶段划分及研究范围的确定 2.1.1 动作阶段划分 动作阶段划分图 1 51 101 151 201 251 301 351 401 451 时间 球拍速度 1 501 1001 1501 2001 2501 3001 3501 4001 4501 地面支撑反作用力 Fz2 Fy2 Fx2 图 1－2－1 动作阶段划分示意图 注：（1）特征画面和判断依据。An（n=1,2,3）点为还原时刻，判断依据为此时右脚在 左右、前后方向上的地面支撑反作用力接近为0；Bn 点为引拍结束时刻，判断依据为此时 球拍的速度在极小值；Cn 点为击球时刻，判断依据为此时在录像上显示球拍与球接触； Dn 点为随挥结束时刻，判断依据为此时球拍速度在极小值；An+1 点为再次还原时刻，判 断依据为此时右脚在左右、前后方向上的地面支撑反作用力再次接近为0。 （2）动作阶段。An—Bn 段为引拍阶段；Bn－Cn 段为挥击阶段；Cn—Dn 段为随挥阶 段；Dn—A n+1 段为还原阶段。 当发多球进行原地定点乒乓球基本击球技术练习时，连续击球动作可以看 A B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D3 北京体育大学博士学位论文 30 作是周期性的运动。一个乒乓球击球动作是一个较为复杂的过程，为了便于分 析，根据动作的任务和性质，可以将一次复杂完整的击球动作的整个过程划分 为不同的阶段。相互区分不同的阶段，有利于对完整的动作进行分析和研究。 在不同动作阶段的临界点，为击球技术的特征画面。 本实验中，在 5 s 的采集时间内，对优秀运动员原地定点击球技术进行测 试，由于优秀运动员的击球动作已形成动力定型，每次击球过程基本相同，所 以，所有的参数均显示出明显的和稳定的周期性变化。如图1－2－1 所示，球 拍的速度变化和地面对人体的支撑反作用力显示出规律性变化。由于本次实验 是原地击球，因此没有考虑步法移动与选位对动作阶段划分的影响。一个原地 击球技术动作周期结构，包括5 个特征画面和4 个动作阶段。An、Bn、Cn、 Dn、An+1?均为特征画面。An—An+1、Bn—Bn+1，Cn—Cn+1，Dn—Dn+1 均为从不同特征画面开始再到下一个该特征画面结束的一个动作周期。 本文结合录像观察、球拍的运动学变化和地面对人体的支撑反作用力的变 化对击球技术动作进行阶段划分的。通过录像分析，可以精确地找到击球时刻， 但是由于连续击球，球拍和身体处于运动状态下，没有一个明显的停顿时刻， 所以还原时刻、引拍结束时刻和随挥结束时刻的最远端只能主观去判断。之所 以选择球拍的速度变化图来分析，是因为击球过程中全身运动最终体现球拍的 运动变化上来，球拍在引拍结束和随挥结束时刻，合速度最小，在击球时刻， 球拍的速度为最大速度左右，所以用球拍的速度变化可以精确地区分引拍结束 时刻和随挥结束时刻，而还原时刻无法判断。当用测力台数据，即地面对人体 支撑反作用力的变化情况来分析时，可以精确地区分还原时刻。当在还原时刻 时，左右脚在左右和前后方向上的蹬地力应接近于0，本文以右脚的力（如图1 －2－1 下图所示）来判断还原时刻。本实验中的测力台数据和QUALYSIS 的数 据以及录像采集系统是同时测试的，三者的数据可以通过特征画面对应起来。 所以可以通过上述3 种方法的互相补充，来确定一个动作周期中的特征画面和 区分动作阶段。 2.1.2 研究范围的确定 本文根据乒乓球技术的特点，从技术动作结构着手及本研究的方便，选取 从An—An+1，即从第一次身体还原时刻开始到第二次还原时刻结束为一个击 球动作周期进行分析。5 个特征画面依次为第一次还原时刻（An）、引拍结束时 刻（Bn）、击球时刻（Cn）、随挥结束时刻（Dn）和第二次还原时刻（An+1）。 由5 个特征画面组成4 个动作阶段，分别为引拍阶段（An—Bn），击球阶段（Bn －Cn）、随挥阶段（Cn—Dn）和还原阶段（Dn—A n+1）。 北京体育大学博士学位论文 31 为了更好地找出乒乓球动作技术各参数的规律性变化，本章中所有的图均 是截取了Dn－1 — Bn＋1 段，比实际一个动作周期多了上一个周期的还原段和下一个周 期的引拍段。本章所有图是选用了具有代表性的一名运动员的运动学和动力学曲 线。图中横坐标为时间，上一个周期随挥结束时刻设为0 s。运动学部分时间单 位为毫秒（ms），角度的单位是度（o），位移的单位是毫米（mm），速度的单 位是毫米/秒（mm/s）。力学部分时间单位为微秒（μs），力的单位为牛顿（N）。 文中均值和标准差是对所有10 名运动员有关生物力学参数计算的结果。 为了对比最大力量和中等力量两种用力方式之间动作的差异，以及找出正 手快攻和正手弧圈球的技术的不同，对所有参数进行了独立样本T 检验。分别 做了3 组检验，一为两种力量快攻的对比，二为两种力量弧圈球技术的对比， 三为两种技术之间的对比，用的是最大力量快攻和最大力量弧圈球技术之间的 比较。为了行文的方便，将两种技术四个动作（中等力量正手快攻、最大力量 正手快攻、中等力量正手弧圈球和最大力量正手弧圈球）分别简述为轻打、重 打、轻拉和重拉。 2.2 球拍和上肢的运动 2.2.1 球拍的运动 作为环节链的末端，球拍的运动轨迹是全身各关节配合的体现。全身所有 的运动最终都要体现在球拍的运动上，运动员通过球拍的运动达到对来球的控 制，所以，本文对球拍的运动学特征进行详细地分析与描述。 2.2.1.1 球拍速度 2.2.1.1.1 主要正手进攻技术球拍速度的特征描述 图 1－2－2 中所示的球拍速度为球拍在3 个方向速度的合速度。在一个正 手进攻技术周期（A－a）中，球拍的速度经历两个波峰和一个波谷。在引拍阶 段（A－B），球拍向右后下加速引拍，到引拍最远端形成一个波谷，速度为最 小，然后球拍向左前上加速迎球挥拍，在速度最大值附近击球，后又减速随势 挥拍到达随挥最远端D 点，后又反向加速还原到a 点。 引拍的第一个波峰值小于第二个击球前后的波峰值。在引拍最远端和随挥 最远端时刻速度为两个波谷，但合速度不为0。并说明球拍在这两个时刻并未 完全停止下来。这里的速度是指左右、前后、上下方向上速度的合成，应该说 在引拍结束和随挥结束前后三个方向上的速度不是同时为0，而是依次为0，从 而达到既使球拍的方向发生了改变，又保证了球拍速度的连贯性。 北京体育大学博士学位论文 32 图 1－2－2 球拍速度特征图 2.2.1.1.2 两种技术之间、每种技术两种用力方式之间球拍速度的对比 表 1－2－1 反映了轻打、重打、轻拉和重拉在各个特征时刻的速度值。在 引拍结束时刻，打和拉技术，以及不同用力方式之间的打和拉之间的速度存在 差异。重打和重拉的引拍结束时刻的速度分别为1.58±0.26 m/s、0.88±0.58 m/s， 分别大于了轻打的0.96±0.42 m/s 和轻拉的0.81±0.49 m/s，差异显著。说明以 提高引拍的速度来增大击球的力量和速度，引拍为随后的击球积蓄了能量。打 和拉在引拍结束时刻的速度也差异显著，这一时刻拉的速度小于打的速度。 4 组动作击球速度分别为5.14±0.25 m/s、9.00±1.73 m/s、10.91±1.13 m/s 和13.28±0.51 m/s，经过T 检验对比，得出轻打的速度小于重打，轻拉的速度 小于重拉，重打的速度小于重拉，差异显著。同一种技术不同力量击球的球拍 速度的差异，说明我们设计的实验是成功的，达到了区分最大用力和中等用力 的目的，用力的不同最终体现在球拍速度的不同。 在随挥结束时刻，球拍速度达到一个较小的值，然后手臂加速还原，从表 1－2－1 和图1－2－2 中可以看到一个动作周期中的两个还原时刻的速度值基 本一样，说明优秀运动员在连续击球中动作的稳定性。 轻拉 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 0 50 100 150 200 时间 （ms） 速度(mm/s) A B C D a 轻打 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 50 100 时间 （ms） 速度(mm/s)A B C D a 重打 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 0 50 100 时间 （ms） 速度(mm/s) A B C D a 重拉 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 0 50 100 150 200 时间 （ms） 速度(mm/s) A B C D a 北京体育大学博士学位论文 33 表1－2－1 特征时刻球拍速度表（n=10） 单位： m/s 轻打 （M±SD） 重打 （M±SD） 轻拉 （M±SD） 重拉 （M±SD） 还原结束 A 2.91± 0.61 3.60±1.15 2.25±0.82 2.16±0.64 引拍最大值 3.98±0.72 4.60±1.09 3.78±0.57 3.96±0.83 引拍结束B 0.96±0.42﹟ 1.58±0.26 * 0.81±0.49﹠ 0.88±0.58 最大速度 5.24±0.25﹟ 9.33±1.32* 11.21±1.06﹠ 13.54±0.79 击球速度 5.14±0.33﹟ 9.00±1.73 * 10.91±1.13﹠ 13.28±0.51 随挥结束D 0.80±0.32 0.84±0.20 0.92±0.39 1.19±0.40 再次还原a 2.98±0.44 3.09±1.00 1.91±0.79 2.13±1.01 ﹟代表正手轻打和正手重打之间比较，差异显著； ﹠代表正手轻拉和正手重拉之间比较，差异显著； * 代表正手重打和正手重拉之间比较，差异显著。（后同） 2.2.1.1.3 击球瞬间球拍速度和挥拍最大速度的对比分析 在比较击球瞬间球拍速度和挥拍最大速度之间的关系发现，运动员并未在 球拍的最大速度击球。有的是在球拍出现最大速度之前，有的是在球拍出现最 大速度之后，但都是在最大速度附近时刻击球，分析了10 个运动员4 组动作球 拍最大速度和击球速度之差和出现时间，具体结果见表1－2－2。 表 1－2－2 球拍击球速度和挥拍最大速度及出现时间对比分析表（n=10） 轻打 重打 轻拉 重拉 速度之差（ｍ/s） （M±SD） 0.10±0.14 0.14±0.10 0.05±0.05 0.26±0.28 两速度之比（％） （M±SD） 98.04±2.73 98.44±1.15 99.54±1.48 98.16±1.89 后击球比例(％) 30.00 80.00 90.00 100.00 平均相差时间 (ms) －2.50 －2.25 －2.00 －3.60 前击球比例(％) 70.00 20.00 10.00 0 平均相差时间 (ms) 2.25 3.50 3.00 用两种用力方式分别完成正手快攻、弧圈技术时，球拍击球瞬间的速度都 基本上小于挥拍最大速度，占最大速度的比例为98％左右。在击球时间上，四 组动作有差异，其中轻打中，只有3 个运动员是在最大速度之后2.50 ms 左右 击球，占30.00 ％，而在重打、轻拉中，最大速度后击球的运动员占了很高的 北京体育大学博士学位论文 34 比例，为80.00 ％和90.00 ％，分别在最大速度出现后2.25 ms 和2.00 ms 左右 击球，当最大力量弧圈球技术时，所有运动员均在出现最大速度3.60 ms 之后 击球。 对于这一现象的理解，张辉[29]用球拍速度利用率来解释，球拍速度利用率 是指击球瞬间球拍速度占挥拍最大速度的百分比。认为水平越高的运动员，球 拍速度利用率越高，应像乒乓球教科书上描述的那样，在100％最大挥拍速度 击球时，拉或打的球质量就越高。 本文对这一观点持不同看法。对于初学者可以用球拍速度利用率来解释击 球的质量，由于初学者尚未掌握击球的适当时机，其击球瞬间球拍速度占最大 挥拍速度的比例是比较低的，随着球拍速度利用率的提高，其技术水平必将提 高；但对于高水平运动员，不能用球拍速度利用率来衡量击球质量的高低，运 动员都会在接近最大挥拍速度击球的，但并非是最大挥拍速度时击球。本文认 为这就是乒乓球击球技术的特点，并认为当追求较高的速度和旋转击球时，应 该是球拍出现最大速度之后的较大速度瞬间击球。 球拍触球瞬间的速度并非是挥拍最大速度时刻，这一现象表明运动员的击 球动作并不是在挥拍至最大速度时球拍与球的碰撞。球拍是上肢环节链的末端 环节，球拍速度的获得依赖上位各环节的运动速度及配合。这可能与运动员在 球拍触球瞬间试图以降低速度来增加球的稳度有关。击球的任务不仅是使球具 有较大的线速度和角速度，而且要对击出的球进行一定的控制，使球具有一定 的弧线、落点、稳度等加以运动员的战术意识。为了达到对球很好的控制，就 要以球拍的部分速度的减慢作为代价追求球的最大速度和对球更好的控制，是 矛盾统一的两个方面，优秀运动员在这两个方面上达到了统一。 刘卉[71]对网球大力发球技术击球时刻证明是在最大速度出现后0.009 s 击 球，澳大利亚学者ELliott[45]对网球的研究表明击球时刻也出现在最大挥拍速度 之后，时间为0.005s。在刘卉[42]对其他击打类项目（对棒球击球技术、排球扣 球技术、标枪投掷）的研究中也再次证明了这一点。由于这些项目所研究的技 术是以追求末端环节最大速度为目的的技术，上肢的技术可以类似地看作是鞭 打动作。各个项目技术均要求手在球出手（击球）瞬间处于最佳的姿位。标枪 和铅球投掷要求获得最佳的出手角度；棒球运动员要将球投入好球区；排球和 羽毛球运动员不但要将球扣过网，还要根据技战术的需要控制球的飞行路线和 落点。所以这些项目运动员手击球（球出手）出现在最大速度之后。 北京体育大学博士学位论文 35 2.2.1.2 球拍的时间特征 表 1－2－3 不同动作技术球拍的时间参数表（n=10） 正手快攻 正手拉弧圈球 轻打 （M±SD） 重打 （M±SD） 轻拉 （M±SD） 重拉 （M±SD） 总时间（s） 0.93±0.07 0.97±0.18﹡﹡ 1.45±0.13 1.49±0.23 时间（s） 0.33±0.07 0.35±0.09﹡﹡ 0.51±0.11 0.55±0.10 引拍 百分比(%) 35.20±5.70 36.35±4.91 35.24±7.27 37.54±5.52 时间（s） 0.17±0.05 0.16±0.05 0.22±0.09 0.20±0.07 挥击 百分比(%) 17.93±5.81 17.21±5.40 14.74±5.20 13.62±4.34 时间（s） 0.24±0.06 0.23±0.05 0.25±0.03 0.25±0.03 随挥 百分比(%) 25.33±5.70 24.03±5.91﹡﹡ 17.40±1.78 16.78±1.73 时间（s） 0.20±0.06 0.21±0.06﹡﹡ 0.47±0.06 0.48±0.09 还原 百比分(%) 21.54±7.08 22.42±5.64﹡﹡ 32.63±2.30 32.06±3.36 引拍＋ 时间（s） 0.53±0.07 0.56±0.12﹡﹡ 0.56±0.24 0.98±0.24 还原百分比(%) 56.74±4.25 58.77±5.61﹡ 38.89±16.86 66.22±12.70 挥击＋ 时间（s） 0.40±0.04 0.39±0.04 0.89±0.26 0.49±0.18 随挥百分比(%) 43.26±4.25 41.24±5.61 61.11±16.86 33.78±12.70 注： ** p<0.01，代表经t 检验，两组差异非常显著（下同）。 实验结果表明（表1－2－3），用最大力量和一般力量完成同一动作技术时， 在时间参数上两者无差异。当比较正手快攻与正手拉弧圈球时，可发现两个动 作技术在时间参数上存在显著差异。 正手快攻 正手弧圈球技术 图 1－2－3 正手快攻和正手弧圈球技术时间特征图 优秀运动员完成一次正手快攻技术动作时，总时间平均为0.95±0.13 s，引 引拍 35% 挥击 17% 随挥 25% 还原 23% 引拍 37% 挥击 14% 随挥 17% 还原 32% 北京体育大学博士学位论文 36 拍阶段、挥拍击球阶段、随挥阶段和还原阶段平均用时分别为0.35 s、0.16 s、 0.23 s、0.21 s，四个阶段分别占总时间的35％、17％、25％和23％。 优秀运动员完成一次正手拉弧圈球技术动作时，总时间平均为 1.47±0.18 s，引拍阶段、挥拍击球阶段、随挥阶段和还原阶段平均用时分别为0.55 s、0.20 s、0.25 s、0.48 s，四个阶段分别占总时间的37％、14％、17％和32％。 经 T 检验，正手快攻技术和正手弧圈球技术在时间参数上的特征表现为， 正手弧圈球技术的总时间长于正手快攻技术，在引拍和还原两个阶段所用时间 百分比明显长于正手快攻，而随挥阶段所用的时间百分比短于正手快攻。挥拍 击球时间及百分比，两种技术基本上相似。 2.2.1.3 球拍的空间特征 乒乓球运动中，运动员根据不同的战术目的，对不同的来球采用不同击球 技术进行还击，同时对运动员的各个阶段的动作幅度也有不同的要求。 图 1－2－4 球拍在三个方向上移动的轨迹图 注：左为正，右为负；后为正，前为负；上为正，下为负。 左右 前后 上下 轻打 -1000 -500 0 500 1000 0 50 100 时间 （ms） 位移(mm) A B C D a 重打 -1000 -500 0 500 1000 1500 0 50 100 时间 （ms） 位置(mm) A B C D a 轻拉 -1000 -500 0 500 1000 1500 0 50 100 150 200 时间 （ms） 位置(mm) A B C D a 重拉 -1000 -500 0 500 1000 1500 0 50 100 150 200 时间 （ms） 位置(mm) A B C D a 北京体育大学博士学位论文 37 从图1－2－4 中可以看出，正手快攻和正手拉弧圈球的运动轨迹不一样。 同一技术不同力量的击球的运动轨迹基本相同。在一个动作周期中，球拍在左 右方向上的变化经历两次波峰和波谷，显示出双波峰的特点，引拍过程中出现 一个小波谷，第一个波峰出现在引拍最远端时刻，波谷出现在击球时刻附近， 在随挥最远端达到另外一个峰值；前后上下方向上打和拉的曲线不尽相同，拉 比打多出一个小峰值，基本上都是向后引拍在引拍结束时达到向后的最远距离， 进而向前挥拍，到随挥最远端达到向前达到最大值；上下方向上都是先下降， 在引拍结束左右达到最小值，后向上挥拍击球，然后随挥至最高点再向下还原 成一个周期。 表 1－2－4 不同动作技术球拍的空间参数表（n=10） 单位：m 正手快攻正手拉弧圈球 轻打 （M±SD） 重打 （M±SD） 轻拉 （M±SD） 重拉 （M±SD） 左右 -0.18±0.11 -0.23±0.13﹡ 0.37±0.35﹠ 0.52±0.21 前后 0.62±0.51 0.67±0.12﹡ 0.91±0.10 0.95±0.06 引 拍 上下 -0.09±0.41 -0.19±0.10﹡ -0.45±0.16 -0.46±0.21 左右 -0.09±0.15﹟ -0.28±0.10﹡ -0.45±0.19 -0.44±0.23 前后 -0.28±0.28 -0.31±0.26﹡ -0.46±0.16 -0.43±0.07 挥 击 上下 0.04±0.30 0.09±0.08﹡ 0.33±0.17 0.39±0.13 左右 0.40±0.07﹟ 0.65±0.10﹡ 0.73±0.19 0.81±0.12 前后 -0.27±0.40 -0.45±0.20 -0.34±0.14 -0.43±0.04 随 挥 上下 0.22±0.31 0.49±0.06 0.89±0.15 0.77±0.37 左右 -0.13±0.18 -0.12±0.08﹡ -0.32±0.21 -0.39±0.19 前后 -0.02±0.08 -0.04±0.07 -0.10±0.11 -0.19±0.13 还 原 上下 -0.19±0.22 -0.38±0.11﹡ -0.58±0.06 -0.58±0.11 左右 0.86±0.17﹟ 1.28±0.24﹡ 1.76±0.34 1.82±0.38 前后 1.58±0.44 1.75±0.21﹡ 1.83±0.19 1.90±0.12 总 路 程上下 1.17±0.26 1.20±0.19﹡ 2.07±0.30 2.00±0.57 注：左为正，右为负；后为正，前为负；上为正，下为负。 2.2.1.3.1 引拍阶段球拍的方向和幅度 虽然运动员完成正手快攻和正手弧圈球技术时球拍的运动轨迹不太一样， 但引拍过程中球拍是向下和向后运动的。如表1－2－4 所示，经T 检验，用两 种用力方式完成正手快攻技术之间，引拍的幅度没有差异；正手弧圈球技术和 北京体育大学博士学位论文 38 正手快攻技术之间差异显著，重拉幅度大于重打的幅度；当比较用两种用力方 式完成正手弧圈球技术之间发现，在左右方向上有差异。 向下的幅度，最大力量弧圈球技术为 0.46±0.21 m，快攻为0.19±0.10 m； 向后的幅度，正手弧圈球技术为0.95±0.06 m，正手快攻是0.67±0.12 m；向右 的幅度最大力量弧圈球技术为0.52±0.21 m，正手快攻为0.23±0.13 m，差异显 著。说明引拍阶段正手拉球在上下、前后、左右方向上球拍的运动幅度均大于 正手快攻。 当比较轻拉和重拉在引拍幅度时，发现重拉比轻拉向右的幅度要大，而在 前后、上下方向上没有差异。 当观察 QUALISIY 的三维动画时可以发现，引拍过程的轨迹不是沿从还原 时刻到引拍结束时刻连线的直线运动，而是个曲线，弧圈球技术曲线的弧度更 大。 2.2.1.3.2 挥击阶段球拍的方向和幅度 由于经过正手弧圈球技术大幅度的引拍后，在这一阶段上，正手弧圈球技 术在3 个方向上运动幅度大于正手快攻的运动幅度，差异显著。 由动量定理可知，物体运动过程中，在某段时间内动量的改变等于所受合 外力在这段时间内的冲量，即 F t mV mV0 t ? Δ = ? 在本研究中，为了增加末端环节的运动速度，即增加球拍的动量，应增加 在最后用力阶段对球拍的冲量。这就要求在发挥最大力量的同时，延长力的作 用时间。根据人体肌肉用力特点，如果有意识地放慢动作的速度来延长作用时 间，会降低肌肉收缩力量，不利于肌肉的爆发收缩，也就不能达到增加冲量的 目的。正确的作法是，在保证发挥肌肉最大用力的同时，通过延长力的作用距 离来延长作用时间。 2.2.1.3.3 随挥阶段球拍的方向和幅度 随势挥拍是整个发力过程中的一个组成部分，是在保证击球动作最后阶段 准确性前提下的一个制动过程，向左上前方继续随势挥拍，球拍速度从最大降 到最小。球拍在左右方向上移动的距离，重拉0.81±0.12 m，大于重打的0.65 ±0.10 m；在上下方向上，重拉向上移动了0.77±0.37 m，大于重打向上移动的 0.49±0.06 m；前后方向上移动的距离相似，在0.44 m 左右。 2.2.1.3.4 还原阶段球拍的方向和幅度 迅速还原指的是击球动作完成后，球拍、身体重心和基本站位的还原，以 北京体育大学博士学位论文 39 便为下一次击球做好准备。由表1－2－4 及图1－2－3 可以看到，还原阶段的 运动方向是以向下为主的，略有前移，左右方向上还原的距离两者有差异，正 手最大力量快攻向右移动了0.12±0.08 m，而正手最大力量弧圈球技术快攻的 幅度，大于正手快攻，为0.39±0.19 m。 在还原阶段，可以看到无论是正手快攻还是正手拉弧圈球，球拍走的是弧 线，路线是从远离身体的位置，到靠近身体的还原位置。这种方式一是为了便 于预判，二是为了利于引拍。虽然本文连续击球的实验研究，但优秀运动员的 动作结构合理，打完一板球后，使身体快速回复到还原状态，并使球拍靠近自 己的身体。因为在每次击球完，运动员对下一次击球的方向和落点，是处于未 知的高度警惕状态，于是体现在还原技术上，就是使球拍靠近自己的身体。这 样便于下一个击球技术时无论向正手和反手的快速引拍，而且当以球拍靠近身 体小半径引拍时，会减小身体的转动惯量，从而增到了引拍时的转动速度，更 利用快速引拍。 2.2.1.3.5 挥拍总路程特征 在左右方向上，重拉时球拍的距离最远，为 1.82±0.38 m，其次是轻拉， 距离为1.74±0.34 m，弧圈球技术距离大于打球，差异显著。正手重、轻力量 快攻在左右方向的距离分别是1.28±0.24 m、0.86±0.17 m，轻打和重打两者在 左右方向上的距离差异显著。 在前后方向上，弧圈球技术时球拍的距离也大于正手打球的距离，重拉为 1.90±0.12 m，重打为1.75±0.21 m。 在上下方向上，比较重拉和重打的路程，发现弧圈球技术和打球之间也存 在着显著性差异，弧圈球技术的距离大于了打球的距离，分别为2.00±0.57 m 和1.20±0.19 m。 每一次完整的击球技术，在 3 个方向上，球拍的运行距离约为2 米。从前 面的分析可知，球拍在整个击球中运行的轨迹是弧线。而本文中所计算出的各 个方向的距离，只是用两点间距离对球拍运行路程的粗略计算，实际路程要大 于简单的用两点间距离，因为弧线要大于两点间的直线距离。由此可见，乒乓 球运动员击球的运动幅度是很大的，可以将挥拍的距离作为运动员比赛和练习 时评价运动量的一个指标。 2.2.2 上肢的运动 2.2.2.1 上肢关节角度、角速度的变化 图 1－2－5 显示了在4 种击球动作下执拍侧和非执拍侧的肩、肘关节角度 北京体育大学博士学位论文 40 的变化。两种不同力量的正手快攻技术，曲线基本相似。两种力量的弧圈球技 术之间的角度变化基本相似。非执拍侧的肩、肘关节角度在正手快攻中的变化 不明显，而在弧圈球技术中有小幅度的变化。在整个动作过程中，肘关节的角 度基本上大于肩关节的角度。右肩角度是先增大到引拍结束时刻左右达到最大 值，而后减小，至随挥结束左右时刻达到最小值，后再增大，呈现波峰－波谷 的变化特征，而右肘关节角度变化则相反，先是减小，然后增大，再减小，再 增大，出现两次波谷和两次波峰。 图 1－2－5 左右肩肘角度的变化 2.2.2.1.1 右肩关节角度和角速度的变化 在引拍阶段，除了正手快攻引拍结束时刻右肩关节角度小于还原时刻以外， 其余在引拍结束时刻右肩的角度都大于还原时的角度。在这一过程中，4 组动 作肩关节运动形式基本一致，只是在动作幅度和运动时机上有所不同。经检验， 引拍结束时的右肩关节角度，重打（37o）大于轻打（22o），重拉（38o）大于 轻拉（34o），弧圈球技术的引拍角度大于正手快攻。 轻拉 0 50 100 150 200 0 50 100 150 200 时间 （ms） 角度(0) A B C D a 右肩角 右肘角 左肩角 左肘角 轻打 0 50 100 150 0 50 100 时间 （ms） 角度(0) A B C D a 重打 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 50 100 时间 （ms） 角度(0) A B C D a 重拉 0 50 100 150 200 0 50 100 150 200 时间 （ms） 角度(0) A B C D a 北京体育大学博士学位论文 41 表 1－2－5 右肩关节角度（n=10） 单位：o 轻打 （M±SD） 重打 （M±SD） 轻拉 （M±SD） 重拉 （M±SD） 还原时刻 A 26.25±6.08 25.23±5.89 24.42±5.24 25.41±6.38 引拍结束B 21.58±7.84 ﹟ 36.77±5.10﹡ 33.85±9.79﹠ 38.29±6.23 击球时刻C 20.60±9.66 25.64±8.52 19.75±8.75 24.63±17.13 随挥结束D 50.54±8.74 ﹟ 63.99±6.48﹡ 76.31±8.18 73.23±10.23 再次还原a 24.16±6.28 30.39±8.35 21.45±5.91﹠ 30.50 ±13.23 在引拍阶段，上臂不同程度的外展，臂的外展可以使三角肌前部和胸大肌 受到拉伸，这种牵拉作用使肌肉中储存了弹性势能并刺激了牵张反射，使这些 肌肉随后的收缩更加快速有力。 图 1－2－6 右肩、右肘角速度的变化 在挥拍击球阶段，上臂快速屈，肩关节角度迅速减小，见图1－2－6，轻打、 重打 -400 -200 0 200 400 600 0 50 100 时间 （ms） 角速度( A B C D a 0/s) 右肩 右肘 轻打 -200 -100 0 100 200 300 0 50 100 时间 （ms） 角速度(0/s)A B C D a -600 轻拉 -400 -200 0 200 400 600 800 0 50 100 150 200 时间 （ms） 角速度(0/s) A B C D a 重拉 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 0 50 100 150 200 时间 （ms） 角速度(0/s)A B C D a 北京体育大学博士学位论文 42 重打、轻拉、重拉分别在20o、25o、19o、24o左右击球，击球时刻肩关节的角 速度接近于最大。 在随势挥拍阶段，上臂继续向前缓慢内收，角速度又开始增加，到随挥最 远端附近，肩关节角度达到最大，轻打、重打、轻拉、重拉分别达到50o、64o、 76o和73o。 在还原阶段，肩关节角度下降的趋势非常明显，肩关节迅速还原到起始位 置的30o左右。 2.2.2.2 右肘关节的角度、角速度变化 表 1－2－6 右肘关节角度（n=10） 单位：o 轻打 （M±SD） 重打 （M±SD） 轻拉 （M±SD） 重拉 （M±SD） 还原时刻 A 89.09±10.77 92.11±13.06 69.14±8.95 77.45±9.91 引拍结束B 110.42±6.77 111.40±9.68 ﹡ 122.68±10.40﹠ 130.36±9.07 击球时刻C 99.69±4.95 95.37±3.87 ﹡ 108.40±9.72 101.73±2.48 随挥结束D 81.04±16.00 76.50±13.77 67.74±7.89 70.23±8.18 再次还原a 91.92±9.48 89.73±10.38 75.53±8.99 91.06±22.12 肘关节在整个动作过程中由伸展状态到快速屈曲（见图1－2－6）。在引拍 阶段，为肘关节的伸展阶段，在引拍最远端时肘关节角度达到最大，可见肘关 节并未完全伸直。引拍结束时刻，最大力量弧圈球技术的角度大于最大正手快 攻的角度，分别为130o和111o，差异显著。重拉比轻拉后引的肘关节角度也要 大，轻拉时是123o（见图1－2－5、表1－2－6）。 在挥拍击球阶段，肘关节快速屈曲。弧圈球技术击球时刻的肘关节角度大 于打球时的肘关节角度。重拉时是102o，重打时是95o。且重打、重拉在击球 时刻的肘关节角度均小于对应的轻打、轻拉，这是由于重打、重拉击球的速度 快的缘故。 在随势挥拍阶段，肘关节继续屈曲，这是肘关节的速度开始降低，在随挥 最远端达到屈曲最小值，也几乎整个动作过程中的肘关节最小值，轻打、重打、 轻拉、重拉时的角度分别为81o、76o、68o和70o。 还原阶段，肘关节角度开始缓慢增大，到达起始状态。 2.2.2.2 非执拍侧上肢的关节角度变化 从表 1－2－7、表1－2－8 和图1－2－5 可以看到，非执拍侧上肢的肩角 和肘角，在整个过程中变化不大。尤其是在正手快攻中，变化很小，在正手弧 北京体育大学博士学位论文 43 圈球技术中，有小范围的角度变化。 表 1－2－7 左肩关节角度（n=10） 单位：o 轻打 （M±SD） 重打 （M±SD） 轻拉 （M±SD） 重拉 （M±SD） 还原时刻 A 17.06±5.22 17.43±7.94 ﹡ 25.29±10.66 22.70±4.97 引拍结束B 17.85±4.81 21.53±8.18 ﹡ 31.09±15.61 35.27±15.12 击球时刻C 17.40±5.10 19.79±6.44 ﹡ 28.60±11.98 31.82±14.32 随挥结束D 17.19±3.91 16.42±4.05 ﹡ 21.25±7.96 23.91±9.79 再次还原a 16.74±4.55 17.87±9.15 ﹡ 22.90±6.86 24.11±3.05 在快攻中，左肩角为17o左右，左肘角为87o左右，在弧圈球技术中，左肩 的角度为22o～31o变化，左肘的角度在75o～83o左右变化。非持拍侧手臂的摆 动不仅是为了维持身体平衡，而且还起到协调发力的作用。 表 1－2－8 左肘关节角度（n=10） 单位：o 轻打 （M±SD） 重打 （M±SD） 轻拉 （M±SD） 重拉 （M±SD） 还原时刻 A 87.42±5.02 80.03±10.24 79.77±8.89 79.22±8.56 引拍结束B 87.13±6.04 81.53±7.66 78.33±9.15 83.86±2.37 击球时刻C 86.93±5.85 80.56±6.96 75.84±8.11 77.80±5.27 随挥结束D 87.22±5.27 79.06±10.94 76.93±9.41 80.16±9.59 再次还原a 86.88±5.64 79.96±11.46 81.18±7.08 78.33±7.31 2.2.2 上肢各关节的速度变化 图 1－2－7 显示，执拍侧，肩速最小，肘速次之，腕速第三， 手速第四， 动量依次传递，逐步积累，最终使末端的球拍获得最大的速度，并在到达速度 峰值瞬间前后击球。 经仔细分析 10 人的所有技术动作，发现上肢各关节最大速度在引拍阶段和 挥拍击球阶段出现的顺序没有定式，动作与动作之间，个体与个体之间差异较 大。 这一观点和以往前人关于此问题的分析结果不一样。柳天洋[30]、张辉[29]、 孟杰[34]等的先后研究均认为在引拍和挥拍击球过程中，上肢各关节的发力顺序 北京体育大学博士学位论文 44 遵循肩、肘、腕、拍的顺序，大关节带动小关节依次发力。乒乓球教科书上也 持有相同的观点。 图 1－2－7 上肢各关节及球拍速度图 运动生物力学原理告诉我们，在一些并不需要克服大阻力产生极大运动速 度动作中，可依据运动项目的特点，关节活动的顺序可以有多种配合方式，小 环节的运动对关节活动中也起到重要作用。乒乓球击球技术不是典型的上肢鞭 打动作，因为并不是所有技术都是追求球拍达到最大击球速度为目的的。提示 我们，小关节的力量也很重要，在发展乒乓球专项力量时不要忽略一些小关节 部位，力量发展要均衡。 在柳天洋、张辉的研究中，实验对象为 5 人，孟杰的样本量为2 人，而本 文是对10 名运动员的40 个技术动作分析后得到的结论。对此问题的一步进研 究，需扩大样本量，分不同运动等级、不同动作技术进行研究。 重打 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 0 50 100 时间 （ms） 速度(mm/s) A B C D a 轻拉 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 0 50 100 150 200 时间 （ms） 速度(mm/s)A B C D a 重拉 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 0 50 100 150 200 时间 （ms） 速度(mm/s)A B C D a 轻打 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 50 100 时间 （ms） 速度(mm/s) A B C D a 右肩 右肘 右腕 左肩 左肘 左腕 球拍 北京体育大学博士学位论文 45 2.3 躯干和下肢的运动 2.3.1 躯干的运动 图 1－2－8 躯干转动角度 躯干扭转角描述了整个运动技术过程中躯干绕纵轴扭转的运动幅度。躯干 扭转角越大，说明躯干肌肉的拉伸程度越大，从而储存的弹性势能越大。躯干 连接着上肢和下肢，下肢蹬伸产生的动量通过躯干“传送带”传向上肢。躯干 动作的好坏决定着下肢动量的利用率。同时，躯干也是身体“弹簧”的一部分， 自身的转动也产生角动量向上传给上肢、再传给球拍，使球拍获得更大的动量 [34]。 从图 1－2－8 中可以看到，在整个击球过程中，身体有两次扭转。第一次 扭转是在引拍结束时刻最大，在击球附近达到最小，随后一次扭转是在随挥最 远端达到另外一个峰值。从表1－2－9 中可以看出，重拉时，躯干扭转程度最 大，轻打时的躯干扭转程度最小。统计结果表明，打和拉之间躯干扭转程度差 别明显，正手弧圈球技术大于正手快攻球；轻打（12o）和重打（22o）之间， 轻拉（25o）和重拉（27o）之间，差别也显著，分别为最大力量打或拉的躯干 轻拉 0 5 10 15 20 25 30 35 0 50 100 150 200 时间 （ms） 角度(度) A B C D a 轻打 0 2 4 6 8 10 12 14 0 50 100 时间 （ms） 角度(度) A B C D a 重打 0 5 10 15 20 25 30 0 50 100 时间 （ms） 角度(度) A B C D a 重拉 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 50 100 150 200 时间 （ms） 角度(度) A B C D a 北京体育大学博士学位论文 46 扭转角度大于中等力量的打或拉。 表 1－2－9 躯干扭转角度（n=10） 单位：o 轻打 （M±SD） 重打 （M±SD） 轻拉 （M±SD） 重拉 （M±SD） 还原时刻 A 8.17±3.21 11.55±5.91 12.54±4.13 14.04±5.80 引拍结束B 11.77±7.25 ﹟ 21.74±8.37 * 24.68±9.91 ﹠ 28.83±6.67 击球时刻C 8.46±8.96 13.78±6.33 19.35±9.71 22.47±10.67 随挥结束D 10.86±1.93 14.79±9.82 13.39±6.82 14.96±5.03 再次还原a 8.35±4.27 12.22±5.58 12.41±4.86 14.81±4.75 两次扭转的机制是不同的。第一次扭转，是身体主动向右扭转，第二次是 被动的扭转。在引拍阶段，左侧腹外斜肌和右侧腹内斜肌的收缩使运动员处于 躯干扭转姿势，这个姿势拉长了运动员对侧腹内、外斜肌。当躯干达到最大相 对扭转后，在右侧腹外斜肌和左侧腹内斜肌拉长后的弹性回缩和主动收缩两种 力量的作用下，躯干绕身体纵轴快速向左转动，并使右肩获得一定的向前运动 速度。第二次扭转是随势挥拍过程中身体随着向左扭转的惯性随挥向左扭转， 右侧腹外斜肌和左侧腹内斜肌的收缩和对侧肌肉的拉长就成为制动躯干扭转的 力量。 从文献中对肌肉拉长——缩短周期的研究可知，与无预先拉长的肌肉收缩 相比较，肌肉拉长离心收缩后紧接着的向心收缩能产生更大的肌张力，肌肉工 作的功与功率更大，这一现象可归因于肌肉先拉长后收缩使肌肉有更长的时间 发展力量以及牵张反射增加了肌肉的激活水平[42]。同时，肌肉与肌腱的弹性也 起到了一定的作用，肌肉拉长后，向心收缩的速度由于弹性元的回弹作用而增 加，由于肌肉与肌腱的弹性作用，在一定的收缩速度下，收缩元的收缩可以产 生更大的张力；或者在一定的张力下，收缩元的收缩速度增大。因此各项目躯 干扭转对肌肉的拉长将有利于增加后继躯干向前转动动作的力量和速度。 当肌肉维持紧张时，一部分弹性能将保留在肌腱和并联弹性元中，但也会 逐渐消耗。因此只有在肌肉积极拉伸后迅速地转换为向心收缩，被拉长的肌肉 所储存的弹性能仍未衰减时，弹性能的重新利用才有实质性的作用与意义。从 这个角度也可以说明引拍阶段的重要作用，所以不仅在于给击拍手让开空间击 球，而且为挥拍击球积蓄力量。 北京体育大学博士学位论文 47 图 1－2－9 躯干扭转角速度图 躯干扭转速度可以衡量躯干扭转的效率。在肌肉的拉长——缩短周期中， 拉长幅度越大、缩短时间越短，肌肉输出功率越大。在整个运动过程中，作为 基础环节的躯干起带动作用，躯干的运动效果、运动速度和方向直接影响后继 上肢动作的质量与效果。 在击球时刻，转动的角速度都不大（图1－2－9）。根据动量的定义，更大 的躯干转动角速度会产生更大的角动量。在产生时间上，这些需要传递给上肢 的角动量，只有在击球时刻前产生并传递给上肢才能有效利用于上肢挥拍。这 说明在击球时刻前的挥拍过程，他们已经充分转动了躯干并将角动量上传给了 上肢。 2.3.2 下肢的运动 2.3.2.1 下肢各关节的角度变化 重打 0 5 10 15 20 25 30 0 50 100 时间 （ms） 转角速度(0/s)A B C D a 轻拉 0 5 10 15 20 25 30 35 0 50 100 150 200 时间 （ms） 转角速度(0/sA) B C D a 轻打 0 2 4 6 8 10 12 14 0 50 100 时间 （ms） 转角速度(0/s)A B C D a 重拉 -400 -300 -200 -100 0 100 200 0 50 100 150 200 时间 （ms） 转角速度(度A /s) B C D a 北京体育大学博士学位论文 48 图 1－2－10 下肢各关节角度 如图 1－2－10 所示，同一个技术的两种力量打法的曲线图的变化是相同的。 而打和拉之间是有所不同的。在轻打和重打中，右膝关节角度在引拍阶段是增 加到最大值，而后在挥拍击球和随势挥拍阶段降低，在随挥最远端，右膝关节 角度最小。而在轻拉和重拉方面则相反，是在引拍阶段先减小到最小值，然后 随势还原阶段再增加到最大值。其余角度的变化，两种技术相似，只是峰值谷 值大小的差异。 表 1－2－10 右髋关节角度（n=10） 单位：o 轻打 （M±SD） 重打 （M±SD） 轻拉 （M±SD） 重拉 （M±SD） 还原时刻 A 146.79±6.75 149.76±8.70 151.48±11.81 148.37±6.97 引拍结束B 143.89±4.94 140.69±9.19 * 128.34±10.95﹠ 105.88±7.38 击球时刻C 146.03±7.42 145.91±11.92* 140.07±9.88﹠ 129.06±3.42 随挥结束D 150.36±5.55 155.48±6.53 164.80±9.84 161.39±13.67 再次还原a 146.97±5.75 150.87±8.95 152.58±12.15 139.55±10.97 轻打 130 140 150 160 170 180 0 50 100 时间 （ms） 角度(度) A B C D a 重打 120 130 140 150 160 170 0 50 100 时间 （ms） 角度(度) A B C D a 轻拉 0 50 100 150 200 0 50 100 150 200 时间 （ms） 角度(度) A B C D a 重拉 0 50 100 150 200 0 50 100 150 200 时间 （ms） 角度(度) A B C D a 右髋角 右膝角 左髋角 左膝角 北京体育大学博士学位论文 49 表 1－2－11 右膝关节角度（n=10） 单位：o 轻打 （M±SD） 重打 （M±SD） 轻拉 （M±SD） 重拉 （M±SD） 还原时刻 A 153.89±6.51 151.44±7.63 151.73±3.40 151.75±3.56 引拍结束B 157.33±6.61 152.33±12.51 * 137.48±6.77﹠ 129.01±4.39 击球时刻C 158.71±5.29 153.25±9.86 * 140.07±4.88﹠ 132.96±9.22 随挥结束D 155.64±5.29 149.52±10.49 146.50±14.48 146.08±1.19 再次还原a 154.82±4.86 148.85±8.81 151.74±3.84 145.01±19.17 表 1－2－12 左髋关节角度（n=10） 单位：o 轻打 （M±SD） 重打 （M±SD） 轻拉 （M±SD） 重拉 （M±SD） 还原时刻 A 159.93±10.00 154.99±13.50 156.03±11.47 147.57±15.56 引拍结束B 154.49±10.82 145.56±10.18* 138.41±5.17 ﹠ 130.27±4.36 击球时刻C 157.74±7.36 148.58±7.65 142.90±8.35 139.58±9.04 随挥结束D 160.34±7.83 155.74±11.81 150.36±11.88 145.71±6.33 再次还原a 159.22±9.58 155.37±12.89 154.58±11.29 149.09±17.23 表 1－2－13 左膝关节角度（n=10） 单位：o 轻打 （M±SD） 重打 （M±SD） 轻拉 （M±SD） 重拉 （M±SD） 还原时刻 A 159.76±10.23 148.14±11.49 151.66±7.79 150.08±10.87 引拍结束B 153.53±14.10 141.94±10.55* 137.38±4.77 ﹠ 120.04±7.27 击球时刻C 155.99±12.61 144.45±9.04 * 123.83±8.85 123.53±9.01 随挥结束D 160.20±11.02 152.17±7.88 144.17±1.37 143.41±12.47 再次还原a 157.87±11.53 150.60±9.53 154.31±6.48 150.58±11.14 2.3.1.1.1 引拍阶段 引拍阶段，下肢主要是作屈曲下蹲动作，这是动作技术的重要组成部分， 为挥拍击球时的蹬伸作时间、空间、发力条件上的准备。引拍结束时刻下肢各 关节状态特征见表1－2－10 至表1－2－13。 从表 1－2－10 至表1－2－13 和图1－2－10 中可以看到，正手攻打技术在 北京体育大学博士学位论文 50 两种发力时，右膝关节角度不是减小而是增大，轻打时从153o增大到157o，重 打时从151o增加到152o。同时，在这一阶段右髋关节角度在轻打和重打中分别 下降了3o和9o，左髋关节的角度分别下降了5o和9o。而左侧的膝关节在轻打 中下降了6o，在重打中减小了9o。说明正手快攻动作的屈曲下蹲是通过两侧髋 关节和对侧膝关节的屈曲完成的。 在弧圈球技术技术中，运动员下肢显示出明显的屈曲下蹲动作，两侧髋、 膝关节角度明显减小。引拍结束时刻重拉的四个关节角度均小于正手快攻的角 度，而且重拉的四个关节角度均小于轻拉的四个关节角度值。最大力量弧圈球 技术的球拍速度比其他三种击球大，说明屈曲的程度大小与最后球拍的速度有 关。在最大力量弧圈球技术时，右髋关节角度由148o减小至106o，降低了42o； 右膝关节由151o降低到129o，降低了22o；左髋关节角度由147o降低到130o， 降低了17o；左膝关节由150o减小到120o，减小了30o。可以看到重拉时，持 拍同侧的膝角和髋角下蹲得幅度更大。 身体屈膝下蹲，向后引拍时，膝关节屈曲太大和太小都不能产生有效的蹬 地力量。膝关节屈曲过大，会给伸膝肌过大负荷，影响伸膝速度及与身体其他 环节的配合。而屈膝过小，又不能充分拉长伸膝肌，不能使伸膝肌获得较大的 弹性势能，从而影响伸膝力量，因而也影响身体的向前向上的速度。由于运动 员身体素质不同，不同运动员可能有自己最适合的膝关节屈曲角度和身体下蹲 深度。在弧圈球技术时，在运动员腿部力量允许的情况下，可以适当增加膝关 节的下蹲深度。 2.3.1.1.2 挥击阶段 在这一阶段里，膝关节做快速的蹬伸动作，这是整个人体环节链系统动量 传递的开始。持拍侧（右）下肢的蹬伸产生的动量向上传递到上肢，再传给球 拍，使球拍能够具有更大的动量与球发生碰撞。 要使下肢产生更多的动量向上传递，需要在蹬伸中获得更大的动能和速度。 根据做功的原理推导，蹬伸幅度和蹬伸时间是衡量蹬伸质量的指标。较大的蹬 伸幅度和较短的蹬伸时间能够产生更大动量。下肢蹬伸动作及其能力，是确保 技术动作质量的重要指标之一。 在整个蹬伸击球动作中，4 个关节角度，除了正手快攻时膝关节角度是下 降的之外，其余情况下均是增加的趋势。其中在弧圈球技术中，右髋关节的角 度增加的幅度更为明显，但整个过程增加的速度还是比较平稳的，从而保证整 个身体的重心的平稳移动和处于挥拍动作的最佳状态。 北京体育大学博士学位论文 51 2.3.1.1.3 随挥阶段和还原阶段 在随挥阶段，下肢继续蹬伸，髋关节和膝关节角度继续增加，到随挥结束 时刻达到各自的最大值，然后迅速在左腿的蹬转下，身体还原到起始位置，各 个关节角度开始减小，为下一次击球做准备。 2.3.2.2 下肢各关节的速度变化 图 1－2－11 下肢关节的速度 从图 1－2－11 中可以看出，在一个动作周期中，下肢各关节速度的变化曲 线与上肢的曲线变化相一致，均出现两个波峰和两个波谷。第一个波峰是引拍 加速的过程，在第二个波峰附近击球，第一次波谷时刻是引拍结束附近时刻第 二次波谷是随挥结束左右时刻。 正手快攻时下肢速度变化的规律性更加明显一些，当正手弧圈球技术时曲 线略显杂乱。两侧踝关节的速度变化在两种技术中变化都较小。 在轻打时，下肢各关节的最大速度的值由大到小依次右髋、右膝、左髋、 左膝、左踝、右踝，并且在引拍阶段出现的峰值和挥拍击球阶段的峰值基本相 右髋 右膝 右踝 左髋 左膝 左踝 轻打 0 100 200 300 400 500 0 50 100 时间 （ms） 速度(mm/s) A B C D a 重打 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 50 100 时间 （ms） 速度(mm/s) A B C D a 轻拉 0 200 400 600 800 1000 0 50 100 150 200 时间 （ms） 速度(mm/s)A B C D a 重拉 0 200 400 600 800 1000 1200 0 50 100 150 200 时间 （ms） 速度(mm/s)A B C D a 北京体育大学博士学位论文 52 同。 在重打时，下肢各关节的最大速度的值由大到小与轻打时的不同是左膝关 节的速度超过了右膝关节的速度。引拍阶段出现的峰值和挥拍击球阶段的峰值 也基本相同。 在正手轻拉弧圈球中，左膝的速度明显增大，超过了其他关节的速度，处 于第一位。 在正手轻拉弧圈球时，右踝的速度也有较大的变化，下肢各关节的最大速 度的值由大到小依次为右髋、左膝、左髋、右膝、右踝和左踝。 从下肢的情况来看，挥拍臂对侧支撑腿的各关节参加动作的时间均早于同 侧支撑腿，并且相应的数值也略微大一些，这表明对侧支撑腿在整个动作中的 地位和所起的作用要比同侧支撑腿的作用明显。 2.4 击球技术动作的力学特征 对运动员在完成动作技术时地面对人体的地面支撑反作用力（即运动员蹬 地力）特征的研究，有助于认识运动员下肢发力的特点，是动作技术分析和诊 断的一项重要内容，至今尚未见有对乒乓球运动员蹬地力的报道。本文用两块 KISTLER 三维测力台按垂直、前后和左右方向记录了运动员分别完成两种技术 4 个动作时的地面支撑反作用力（简称支反力）。本文分析的是从第一次还原时 刻到下一次还原时刻的一个周期中（包括四个阶段五个特征时刻）运动员蹬地 力的变化，对三个方向蹬地力曲线变化的特点及各自出现峰值与谷值力的大小 进行了分析。当运动员均衡地站在测力台上，准备测试前，先对系统进行清零。 本章节中的图是从上一个周期的随挥结束到下一个周期的引拍结束为止，地面 对人体的支撑反作用力，比实际一个周期多了上个周期的还原阶段和下个周期 的引拍阶段，以便清晰地看出地面支撑反作用力的变化特征。 2.4.1 垂直方向的支撑反作用力 完成乒乓球击球技术过程中，在垂直方向上的分力最大。垂直支反力的大 小和变化取决于三个因素：（1）身体的重力，（2）身体重心的上下移动，使在 垂直方向上的加速度和地面支撑反作用力也随之不断改变，（3）完成动作的时 序。在整个动作过程中，双脚始终分别站在一块测力台上，在完成动作的不同 阶段，身体重心在不断地从右脚转移到左脚，又从左脚转移到右脚，从而身体 重心也在不断地上下移动，从而形成了垂直方向上支反力的力—时间特征曲线。 曲线中曲线图的Y 轴为地面垂直反作用力力， X 轴为时间，单位为微秒。 如图 1－2－12 所示，左右脚在垂直方向上的力，两个技术四组动作显示出 北京体育大学博士学位论文 53 了基本相同的变化规律，只是峰值的大小有所不同。在还原时刻，人体重心处 于两脚之间，身体的移动速度也很慢，两块测力台上显示的应该基本为0。正 手轻打时，左右脚的力出现了小的波动。 图 1－2－12 垂直方向上双脚的支反力 注：Fz 左是指左脚所受到的支反力，Fz 右指右脚所受到的支反力。 先分析右脚力的变化。右脚是动作的主要发力环节。后引拍时，身体重心 逐渐向右脚移，右脚的支反力开始大于零，曲线向上走，右脚支反力逐渐增大 到引拍结束B 点附近达到最大值，然后右脚向右后方蹬地，右脚的支反力开始 减小，身体重心开始向左脚转移，经过身体平行站位时刻，右脚支反力开始变 为低于体重线。这时球拍继续向前在C 点，挥拍击球，后随着随挥动作，身体 重心继续往左脚移动，右脚的力变为最小，超过D 点之后，身体又向右转体， 重心又开始向右脚转移，右脚的支反力开始增大，到A 点再次还原时，右脚的 支反力重新接近于为零，形成一个动作周期。 左脚作为动作技术过程中的支撑腿，在垂直方向上的支反力的变化方向与 右脚相反。从图1－2－12 中可以看到，左右脚与水平轴围成的面积，分别位于 水平轴的上方和下方，两者面积基本相同，正负相抵消。两脚对时间的冲量之 重打 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 0 500 1000 1500 2000 时间 （微秒） 力(N) A B C D a 重拉 -300 -200 -100 0 100 200 300 0 500 1000 1500 2000 时间 （微秒） 力(N) A B C D a 轻打 -100 -50 0 50 100 150 0 500 1000 时间 （微秒） 力(N) A B C D a 轻拉 -300 -200 -100 0 100 200 300 0 500 1000 1500 2000 时间 （微秒） 力(N) A B C D a Fz 左 Fz 右 北京体育大学博士学位论文 54 和应为零，因为人体两只脚始终站在测力台上，身体并未腾空。 对比 2 个技术4 种动作在出现峰值的大小，可以看出不同技术中支反力的 特点，位于曲线下方的谷值的数值和峰值在大小上基本上相同，只是方向相反。 表 1－2－14 不同技术在垂直方向上支反力出现峰值对比（n=10） 单位：牛 轻打 （M±SD） 重打 （M±SD） 轻拉 （M±SD） 重拉 （M±SD） 右脚峰值 51.10±10.45﹟ 272.44±21.15 201.57±12.78 226.67±19.55 左脚峰值 101.21±22.31﹟ 303.35±33.30* 103.39±18.30﹠ 207.97±27.20 经检验，重打的峰值均大于轻打的峰值，重打时左右脚最大支反力为303 牛和272 牛，分别大于了轻打时左右脚的最大地面支撑反作用力。说明重打时 在引拍结束和随挥结束时刻，重心向对侧脚移动的更充分。 轻拉和重拉的区别在于，重拉的左脚最大支反力分别大于轻拉。在引拍结 束时，两者的峰值没有差别。说明重拉和轻拉在引拍过程中，重心从左脚移动 到右脚的幅度是差不多的，随挥结束，借着高速挥拍时的惯性，身体重心从右 脚向左脚移动得更多。 当比较和弧圈球技术的区别时，可以看到正手快攻在随挥时蹬地力大于拉 弧圈球。提示我们重心在打球中的重要作用。 2.4.2 水平方向的支撑反作用力 在水平面上的支反力较小（见图 1－2－13），同一技术不同力量击球显示 出相同的曲线变化趋势。两种技术左右脚支反力的变化基本相似。双脚的发力 方向基本一样，以保证身体向左右的扭转。在向右的支反力上，右脚大于左脚； 在向左的支反力上，左脚大于右脚。 在还原时刻，由于身体还原，左右脚在水平方向上的力在 0 附近，随后在 引拍阶段，身体向右后扭转，对于右脚来说，随着重心向右脚的转移，地面给 予右脚一个递增的向右的支反力；对于左脚来说，向左的支反力逐渐减小变为 向右的支反力，两者在引拍结束附近，向右的支反力达到最大。 在挥拍击球阶段，身体重心逐渐由右脚向身体中心转移，右方向两只脚制 动，分别到身体平衡位置，向右的力逐渐经过0 变为向左的力，为了配合身体 向左转体击球。同时，双脚在与地面接触时也有脚跟抬起的扭转。 北京体育大学博士学位论文 55 图 1－2－13 水平方向上双脚的支反力 注：Fx 左是指左脚所受到的水平方向上的支反力，Fx 右指右脚所受到水平方向上的支 反力，方向向右为正。 在随势挥拍阶段，身体重心继续向右，双脚的支反力达到向左的最大值后， 进入还原阶段，随着身体向右的扭转，双脚向左的支反力逐渐减小到0，身体 再次回到还原状态。 表 1－2－15 不同技术在左右方向上支反力出现峰值（n=10） 单位：牛 轻打 （M±SD） 重打 （M±SD） 轻拉 （M±SD） 重拉 （M±SD） 右脚峰值 35.22±10.45﹟ 40.45±2.45 42.77±6.11﹠ 63.78±7.56 左脚峰值 7.23±1.09 9.39±2.37 36.76±3.32﹠ 41.54±5.70 右脚谷值 －15.12±3.54﹠ －41.77±3.56 左脚谷值 －38.35±4.19﹠ －63.59±7.23 轻拉 -60 -40 -20 0 20 40 60 0 500 1000 1500 2000 时间 （微秒） 力(N) A B C D a 重拉 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 0 500 1000 1500 2000 时间 （微秒） 力(N) A B C D a Fx 左 Fx 右 重打 -60 -40 -20 0 20 40 60 0 500 1000 时间 （微秒） 力(N) A B C D a 轻打 -60 -40 -20 0 20 40 60 0 500 1000 时间 （微秒） 力(N) A B C D a 北京体育大学博士学位论文 56 从图1－2－13 和表1－2－15 中可以看到，两种力量的正手快攻，在左右 上最大支反力差异不显著；而两种力量的弧圈球技术，在两处峰值处的力值， 无论是左脚还是右脚，差异都非常显著。在引拍结束附近出现的峰值，弧圈球 技术大于快攻。这提示我们在完成弧圈球技术时要注重在左右方向上的蹬地。 2.4.3 前后方向上的支撑反作用力 图 1－2－14 前后方向上双脚的支反力 注：Fy 左是指左脚所受到的前后方向上的支反力，Fy 右指右脚所受到前后方向上的 支反力。方向向后为正。 在前后方向上，地面支撑反作用力也较小。从图中可以看到，两种力量的 正手快攻曲线变化类似，两种力量的正手弧圈球技术的支反力变化曲线相似。 在4 种技术动作中，在前后方向上的支反力，左右脚呈现相反方向的变化形式。 一直脚向前蹬地的同时，另外一只就向相反方向用力，以保持击球时身体的稳 定。如图1－2－14 所示显示出前后方向上地面支撑反作用的力值大小和方向变 化情况。 重拉 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 0 500 1000 1500 2000 时间 （微秒） 力(N) A B C D a 轻打 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 0 500 1000 时间 （微秒） 力(N) A B C D a 轻拉 -40 -20 0 20 40 60 0 500 1000 1500 2000 时间 （微秒） 力(N) A B C D a Fy 左 Fy 右 重打 -60 -40 -20 0 20 40 60 0 500 1000 时间 （微秒） 力(N) A B C D a 北京体育大学博士学位论文 57 表 1－2－16 不同技术在左右方向上支反力出现峰值（n=10） 单位：牛 轻打 （M±SD） 重打 （M±SD） 轻拉 （M±SD） 重拉 （M±SD） 右脚谷值 －22.23±10.15﹟ －52.89±2.23 －38.13±5.87﹠ －63.54±7.90 左脚峰值 9.05±1.30﹟ 36.88±2.98 63.11±7.46﹠ 41.89±5.58 右脚峰值 53.88±5.89 52.44±7.89 32.38±3.49﹠ －8.27±3.27 左脚谷值－39.60±6.71﹟ －51.43±6.82 －61.09±4.76﹠ －59.89±7.05 当比较峰值和谷值时刻发现，在同一技术，不同力量击球时，有显著差异。 说明要发力打球时，要注重向前向上的蹬地力。当比较两种技术时，左右脚最 大用力有差别，但差异不显著。 2.4.4 力学特征小结 本节从垂直、水平、前后三个方向对完成两种动作四个技术时左右脚地面 支撑反作用力的生物力学特征进行了描述，并对同种技术两种用力方式之间及 两种技术之间左右脚支反力的最大力值进行了对比分析，得出： （1）乒乓球运动员完成正手快攻和弧圈球技术的力学指标差异在于，拉弧 圈球时左右、上下方向上的地面支撑反作用力的最大值大于正手快攻。提示我 们在完成弧圈球技术时，要加大左右和上下方向上的蹬地力。 （2）最大力量和中等力量两种用力方式完成正手快攻技术的力学指标差异 在于，重打时垂直、前后方向上的最大地面支撑反作用力大于大于轻打。提示 我们当要大力正手快攻时，要加大向下、向后的蹬地力。 （3）最大力量和中等力量两种用力方式完成正手弧圈球技术的力学指标差 异在于，重拉时三个方向上的最大地面支撑反作用力均大于大于轻打。提示我 们当要大力正手拉弧圈球时，要特别注重加大蹬地力。 北京体育大学博士学位论文 58 第二部分乒乓球步法垫测试系统的研制 1 乒乓球步法垫测试系统组成 步法垫测试系统是与中科院合肥智能机械研究所共同研制开发的。该系统 由三个部分组成：柔性薄膜开关阵列垫、信号采集仪、分析软件（图2－1－1）。 柔性薄膜开关阵列垫用于感应运动员的脚部与地面的接触情况； 信号采集仪用来采集柔性薄膜开关阵列垫上的感应信号，经过适当处理， 传送给计算机后台软件。 分析软件要实现数据采集、分析、调试和统计的功能。 图 2－1－1 系统结构示意图 2 乒乓球步法垫测试系统硬件原理 柔性薄膜开关阵列垫采用微触开关工艺加工制作，只需轻微的压力就可以 使其导通，可以准确探测运动员在其上的步法移动（图2－2－1）。 图 2－2－1 柔性薄膜开关阵列垫 信号采集系统基于单片微处理器设计，配合高速切换开关，实现对柔性薄 膜开关阵列的高速扫描和信号采集。微处理器选用Silicon Laboratories 公司的 C8051F040 型单片机，它基于8051 改进型设计，工作频率可达25MSPS，资源 丰富，IO 口最多64 个，64K FLASH/4K RAM。 柔性薄膜开关 阵列垫 信 号 采 集仪 PC 分析软件 数据库 北京体育大学博士学位论文 59 信号采集系统与计算机之间通过串口连接，通信速率为115,200 bps。 3 乒乓球步法垫测试系统软件原理 3.1 软件构成 分析软件部分包括四个模块：数据采集模块、数据分析模块、数据调试模 块、统计模块。 数据采集模块实现与信号采集仪之间的数据通信，向信号采集仪发送控制 指令，从信号采集仪获取实时采集数据。并进行数据的预处理、存储，以便分 析（如图2－3－1）。 数据分析模块根据采集模块采集处理的数据，实现步法移动轨迹的重构， 并结合高速影像记录，实现对采集信号左、右脚区分，以实现对各参数的计算、 统计（如图2－3－2）。 数据调试模块用于对原始数据的显示，与分析统计相对应，以及时校正处 理的数据（如图2－3－3）。 统计模块根据数据分析模块的左右脚分析、计算给出各时间段内的左、右 脚的支撑时间、腾空时间、移动路程等参数（如图2－3－4）。 图 2－3－1 数据采集模块 北京体育大学博士学位论文 60 3.2 软件算法中时间偏差的说明 虽然乒乓球步法垫测试系统和录像拍摄是同步的，但是得到的数据上两者 在时间上有一点小差异，存在着偏差。步法垫的采集时间比录像采集时间要少 一些，总的偏差不超过5％。有如下偏差： （1）实际时间算法的误差 在程序中出于统计处理的需要， 实际时间＝（左脚腾空时间＋左脚支撑时间）－（左脚腾空次数＋左脚支 撑次数－1）×0.02 s （2）对于腾空和落地规定的误差 以 1 分球为一个区段进行实际时间与累加时间比较时，1 分球结束时所处 的腾空（或支撑）并没有结束，必须要等到下一个落地（或腾空）产生时，才 计算这段时间，时间已超出1 分球的时间段。同样，开头的第一段也包含了上 一分的一些时间。 图 2－3－2 数据分析模块 北京体育大学博士学位论文 61 图 2－3－3 数据调试模块 图 2－3－4 数据统计模块 北京体育大学博士学位论文 62 4 乒乓球步法垫测试系统技术参数 （1）柔性薄膜开关阵列面积：300 * 400 （cm * cm） （2）阵列分布：4 * 4（cm * cm） （3）采样频率：50 HZ （4）厚度：0.3cm 5 对步法垫测试精度的检验 在进行步法垫测试前我们对步法垫的精度进行了检验。因为在测量实践中， 测量仪器的重复性、再现性和稳定性对量测结果有较大的影响。对精度的估算， 都需要用样本数据来估计测量总体的标准差。误差能反映测量结果与真值的差 异，差异小，俗称精度高，差异大则称精度低，评价仪器精度的高低有多种方 式和指标，常用的有精度范围、重复性与线性度。 针对精度范围的评估一般有两种情形：其一已知真值的情况下，可以把所 测量的数据与真值相减以得到一组偏离真值的误差样本，对于这些样本数据， 可用贝塞尔（Bessel）公式计算样本的标准差进而对精度值进行检验。 重复性是指在相同条件下（相同测量方法、相同操作人员、相同测量器具、 相同地点和相同使用条件等），在短时间内对同一个量进行多次测量所得结果之 间的一致程度。样本数据的标准差可反映仪器的重复性如何。 线性度是指随着自变量的增加因变量变化的线性程度。 本实验中，由于柔性薄膜开关的制作技术已比较完备，因此有关柔性薄膜 开关本身的精度问题可认为符合实验要求。现主要问题是将柔性薄膜开关制成 步法垫时，由于面积增大和线路增多，应对步法垫进行检验。在本实验中，通 过两种方法来成步法垫的精度范围：其一是单点测试；另一种方法步法垫上铺 上不同厚度的物体进行测试。通过单点测试，反映出此仪器有良好的精度，精 度约为1.73±0.06 mm，已经满足本实验所需精度；重复测量数据的数据误差约 为0.76 mm，具有良好的重复性；由于线性度的检测没有很直观的检测方法， 因此，没有对其进行线性度的检测，但由于整个仪器的制造及组装都是由中科 院合肥智能研究所来完成，其在仪器运出前对其进行了调试，反映精度、重复 性、线性度良好。 北京体育大学博士学位论文 63 第三部分对步法垫测试系统的验证及测试结果分析 1 研究方法 1.1 测试对象 本次实验为对乒乓球步法的初步研究，该步法测试系统在硬件测试和软件 分析上还有许多不成熟的地方，数据后期分析的工作量很大。故此次选取的测 试对象人数为1 名运动员和1 名陪练，系北京体育大学运动系优秀乒乓球运动 员。（表3－1－1）。 表 3－1－1 测试者与陪练基本情况 性别 年龄 （岁） 训练 年限 身高 （m） 体重 （Kg） 运动 等级 执拍 手 球拍 类型 打法类 型 测试者 男 19 12 1.76 65 一级右手 横拍 弧快 陪练 男 23 15 1.83 98 一级右手 直拍 弧快 1.2 实验仪器 （1）乒乓球步法垫测试系统（包括乒乓球步法垫、信号反射器、信号接收 器、数据采集与分析软件等） （2）一台Panasonic M9500 录像机 （3）外同步装置 （4）乒乓球台、乒乓球拍和乒乓球 1.3 实验方法 应用与中科院合肥智能机械所合作研制开发的乒乓球步法垫测试系统，同 时与录像同步测试，对运动员在一场比赛中的步法移动特征进行研究。在北京 体育大学生物力学实验大厅进行。 摄像机置于运动方向的右前侧方，与实验对象运动区域中心的距离约为10 m，主光轴距地面的高度0.8 m，拍摄频率为50 幅/s，在拍摄之前调整摄像机焦 距并使之达到最清晰，然后锁定。 乒乓球步法垫测试频率为 50 Hz，置于球台前的地板上，表面铺上一层乒 乓球比赛专用地板胶。 乒乓球步法测试垫和摄像机之间用外同步装置（发光二极管）相连，由步 北京体育大学博士学位论文 64 法测试垫数据采集系统开关的同时，来控制外同步装置中发光二极管的亮与灭， 以此从录像的画面上找到与步法垫测试同步的时刻，从而达到两个测试系统的 外同步。 1.4 实验过程 进行了一场 5 局3 胜制（比分为3：2，测试者胜）的比赛。基本按平时正 常比赛进行。只是双方运动员在每局结束以后无需换边，以保证受试者一直站 在步法测试垫上。在受试者在每一分球前准备发球或准备接球时，开始采集数 据，待一分球结束时，停止采集。 1.5 数据分析与处理 利用乒乓球步法垫中的数据分析模块获取原始数据，采集时间 13.64 min， 共获取了整场比赛中双脚步法移动的各6 万余个数据点，对两只脚的所有数据 进行了分析与处理。后期运用Microsoft office Access2003、Microsoft office Excel2003 进行数据处理与统计分析。 2 乒乓球步法的测试结果与分析 2.1 对比赛的描述 整场比赛共打满 5 局。比分为3：2，测试对象胜。整场比赛中测试对象始 终在步法测试垫上。经赛后询问，与平常打球时的地面感觉相似，步法测试垫 未影响运动员的正常打球。每局比分、擦网球数、及采集球数见表3－3－1。 本论文对全部102 分球（包括8 个擦网发球）中的所有步法进行了分析与统计。 表 3－3－1 整场比赛基本情况 局数 比分 （测：陪） 发球擦网 次数（个） 共采集 球数（个） 1 8:11 1 20 2 8:11 5 24 3 11:5 2 18 4 11:5 0 16 5 13:11 0 24 一场球共计 8 102 以下行文中按一分球、一局球和一场球，从微观到宏观对比赛中的步法移 北京体育大学博士学位论文 65 动的运动学特征进行描述与分析。当进行1 分球详细分析时，以第4 局第1 分 为例；当进行一局球具体分析时，以第4 局或第5 局为例。 对具体一分球步法特征的描述，可以从微观对每一次脚步移动进行详细的 描述；当选取一局球时，是将一分球作为一个最小单位对步法特征进行描述的； 选取一场球时，是以一局球为单位，从较为宏观的角度对步法特征进行分析与 描述的。 第 4 局第1 个球基本情况为，测试对象发球，共进行了3 个回合，净时间 为11.22 s，测试对象输。净时间是指从运动员准备发球到这一分比赛结束为止 的时间，排除了比赛中拣球和休息的时间。 第 4 局总比分为11：5，共有16 分球，测试对象胜，净用时共2 min。第5 局比分为13:11，共有24 个球，测试对象胜，净用时共2.97 min。 2.2 比赛中运动员步法的时相特征 在乒乓球比赛中，运动员的双脚与地面的关系有四种状态：左脚单脚支撑 （同时右脚腾空）、右脚单脚支撑（同时左脚腾空）、双脚支撑和双脚腾空。对 于一侧脚而言，该侧脚与地面的关系有两种状态：该侧脚支撑或该侧脚腾空。 每次腾空视为一次步法移动。 2.2.1 一分球中步法的时相特征 表 3－3－2 第4 局第1 分球的时相参数表 左脚 支撑 左脚 腾空 右脚 支撑 右脚 腾空 双脚 支撑 双脚 腾空 次数 11 10 8 8 13 4 时相最小值(s) 0.04 0.16 0.18 0.12 0.08 0.10 时相最大值(s) 1.94 0.40 3.24 0.44 1.38 0.12 时相平均值(s) 0.70 0.29 0.96 0.27 0.44 0.11 时相标准差(s) 0.56 0.09 1.14 0.11 0.46 0.01 总计(s) 8.50 2.72 8.62 2.60 5.68 0.44 时相百分比 75.76% 24.00% 76.83% 22.08% 50.62% 3.92% 测试结果显示了单脚时相的特征（见表3－3－2）。在用时11.22 s 的一分球 中，左脚腾空了10 次，右脚腾空了8 次。左脚在一分球的24.00%的时间（2.72 s）内处于腾空状态，右脚在一分球的23.00 %的时间（2.60 s）内处于腾空状态， 其余时间为该侧脚的支撑时间。每次平均腾空时间为：左脚2.72 s,右脚2.60 s。 北京体育大学博士学位论文 66 其中右脚腾空的最长时间为0.44 s,左脚为0.40 s。最短时间分别为：左脚0.16 s， 右脚0.12 s。 在一分球比赛中，双脚腾空次数为4 次，双脚支撑次数为13 次。在一分比 赛中有一半左右的时间双脚处于双支撑状态，而其余一半时间双脚处于非双支 撑状态，双脚的腾空状态有三种，双脚腾空、左脚腾空和右脚腾空，一侧脚腾 空的同时另一侧脚处于单支撑状态。其中双脚腾空的时间仅占一分时间的3.92 %，平均每次为0.11 s，在其他44.08 %时间内,处于单脚腾空状态（其中，右脚 24 ％，左脚22.08 %）。 2.2.2 一局中步法的时相特征 表 3－3－3 第5 局步法的时相参数表 球数 1 分球 时间 （s） 双脚腾 空次数 （次） 左脚支 撑时间 （s） 左脚腾 空次数 （次） 左脚腾 空时间 （s） 右脚支 撑时间 （s） 右脚腾 空次数 （次） 右脚腾 空时间 （s） 1 9.46 1 7.62 7 1.84 7.66 8 2.10 2 7.62 2 5.96 8 1.66 5.92 8 1.64 3 6.84 1 4.70 7 2.14 5.34 8 1.96 4 8.30 1 6.44 6 1.86 6.66 6 1.84 5 5.70 0 5.26 2 0.44 4.62 4 0.84 6 6.98 3 4.80 8 2.18 5.78 8 1.60 7 6.46 0 4.78 6 1.68 4.70 5 1.86 8 4.90 2 3.58 4 1.32 3.78 6 1.44 9 9.32 0 7.12 8 2.20 7.34 6 1.48 10 6.44 0 5.58 5 0.86 5.78 4 0.72 11 6.42 3 4.62 6 1.80 4.86 7 1.74 12 8.30 5 5.68 8 2.62 6.28 9 2.12 13 5.34 1 4.10 6 1.24 4.36 4 1.04 14 5.82 1 4.86 4 0.96 5.12 5 0.96 15 6.80 2 4.94 7 1.86 5.36 9 1.66 16 7.76 2 5.58 7 2.18 5.56 8 1.64 17 9.20 0 8.22 6 0.98 8.12 5 1.12 18 8.82 0 7.56 6 1.26 8.18 4 0.84 19 7.00 2 5.02 7 1.98 5.98 5 1.14 北京体育大学博士学位论文 67 20 9.54 2 5.90 14 3.64 7.02 10 2.48 21 10.56 2 9.26 9 1.30 9.04 6 1.34 22 5.42 3 3.62 6 1.80 3.92 6 1.52 23 6.94 1 5.60 4 1.34 5.64 4 1.06 24 8.00 3 5.82 6 2.18 5.58 9 2.52 最小值 4.90 0 3.58 2 0.44 3.78 4 0.72 最大值 10.56 5 9.26 14 3.64 9.04 10 2.52 平均值 7.41 1.54 5.69 6.54 1.72 5.94 6.42 1.53 标准差 1.53 1.28 1.41 2.25 0.66 1.38 1.91 0.50 总计 177.9 37 136.6 157 41.32 142.6 154 36.66 百分比 76.78% 23.22% 80.14% 20.60% 表3－3－3 显示了第5 局中的时相参数特征，对24 个球的所用净时间、支 撑、腾空时间进行了详细统计。第5 局比赛总用时为177.94 s（2.97 min），每 一分球平均净用时为7.41 s，每分球用时最长10.56 s，最短4.90 s。双脚腾空次 数共37 次，每分平均为1.54 次，一分中双脚腾空最多是5 次，最少的是没有 一次双脚腾空。左脚腾空的总时间占一局时间的23.22%，为41.32 s，每一分球 平均为1.72 s，最长时间3.64 s，最短时间0.44 s。右脚腾空时间占一局时间的 20.60%，总时间为36.66 s，在一分比赛中用1.53±0.50 s。 右脚腾空次数和腾空时间略比右脚的腾空次数和腾空时间多，经 T 检验， 差异不显著，可以认为左右脚腾空时间基本相同。 2.2.3 一场比赛步法的时相特征 如表 3－3－4 所示，测试的这一场比赛的净用时为13.64 min，每局平均净 用时为2.73 min。一场比赛中运动员双脚共腾空了132 次，左脚腾空了730 次， 右脚腾空了707 次，左脚的腾空次数和腾空时间和右脚的腾空次数和腾空时间 相似，略高一些，经T 检验差异不显著。 在一局中，双脚腾空最多为37 次，最少为18 次，平均为26 次；左脚腾空 最多为162 次/局，最少为110 次/局，平均为146 次/局；右脚腾空次数的最大 值159 次/局，最少值为112 次/局，平均次数为141 次。 从左右脚的腾空总时间、支撑总时间和时相百分比上可以看到，左脚和右 脚的腾空总时间分别为3.06 min 和2.89 min，时间百分比分别为22.43 %和21.19 %，即一场比赛中有将近一半的时间，两脚处于移动状态。 北京体育大学博士学位论文 68 表 3－3－4 对整场比赛的步法移动参数表 局数 双脚腾 空次数 （次） 平均净 时间 （min） 左脚支 撑总时 间（min） 左脚腾 空总次 数（次） 左脚腾 空总时 间（min） 右脚支 撑总时 间（min） 右脚腾 空总次 数（次） 右脚腾 空总时 间（min） 第1 局 21 2.54 2.03 143 0.51 2.05 136 0.49 第2 局 28 2.91 2.27 158 0.63 2.32 146 0.58 第3 局 18 3.23 2.45 162 0.78 2.45 159 0.78 第4 局 28 2.00 1.55 110 0.44 1.57 112 0.43 第5 局 37 2.97 2.28 157 0.69 2.35 154 0.61 最小值 18 2.00 1.55 110 0.44 1.57 112 0.43 最大值 37 3.23 2.45 162 0.78 2.45 159 0.78 均数 26 2.73 2.12 146 0.61 2.15 141 0.58 标准差 7 0.48 0.35 21 0.13 0.70 19 0.14 总计 132 13.64 10.58 730 3.06 10.75 707 2.89 时相 百分比 77.57% 22.43% 78.81% 21.19% 2.2.4 小结 综上所述，测试的这一场比赛的净用时为13.64 min，每局平均净用时为2.73 min。一场比赛中运动员共出现双脚腾空132 次，左脚腾空730 次，右脚腾空 707 次。在乒乓球比赛中，有大约一半的时间运动员处于移动状态，乒乓球步 法的移动以单脚的移动为主，以双脚的同时移动为辅。左脚和右脚的移动次数 和移动时间基本相似。 2.3 比赛中步法的空间特征 2.3.1 步法移动的区域特征 如图 3－3－1 所示，显示了该名运动员乒乓球比赛中1 分、1 局、1 场中每 一步的位置点分布，从中可以看出该运动员的移动范围的大致区域分布特点。 本文采用步法移动范围的计算方法是用步法在左右最远端的距离与前后最远端 距离的乘积。 北京体育大学博士学位论文 69 5.3.1 步法的移动范围 第 4 局第1 分第 5 局 2.747m 图 3－3－1 1 分、1 局、1 场中步法移动区域示意图 在第 4 局第1 分的比赛中，运动员步法在左方最远端一点的横坐标值为1.68 m，右方最远端一点的横坐标为3.28 m；运动员步法在前后最远端一点的纵坐 1.525m 北京体育大学博士学位论文 70 标分别为0.56 m、2.52 m，所以这一分的步法移动范围为： （3.28－1.68）×（2.52－0.56）＝3.14 m2； 同样，算得一局比赛中，该运动员移动的范围大约是： （3.92－0. 80）×（2.56－0.48）＝6.49 m2； 在一场比赛中，该运动员移动的区域范围为： （3.92－0. 68）×（2.56－0.08）＝8.04 m2。 在第 4 局第1 分球中，运动员先在球台的左侧侧身发球后，右脚向右前跨 一小步，紧接着双脚小跳步，正手弧圈球技术；后两脚向左后跳步，反手拨球， 球失误，同时，双脚又小跳步，站稳，一分球结束。从图3－3－1 的一分球图 中可以看到在这一分球中，该运动员步法移动大致区域在中远台，偏左边。 从第 5 局和整场比赛的步法分布区域来看，该名运动员的步法为不对称分 布，大部分分布在中远台偏左的地方，在步法垫的偏右侧，即球台右边侧向右 1 米以外，以及步法垫右后侧，几乎没有见步法的分布。 从乒乓球技战术来看，在乒乓球比赛中，双方运动员总是从反手位开始比 赛，在比赛进行中也通常以压对方反手位为主。从本论文对乒乓球运动员比赛 步法分布图上也可以证实乒乓球这一技战术特点。 2.3.2 步法的移动距离 2.3.2.1 一分球中步法移动特征 表 3－3－5 1 分中双脚移动距离单位：cm 左脚步幅 右脚步幅 次数（次） 11 8 最小值 1.00 4.10 最大值 16.40 19.20 平均值 8.39 9.86 标准差 5.48 5.08 合计 83.90 88.70 在第4 局第1 分球中，左脚移动了83.90 cm，右脚移动了88.0 cm，每一步 最大的移动距离，左脚为16.40 cm，右脚为19.20 cm。每一步最小的移动距离 左脚为1cm，右脚为4.10 cm。左右脚的平均移动距离分别为8.39 cm 和9.86 cm。 北京体育大学博士学位论文 71 2.3.2.2 一局球中步法移动特征 表 3－3－6 1 局中双脚移动的距离单位：cm 球数左脚移动距离 右脚移动距离 双脚共移动距离 1 58.40 85.10 143.50 2 38.20 70.10 108.30 3 62.20 78.40 140.60 4 43.40 42.50 85.90 5 10.20 30.20 40.40 6 48.10 64.60 112.70 7 49.10 52.30 101.40 8 45.60 44.20 89.80 9 82.50 37.60 120.10 10 11.80 19.90 31.70 11 53.00 75.00 128.00 12 79.20 83.80 163.00 13 54.50 41.80 96.30 14 26.20 55.70 81.90 15 84.80 55.60 140.40 16 94.70 69.90 164.60 17 10.50 35.20 45.70 18 16.00 37.70 53.70 19 48.20 41.00 89.20 20 104.60 90.80 195.40 21 39.10 71.20 110.30 22 84.40 75.70 160.10 23 23.90 52.70 76.60 24 92.60 106.10 198.70 每分平均 52.55 59.05 * 111.60 标准差 28.38 21.78 46.01 最大值 104.60 106.10 198.70 最小值 10.20 19.90 31.70 1 局总计 1261.20 1417.10 2678.30 北京体育大学博士学位论文 72 注： * p<0.05, 代表经t 检验差异显著（下同） 表 3－3－6 详细列举了在第5 局中每一分左右脚移动的距离情况。在第5 局中，左脚共移动了12.61 m（1261.20 cm），右脚共移动了14.17 m（1417.10 cm）， 左右脚共移动26.78 m（2678.30 cm）。经T 检验，发现每一分中右脚移动的距 离59.05±21.78 cm，长于左脚的52.55±28.38 cm。右脚在一分中的最大最大距 离为106.10 cm，最小距离为19.90 cm，均大于右脚的最大距离104.60 cm，和 最小距离10.20 cm，左右脚在一分中平均移动1.12 m(111.60 cm)。 2.3.2.3 一场球步法移动特征 表 3－3－7 1 场中双脚移动的距离单位：m 局数左脚移动距离 右脚移动距离 双脚共移动距离 第 1 局 9.35 11.12 20.47 第2 局 10.50 12.44 22.94 第3 局 13.75 14.62 28.37 第4 局 7.12 9.86 16.98 第5 局 12.61 14.17 26.78 总计 53.33 62.20 115.54 均数 10.67 12.44 * 23.11 标准差 2.63 2.01 4.63 最大值 13.75 14.62 28.37 最小值 7.12 9.86 16.98 经研究发现，在一场比赛中，该名运动员左右脚共移动了 115.54 m，其中 左脚移动了53.33 m，右脚移动了62.20 m，在一局比赛中，运动员移动的平均 总距离为23.11±4.6 3m。经t 检验，每局右脚的移动距离（12.44±2.01 m）大 于左脚（10.67±2.63 m）在一局中的移动距离，差异显著。 2.3.3 步法的步幅 2.3.3.1 步幅的大小 对一场比赛中所有的步法的步幅（左脚 730 次，右脚707 次）进行了分析 与统计，见表3－3－8。两脚共移动了1437 次，每一步平均移动8.02±7.28 cm。 右脚一步最大的距离是59.40 cm，而左脚最大一步的步幅是53.00 cm。左右脚 的最小步幅为0，说明腾空以后又几乎在原地落下。右脚一步的步幅是8.80± 北京体育大学博士学位论文 73 7.61cm，左脚一步是7.31±7.00 cm，右脚的步幅明显大于左脚的步幅，经检验， p<0.05，差异显著。 表 3－3－8 一场比赛中每一步步幅的统计 左脚 右脚 两脚合并 移动次数（次） 730 707 1437 最小值（cm） 0.00 0.00 0 最大值（cm） 53.00 59.40 59.40 均值（cm） 7.31 8.80 * 8.02 标准差（cm） 7.00 7.61 7.28 2.3.3.2 步幅的频率分布 表 3－3－9 一场比赛中步法的步幅分布频率表 左脚 右脚 次数 频率（％） 次数 频率（％） 5cm 以内的次数 344 47.15 251 35.52 5～10 cm 的次数 185 21.17 221 31.19 10～20cm 的次数 155 25.40 170 24.03 20cm 以上的次数 46 6.28 64 9.25 图 3－3－2 乒乓球步幅分布频率图 对步幅的大小分布，进行了统计，见表3－3－9 和图3－3－2。按5 cm 以 内、5～10 cm，10～20 cm 和20 cm 以上进行分类统计。可以明显地看到，无 论左脚和右脚，5 cm 以内的小步法最多，分别占25.40%和31.19%。20 cm 以上 右脚 35.52% 31.19% 24.03% 9.25% 左脚 47.15% 25.40% 21.17% 6.28% 5cm以内 5～10cm 10～20cm 20cm以上 北京体育大学博士学位论文 74 的步幅占了很小的比例，左脚只有6.28%，右脚为9.25%。也就是说，在乒乓 球的步法移动中，以步幅为20 cm 以内的步法为主，5 cm 以内的小碎步占了很 大比例，左脚的小碎步比例大于右脚的小碎步比例。 2.3.4 小结 比赛中该运动员乒乓球步法的空间特征表现为：该运动员步法移动的范围 为8.04 m2；一场比赛中运动员移动的总距离为115.54 m；在一局比赛中运动员 移动的总距离23.11±4.63 m；每一步平均移动的距离是8.02±7.28 cm；步法移 动中最远一步的移动距离为59.40 cm。 步法范围呈不对称分布，大部分分布在中远台偏左的地方；在一局比赛、 一分比赛及每一步中，右脚的移动距离均大于左脚的移动距离；乒乓球的步法 移动以20 cm 以内的步幅为主，左脚以小碎步移动更多。 2.4 比赛中步法的时空特征 2.4.1 移动频率 表 3－3－10 一场比赛中步法移动频率表单位：次/s 左脚腾空频率 右脚腾空频率 双脚腾空频率 总腾空频率 第 1 局 0.94 0.89 0.14 1.69 第2 局 0.91 0.84 0.16 1.58 第3 局 0.84 0.82 0.09 1.56 第4 局 0.92 0.94 0.23 1.62 第5 局 0.88 0.87 0.21 1.54 一场平均 0.89 0.86 0.16 1.59 标准差 0.04 0.04 0.05 0.05 在乒乓球比赛中，无论是左、右脚单脚，或是双脚，每腾空一次，可以看 作是一次步法移动。由于左脚腾空和右脚腾空中包含了双脚同时腾空的情况， 所以，总腾空频率等于左脚腾空频率和右脚腾空频率之和减去双脚腾空频率。 从表3－3－10，可以得出，在一场中左脚的腾空频率为0.89±0.04 次/s，右脚 为0.86± 0.04 次/s,双脚腾空频率为0.16± 0.05 次/s，总的腾空频率为1.59± 0.04 次/s。 从以上分析可以看出，乒乓球运动员在比赛中步法移动的频率特点为移动 北京体育大学博士学位论文 75 的频率很高，2 s 要移动3 次，其中多为左右脚的单脚移动，而双脚同时移动的 频率比较低。 2.4.2 移动速度 表 3－3－11 步法移动速度表单位： m/s 左脚 右脚 两脚合并 次数（次） 730 707 1437 最小值 0.00 0.00 0.00 最大值 2.32 2.80 2.80 平均值 0.30 0.40 ** 0.34 标准差 0.28 0.36 0.31 图 3－3－3 步法移动速度分布示意图 对乒乓球比赛中每一步移动的速度进行了分析，见表 3－3－11 和图3－3 －3。这个移动速度指的是每一步在地面上移动的平均速度。左、右脚单脚移动 的最小速度为0 ，因为有的小碎步是腾空之后又几乎落在了原地。左脚的最大 移动速度为2.32 m/s，右脚为2.80 m/s。右脚的移动速度（0.40±0.36 m/s）大于 左脚水平移动速度（0.30±0.28 m/s），经检验，p<0.01，差异显著。单步的总平 均速度为（0.34±0.31 m/s） 通过以上分析，可以得出乒乓球运动员在比赛中步法移动的特点是移动较 小，右脚的移动速度大于左脚的移动速度。 2.4.3 小结 乒乓球步法的速度特征为以 1.59±0.04 次/s 的高频率移动，移动速度较小 左脚 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 1 101 201 301 401 501 601 701 次数 速度 （m/s） 右脚 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 1 101 201 301 401 501 601 701 次数 速度 （m/s） 北京体育大学博士学位论文 76 为0.34±0.31 m/s，右脚的移动速度大于左脚的移动速度。 2.5 乒乓球步法运动学特征总结 通过上述对乒乓球比赛中运动员步法移动的时间特征、空间特征和时空特 征的结果与分析，可以对乒乓球运动员步法移动的总体运动学特征概括为：运 动员在偏左台的8.04 m2 的区域里，以1.59±0.04 次/s 的高频率，每步以8.02 ±7.28 cm 的小步幅进行步法移动；在比赛中，运动员有大约一半的时间处于移 动状态，乒乓球步法的移动中以单脚的移动为主，以双脚的同时移动为辅；运 动员在一场比赛***进行了1437 次移动，移动距离为115.54 m；右脚的每步移 动距离、每局移动距离大于左脚。 3 对乒乓球步法研究的讨论 3.1 对乒乓球步法特征的讨论 按教科书上对乒乓球步法技术的分类共有七种类型：单步、跨步、并步、 交叉步、小碎步和小跳步技术。从本论文对乒乓球步法的研究中可以看到，在 比赛中运用小范围碎步技术更多，大范围的步法移动，如跨步、交叉步技术运 用得较少。 当以右手为执拍手时，可以把身体的左方看作是闭合区，身体的右方看作 是开放区。由于右手击球和身体解剖结构的缘故，移动时左脚以小碎步移动， 配合右脚的移动，将身体调整到合适位置，让开右手位，为上肢合理击球保证 适当的空间。从本论文的数据分析中可以看到右脚移动次数与左脚移动次数几 乎相同（且略少），但步幅和总移动距离均大于左脚，本论文的研究从定量角 度揭示和验证了乒乓球步法的这一特点。 乒乓球步法的这种高频率、短时间小步法的移动特点，保证了运动员重心 的稳定，避免重心大幅度的上下起伏，为运动员在快速移动中保证高质量的击 球提供了稳定的身体支撑。同时也为运动员快速启动、快速制动提供了保障， 因为在每次击球完，运动员对下一次击球的方向和落点，是处于未知的高度警 惕状态，于是体现在步法上就是快速对上次步法进行制动，同时准备快速向来 球方向移动。 3.2 对乒乓球步法训练和体能训练的启示 本实验运用新研制的用于乒乓球专项的乒乓球步法测试垫，对比赛中乒乓 球运动员的步法进行了测试，对乒乓球步法的定量研究作出了一些尝试。本文 北京体育大学博士学位论文 77 的研究结果与发现不但补充与丰富了乒乓球步法的原理，而且对乒乓球步法的 教学与训练及运动员的体能训练都有重要的指导与参考作用。 在进行步法训练时，要选择与这种高频率、小步幅的步法特征相适应的训 练方法和手段。在进行乒乓球体能训练时，训练的内容上也可以考虑与乒乓球 步法特征相一致的训练内容，要选择以提高运动员爆发力、快速反应能力，能 够提高相适应的神经中枢和肌肉快速力量的训练内容。 3.3 步法特征的后继研究 由于时间和实验仪器的限制，只对一名一级运动员比赛中的步法进行了研 究，今后可以对不同级别、年龄的乒乓球运动员的步法特征进行研究。通过对 我国国家队优秀运动员的步法特征进行研究，建立乒乓球基本步法模型；在此 基础上，分析不同级别、年龄的乒乓球运动员在运动员在训练、比赛过程中的 步法移动方面的特点与不足，帮助教练员进行制定针对性的训练方案，提高运 动员的乒乓球竞技水平，为2008 年奥运科研攻关做贡献。 北京体育大学博士学位论文 78 结 论 本文运用 QUALISYS 三维运动学测试系统和两台KISTLER 测力台系统， 对10 名乒乓球运动员的正手快攻和弧圈球技术进行了生物力学研究；研制开发 了一套乒乓球步法垫测试系统，并运用该系统对1 名1 级乒乓球运动员比赛中 的步法特征进行了测试与分析。研究结论如下： （1）球拍触球瞬间并非出现在挥拍最大速度时刻，大部分出现在挥拍最大 速度之后。 （2）在击球的引拍和挥拍击球阶段，上肢各关节的动作不像其他生物力学 研究所说的是鞭打动作形式，上肢各关节最大速度出现的顺序没有定式，动作 与动作之间，个体与个体之间差异较大。 （3）乒乓球运动员完成正手快攻和弧圈球技术的力学指标差异在于，拉弧 圈球时左右、上下方向上的地面支撑反作用力的最大值大于正手快攻。提示我 们在完成弧圈球技术时，要加大左右和上下方向上的蹬地力。 （4）最大力量和中等力量两种用力方式完成正手快攻技术的力学指标差异 在于，重打时垂直、前后方向上的最大地面支撑反作用力大于大于轻打。提示 我们当要大力正手快攻时，要加大向下、向后的蹬地力。 （5）最大力量和中等力量两种用力方式完成正手弧圈球技术的力学指标差 异在于，重拉时三个方向上的最大地面支撑反作用力均大于大于轻打。提示我 们当要大力正手拉弧圈球时，要特别注重加大蹬地力。 （6）本论文所研发的乒乓球步法垫测试系统可以用作对乒乓球比赛中步法 的测试。可以获得整场比赛步法移动的运动学参数：步法移动的时间（左、右 足腾空、支撑时间、次数；双足的腾空、支撑时间等）、步法移动的空间（步法 移动的范围、步幅）及步法移动的速度、步频等指标。对深入探索乒乓球步法 技术规律有重要意义。 北京体育大学博士学位论文 79 致谢 论文付梓之际，我思绪万千，感慨颇多，涌上心头更多的是感激之情。论文 中每一个段落、每一幅图表、每一个数据，无不凝结导师和朋友们的深情厚爱！ 首先衷心感谢导师苏丕仁教授。在三年的学习生活中，导师在各方面都给予 了无微不至的关怀。导师清雅的处事哲学，令我钦佩；导师渊博的学识，使我受 益无穷；导师严谨的为学作风，使我领悟到做学问的真谛。导师在论文的选题、 研究思路的形成和全文的撰写等方面都给了我细致入微的指导。选题时导师的肯 定与支持，使我充满信心；导师对我研究思路的点拨，使我茅塞顿开；导师修改 文稿时的认真态度及提出的诸多有价值的建议，让我感激不已。在以后的岁月里， 我始终牢记导师的教诲和期望，继续努力学习和工作。在此，谨向我的导师表达 我最真挚的谢意！同时衷心感谢师母对我的关心与照顾！ 特别感谢运动生物力学博士生导师金季春教授。在攻读博士三年的学习与生 活中，我有幸得到了金老师待我如同自己学生般的指导与关怀。金老师“学术大 家的风范”是我终身学习的榜样。在此要对金老师表示最衷心的感谢！ 在本论文的选题、撰写与修改过程中得到了北京体育大学田麦久教授、刘丰 德教授、刘玉林教授，国家体育总局科研所吴焕群教授，国家体育总局乒羽中心 张晓蓬研究员，成都体育学院周继和教授的不吝赐教，在此向他们表示崇高的敬 意！ 衷心感谢中科院合肥智能机械研究所孙怡宁教授在实验仪器方面的鼎力相 助。感谢该所王卫华、周旭、杨先军等工程师的大力帮助，是他们在北京体育大 学长达2 个月夜以继日的赶制与调试，才使论文中乒乓球步法垫测试系统的研制 和实验两部分内容得以如期完成。 特别感谢北京体育大学小球教研室的蔡学玲副教授、唐建军副教授、张若波 副教授、张瑛秋副教授、李金亮副教授、赵霞老师等三年来对我的热情帮助与指 导。尤为感谢唐建军老师在整个研究过程中给予的诸多指导与启迪。 在本论文实验测试、数据处理过程中，得到了北京体育大学运动生物力学教 研室的曲峰、刘卉、刘学贞、周兴龙老师大力相助。尤其是刘卉老师对我诸多有 益指导与无私帮助，在此一并表示诚挚的谢意！ 感谢本论文中的 22 位实验对象，他们是我乒乓球专业本科班的师弟、师妹 们，是他们的积极配合，才使本实验得以顺利进行。同时感谢乒乓球专业和生物 力学专业多位硕士生和博士生在实验测试与数据处理过程中给与我的大力帮助。 感谢我的同窗好友们。他们在生活上给了我很多关心帮助，在学术上给与我 诸多的启发。与同窗好友们友好融洽的相处将成为我一生中最为珍贵而美好的回 北京体育大学博士学位论文 80 忆。 感谢北京体育大学研究生院的各位领导与老师对我的关心！ 此外，感谢文中所有被引用文献的作者，他们的研究成果是本论文研究的理 论基础。 最后，我要特别感谢全家人对我多年来的关爱、支持和无私奉献。父母、哥 姐、姐夫、嫂子、外甥、侄子，他们是我的至爱，是我多年来上下求索的动力。 我将永远珍惜这人间最真诚的亲情。 师生情谊似海，同窗友谊长存。我将满怀感激之情、带着殷切的期望，继续 向前登攀！ 北京体育大学博士学位论文 81 参考文献 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本文运用QUALISYS 三维运动学测试系统和两台KISTLER 测力台系统，
对10 名乒乓球运动员的正手快攻和弧圈球技术进行了生物力学研究；研制开发
了一套乒乓球步法垫测试系统，并运用该系统对1 名1 级乒乓球运动员比赛中
的步法特征进行了测试与分析。研究结论如下：
（1）球拍触球瞬间并非出现在挥拍最大速度时刻，大部分出现在挥拍最大
速度之后。
（2）在击球的引拍和挥拍击球阶段，上肢各关节的动作不像其他生物力学
研究所说的是鞭打动作形式，上肢各关节最大速度出现的顺序没有定式，动作
与动作之间，个体与个体之间差异较大。
（3）乒乓球运动员完成正手快攻和弧圈球技术的力学指标差异在于，拉弧
圈球时左右、上下方向上的地面支撑反作用力的最大值大于正手快攻。提示我
们在完成弧圈球技术时，要加大左右和上下方向上的蹬地力。
（4 ）最大力量和中等力量两种用力方式完成正手快攻技术的力学指标差异
在于，重打时垂直、前后方向上的最大地面支撑反作用力大于大于轻打。提示
我们当要大力正手快攻时，要加大向下、向后的蹬地力。
（5）最大力量和中等力量两种用力方式完成正手弧圈球技术的力学指标差
异在于，重拉时三个方向上的最大地面支撑反作用力均大于大于轻打。提示我
们当要大力正手拉弧圈球时，要特别注重加大蹬地力。
（6）本论文所研发的乒乓球步法垫测试系统可以用作对乒乓球比赛中步法
的测试。可以获得整场比赛步法移动的运动学参数：步法移动的时间（左、右
足腾空、支撑时间、次数；双足的腾空、支撑时间等）、步法移动的空间（步法
移动的范围、步幅）及步法移动的速度、步频等指标。对深入探索乒乓球步法
技术规律有重要意义。
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前 言
近年来，国际乒联对乒乓球竞赛规则的三大改革，以及现代世界乒乓球技
术的迅猛发展，都要求我们要借助于科技的力量和手段更加全面地、深刻地认
识乒乓球技术的规律，观念上不断地更新，技术上不断创新进步，训练方法上
要更加科学合理，才能继续保持我国乒乓球运动的长盛不衰。
在乒乓球比赛中，运动员竞技能力（技术、战术、运动素质、心理和智力
水平等）最终是通过运动员击出的每一板球表现出来的。而每一板球质量的高
低主要是由乒乓球运动员的动作技术所决定的。乒乓球的动作技术包括手法和
步法，二者密切相连缺一不可。
随着现代科技水平的不断发展，运动生物力学研究手段与方法也不断地更
新，研究内容和层次不断深入系统，运动生物力学的研究方法在许多运动项目
中有了广泛的应用，对于认识运动项目技术的规律和提高运动技术水平，起到
了重要的作用。
对于乒乓球技术动作的运动生物力学的研究，国内外还不多，并且已有的
研究不够系统和深入，所用的运动生物力学研究方法比较单一，乒乓球专项化
的运动生物力学仪器很少，对于许多动作技术原理尚未揭示，或揭示得还不够
全面。
比如，运动员完成进攻击球技术过程的引拍和还原阶段中，上肢主要肌肉
的用力顺序问题，乒乓球界对其的认识存在争议。乒乓球教科书和以往的研究
认为是上臂带动前臂、手腕依次发力，而在运动实践中往往又有相反的感觉。
以往对此问题的认识多停留在主观认识、定性分析和为数不多的定量分析上。
对于此问题还需要深入地定量认识。
又如，我国乒乓球运动员的步法比较薄弱是公认的事实，而对于乒乓球步
法移动的研究，现在还比较落后，少有定量方面的分析，在研究数量上亦落后
对手法的研究。究其原因，是缺少合适的实验仪器。对乒乓球步法新仪器的研
发及用于实际测试，会有助于乒乓球步法的教学与训练，为乒乓球体能训练提
供理论参考。
本论文根据乒乓球生物力学研究的现状以及乒乓球生物力学发展的趋势，
结合乒乓球运动需要，依据现有实验仪器、个人能力以及实验经费、时间的限
制，从以下几个方面对乒乓球生物力学的问题进行研究：
（1）对乒乓球正手快攻和弧圈球技术的生物力学分析。每种技术分中等力
量和最大力量两种用力方式击球，共4 组技术动作，运用QUALISYS 运动学测
试系统与KISTLER 测力台测试系统同时测试的实验方法，从运动学和动力学两
4
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方面进行研究。
（2）研制开发一套乒乓球步法垫测试系统。利用中科院智能所的先进技
术――柔性薄膜阵列传感器，结合乒乓球运动的专项特点，研发一套专门用于
乒乓球专项的步法测试系统。对于乒乓球专项仪器的研发做一尝试。
（3）运用乒乓球步法垫测试系统对乒乓球步法的生物力学特征进行揭示。
对运动员在一场比赛中的步法移动的运动学特征进行研究。
本研究不仅将丰富乒乓球的理论，而且对于乒乓球手法和步法技术水平的
提高，乒乓球专项仪器的开发等将提供可靠有力的科技支撑，这对于进一步维
持我国乒乓球运动长盛不衰，维持我国乒乓球技术训练先进性，实施“备战2008
奥运科研攻关计划”也具有很大的现实意义。同时对于运动生物力学如何更好
地结合乒乓球专项特点为乒乓球运动实践服务，和对于运动生物力学在其他专
项中的应用，将起到借鉴的作用。
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文献综述
(乒乓球生物力学的研究进展)
从运动生物力学角度来说，乒乓球运动是通过乒乓球和球拍位置的变化（平
动和转动）与运动员机体的活动相结合的一项运动。运动员的击球动作使球拍
和球碰撞后，击出的球以一定的动量、动量矩落到对方台面，与台面发生碰撞，
反弹后再与对方的球拍相碰撞。归纳起来，对乒乓球运动项目的生物力学分析
大致是从以下3 个方面进行的：对乒乓球与球台或球拍碰撞的认识、对乒乓球
飞行的运动特征的认识、对运动员的动作技术原理的认识和技术诊断。运用生
物力学的原理和方法对乒乓球运动所作的研究可以分为理论分析和实验研究两
类。
1 对碰撞过程的研究
乒乓球运动中的碰撞问题，包括两方面：乒乓球与乒乓球拍的碰撞，乒乓
球与球台的碰撞。对于球台而言，在碰撞前，球台是静止的，是被动地与乒乓
球相碰撞；而对于球拍而言，与乒乓球的碰撞就更为复杂，碰撞前球拍有一定
的速度主动去碰撞具有某种速度和旋转的球，并且乒乓球拍的性质比球台也要
复杂。由于涉及很多参数，如摩擦系数、恢复系数、球的线速度、角速度、碰
撞时间等等，因此乒乓球与球拍或球台的碰撞是一个复杂的动力学问题。
1.1 理论方面的研究
[1] [2]
陈小华 （1995）和张妙玲 （2002 ）结合理论力学和碰撞原理对碰台时
和碰台后速度变化和飞行弧线加以理论推导。陈小华得出球体压缩性形变所产
生的弹性形变能以及球因受“突加约束”作用而获得水平速度是上旋球落台后
获得速度增量的重要原因。
过东升，李建设等[3] （1996），应用冲量定律、冲量矩定理及有关的力学原
理建立了一个乒乓球与球桌碰撞的力学模型，得出了乒乓球与球台碰撞的一般
运动规律。
[4]
庞杰 （2003 ）认为采用计算机仿真研究法和理论力学分析法，对两种类
型的弧圈球打法的球与台面碰撞后球的状态变化规律进行研究和比较，发现两
种研究方法得出相同结论，即前冲弧圈球速度有所减慢，但旋转增强，加转弧
圈球速度加快，但旋转减弱。但笔者认为该文的意义并不在于像庞杰自己所认
为的计算机仿真研究法与理论力学分析法的结论相同，因为动力学分析仿真软
件就是运用理论力学原理建立乒乓球与球台的碰撞模型（本来就是相同的），
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而在于可以采用ADAMS 的动力学分析仿真软件进行仿真，在已知一些参数的
前提下，对乒乓球碰撞后的速度和旋转进行推算，比如，该文将他人研究的参
数，球与球台碰撞的恢复系数、球与球台的滚动摩擦系数、滑动摩擦系数（引
自张惠钦），乒乓球碰撞前的速度、旋转输入软件得出，乒乓球碰撞后的速度
旋转、的大小，可以减少计算工作量。
对乒乓球拍与球的碰撞过程分析，除张惠钦[5] [6] （1986）对如何击球，即
手上功夫进行过较细致的分析以外，其他学者多对如何发出各种不同旋转的球
[7] [8] [11]
进行分析 ，乒乓球教材 对各种乒乓球技术的叙述中也略有论及。但对具
体的乒乓球与球拍的碰撞过程没有详细的论述。
1.2 实验研究
[9]
日本蝴蝶器材公司研究部山岗树村 （1984）用高速摄影机（频率为7000
格/s ）拍摄了25 m/s 速度的球与静止的球拍相撞，无论球拍是光板拍还是正胶
海绵拍，碰撞时间均为千分之一秒，改变击球的速度，发现碰撞时间仍相同。
严波涛，周酉元[11] （1993）运用自制的弦开关－频率计测试系统（弦开关
为一种压力开关电路）对乒乓球与球拍的碰撞过程的力学特征进行研究。实验
设计分为两部分：一为球拍水平固定，使弦开关点对准落球孔，然后让乒乓球
从落球孔以不同高度自由下落，同时启动示波器。二为运动员手持弦拍，测定
反手推挡、搓球、正手攻、弧圈球和发球五项的触球时间。对乒乓球拍的恢复
系数、碰撞时间进行了测试，同时对测试数据进行了修正，对碰撞力进行了推
算。得出了以下结论：球拍与球碰撞时的弹性恢复系数近似为一常数（0.72 左
右）；自由落体实验表明碰撞时间随高度增加（即球速增加）而缩短，极限碰撞
时间为753 μs；不同击球方式触球时间不同，搓球触球时间最长为1005μs，
反手推挡触球时间最短为714 μs；球与球拍的碰撞力约为100 牛顿量级。
张晓蓬，吴焕群[9]对乒乓球球拍的胶皮的静摩擦系数进行了测定。将胶皮
固定在玻璃表面，把乒乓球连成串，放在贴有胶皮的玻璃上，慢慢抬起贴有胶
皮的玻璃后沿，使角度由00 开始慢慢增大，当球在胶皮上开始下滑的一瞬间，
即不再向上抬起，同时测量倾斜角，根据平衡原理，得出摩擦系数值。实验结
论为不同品牌反胶和正胶的摩擦系数分别为3.16±0.56 和1.05 ±0.19，两者差异
显著。该研究实验仪器设计简单而又巧妙，扩大了生物力学实验研究在乒乓球
运动中的领域。
1.3 小结
（1）对乒乓球碰撞问题的理论分析中，侧重于对乒乓球与球台碰撞的力学
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分析，所采用的分析方法主要是应用冲量定律、冲量矩定理分析或建模。
（2）对于碰撞问题的实验研究很少。在已有的实验研究中，侧重于乒乓球
与球拍碰撞的实验研究，对于球与球台碰撞的实验研究结果未见诸于报导。严
波涛对乒乓球和球拍的碰撞进行了较为全面的认识，日本的研究是对碰撞时间
进行了研究，张晓蓬等的研究是对球拍的摩擦系数的测试。
（3）对碰撞问题的实验研究很少。究其原因，因为若要对碰撞问题有清晰
的认识，得到量化的指标，必须设计适合乒乓球运动特点的专门仪器，而目前
没有现成的仪器可以使用。
2 乒乓球飞行的生物力学研究
将乒乓球飞行过程认为包含五个因素：乒乓球在与球台或球拍碰撞之后，
会产生有一定的速度、一定的力量、一定的旋转、一条弧线和一个落点。这五
个物理要素决定着每一板球的时空特征和运动性状，决定着每一板球的质量和
制胜的分量[9]。五个因素也是相互影响，相互制约的。研究时要对这五个竞技
要素单独研究和综合研究。
2.1 理论研究
2.1.1 对速度的认识
速度是指运动物体在单位时间内的位移，是描述物体运动快慢的物理量。
在乒乓球比赛或练习中，球飞行速度的快慢，是为自己争取时间，取得主动的
先决条件。球速是由挥拍速度、击球力量决定的。若单纯地从物理意义研究球
的速度是不够的，还要涉及反应、步法移动速度等方面的问题，特别是在这种
对抗性竞赛项目中。因此下面所说的“速度”就不仅是原来物理意义上的速度，
而是指从对方来球落到我方台面始（来球第二弧线时间），到弹起被我球拍回击
后又落到对方台面止（击球第一弧线时间），这一过程所用的时间，又称击球速
度[12][13][14]。提高击球速度，从理论上讲，即缩短来球第二弧线时间与第一弧线
时间。
2.1.2 对旋转的认识
[5]
乒乓球围绕自身轴的自转，就是乒乓球的旋转。张惠钦 在乒乓球旋转的
原因和加强旋转的方法、旋转球的种类、表面分区、性质及如何打好旋转和对
付旋转球等方面，对旋转问题做了较为全面、深入的研究，从理论上阐明了乒
乓球旋转的某些规律并有所创见。它对进一步研究、探讨乒乓球旋转及与旋转
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相关的问题有很高的参考价值。
韩同康[15] （1994）提出乒乓球旋转和速度的相对原理，用乒乓球表面上某
点的相对速度与球心速度之比作为特征数，将点的运动轨迹分为三类，即“螺
旋线”、“波纹线”、“旋轮线”。转速在90～160 转/s 的范围内，特征准数皆大于
1，是旋转球，表现为螺旋线。有时转速较低，但由于球速慢，特征准数也大于
1，同时也会表现出旋转。而对于特征准数T≌1，转速为160 转/s 的高转来说，
它即有速度又有旋转是具有威力的综合型球，表现为旋轮线。在转速较慢，而
速度较快时，表现为速度，点的运动轨迹呈现为波纹线。这些研究结果为我们
理解复杂的乒乓球的旋转，具有实际意义和理论价值。
球拍底板弹性、海绵厚度、硬度、胶皮的性质，击球时的作用力、作用时
间等都直接影响着球的旋转程度[9]。此外乒乓球本身的质量、直径、转动惯量、
球面的光滑程度也是影响球旋转的因素。
2.1.3 对弧线的认识
在二维空间内（垂直面），仅考虑乒乓球的平动时，乒乓球的运动轨迹就是
典型的斜抛运动中的一段弧线。在两维空间中，当考虑到球的旋转时，将其看
作是乒乓球受到空气马格努斯使得有所偏转的弧线上的一段。对于在三维空间
[16]
中，徐庆和 （2003）应用现代数学理论（微分不变量）和电脑程序来研究乒
乓球的旋转，提出了乒乓球螺旋球、挠旋球的新概念，阐明了乒乓球运动在三
维空间的数学和力学原理及运动的基本规律。
2.1.4 对力量的认识
力量有两种理解：一是一物体对另一物体的作用、二是运动物体所具有的
动量。在乒乓球运动中，存在着不同理解，有的文献认为球的力量是球的动量
和动量距，即指球被击出后在空中飞行时球的动量（mv ），又称击球力量[12][14]。
有的认为，击球力量可以根据F=ma，用挥拍加速度来表示，也可用触球的瞬时
速度表示，已不再是球的力量，而是击球时的力[9] [12][13][14] [8]
。董树英 指出人体
通过球拍作用于球体的力，它是通过球飞行速度表现出来的。所谓飞行速度，
指从击球点到落到对方球台点之间这段时间内球的飞行速度。
2.1.5 对落点的认识
落点是指将球击到对方台面的着台点。落点准确又富有变化，可以使对方
的移动范围扩大，从而使自己获得较多的准备时间为进攻创造更多的机会，可
以增大对方让位的难度，例如，攻追身球，或者回击对方的薄弱点。变化和控
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制好回球落点对提高技术质量，加强战术效果具有重要意义。
2.2 实验研究
2.2.1 速度和旋转
由于测量这种距离近、速度快的非金属物体运动目标，有一定的特殊性和
困难性，所以在国内外文献资料中这方面的实验研究较少。
日本乒乓球运动员击出球的转速为100～150 转/s，原联邦德国运动员击出
球的转速为50 转/s[17] [18 ]。
在国内，对于乒乓球飞行中的速度及旋转的实验研究主要是中国乒协科学
委员会、国家体育总局科研所乒乓球组运用录像和PD-1 型乒乓球动态测转仪进
行的实验研究。
[9]
吴焕群、张晓蓬等 运用PD-1 型乒乓球动态测转仪，对国家队和青年队不
同训练水平、不同打法、使用不同球拍的运动员的发球、搓球、弧圈球、削球
等主要技术的旋转常量做了报道，在国内外乒坛首次公布了定量结果。平均：
拉弧圈最高转速为145.3 转/s，冲弧圈最高转速为151.3 转/s，打下旋弧圈最高
转速为85.8 转/s，加转搓最高转速为73.4 转/s，正手发下旋最高转速为69 转/s 。
正胶：拉弧圈最高转速为129.6 转/s，冲弧圈最高转速为136.8 转/s，加转搓最
高转速为65.9 转/s，正手发下旋最高转速为51.7 转/s；反胶：拉弧圈最高转速
为148.6 转/s，冲弧圈最高转速为155.0 转/s，加转搓最高转速为75.0 转/s，正
手发下旋最高转速为74.3 转/s 。此结果既对国内不同水平的运动员进行了对比，
同时也间接地与欧洲运动员进行了对比，为运动员技术水平提高提供了基础和
量度。
张晓蓬、吴焕群等[9]做了同牌号不同厚度的海绵胶皮拍对弧圈球技术旋转
影响的实验，实验表明，正胶：海绵、胶皮总厚度为3.92 mm，弧圈球技术平
均转速为107.4 转/s；海绵、胶皮总厚度为3.05 mm，弧圈球技术平均转速为99.2
转/s，两者存在显著性差异(P<0.01)；反胶：海绵、胶皮总厚度为3.32 mm，弧
圈球技术平均转速为99.1 转/s；海绵、胶皮总厚度为2.8 mm，弧圈球技术平均
转速为86.2 转/s，两者存在显著性差异(P<0.01)。不同厚度海绵胶皮拍对弧圈球
技术旋转有明显影响，厚度越高，弧圈球技术旋转越强。正胶和反胶球拍都遵
循这一规律。
吴焕群等[9]还运用录像分析系统对不同直径和重量的乒乓球运行的速度、
旋转和弹力进行了定量测定。实验表明直径大的乒乓球旋转和速度小于直径小
的球，当直径相同时，重量和弹力大的球的旋转和速度大于重量和弹力小的球。
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乒乓球运动是一项小场地的对抗性运动，在多数情况下，比赛双方相距不
过3 m 左右，因球体积小而轻，球速最快可达42.22 m/s[17]，一般情况下在10～
25 m/s[9] 。
2.2.2 力量
关于击球力量的直接测量目前做过的只有两个。一是严波涛，周酉元[10]
（1993）运用自制的弦开关－频率计测试系统，在研究碰撞过程中对乒乓球击
球力量的推算，得出球与球拍的碰撞力约为100 牛顿量级。二是董树英[19]（1988）
运用帖于球拍后的加速度传感器，通过加速度推算球和球拍的力，得出高抛发
球式球拍所受的力是85.9 牛顿，低抛时是67.4 牛顿。
除此之外，还未见有人设计出其他仪器或方法来测量。其他的研究是用间
接的方法测量球被击出后的飞行距离。这种方法很不准确，虽然球的飞行距离
是和球速相关，但击球后的出手角度也是一个重要的方面，单纯地从飞行远度
来判断，误差是很大的。王家正[20]用扣远测量，比较加速挥拍（加速距离分别
为1.3 m、1 m、0.3 m 三种不同距离）情况下的扣远成绩及比较在加速距离相同
为1m，击球与身体保持合适位置的情况下，不同的发力方法（匀速、加速、无
随势挥拍）对影响击球力量进行定量测量。结果发现，加速距离为1.3 m，击球
力量最大为5.8 m；1 m 时次之，为5.1 m；0.3 m 时最差为4.3 m。加速挥拍时
为4.9 m，无随势挥拍为4 m，匀速挥拍最差为3.64 m。并对影响扣远成绩的四
项素质（挥臂、哑铃弯举、屈膝仰卧起坐、沿球台变向跑）与扣远成绩的相关
系数进行显著性检验，发现男子：挥臂速度和手臂的快速收缩力量是影响击球
力量的主要因素，其次为腰腹肌群的快速收缩力量，而移动速度与扣远成绩相
关性不大。
2.3 小结
（1）由于乒乓球的运动千变万化，对于乒乓球空中飞行过程的生物力学的
理论分析，往往抓住解决问题的主要方面对乒乓球的运动的形式进行简化。在
研究乒乓球平动，即乒乓球的速度和位移时，将其简化为质点；而在分析乒乓
球转动时，又要将其简化为刚体。
（2）在实验研究方面，对于乒乓球的旋转和速度的认识方面主要是应用
PD-1 型乒乓球动态测转仪进行测量的。西安体院的严波涛和董树英分别在球拍
上放置弦开关－频率计测试系统和加速度传感器系统对击球的力量进行推算。
11
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3 乒乓球技术的生物力学研究
乒乓球运动的技术问题，一是手法，二是步法。乒乓球比赛中各种技术的
运用都是建立在这两者基础之上的，在乒乓球运动的理论和实践中人们认为两
者对乒乓球运动员的都非常重要。
对于乒乓球技术的分析乒乓球教材上都给出了定性的描述，并且充分肯定
了乒乓球技术要符合力学原理 [12][13][14] 。如任何一板有效的击球，从动作的形
式和内容来看，大体上都要包括准确的判断及站位、适宜的击球点、正确的启
动姿势、挥拍方向和路线、恰到好处的拍面角度及触球部位等环节。如果其中
某一个或几个环节不符合力学原理，则不仅费力，而且效果也不好，因此要想
以最小的体力获得最大的效果，必须使动作具有合理性，即符合人体运动生物
力学、解剖学和生理学的要求。另外，各个动作之间、各个动作要素之间以及
动作与人体机能之间，在时间、空间上的协调配合，对提高技术质量具有重要
的作用。
3.1 乒乓球动作技术的生物力学研究
对于乒乓球运动员动作技术的分析，要以击出的乒乓球的性质作为衡量的
标准，那么运动员将以怎样的动作击打出的球会产生最好的效果呢？最好的效
果是指对对方最有威胁的球。乒乓球的技术可以大致分为进攻技术和控制技术，
而对于得分而言，两种技术都有得分的可能。进攻技术以追求运动员发挥最大
的、最合理的力，使击出的球速度最大、旋转最强，控制性技术多为小技术，
以控制速度、旋转、落点的变化为主。这就使得对乒乓球技术的分析变得复杂
多变。
3.1.1 理论分析
[21]
一些学者对不同技术间的运动时进行了对比，如郭铮 （1991）从动作幅
度、人体运动的潜能、稳定性三个方面运用运动生物力学的原理对弧圈球技术
和小弧圈技术进行对比。于勇，林秀岩[22] （1997）探讨了旋转和速度之间的控
制与反控制，提出了如何通过改变动作技术来实现以速度对抗旋转的方法。
[23]
对于直拍横打技术的理论论证上，许多学者也做了研究。吴焕群 （1989）
从正反胶快攻的球速、旋转进行比较，提出直拍反胶快攻的可行性。为直拍技
[24]
术的发展起了很大的意义。藤守刚 （1991）从解剖学、生物力学角度试图探
[25]
讨直拍反手正面拉弧圈球技术的可行性。尹霄（1992） 在直拍反面进攻单个
技术的动作要领与运用中指出反面快拨：拍形角度略前倾约45o～50o之间，向
后引拍20～30 cm，大臂夹角45o、反面弹打技术、反面攻技术作了概括性的论
12
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北京体育大学博士学位论文
[26]
述。程存德 （1997）认为传统的直拍反手进攻，需前臂作较大的外旋，当前
臂在身前呈近水平状时，其外旋幅度受诸多肌群尤其是多关节肌的限制，引拍
易产生多关节肌被动不足，击球时易产生多关节肌主动不足。另外肘腕关节的
解剖结构的限制等都是影响直拍反手进攻的不可解决的问题，同时提出直拍横
打的合理性。在理论上强调直拍横打势在必行。
3.1.2 实验研究
运动生物力学在乒乓球动作技术的手法研究主要分为运动学和动力学两个
领域。
3.1.2.1 运动学方面
随着实验仪器的改进，实验仪器由照相机到摄影机再到摄像机，认识的视
野从2 维空间到3 维空间，对于乒乓球动作技术的运动学方面的认识也逐渐深
入。
[27]
吴焕群 （1981）采用比较连续照片的方法，较详细地对郭跃华的弧圈技
术进行了全面的剖析，虽然运动学的特征量未给出，但这个研究应该是开创了
运动生物力学的方法在乒乓球运动中应用的先河。
许绍发等[28] （1987）用两台EPL 高速摄影机以100 格/s 同频同步对运动员
的直拍反面、正面击球的技术动作（关节运动幅度、球拍倾角及最大球速）进
行了拍摄，用CP—2000 型解析仪对影片进行数字化，P—3000 型计算机对原始
数据进行平滑处理和三维计算比较分析。研究发现，直拍反面击球，可使腕关
节有足够的动作幅度，可以使上肢对球的鞭打动作充分，可以使球拍倾角较小
而盖住球体避免“吃转”，可以使台内击球动作准确，从而得出直拍反面击球技
术的可行性。为直拍反手进攻提供了思路。
[19]
董树英等 采用自制实验仪器（加速度传感器）的方法，从生物力学角度
进行定量分析，找出高、低抛发球的挥拍加速度的差异，以及高抛发球特征规
律及存在的问题。为进一步发展创新发球技术提供了理论依据。
[29]
北京体育大学张辉 （1995）采用三维高速录像分析法，对4 名优秀直拍
快攻运动员的创新技术“直拍反面拉弧圈球”进行了运动学分析，结论是：第
一、四名优秀直拍运动员（刘国梁、冯哲、黄大伟、王飞）反面拉技术时间均
数为1.125 s，其中引拍时间最长；球拍挥动路程均数为2.763 s，各阶段的球拍
挥动路程较接近。第二、反面拉的引拍以向下为主，同时向身体左侧（右手握
拍运动员）和靠近身体方向挥动；挥拍击球时以向上、向前为主，略有向右；
击球后球拍继续向上和向右，略向前。第四、反面拉挥拍击球时，膝、髋、躯
13
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北京体育大学博士学位论文
干由屈至伸运动产生加速度，以获得一定的动量带动握拍手臂挥拍；躯干、肩、
肘和腕的速度依次递增，最终使球拍在最大速度或接近最大速度时击球。第五、
四名运动员各环节达最大速度值的时间顺序不同。
柳天扬[30] （1995 年）对刘国梁、孔令辉等正手近台攻打前冲弧圈球技术的
运动学特征进行了分析与研究。第一次较完整地阐述了优秀乒乓球选手正手近
台攻打前冲弧圈球技术的生物力学特点与规律。其中探究了刘国梁和孔令辉的
前冲弧圈球动作时的运动学参数：引拍方向与幅度；挥拍击球过程的方向与幅
度；引拍阶段肩、肘的角度变化；挥拍击球过程的角度变化；引拍阶段的速度
特征与时间顺序；挥拍击球过程的速度特征与时间顺序；击球点高度与拍面角
度；击球瞬间的速度特征。刘国梁和孔令辉挥拍速度最大达8.547 m/s、8. 337
m/s，回球速度为17.43 m/s 和13.335 m/s。结果发现正手近台反冲前冲弧圈球技
术相对于纯粹的前冲弧圈球技术本身(从下旋到前冲) 具有绝对的速度优势；引
拍的方向以向右、后、下方为主,并且肩、肘关节角度不宜太大；发力方向以左、
前、上方为主；发力形式以肘、腕、拍的瞬间同时发力为主；击球点是上升后
期,拍面前倾，击球中上部。
[31]
陈洁等（2001） 对直拍四面攻技术的击球速度、旋转、力量作了实验研
究, 并对其主要技术在比赛中的运用情况进行了统计和分析, 以了解直拍四面
攻技术的可行性及其特点。测试了球的击出速度、球的旋转和球击出后飞行的
最远距离。研究表明:直拍四面攻可以用正手正、反面和反手正、反面的四个面
击球进攻, 各个面都具有各自不同的功能和作用, 击球速度、旋转、力量以及主
要技术在比赛综合运用上没有技术死角；在击球速度上正手反面快攻不如正手
正面快攻, 正手正面更适合于扣杀；在弧圈球技术的旋转上正手正面不如正手
反面, 并且正手反面弧圈球技术带有明显的侧旋；正手正面快攻与反面快攻在
力量上没有显著性差异；在发球技术上占有明显的优势, 但是要加强发抢意识,
提高发抢命中率；在相持能力上必须解决好正、反面的拉打转换, 充分发挥反
手能用两个面拉打的威力。
上海体育学院的黄诚等[32] （2000）对直拍横打和横拍反手位攻弧圈球的动
作特征进行了对比分析，实验通过Motion Analysis System 对两种击球动作上肢
各环节的运动时相进行了描述，并通过自制的可调球拍角度击球仪对回击弧圈
球的拍面角度和拍形角度范围进行了测量。
北京体育大学杨斌[33] （2004）对优秀女子青少年乒乓球运动员弧圈技术进
行了运动学分析，对直拍横打、传统直拍、横拍运动员在挥触和随挥两个阶段
中左右的肩、肘、髋、膝关节以及身体重心的速度和角度的变化特征进行了描
述和对比。
14
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[34]
北京体育大学孟杰 （2004）对乒乓球比赛中王皓与唐鹏的正反手弧圈球
技术动作技术进行了对比研究。运用三维录像分析方法，第一次分析讨论了比
赛中正反手拉弧圈球的动作技术。将王皓的直拍横打技术与运动生物力学原理
的部分要素相结合，经过整合并结合理论分析，并与优秀的横拍打法选手唐鹏
的动作技术作出比较，提出了王皓直拍横打技术动作和唐鹏横拍动作技术的特
点，从而验证王皓直拍横打技术的合理性和优秀的竞技效果。
3.1.2.2 动力学方面
孙卫星[35] （1992）利用Biodex 等速测力系统，对乒乓球运动员的腕、肘、
肩各关节屈伸肌力进行等速测试，首次为乒乓球运动员的上肢肌力提供了参考
值。
刘亚军[36] （1995）运用肌电图方法对乒乓球直拍快攻打法的正手快攻和正
手弧圈球技术动作进行肌肉工作机制的研究。结果发现：正手快攻预备姿势时
运动员右膝关节屈105o，右肩前屈20o，肘关节屈107o，冈上肌、腓肠肌开始
放电。击球时右足用力蹬地、转腰，上臂带动前臂由后向前挥动。三角肌中束、
三角肌前束相继放电。触球前，前臂加速用力向左前挥击，手腕边伸边展，加
速前臂内旋。肱二头肌、旋前圆肌、胸大肌相继放电。肘关节成90o时开始触
球，肱二头肌、旋前圆肌、腓肠肌放电幅度增强。击球结束时，肘关节成80o
角，前臂骨旋内120o，桡腕关节外展10o，右膝关节屈120o。结果说明击球时
肌肉工作的特点是大关节带动小关节，各关节肌肉依次发力；各关节肌同时结
束用力；腰、腿部肌肉力量对正手快攻技术的发挥有着重要意义，上臂借助于
下肢蹬伸获得的地面支撑反作用力带动身体的移动和转动，继而带动上臂运动，
动量从腿、腰部向上肢传递是加速手臂击球速度的重要因素。正手拉弧圈时参
与工作的关节和肌肉与正手快攻一样，只是由于运动幅度的加大，关节角度发
生较大的变化。预备姿势时肘关节屈156o，膝关节屈100o左右；击球时肘关节
屈90o，膝关节屈125o左右。参与工作的肌肉顺序是上肢的三角肌中束、冈上
肌、三角肌前束、胸大肌、肱二头肌、旋前圆肌。下肢是腓肠肌外侧头、股二
头肌。正手快攻与拉弧圈球的肌肉最大用力时发力顺序基本相同。差异是拉弧
圈预备姿势肘关节角度大49o，膝关节小5o；拉弧圈肱二头肌、胸大肌放电量
大于正手快攻时的放电量，且放电时间长。
3.2 乒乓球步法移动的生物力学研究
乒乓球步法在乒乓球技术中的重要性是勿庸置疑的。对乒乓球步法移动规
律作出科学解释的重要方法依据就是生物力学的理论和研究方法。对于乒乓球
步法的认识，随着科学的发展也在不断深入。
15
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3.2.1 理论研究
国内对步法研究的开始阶段是对乒乓球步法的经验总结和翻译日本的一些
研究成果。随后研究者逐渐开始用生物力学的角度对对步法移动进行理论分析
并试图对步法移动规律做出科学的解释。研究者运用力学、解剖学的概念，分
析了“预动”在乒乓球步法移动中的积极作用和应用方法，以及如何运用力学
概念，结合步法移动现象对“预动”作用进行再认识。有研究者运用人体运动
的重心概念和人体重心移动规律，来认识乒乓球步法移动规律[37]。岑淮光[38]
（2001 年）根据长期实践经验，把步法移动的用力技巧概括为：（1）起动是步
法移动的关键，起动的动力主要来自小腿和脚迅速用力蹬地来完成；（2）重心
交换是步法移动的核心，重心交换主要依靠大腿的力量；（3）膝关节弯曲的储
存能量是步法移动中击球时的主要能源；（4 ）腿脚要用力配合。
3.2.2 实验研究
[39]
在步法移动问题的研究上，吴修文 （1986）通过SMC—70 GP 计算机形
象制作系统对我国部分优秀运动员交叉步移动技术运用中的起动、腿交叉拍触
球和落地制动3 个部分进行分析，提供了李富荣在3 个阶段中，左膝关节的角
度变化值为155o、145o和115o。从李富荣膝关节角度变化的情况，可以知道他
身体重心的变化，起动时的重心高度大于落地时的重心高度。身体重心的变化
和步法移动的基本原理是一致的。
[39]
在乒乓球步法移动范围的研究方面，王家正等人 （1984）采用现场跟踪
统计的方法，对我国优秀运动员左推右攻技术打法、两面攻技术打法、弧圈球
技术打法和攻削结合技术打法4 种打法类型在比赛中的步法移动范围进行研
究。结果表明步法移动范围削球打法>弧圈球打法>左推右攻打法>两面攻打法。
[39]
日本Nobuo Yuza 等人 （1992）通过在比赛现场的拍摄，对4 日本优秀运
动员中三种不同技术打法：日本式进攻打法（一名右手握拍、一名左手握拍）、
中国式进攻打法和削球打法在比赛中步法移动的范围进行了研究，分别为3.0
2 2 2 2
m 、2.1 m 、2.3 m 和6.6 m 。
詹晓希等[39][40]设计了字母标记法，先以金泽洙的经典战例，对其步法组合
类型及落点和手法的对应关系等进行了系统记录。后又以改进了的字母标记法，
从步序的角度对各类步法中两脚落地的先后顺序实行标记，并对金泽洙、马林、
王皓、蒋澎龙的步法组合类型的运用进行了系统比较研究，提出了4 人前3 板
步法组合建构基本模型及共性、个性组合类型，系统地阐述了步法与落点之间、
步法与手法之间的对应关系，展现了世界优秀乒乓球运动员快速灵活简洁有序
16
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的步法特点。此研究虽然不属于乒乓球步法生物力学研究的范畴，但字母标记
法对乒乓球定量分析及提供了新思路，对乒乓球步法的生物力学分析具有借鉴
作用。
3.3 小结
（1）对于动作技术的理论分析多是用生物力学的原理进行解释。
（2）对于手法的实验分析，有关动力学的分析仅有2 篇，有关运动学的
分析有不及10 篇，所用的方法主要是录像拍摄和解析的方法。
（3）对于步法的研究较少，对步法的定量研究更是少见，对步法移动现
象的讨论还处于描述阶段，更多的步法问题在理论和实验研究上并未有较大的
发展。
4 乒乓球生物力学研究现状总结
国内外学者对于乒乓球运动项目的生物力学应用研究，已经做出了一些有
益的探索和贡献。但有关乒乓球生物力学的研究还不多，并且已有的研究还不
够系统和深入，所用的运动生物力学研究方法比较单一，乒乓球专项化的运动
生物力学仪器很少，对于乒乓球与乒乓球台、乒乓球拍碰撞的原理、乒乓球飞
行的运动状态、乒乓球动作技术原理（尤其为步法技术和技术的力学特征）等
方面尚未揭示，或揭示得还不够全面。随着科技的进步和人类对自身认识的提
高，集中多学科的力量，对乒乓球项目进行全面、综合地研究必将是一项十分
有意义的工作。
5 乒乓球生物力学领域研究的展望
5.1 乒乓球生物力学研究方法及仪器的展望
按研究方法划分，运动生物力学应用在体育中的研究大体可分为两类：一
是力学理论研究方法，二是实验研究方法。两者应当紧密结合，才能使运动生
物力学更好地在运动实践中应用。
力学理论研究方法的基础是经典力学理论，并应用它解释分析生物体运动
及探索其运动规律。力学理论研究方法优点是能使研究工作更加严谨和深人，
但由于模拟研究目标和对运动数学化描述的困难，这类研究难度很大，且研究
结果与运动实践尚有一定的距离。所以力学理论研究方法必须辅之实验和经验，
才能使它在实际应用方面的作用得以发挥，力学理论方法与实验测试方法两者
应当紧密结合。前者提供了运动普遍规律，对分析有理论指导意义，后者是理
17
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论研究与实际应用的桥梁，能使研究更好地为运动实际服务。
实验研究方法，它通过各种实验手段，测试记录体育运动过程，并以此作
为依据，结合经验，对运动技术进行分析对比，从而提出改进技术的意见和建
议。这种研究方式是以具体运动员的具体动作作为研究对象。实验通常用高速
摄影、录像、测力台测得运动学和外力参数，用肌电测试仪测人体内力参数，
然后通过数据处理和分析，来诊断运动技术的优劣及动作的合理性。这种方法
以实验手段为主，与运动实践联系紧密，能对运动员的技术训练直接施加影响。
但由于该方法研究和实验的对象是具有个体特征的人，不可避免地造成对共性
的运动规律研究的困难，从而使研究结论难以达到理论升华。因此实验方法必
须和力学理论研究共同发展、相辅相成，才能使运动生物力学学科渐趋深入完
善。
5.1.1 乒乓球力学理论研究方法的展望
该研究方法因为是通过模拟手段对人体运动仿真，一般包括五个步骤：一、
确定运动恃征，建立目标函数；二、选择模型确定刚体的自由度；三、建立动
力学模型（拉氏方法、Kane 方法、雅各宾法等）；四、实测已知数据并求解；
五、根据求解结果解释运动规律，这一步骤是将求得的数学规律化为体育运动
语言对运动技术进行合理的指导。
从对运动生物学在乒乓球运动项目中应用的现状，可以看到，以往用的最
多的是运用力学原理对一些现象进行解释。而利用力学理论研究的方法却很少。
根据此研究方法，可以对乒乓球中许多问题进行研究。
如对上肢各关节的关节力和力矩问题。建立上肢模型，整个上肢可分为上
臂、前臂和手（包括器械）3 个部分，根据上肢实际的生理结构和以往生物力
学建模的经验，拟将人体上肢简化为3 刚体7 自由度的物理模型。运用多刚体
系统动力学理论中的Kane 方法或者扎齐奥尔斯基的雅各宾法，建立系统运动学
和动力学方程，代入运动学参数、计算推导出球拍的力学参数以及郑秀媛公布
的人体环节参数，求出腕、肘、肩关节的关节力和力矩。
5.1.2 乒乓球生物力学实验研究方法的展望
运动生物力的实验研究方法在乒乓球运动项目中应用现状是，动力学研究
仅有1 篇，运动学测试也不多，所运用到的生物力学仪器很少。所以实验研究
方法在乒乓球运动项目中有极大的发展空间。
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5.1.2.1 常用的生物力学仪器在乒乓球项目中的应用
许多已经在其他专项中运用较为广泛的生物力学仪器在乒乓球运动项目中
尚未广泛使用。比如，三维测力台，肌电仪，足底压力鞋垫等。
三维测力台可以反映地面对人体的反作用力的大小和方向随时间的变化。
运动员击球的力最终是通过人体蹬地面，同时地面给人体的反作用力而实现的。
而对乒乓球运动员地面反作用力的动力学特征的描述至今尚无。
通过在运动员的鞋子里放上压力鞋垫，可以得出在移动过程中，脚底压力
的分布图，可以为乒乓球运动员鞋子的设计提供参数。
通过肌电仪可对完成某动作所参与的肌肉活动的强度和时间进行描述，确
定主要的参与肌群。用在乒乓球运动员身上，就可以很清楚的知道完成某动作
的肌肉用力顺序是什么，主动肌是那些，可为力量训练提供参考。
5.1.2.2 乒乓球专项化、反馈快速化的运动技术测试仪器的开发
这是运动生物力学测试仪器的发展趋势，至今为止，在乒乓球界中尚无有
此类测试仪器的研发成功。近年来一些运动项目专用的测试仪器不断出现。例
如，体操项目单杠、双杠、高低杠、跳马、吊环的测力系统、赛艇多参数遥测
分析系统、起跑蹬力测试系统、蹬冰力测试系统、游泳出发测力系统等。
其他专项的研究可为乒乓球专项化的测试仪器提供借鉴，比如考虑是否可
以在乒乓球拍上安装加速度传感仪。随着科学技术的迅速发展，加速度传感器
体积和质量都可以做到非常小，精度可以达到很高，此仪器可以实时监控球拍
三个方向上的速度、加速度和角速度，并可据此推算球拍的受力情况，以及击
打乒乓球后，球体获得的初速度。
考虑是否可以在乒乓球桌面下安装4 个压力传感器，即将整个桌面作为测
力台，可以对乒乓球与球台的碰撞过程进行清晰的认识，进而对乒乓球碰撞前
后的速度、旋转进行推算，对于碰撞的力量以及乒乓球的落点都会有即时准确
的反映。
如果这些设想可以实现的话，将丰富乒乓球理论知识，对乒乓球运动的实
践会有快捷的帮助。
5.1.2.3 多机同步测试的研究
多机同步测试研究是运动生物力学研究的发展趋势。人体运动十分复杂，
因此，多机同步测试方法对各项运动技术研究十分重要。由于多机同步测试研
究需要的仪器多、经费多、时间长、技术人员多，而且多数动力学指标和生物
学指标的测试在正式大赛中很难进行，所以，多机同步研究的报道较少。随着
科学技术的进步和对运动技术研究的深入，多机同步测试研究将会得到较快发
19
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展。
对于乒乓球这项精密的运动，以往的研究多是从一维的视角来进行的，对
乒乓球运动的生物力学的研究应朝着多维的研究视角发展。比如，将摄像系统
和测力台系统同步的测试方法，综合运动学和动力学的数据对乒乓球运动进行
更加深入、全面的认识。
5.1.2.4 生物反馈技术在乒乓球运动技术训练中的应用
运动生物力学测试中提供给运动员、教练员的技术动作的速度、幅度、方
向、力量等指标数据，运动员在训练中很难掌握，如果将测试的数据转换成声、
光信号直接提示给运动员，表示其当前的动作是否达到了要求或某个范围，运
动员接收到声、光信号后，便马上做出反应，调整动作的幅度、强度、速度等
就容易得多。这方面研究在其他专项中已经取得了一定进展，例如，北京体育
大学金季春教授指导其博士生闫松华所研制的用于短跑训练的“测试鞋”，对每
一步的着地时间和腾空时间进行实时监控，正朝着生物反馈的方向发展。
生物反馈技术在乒乓球运动技术训练中的应用也是乒乓球运动项目生物力
学发展的趋势。
5.2 研究领域的展望
根据乒乓球运动专项运动生物力学研究的现状、运动生物力学学科发展趋
势、我国要继续保持乒乓球长盛不衰的势头以及我国向市场经济转轨的实际出
发，运动生物力学在乒乓球运动项目中的研究领域中，可以预计运动技术研究
仍将会占较大比例，同时，在全民健身、运动医学、康复医学、运动器材、服
装、仪器设备及工具等方面也会开展研制。具体可以从以下几个方面的研究：
（1）乒乓球手法的研究
（2）乒乓球步法的研究
（3）乒乓球与球拍碰撞、与球台碰撞的研究
（4 ）对乒乓球拍运动的研究
（5）乒乓球拍、乒乓球运动鞋的研制与优化
（6）乒乓球运动员肌肉、骨骼力学特性的研究
（7）乒乓球专项测试仪器的开发
（8）乒乓球运动员损伤机理和预防的研究
5.3 小结
根据乒乓球运动专项运动生物力学研究的现状、运动生物力学学科发展趋
势、以及乒乓球运动发展的实际需求，运用多种运动生物力学的理论力学和实
20
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验研究相结合的方法，对乒乓球运动中的多个领域进行分析和研究，是运动生
物力学在乒乓球运动项目中的研究发展趋势。随着科技的进步和人类对自身认
识的提高，集中多学科的力量，对乒乓球项目进行全面、综合地研究必将是一
项十分有意义的工作。
6 总结
对乒乓球生物力学领域的研究进行了综述，又根据乒乓球运动专项运动生
物力学研究的现状、运动生物力学学科发展趋势以及乒乓球运动发展的实际需
求，对乒乓球运动生物力学研究进行了展望。
本论文根据乒乓球生物力学的现状和乒乓球生物力学发展的趋势，结合乒
乓球运动需要，依据现有实验仪器、个人能力以及实验经费时间的限制，从以
下几个方面对乒乓球生物力学的问题进行研究：
（1）对乒乓球击球技术的研究。考虑到正手进攻技术是乒乓球比赛中最主
要的得分手段，本研究选取乒乓球正手快攻和弧圈球技术，每种技术分中等力
量和最大力量两种用力方式击球，共4 组技术动作，运用QUALISYS 运动学测
试系统与KISTLER 测力台测试系统同时试方法的实验方法，从运动学和动力学
两方面进行研究。
（2）研制开发一套乒乓球步法垫测试系统。利用中科院智能所的先进技
术――柔性薄膜阵列传感器，结合乒乓球运动的专项特点，研发一套专门用于
乒乓球专项的步法测试系统。对用乒乓球专项仪器的开发做一尝试。
（3）运用乒乓球步法垫测试系统对乒乓球步法的生物力学特征进行揭示。
对运动员在一场比赛中的步法移动的运动学特征进行研究。
21
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第一部分 乒乓球正手快攻、弧圈球技术的生物力学研究
1 研究方法
运用三维摄像、三维测力两个测试系统同时测量的运动学和动力学的实验
研究方法，对乒乓球正手快攻、弧圈球技术进行生物力学测试。
1. 1 测试对象
测试者情况为北京体育大学运动系10 名优秀乒乓球运动员，均为横握拍弧
圈结合快攻打法，胶皮为反胶（表1－1－1）。
表1－1－1 受试者基本情况
年 龄 性 训练年限 打法 身 高 体 重
人数 握法 执拍手 运动等级
（岁） 别 （年） 类型 （m） （Kg ）
右手（8 人） 1.77 ± 一级（8 人）
10 20±2 男 11 ±3 横握 弧快 67±12
左手（2 人） 0.06 二级（2 人）
1. 2 实验仪器
（1）QUALISYS－MCU500 红外光点测试系统（6 个摄像头、红外光点、
数据采集系统、电脑等）
（2）KISTLER 三维测力系统（包括2 块三维测力台：型号9281AA 和
9281AA、信号放大器、数据测试及分析软件及电脑等）
（3）1 台Panasonic M9500 摄像机
（4 ）乒乓球台、乒乓球拍和乒乓球
1.3 实验方法
具有6 个摄像头的QUALISYS 运动学采集系统与KISTLER 测力台（两块
三维测力台）系统，外加1 台Panasonic M9500 摄像机，同时对乒乓球正手快
攻、弧圈球技术进行生物力学测试。实验测试系统安置及测试现场见图1－1―
1，图1―1―2，在北京体育大学生物力学实验室进行实验。
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NO.4 NO.5 NO.6
计算机
计算机
测力台
摄像机
NO.3 NO.2 NO.1
图1－1－1 实验测试系统安置及测试现场示意图
图1－1－2 实验现场图
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1.3.1 运动学测试
应用瑞典产QUALISYS-MCU500 红外远射测试系统（6 个镜头）对乒乓球
运动员正手快攻、弧圈球技术进行测试。拍摄频率为100 幅/ s，每次采集时间
为5 s。与传统的高速摄影（录像）与解析方法相比，红外光点测试系统省却了
人工进行逐帧、逐点解析的繁重工作，不但可以对测试结果进行快速反馈，而
且避免了人工判读测量点所产生的人为误差。
运用1 台Panasonic M9500 录像机配合QUALISYS－MCU500 红外远射测
试系统同步拍摄。QUALISYS 系统虽然能够方便、快捷、准确地获得复杂运动
的三维运动信息，但缺点是只能对红外光点进行拍摄，无法对真实人体及实物
运动信息进行采集（比如无法采集到乒乓球的运动）。故用一台录像机配合使
用，以获得更多的动作技术信息。拍摄频率为50 幅/s 。
1.3.2 动力学测试
运用两块瑞士产KISTLER 三维测力台对运动员击球过程中地面对人体的
2
地面支撑反作用力进行测试。每块测力台长0.6 m，宽0.4 m，面积为0.24 m ，
两块测力台中心的距离约为50 cm，测力台采集频率为1,000 HZ，每次采集时
间为5 s。两块测力台通过测力测试系统中的数据采集系统实现内同步。
1.4 实验过程
1.4.1 实验仪器调试
对QUALISYS 6 个镜头的高度、俯仰角度和焦距进行调整，使坐标框架在
每个镜头中的位置处于中下部，且光点的大小合适。
然后对测试空间进行标定。标定时，实验人员在运动员技术动作可能会达
到的空间内不断晃动手中标定杆，以对测试空间进行标定。标定时间为10 s，
共1,000 个画面。系统自动计算6 个镜头的标定参数，并对是否通过标定进行
判定。
一台摄像机置于运动方向的右前方，距实验对象运动区域中心的距离约为
3 m，主光轴距地面的高度0.8 m，拍摄频率为50 幅/s，在拍摄之前调整摄像机
焦距并使之达到最清晰，然后锁定。
调整两块测力台的量程及精度，对三个方向上的力进行校正。设置采集频
率和每次采集时间。
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1.4.2 贴标志点
表1－1－2 标志点名称及固定位置
名称 位 置
左、右肩 肱骨大结节最向外突出的部位
左、右肘 肱骨外上髁
左、右腕 桡骨茎突外下缘
左、右髋 大转子最高点
左、右膝 胫骨外侧髁
左、右踝 外踝最高处
左、右足跟 足跟最远处
左、右足尖 脚大拇趾最前端
球拍 球拍背面中心位置
测试运动员穿紧身衣，充分的准备活动后在其身体关节部位及球拍上贴置
反射标志点，共17 个标志点。为减少误差，所有运动员标志点的设置均由一人
完成。固定位置如图1－1－1 及表1－1－2 所示。
受试运动员中有两人为左手执拍，为了研究方便，在计算时将这些左手执
拍运动员的左侧关节作为右侧关节处理，右侧关节作为左侧关节处理。由于选
用的人体模型是对称的，这样的处理对结果无影响的。
1.4.3 动作技术测试
测试运动员站在测力台上，使两只脚分别站在每块测力台的中央，要求保
证两脚始终分别在面积为0.24 m2 的测力台区域里运动的前提下，自然地完成
技术动作。运动员依次完成两种技术四组动作的测试。两种技术为正手近台快
攻和正手弧圈球技术。每种技术用两种发力方式击球，一为用最大力量，二为
中等力量，要求运动员控制好击球力量。每组动作的测试方法为运动员一直进
行多球练习，由实验员判断当技术动作比较稳定时，开始采集，各个测试系统
同时采集5 s 后停止，然后保存文件，准备下一组动作的测试。测试应得到至
少3 次动作技术质量较高，且两个测试系统数据都完整的动作。
（1）正手快攻技术测试：陪练发多球，进行正手位斜线近台快攻练习。
（2）正手弧圈球技术测试：陪练发多球，进行正手位斜线弧圈球练习。
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1.5 数据处理
QUALISYS 采集系统对10 个人的两种技术的4 组动作进行了采集，每次采
集5 s，每个画面有17 个标志点，采集频率是100 幅/s，共获取标志点坐标原始
数据340,000 个，再对这些点坐标处理计算获得分析所需的速度、角度、角速
度等数据。
从录像上共获取10 个人的4 组动作，共40 个动作技术录像，找出了每个
动作技术的击球时刻。
从测力台上获得40 组技术动作在运动员在完成击球动作过程中地面对人体
在左右、前后、上下3 个方向上的支撑反作用力，采集频率是1,000 次/ s，采
集时间为5 s，即获取原始数据600,000 个。
3 个测试系统的数据是同步获取的，将3 个测试系统的数据进行了综合分析
与处理。
1.5.1 运动学参量的计算与处理
应用QUALISYS 运动分析系统中的QTrc 软件获得各标志点的空间三维坐
标。
应用Excel、Origin 等软件对原始三维坐标数据进行平滑与计算，得到用于
分析的运动学数据。数据平滑采用低通滤波方法，截断频率为8 Hz。
（1）击球时刻的判断
击球时刻是研究乒乓球击球动作的重要标志点，但由于QUALISYS 测试系
统的限制，不能在球上设置反光标志物，因此通过红外光点测试不能判断球拍
击球瞬间。这一问题可以通过我们对测试全过程拍摄的摄像机来解决。由于摄
像机和QUALISYS 是同步测试的，所以可以从录像上确定的击球时刻来推算出
由QUALISYS 采集动作技术中的击球时刻。运用视讯运动解析系统对所拍摄的
技术动作进行截取与逐场分析。由于红外光点测试频率为100 场/ s，拍摄频率
为50 场/ s （一帧分两场），因此确定出手瞬间画面的误差应小于0.02 s。
（2）关节角度的定义
由于人体在运动中，肩关节、肘关节、髋关节和膝关节等大关节都在做三
维空间复合运动。本实验参考国内外的有关文献资料，根据乒乓球运动中各关
节的运动特点和运动生物力学和运动解剖学的有关内容以及本文研究的方便，
本文选用空间角度来描述各个关节在空间的运动和位置，对本实验研究中所涉
及的相关的角度概念进行了如下定义（见定义及图1－1－3）。
肩关节角：同侧肩关节标志点与同侧肘关节标志点连线，和同侧肩关节标
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志点与同侧髋关节标志点连线之间的夹角。
肘关节角：同侧肘关节标志点与同侧肩关节标志点连线，和同侧肘关节标
志点与同侧腕关节标志点连线之间的夹角。
髋关节角：同侧髋关节标志点与同侧膝关节标志点的连线，和同侧髋关节
标志点与同侧肩关节标志点连线的夹角。
膝关节角：同侧髋关节标志点与同侧膝关节标志点的连线，和同侧膝关节
标志点同侧踝关节标志点连线的夹角。
转角：两侧肩关节标志点的连线与两侧髋关节标志点连线的夹角。
肩
肘角
肩角
肘
腕
髋
髋 髋角 肩
转角
髋
肩
膝角 膝
踝
图1－1－3 关节角度定义图
1.5.2 动力学参量的计算与处理
运用KISTLER 数据分析软件对原始数据进行处理，后用Microsoft Excel
软件进行分析和处理。
1.5.3 动作阶段的选取
在每组技术动作5 s 中的采集数据中，结合运动学数据和测力台数据，选取
运动学数据间断最少的一个动作周期进行分析。运动学数据间断部分由 QTrc
软件应用插值方法进行自动补充。
测力台的采集频率是1,000次/ s，QUALISYS 测试系统采集频率为100场/ s，
所以在选取动作阶段时，两个测试系统的误差小于0.01 s。
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1.5.4 统计方法
对数据的统计分析以及表格、曲线图的处理是运用Microsoft Excel 和
Origin 软件进行处理的。采用的统计学方法主要是独立样本T 检验。
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2 对乒乓球正手快攻、弧圈球技术的测试结果与分析
2.1 动作阶段划分及研究范围的确定
2.1.1 动作阶段划分
A B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D3
度
速
拍
球
1 51 101 151 201 251 301 351 401 451
动作阶段划分图 时间
力
用
作 Fz2
反
撑 Fy2
支 Fx2
面
地1 501 1001 1501 2001 2501 3001 3501 4001 4501
图1－2－1 动作阶段划分示意图
注：（1）特征画面和判断依据。An （n=1,2,3 ）点为还原时刻，判断依据为此时右脚在
左右、前后方向上的地面支撑反作用力接近为0；Bn 点为引拍结束时刻，判断依据为此时
球拍的速度在极小值；Cn 点为击球时刻，判断依据为此时在录像上显示球拍与球接触；
Dn 点为随挥结束时刻，判断依据为此时球拍速度在极小值；An+1 点为再次还原时刻，判
断依据为此时右脚在左右、前后方向上的地面支撑反作用力再次接近为0。
（2 ）动作阶段。An—Bn 段为引拍阶段；Bn－Cn 段为挥击阶段；Cn—Dn 段为随挥阶
段；Dn—A n+1 段为还原阶段。
当发多球进行原地定点乒乓球基本击球技术练习时，连续击球动作可以看
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作是周期性的运动。一个乒乓球击球动作是一个较为复杂的过程，为了便于分
析，根据动作的任务和性质，可以将一次复杂完整的击球动作的整个过程划分
为不同的阶段。相互区分不同的阶段，有利于对完整的动作进行分析和研究。
在不同动作阶段的临界点，为击球技术的特征画面。
本实验中，在5 s 的采集时间内，对优秀运动员原地定点击球技术进行测
试，由于优秀运动员的击球动作已形成动力定型，每次击球过程基本相同，所
以，所有的参数均显示出明显的和稳定的周期性变化。如图1－2－1 所示，球
拍的速度变化和地面对人体的支撑反作用力显示出规律性变化。由于本次实验
是原地击球，因此没有考虑步法移动与选位对动作阶段划分的影响。一个原地
击球技术动作周期结构，包括5 个特征画面和4 个动作阶段。An、Bn、Cn、
Dn、An+1 …均为特征画面。An—An+1 、Bn—Bn+1 ，Cn—Cn+1，Dn—Dn+1
均为从不同特征画面开始再到下一个该特征画面结束的一个动作周期。
本文结合录像观察、球拍的运动学变化和地面对人体的支撑反作用力的变
化对击球技术动作进行阶段划分的。通过录像分析，可以精确地找到击球时刻，
但是由于连续击球，球拍和身体处于运动状态下，没有一个明显的停顿时刻，
所以还原时刻、引拍结束时刻和随挥结束时刻的最远端只能主观去判断。之所
以选择球拍的速度变化图来分析，是因为击球过程中全身运动最终体现球拍的
运动变化上来，球拍在引拍结束和随挥结束时刻，合速度最小，在击球时刻，
球拍的速度为最大速度左右，所以用球拍的速度变化可以精确地区分引拍结束
时刻和随挥结束时刻，而还原时刻无法判断。当用测力台数据，即地面对人体
支撑反作用力的变化情况来分析时，可以精确地区分还原时刻。当在还原时刻
时，左右脚在左右和前后方向上的蹬地力应接近于0，本文以右脚的力（如图1
－2－1 下图所示）来判断还原时刻。本实验中的测力台数据和QUALYSIS 的数
据以及录像采集系统是同时测试的，三者的数据可以通过特征画面对应起来。
所以可以通过上述3 种方法的互相补充，来确定一个动作周期中的特征画面和
区分动作阶段。
2.1.2 研究范围的确定
本文根据乒乓球技术的特点，从技术动作结构着手及本研究的方便，选取
从An—An+1，即从第一次身体还原时刻开始到第二次还原时刻结束为一个击
球动作周期进行分析。5 个特征画面依次为第一次还原时刻（An ）、引拍结束时
刻（Bn ）、击球时刻（Cn）、随挥结束时刻（Dn ）和第二次还原时刻（An+1 ）。
由5 个特征画面组成4 个动作阶段，分别为引拍阶段（An—Bn ），击球阶段（Bn
－Cn ）、随挥阶段（Cn—Dn ）和还原阶段（Dn—A n+1 ）。
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为了更好地找出乒乓球动作技术各参数的规律性变化，本章中所有的图均
是截取了Dn－1 — Bn ＋1 段，比实际一个动作周期多了上一个周期的还原段和下一个周
期的引拍段。本章所有图是选用了具有代表性的一名运动员的运动学和动力学曲
线。图中横坐标为时间，上一个周期随挥结束时刻设为0 s。运动学部分时间单
位为毫秒（ms ），角度的单位是度（o），位移的单位是毫米（mm ），速度的单
位是毫米/秒（mm/s ）。力学部分时间单位为微秒（μs），力的单位为牛顿（N ）。
文中均值和标准差是对所有10 名运动员有关生物力学参数计算的结果。
为了对比最大力量和中等力量两种用力方式之间动作的差异，以及找出正
手快攻和正手弧圈球的技术的不同，对所有参数进行了独立样本T 检验。分别
做了3 组检验，一为两种力量快攻的对比，二为两种力量弧圈球技术的对比，
三为两种技术之间的对比，用的是最大力量快攻和最大力量弧圈球技术之间的
比较。为了行文的方便，将两种技术四个动作（中等力量正手快攻、最大力量
正手快攻、中等力量正手弧圈球和最大力量正手弧圈球）分别简述为轻打、重
打、轻拉和重拉。
2.2 球拍和上肢的运动
2.2.1 球拍的运动
作为环节链的末端，球拍的运动轨迹是全身各关节配合的体现。全身所有
的运动最终都要体现在球拍的运动上，运动员通过球拍的运动达到对来球的控
制，所以，本文对球拍的运动学特征进行详细地分析与描述。
2.2.1.1 球拍速度
2.2.1.1.1 主要正手进攻技术球拍速度的特征描述
图1－2－2 中所示的球拍速度为球拍在3 个方向速度的合速度。在一个正
手进攻技术周期（A－a）中，球拍的速度经历两个波峰和一个波谷。在引拍阶
段（A－B ），球拍向右后下加速引拍，到引拍最远端形成一个波谷，速度为最
小，然后球拍向左前上加速迎球挥拍，在速度最大值附近击球，后又减速随势
挥拍到达随挥最远端D 点，后又反向加速还原到a 点。
引拍的第一个波峰值小于第二个击球前后的波峰值。在引拍最远端和随挥
最远端时刻速度为两个波谷，但合速度不为0。并说明球拍在这两个时刻并未
完全停止下来。这里的速度是指左右、前后、上下方向上速度的合成，应该说
在引拍结束和随挥结束前后三个方向上的速度不是同时为0，而是依次为0，从
而达到既使球拍的方向发生了改变，又保证了球拍速度的连贯性。
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速度(mm/s) A B C D a 速度(mm/s) A B C D a
6000 12000
5000 10000
4000 8000
3000 6000
2000 4000
1000 2000
时间 时间
0 （ms） 0 （ms）
0 50 100 0 50 100
轻打 重打
速度(mm/s) A B C D a
12000 速度(mm/s) A B C D a
16000
10000
14000
8000 12000
6000 10000
8000
4000
6000
2000 4000
时间
0 （ms） 2000 时间
0 50 100 150 200 0 （ms）
轻拉 0 50 100 150 200
重拉
图1－2－2 球拍速度特征图
2.2.1.1.2 两种技术之间、每种技术两种用力方式之间球拍速度的对比
表1－2－1 反映了轻打、重打、轻拉和重拉在各个特征时刻的速度值。在
引拍结束时刻，打和拉技术，以及不同用力方式之间的打和拉之间的速度存在
差异。重打和重拉的引拍结束时刻的速度分别为1.58±0.26 m/s、0.88±0.58 m/s，
分别大于了轻打的0.96±0.42 m/s 和轻拉的0.81±0.49 m/s，差异显著。说明以
提高引拍的速度来增大击球的力量和速度，引拍为随后的击球积蓄了能量。打
和拉在引拍结束时刻的速度也差异显著，这一时刻拉的速度小于打的速度。
4 组动作击球速度分别为5.14±0.25 m/s、9.00±1.73 m/s、10.91±1.13 m/s
和13.28±0.51 m/s，经过T 检验对比，得出轻打的速度小于重打，轻拉的速度
小于重拉，重打的速度小于重拉，差异显著。同一种技术不同力量击球的球拍
速度的差异，说明我们设计的实验是成功的，达到了区分最大用力和中等用力
的目的，用力的不同最终体现在球拍速度的不同。
在随挥结束时刻，球拍速度达到一个较小的值，然后手臂加速还原，从表
1－2－1 和图1－2－2 中可以看到一个动作周期中的两个还原时刻的速度值基
本一样，说明优秀运动员在连续击球中动作的稳定性。
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强烈支持31楼观点，送鲜花一朵鼓励！
表1－2－1 特征时刻球拍速度表（n=10 ） 单位： m/s
轻打 重打 轻拉 重拉
（M ±SD） （M ±SD） （M ±SD） （M ±SD）
还原结束A 2.91 ± 0.61 3.60 ±1.15 2.25±0.82 2.16±0.64
引拍最大值 3.98 ±0.72 4.60±1.09 3.78±0.57 3.96±0.83
引拍结束B 0.96 ±0.42 ﹟ 1.58 ±0.26 * 0.81±0.49 ﹠ 0.88 ±0.58
最大速度 5.24 ±0.25 ﹟ 9.33 ±1.32* 11.21±1.06 ﹠ 13.54 ±0.79
击球速度 5.14 ±0.33 ﹟ 9.00 ±1.73 * 10.91±1.13 ﹠ 13.28 ±0.51
随挥结束D 0.80 ±0.32 0.84±0.20 0.92±0.39 1.19±0.40
再次还原a 2.98±0.44 3.09±1.00 1.91±0.79 2.13±1.01
﹟代表正手轻打和正手重打之间比较，差异显著；
﹠代表正手轻拉和正手重拉之间比较，差异显著；
* 代表正手重打和正手重拉之间比较，差异显著。（后同）
2.2.1.1.3 击球瞬间球拍速度和挥拍最大速度的对比分析
在比较击球瞬间球拍速度和挥拍最大速度之间的关系发现，运动员并未在
球拍的最大速度击球。有的是在球拍出现最大速度之前，有的是在球拍出现最
大速度之后，但都是在最大速度附近时刻击球，分析了10 个运动员4 组动作球
拍最大速度和击球速度之差和出现时间，具体结果见表1－2－2。
表1－2－2 球拍击球速度和挥拍最大速度及出现时间对比分析表 （n=10 ）
轻打 重打 轻拉 重拉
速度之差（ｍ/s ）
0.10±0.14 0.14±0.10 0.05±0.05 0.26±0.28
（M ±SD）
两速度之比（％）
98.04±2.73 98.44 ±1.15 99.54±1.48 98.16±1.89
（M ±SD）
后击球比例(％) 30.00 80.00 90.00 100.00
平均相差时间 (ms) －2.50 －2.25 －2.00 －3.60
前击球比例(％) 70.00 20.00 10.00 0
平均相差时间 (ms) 2.25 3.50 3.00
用两种用力方式分别完成正手快攻、弧圈技术时，球拍击球瞬间的速度都
基本上小于挥拍最大速度，占最大速度的比例为98％左右。在击球时间上，四
组动作有差异，其中轻打中，只有3 个运动员是在最大速度之后2.50 ms 左右
击球，占30.00 ％，而在重打、轻拉中，最大速度后击球的运动员占了很高的
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比例，为80.00 ％和90.00 ％，分别在最大速度出现后2.25 ms 和2.00 ms 左右
击球，当最大力量弧圈球技术时，所有运动员均在出现最大速度3.60 ms 之后
击球。
对于这一现象的理解，张辉[29]用球拍速度利用率来解释，球拍速度利用率
是指击球瞬间球拍速度占挥拍最大速度的百分比。认为水平越高的运动员，球
拍速度利用率越高，应像乒乓球教科书上描述的那样，在100％最大挥拍速度
击球时，拉或打的球质量就越高。
本文对这一观点持不同看法。对于初学者可以用球拍速度利用率来解释击
球的质量，由于初学者尚未掌握击球的适当时机，其击球瞬间球拍速度占最大
挥拍速度的比例是比较低的，随着球拍速度利用率的提高，其技术水平必将提
高；但对于高水平运动员，不能用球拍速度利用率来衡量击球质量的高低，运
动员都会在接近最大挥拍速度击球的，但并非是最大挥拍速度时击球。本文认
为这就是乒乓球击球技术的特点，并认为当追求较高的速度和旋转击球时，应
该是球拍出现最大速度之后的较大速度瞬间击球。
球拍触球瞬间的速度并非是挥拍最大速度时刻，这一现象表明运动员的击
球动作并不是在挥拍至最大速度时球拍与球的碰撞。球拍是上肢环节链的末端
环节，球拍速度的获得依赖上位各环节的运动速度及配合。这可能与运动员在
球拍触球瞬间试图以降低速度来增加球的稳度有关。击球的任务不仅是使球具
有较大的线速度和角速度，而且要对击出的球进行一定的控制，使球具有一定
的弧线、落点、稳度等加以运动员的战术意识。为了达到对球很好的控制，就
要以球拍的部分速度的减慢作为代价追求球的最大速度和对球更好的控制，是
矛盾统一的两个方面，优秀运动员在这两个方面上达到了统一。
刘卉[71]对网球大力发球技术击球时刻证明是在最大速度出现后0.009 s 击
球，澳大利亚学者ELliott[45]对网球的研究表明击球时刻也出现在最大挥拍速度
[42]
之后，时间为0.005s。在刘卉 对其他击打类项目（对棒球击球技术、排球扣
球技术、标枪投掷）的研究中也再次证明了这一点。由于这些项目所研究的技
术是以追求末端环节最大速度为目的的技术，上肢的技术可以类似地看作是鞭
打动作。各个项目技术均要求手在球出手（击球）瞬间处于最佳的姿位。标枪
和铅球投掷要求获得最佳的出手角度；棒球运动员要将球投入好球区；排球和
羽毛球运动员不但要将球扣过网，还要根据技战术的需要控制球的飞行路线和
落点。所以这些项目运动员手击球（球出手）出现在最大速度之后。
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2.2.1.2 球拍的时间特征
表1－2－3 不同动作技术球拍的时间参数表 （n=10 ）
正手快攻 正手拉弧圈球
轻打 重打 轻拉 重拉
（M ±SD） （M ±SD） （M ±SD） （M ±SD）
总时间（s） 0.93 ±0.07 0.97±0.18 ﹡﹡ 1.45±0.13 1.49±0.23
时间（s） 0.33±0.07 0.35±0.09 ﹡﹡ 0.51±0.11 0.55±0.10
引拍
百分比(%) 35.20±5.70 36.35±4.91 35.24 ±7.27 37.54±5.52
时间（s） 0.17±0.05 0.16±0.05 0.22±0.09 0.20±0.07
挥击
百分比(%) 17.93±5.81 17.21±5.40 14.74±5.20 13.62±4.34
时间（s） 0.24±0.06 0.23±0.05 0.25±0.03 0.25±0.03
随挥
百分比(%) 25.33±5.70 24.03±5.91 ﹡﹡ 17.40±1.78 16.78±1.73
时间（s） 0.20±0.06 0.21±0.06 ﹡﹡ 0.47±0.06 0.48±0.09
还原
百比分(%) 21.54±7.08 22.42±5.64 ﹡﹡ 32.63±2.30 32.06 ±3.36
引拍＋ 时间（s） 0.53±0.07 0.56±0.12 ﹡﹡ 0.56±0.24 0.98±0.24
还原 百分比(%) 56.74±4.25 58.77 ±5.61 ﹡ 38.89 ±16.86 66.22±12.70
挥击＋ 时间（s） 0.40±0.04 0.39±0.04 0.89±0.26 0.49±0.18
随挥 百分比(%) 43.26±4.25 41.24 ±5.61 61.11±16.86 33.78±12.70
注： ** p<0.01，代表经t 检验，两组差异非常显著（下同）。
实验结果表明（表1－2－3），用最大力量和一般力量完成同一动作技术时，
在时间参数上两者无差异。当比较正手快攻与正手拉弧圈球时，可发现两个动
作技术在时间参数上存在显著差异。
还原
23%
引拍 还原
32% 引拍
35%
37%
随挥
25% 挥击 随挥 挥击
17%
17% 14%
正手快攻 正手弧圈球技术
图1－2－3 正手快攻和正手弧圈球技术时间特征图
优秀运动员完成一次正手快攻技术动作时，总时间平均为0.95±0.13 s，引
35
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北京体育大学博士学位论文
拍阶段、挥拍击球阶段、随挥阶段和还原阶段平均用时分别为0.35 s、0.16 s、
0.23 s、0.21 s，四个阶段分别占总时间的35％、17％、25 ％和23 ％。
优秀运动员完成一次正手拉弧圈球技术动作时，总时间平均为1.47±0.18
s，引拍阶段、挥拍击球阶段、随挥阶段和还原阶段平均用时分别为0.55 s、0.20
s、0.25 s、0.48 s，四个阶段分别占总时间的37％、14％、17％和32％。
经T 检验，正手快攻技术和正手弧圈球技术在时间参数上的特征表现为，
正手弧圈球技术的总时间长于正手快攻技术，在引拍和还原两个阶段所用时间
百分比明显长于正手快攻，而随挥阶段所用的时间百分比短于正手快攻。挥拍
击球时间及百分比，两种技术基本上相似。
2.2.1.3 球拍的空间特征
乒乓球运动中，运动员根据不同的战术目的，对不同的来球采用不同击球
技术进行还击，同时对运动员的各个阶段的动作幅度也有不同的要求。
位移(mm) A B C D a 位置(mm) A B C D a
1000 1500
1000
500
500
0
0 50 100 0
-500 时间 -500 0 50 100 时间
（ms） （ms）
-1000 -1000
轻打 重打
位置(mm) A B C D a 位置(mm) A B C D a
1500 1500
1000 1000
500 500
0 0
0 50 100 150 200 0 50 100 150 200
-500 时间 -500 时间
（ms） （ms）
-1000 -1000
轻拉 重拉
左右
前后
上下
图1－2－4 球拍在三个方向上移动的轨迹图
注：左为正，右为负；后为正，前为负；上为正，下为负。
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北京体育大学博士学位论文
从图1－2－4 中可以看出，正手快攻和正手拉弧圈球的运动轨迹不一样。
同一技术不同力量的击球的运动轨迹基本相同。在一个动作周期中，球拍在左
右方向上的变化经历两次波峰和波谷，显示出双波峰的特点，引拍过程中出现
一个小波谷，第一个波峰出现在引拍最远端时刻，波谷出现在击球时刻附近，
在随挥最远端达到另外一个峰值；前后上下方向上打和拉的曲线不尽相同，拉
比打多出一个小峰值，基本上都是向后引拍在引拍结束时达到向后的最远距离，
进而向前挥拍，到随挥最远端达到向前达到最大值；上下方向上都是先下降，
在引拍结束左右达到最小值，后向上挥拍击球，然后随挥至最高点再向下还原
成一个周期。
表1－2－4 不同动作技术球拍的空间参数表 （n=10 ） 单位：m
正手快攻 正手拉弧圈球
轻打 重打 轻拉 重拉
（M ±SD） （M ±SD） （M ±SD） （M ±SD）
左右 -0.18 ±0.11 -0.23±0.13 ﹡ 0.37 ±0.35 ﹠ 0.52 ±0.21
引
前后 0.62 ±0.51 0.67±0.12 ﹡ 0.91 ±0.10 0.95±0.06
拍
上下 -0.09 ±0.41 -0.19±0.10 ﹡ -0.45 ±0.16 -0.46±0.21
左右 -0.09 ±0.15 ﹟ -0.28 ±0.10 ﹡ -0.45 ±0.19 -0.44±0.23
挥
前后 -0.28 ±0.28 -0.31±0.26 ﹡ -0.46 ±0.16 -0.43±0.07
击
上下 0.04 ±0.30 0.09±0.08 ﹡ 0.33 ±0.17 0.39±0.13
左右 0.40 ±0.07 ﹟ 0.65 ±0.10 ﹡ 0.73 ±0.19 0.81±0.12
随
前后 -0.27 ±0.40 -0.45±0.20 -0.34±0.14 -0.43±0.04
挥
上下 0.22 ±0.31 0.49±0.06 0.89±0.15 0.77±0.37
左右 -0.13 ±0.18 -0.12±0.08 ﹡ -0.32 ±0.21 -0.39±0.19
还
前后 -0.02 ±0.08 -0.04±0.07 -0.10±0.11 -0.19±0.13
原
上下 -0.19 ±0.22 -0.38±0.11 ﹡ -0.58 ±0.06 -0.58±0.11
总 左右 0.86 ±0.17 ﹟ 1.28 ±0.24 ﹡ 1.76 ±0.34 1.82±0.38
路 前后 1.58 ±0.44 1.75±0.21 ﹡ 1.83 ±0.19 1.90±0.12
程 上下 1.17 ±0.26 1.20±0.19 ﹡ 2.07 ±0.30 2.00±0.57
注：左为正，右为负；后为正，前为负；上为正，下为负。
2.2.1.3.1 引拍阶段球拍的方向和幅度
虽然运动员完成正手快攻和正手弧圈球技术时球拍的运动轨迹不太一样，
但引拍过程中球拍是向下和向后运动的。如表1－2－4 所示，经T 检验，用两
种用力方式完成正手快攻技术之间，引拍的幅度没有差异；正手弧圈球技术和
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强烈支持33楼观点，送鲜花一朵鼓励！----------------------- Page 41-----------------------
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正手快攻技术之间差异显著，重拉幅度大于重打的幅度；当比较用两种用力方
式完成正手弧圈球技术之间发现，在左右方向上有差异。
向下的幅度，最大力量弧圈球技术为0.46±0.21 m，快攻为0.19±0.10 m；
向后的幅度，正手弧圈球技术为0.95±0.06 m，正手快攻是0.67±0.12 m；向右
的幅度最大力量弧圈球技术为0.52±0.21 m，正手快攻为0.23±0.13 m，差异显
著。说明引拍阶段正手拉球在上下、前后、左右方向上球拍的运动幅度均大于
正手快攻。
当比较轻拉和重拉在引拍幅度时，发现重拉比轻拉向右的幅度要大，而在
前后、上下方向上没有差异。
当观察QUALISIY 的三维动画时可以发现，引拍过程的轨迹不是沿从还原
时刻到引拍结束时刻连线的直线运动，而是个曲线，弧圈球技术曲线的弧度更
大。
2.2.1.3.2 挥击阶段球拍的方向和幅度
由于经过正手弧圈球技术大幅度的引拍后，在这一阶段上，正手弧圈球技
术在3 个方向上运动幅度大于正手快攻的运动幅度，差异显著。
由动量定理可知，物体运动过程中，在某段时间内动量的改变等于所受合
外力在这段时间内的冲量，即
F *?t mV -mV
t 0
在本研究中，为了增加末端环节的运动速度，即增加球拍的动量，应增加
在最后用力阶段对球拍的冲量。这就要求在发挥最大力量的同时，延长力的作
用时间。根据人体肌肉用力特点，如果有意识地放慢动作的速度来延长作用时
间，会降低肌肉收缩力量，不利于肌肉的爆发收缩，也就不能达到增加冲量的
目的。正确的作法是，在保证发挥肌肉最大用力的同时，通过延长力的作用距
离来延长作用时间。
2.2.1.3.3 随挥阶段球拍的方向和幅度
随势挥拍是整个发力过程中的一个组成部分，是在保证击球动作最后阶段
准确性前提下的一个制动过程，向左上前方继续随势挥拍，球拍速度从最大降
到最小。球拍在左右方向上移动的距离，重拉0.81±0.12 m，大于重打的0.65
±0.10 m；在上下方向上，重拉向上移动了0.77±0.37 m，大于重打向上移动的
0.49±0.06 m；前后方向上移动的距离相似，在0.44 m 左右。
2.2.1.3.4 还原阶段球拍的方向和幅度
迅速还原指的是击球动作完成后，球拍、身体重心和基本站位的还原，以
38
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北京体育大学博士学位论文
便为下一次击球做好准备。由表1－2－4 及图1－2－3 可以看到，还原阶段的
运动方向是以向下为主的，略有前移，左右方向上还原的距离两者有差异，正
手最大力量快攻向右移动了0.12±0.08 m，而正手最大力量弧圈球技术快攻的
幅度，大于正手快攻，为0.39±0.19 m。
在还原阶段，可以看到无论是正手快攻还是正手拉弧圈球，球拍走的是弧
线，路线是从远离身体的位置，到靠近身体的还原位置。这种方式一是为了便
于预判，二是为了利于引拍。虽然本文连续击球的实验研究，但优秀运动员的
动作结构合理，打完一板球后，使身体快速回复到还原状态，并使球拍靠近自
己的身体。因为在每次击球完，运动员对下一次击球的方向和落点，是处于未
知的高度警惕状态，于是体现在还原技术上，就是使球拍靠近自己的身体。这
样便于下一个击球技术时无论向正手和反手的快速引拍，而且当以球拍靠近身
体小半径引拍时，会减小身体的转动惯量，从而增到了引拍时的转动速度，更
利用快速引拍。
2.2.1.3.5 挥拍总路程特征
在左右方向上，重拉时球拍的距离最远，为1.82±0.38 m，其次是轻拉，
距离为1.74±0.34 m，弧圈球技术距离大于打球，差异显著。正手重、轻力量
快攻在左右方向的距离分别是1.28±0.24 m、0.86±0.17 m，轻打和重打两者在
左右方向上的距离差异显著。
在前后方向上，弧圈球技术时球拍的距离也大于正手打球的距离，重拉为
1.90±0.12 m，重打为1.75±0.21 m。
在上下方向上，比较重拉和重打的路程，发现弧圈球技术和打球之间也存
在着显著性差异，弧圈球技术的距离大于了打球的距离，分别为2.00 ±0.57 m
和1.20±0.19 m。
每一次完整的击球技术，在3 个方向上，球拍的运行距离约为2 米。从前
面的分析可知，球拍在整个击球中运行的轨迹是弧线。而本文中所计算出的各
个方向的距离，只是用两点间距离对球拍运行路程的粗略计算，实际路程要大
于简单的用两点间距离，因为弧线要大于两点间的直线距离。由此可见，乒乓
球运动员击球的运动幅度是很大的，可以将挥拍的距离作为运动员比赛和练习
时评价运动量的一个指标。
2.2.2 上肢的运动
2.2.2.1 上肢关节角度、角速度的变化
图1－2－5 显示了在4 种击球动作下执拍侧和非执拍侧的肩、肘关节角度
39
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的变化。两种不同力量的正手快攻技术，曲线基本相似。两种力量的弧圈球技
术之间的角度变化基本相似。非执拍侧的肩、肘关节角度在正手快攻中的变化
不明显，而在弧圈球技术中有小幅度的变化。在整个动作过程中，肘关节的角
度基本上大于肩关节的角度。右肩角度是先增大到引拍结束时刻左右达到最大
值，而后减小，至随挥结束左右时刻达到最小值，后再增大，呈现波峰－波谷
的变化特征，而右肘关节角度变化则相反，先是减小，然后增大，再减小，再
增大，出现两次波谷和两次波峰。
0 A B C D a 0 A B C D a
角度() 角度()
150 160
140
120
100
100
80
50 60
40
时间 20 时间
0 （ms） 0 （ms）
0 50 100 0 50 100
轻打 重打
0 A B C D a 0 A B C D a
角度() 角度()
200 200
150 150
100 100
50 50
时间 时间
0 （ms） 0 （ms）
0 50 100 150 200 0 50 100 150 200
轻拉 重拉
右肩角
右肘角
左肩角
左肘角
图1－2－5 左右肩肘角度的变化
2.2.2.1.1 右肩关节角度和角速度的变化
在引拍阶段，除了正手快攻引拍结束时刻右肩关节角度小于还原时刻以外，
其余在引拍结束时刻右肩的角度都大于还原时的角度。在这一过程中，4 组动
作肩关节运动形式基本一致，只是在动作幅度和运动时机上有所不同。经检验，
引拍结束时的右肩关节角度，重打（37o）大于轻打（22o），重拉（38o）大于
轻拉（34o），弧圈球技术的引拍角度大于正手快攻。
40
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表1－2－5 右肩关节角度（n=10 ） 单位：o
轻打 重打 轻拉 重拉
（M ±SD） （M ±SD） （M ±SD） （M ±SD）
还原时刻A 26.25 ±6.08 25.23±5.89 24.42±5.24 25.41±6.38
引拍结束B 21.58 ±7.84 ﹟ 36.77 ±5.10 ﹡ 33.85±9.79 ﹠ 38.29±6.23
击球时刻C 20.60±9.66 25.64±8.52 19.75±8.75 24.63±17.13
随挥结束D 50.54 ±8.74 ﹟ 63.99 ±6.48 ﹡ 76.31±8.18 73.23±10.23
再次还原a 24.16±6.28 30.39±8.35 21.45±5.91 ﹠ 30.50 ±13.23
在引拍阶段，上臂不同程度的外展，臂的外展可以使三角肌前部和胸大肌
受到拉伸，这种牵拉作用使肌肉中储存了弹性势能并刺激了牵张反射，使这些
肌肉随后的收缩更加快速有力。
0 0
角速度(/s) A B C D a 角速度(/s) A B C D a
300 600
200 400
100 200
0 0
0 50 100 0 50 100
-100 时间 -200 时间
（ms） （ms）
-200 -400
轻打 重打
0
角速度(/s)
A B C D a 0
角速度(/s)A B C D a
800 1000
600 800
600
400
400
200 200
0
0
0 50 100 150 200 -200 0 50 100 150 200 时间
-200
时间 -400 （ms）
-400 （ms） -600
重拉
-600 轻拉
右肩
右肘
图1－2－6 右肩、右肘角速度的变化
在挥拍击球阶段，上臂快速屈，肩关节角度迅速减小，见图1－2－6，轻打、
41
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重打、轻拉、重拉分别在20o、25o、19o、24o左右击球，击球时刻肩关节的角
速度接近于最大。
在随势挥拍阶段，上臂继续向前缓慢内收，角速度又开始增加，到随挥最
远端附近，肩关节角度达到最大，轻打、重打、轻拉、重拉分别达到50o、64o、
76o和73o。
在还原阶段，肩关节角度下降的趋势非常明显，肩关节迅速还原到起始位
置的30o左右。
2.2.2.2 右肘关节的角度、角速度变化
表1－2－6 右肘关节角度（n=10 ） 单位：o
轻打 重打 轻拉 重拉
（M ±SD） （M ±SD） （M ±SD） （M ±SD）
还原时刻A 89.09 ±10.77 92.11±13.06 69.14±8.95 77.45±9.91
引拍结束B 110.42 ±6.77 111.40±9.68 ﹡ 122.68±10.40 ﹠ 130.36±9.07
击球时刻C 99.69±4.95 95.37 ±3.87 ﹡ 108.40±9.72 101.73±2.48
随挥结束D 81.04 ±16.00 76.50±13.77 67.74±7.89 70.23±8.18
再次还原a 91.92±9.48 89.73±10.38 75.53±8.99 91.06±22.12
肘关节在整个动作过程中由伸展状态到快速屈曲（见图1－2－6）。在引拍
阶段，为肘关节的伸展阶段，在引拍最远端时肘关节角度达到最大，可见肘关
节并未完全伸直。引拍结束时刻，最大力量弧圈球技术的角度大于最大正手快
攻的角度，分别为130o和111o，差异显著。重拉比轻拉后引的肘关节角度也要
大，轻拉时是123o（见图1－2－5、表1－2－6）。
在挥拍击球阶段，肘关节快速屈曲。弧圈球技术击球时刻的肘关节角度大
于打球时的肘关节角度。重拉时是102o，重打时是95o。且重打、重拉在击球
时刻的肘关节角度均小于对应的轻打、轻拉，这是由于重打、重拉击球的速度
快的缘故。
在随势挥拍阶段，肘关节继续屈曲，这是肘关节的速度开始降低，在随挥
最远端达到屈曲最小值，也几乎整个动作过程中的肘关节最小值，轻打、重打、
轻拉、重拉时的角度分别为81o、76o、68o和70o。
还原阶段，肘关节角度开始缓慢增大，到达起始状态。
2.2.2.2 非执拍侧上肢的关节角度变化
从表1－2－7、表1－2－8 和图1－2－5 可以看到，非执拍侧上肢的肩角
和肘角，在整个过程中变化不大。尤其是在正手快攻中，变化很小，在正手弧
42
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北京体育大学博士学位论文
圈球技术中，有小范围的角度变化。
表1－2－7 左肩关节角度（n=10 ） 单位：o
轻打 重打 轻拉 重拉
（M ±SD） （M ±SD） （M ±SD） （M ±SD）
还原时刻A 17.06 ±5.22 17.43±7.94 ﹡ 25.29 ±10.66 22.70±4.97
引拍结束B 17.85 ±4.81 21.53 ±8.18 ﹡ 31.09±15.61 35.27±15.12
击球时刻C 17.40±5.10 19.79±6.44 ﹡ 28.60 ±11.98 31.82±14.32
随挥结束D 17.19 ±3.91 16.42±4.05 ﹡ 21.25 ±7.96 23.91±9.79
再次还原a 16.74±4.55 17.87 ±9.15 ﹡ 22.90 ±6.86 24.11±3.05
在快攻中，左肩角为17o左右，左肘角为87o左右，在弧圈球技术中，左肩
的角度为22o～31o变化，左肘的角度在75o～83o左右变化。非持拍侧手臂的摆
动不仅是为了维持身体平衡，而且还起到协调发力的作用。
表1－2－8 左肘关节角度（n=10 ） 单位：o
轻打 重打 轻拉 重拉
（M ±SD） （M ±SD） （M ±SD） （M ±SD）
还原时刻A 87.42 ±5.02 80.03±10.24 79.77±8.89 79.22±8.56
引拍结束B 87.13 ±6.04 81.53±7.66 78.33±9.15 83.86±2.37
击球时刻C 86.93±5.85 80.56±6.96 75.84±8.11 77.80±5.27
随挥结束D 87.22 ±5.27 79.06±10.94 76.93±9.41 80.16±9.59
再次还原a 86.88±5.64 79.96±11.46 81.18±7.08 78.33±7.31
2.2.2 上肢各关节的速度变化
图1－2－7 显示，执拍侧，肩速最小，肘速次之 ，腕速第三，手速第四，
动量依次传递，逐步积累，最终使末端的球拍获得最大的速度，并在到达速度
峰值瞬间前后击球。
经仔细分析10 人的所有技术动作，发现上肢各关节最大速度在引拍阶段和
挥拍击球阶段出现的顺序没有定式，动作与动作之间，个体与个体之间差异较
大。
[30] [29]
这一观点和以往前人关于此问题的分析结果不一样。柳天洋 、张辉 、
孟杰[34]等的先后研究均认为在引拍和挥拍击球过程中，上肢各关节的发力顺序
43
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遵循肩、肘、腕、拍的顺序，大关节带动小关节依次发力。乒乓球教科书上也
持有相同的观点。
速度(mm/s)A B C D a 速度(mm/s)A B C D a
6000 12000
5000 10000
4000 8000
3000 6000
2000 4000
1000 2000
时间 时间
0 （ms） 0 （ms）
0 50 100 0 50 100
轻打 重打
速度(mm/s)A B C D a 速度(mm/s)A B C D a
12000 16000
10000 14000
12000
8000
10000
6000 8000
4000 6000
4000
2000
时间 2000 时间
0 （ms） 0 （ms）
0 50 100 150 200 0 50 100 150 200
轻拉 重拉
右肩
右肘
右腕
左肩
左肘
左腕
球拍
图1－2－7 上肢各关节及球拍速度图
运动生物力学原理告诉我们，在一些并不需要克服大阻力产生极大运动速
度动作中，可依据运动项目的特点，关节活动的顺序可以有多种配合方式，小
环节的运动对关节活动中也起到重要作用。乒乓球击球技术不是典型的上肢鞭
打动作，因为并不是所有技术都是追求球拍达到最大击球速度为目的的。提示
我们，小关节的力量也很重要，在发展乒乓球专项力量时不要忽略一些小关节
部位，力量发展要均衡。
在柳天洋、张辉的研究中，实验对象为5 人，孟杰的样本量为2 人，而本
文是对10 名运动员的40 个技术动作分析后得到的结论。对此问题的一步进研
究，需扩大样本量，分不同运动等级、不同动作技术进行研究。
44
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2.3 躯干和下肢的运动
2.3.1 躯干的运动
角度(度) A B C D a
14 角度(度) A B C D a
30
12
10 25
8 20
6 15
4
10
2 时间 5
0 （ms） 时间
0 50 100 0 （ms）
轻打 0 50 100
重打
角度(度) A B C D a 角度(度) A B C D a
35 40
30 35
25 30
25
20
20
15
15
10
10
5 时间 5 时间
0 （ms） 0 （ms）
0 50 100 150 200 0 50 100 150 200
轻拉 重拉
图1－2－8 躯干转动角度
躯干扭转角描述了整个运动技术过程中躯干绕纵轴扭转的运动幅度。躯干
扭转角越大，说明躯干肌肉的拉伸程度越大，从而储存的弹性势能越大。躯干
连接着上肢和下肢，下肢蹬伸产生的动量通过躯干“传送带”传向上肢。躯干
动作的好坏决定着下肢动量的利用率。同时，躯干也是身体“弹簧”的一部分，
自身的转动也产生角动量向上传给上肢、再传给球拍，使球拍获得更大的动量
[34]
。
从图1－2－8 中可以看到，在整个击球过程中，身体有两次扭转。第一次
扭转是在引拍结束时刻最大，在击球附近达到最小，随后一次扭转是在随挥最
远端达到另外一个峰值。从表1－2－9 中可以看出，重拉时，躯干扭转程度最
大，轻打时的躯干扭转程度最小。统计结果表明，打和拉之间躯干扭转程度差
别明显，正手弧圈球技术大于正手快攻球；轻打（12o）和重打（22o）之间，
轻拉（25o）和重拉（27o）之间，差别也显著，分别为最大力量打或拉的躯干
45
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北京体育大学博士学位论文
扭转角度大于中等力量的打或拉。
表1－2－9 躯干扭转角度（n=10 ） 单位：o
轻打 重打 轻拉 重拉
（M ±SD） （M ±SD） （M ±SD） （M ±SD）
还原时刻A 8.17 ±3.21 11.55±5.91 12.54±4.13 14.04 ±5.80
引拍结束B 11.77 ±7.25 ﹟ 21.74 ±8.37 * 24.68±9.91 ﹠ 28.83 ±6.67
击球时刻C 8.46±8.96 13.78±6.33 19.35±9.71 22.47±10.67
随挥结束D 10.86 ±1.93 14.79±9.82 13.39±6.82 14.96±5.03
再次还原a 8.35±4.27 12.22 ±5.58 12.41±4.86 14.81 ±4.75
两次扭转的机制是不同的。第一次扭转，是身体主动向右扭转，第二次是
被动的扭转。在引拍阶段，左侧腹外斜肌和右侧腹内斜肌的收缩使运动员处于
躯干扭转姿势，这个姿势拉长了运动员对侧腹内、外斜肌。当躯干达到最大相
对扭转后，在右侧腹外斜肌和左侧腹内斜肌拉长后的弹性回缩和主动收缩两种
力量的作用下，躯干绕身体纵轴快速向左转动，并使右肩获得一定的向前运动
速度。第二次扭转是随势挥拍过程中身体随着向左扭转的惯性随挥向左扭转，
右侧腹外斜肌和左侧腹内斜肌的收缩和对侧肌肉的拉长就成为制动躯干扭转的
力量。
从文献中对肌肉拉长——缩短周期的研究可知，与无预先拉长的肌肉收缩
相比较，肌肉拉长离心收缩后紧接着的向心收缩能产生更大的肌张力，肌肉工
作的功与功率更大，这一现象可归因于肌肉先拉长后收缩使肌肉有更长的时间
发展力量以及牵张反射增加了肌肉的激活水平[42]。同时，肌肉与肌腱的弹性也
起到了一定的作用，肌肉拉长后，向心收缩的速度由于弹性元的回弹作用而增
加，由于肌肉与肌腱的弹性作用，在一定的收缩速度下，收缩元的收缩可以产
生更大的张力；或者在一定的张力下，收缩元的收缩速度增大。因此各项目躯
干扭转对肌肉的拉长将有利于增加后继躯干向前转动动作的力量和速度。
当肌肉维持紧张时，一部分弹性能将保留在肌腱和并联弹性元中，但也会
逐渐消耗。因此只有在肌肉积极拉伸后迅速地转换为向心收缩，被拉长的肌肉
所储存的弹性能仍未衰减时，弹性能的重新利用才有实质性的作用与意义。从
这个角度也可以说明引拍阶段的重要作用，所以不仅在于给击拍手让开空间击
球，而且为挥拍击球积蓄力量。
46
----------------------- Page 50-----------------------
0 0/s) B C D a
转角速度( A
转角速度(/s)
A B C D a
30
14
12 25
10 20
8 15
6
10
4
5
2 时间
时间
0 （ms） 0 （ms）
0 50 100
0 50 100
重打
轻打
0
转角速度(/s) B C D a 转角速度(度/s) B C D a
A A
35 200
30
100
25
0
20
0 50 100 150 200
15 -100
10
-200
5 时间 时间
0 （ms）-300 （ms）
0 50 100 150 200 -400
轻拉 重拉
图1－2－9 躯干扭转角速度图
躯干扭转速度可以衡量躯干扭转的效率。在肌肉的拉长——缩短周期中，
拉长幅度越大、缩短时间越短，肌肉输出功率越大。在整个运动过程中，作为
基础环节的躯干起带动作用，躯干的运动效果、运动速度和方向直接影响后继
上肢动作的质量与效果。
在击球时刻，转动的角速度都不大（图1－2－9）。根据动量的定义，更大
的躯干转动角速度会产生更大的角动量。在产生时间上，这些需要传递给上肢
的角动量，只有在击球时刻前产生并传递给上肢才能有效利用于上肢挥拍。这
说明在击球时刻前的挥拍过程，他们已经充分转动了躯干并将角动量上传给了
上肢。
2.3.2 下肢的运动
2.3.2.1 下肢各关节的角度变化
47
----------------------- Page 51-----------------------
角度(度) A B C D a 角度(度) A B C D a
180 170
170 160
160 150
150 140
140 130
时间 时间
130 （ms） 120 （ms）
0 50 100 0 50 100
轻打 重打
角度(度) A B C D a 角度(度) A B C D a
200 200
150 150
100 100
50 50
时间 时间
0 （ms） 0 （ms）
0 50 100 150 200 0 50 100 150 200
轻拉 重拉
右髋角
右膝角
左髋角
左膝角
图1－2－10 下肢各关节角度
如图1－2－10所示，同一个技术的两种力量打法的曲线图的变化是相同的。
而打和拉之间是有所不同的。在轻打和重打中，右膝关节角度在引拍阶段是增
加到最大值，而后在挥拍击球和随势挥拍阶段降低，在随挥最远端，右膝关节
角度最小。而在轻拉和重拉方面则相反，是在引拍阶段先减小到最小值，然后
随势还原阶段再增加到最大值。其余角度的变化，两种技术相似，只是峰值谷
值大小的差异。
表1－2－10 右髋关节角度（n=10 ） 单位：o
轻打 重打 轻拉 重拉
（M ±SD） （M ±SD） （M ±SD） （M ±SD）
还原时刻A 146.79 ±6.75 149.76±8.70 151.48±11.81 148.37±6.97
引拍结束B 143.89 ±4.94 140.69 ±9.19 * 128.34±10.95 ﹠ 105.88±7.38
击球时刻C 146.03±7.42 145.91±11.92* 140.07±9.88 ﹠ 129.06±3.42
随挥结束D 150.36 ±5.55 155.48±6.53 164.80±9.84 161.39±13.67
再次还原a 146.97±5.75 150.87±8.95 152.58±12.15 139.55±10.97
48
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表1－2－11 右膝关节角度（n=10 ） 单位：o
轻打 重打 轻拉 重拉
（M ±SD） （M ±SD） （M ±SD） （M ±SD）
还原时刻A 153.89 ±6.51 151.44±7.63 151.73±3.40 151.75±3.56
引拍结束B 157.33 ±6.61 152.33±12.51 * 137.48±6.77 ﹠ 129.01±4.39
击球时刻C 158.71±5.29 153.25±9.86 * 140.07±4.88 ﹠ 132.96±9.22
随挥结束D 155.64 ±5.29 149.52±10.49 146.50±14.48 146.08±1.19
再次还原a 154.82±4.86 148.85 ±8.81 151.74±3.84 145.01±19.17
表1－2－12 左髋关节角度（n=10 ） 单位：o
轻打 重打 轻拉 重拉
（M ±SD） （M ±SD） （M ±SD） （M ±SD）
还原时刻A 159.93 ±10.00 154.99±13.50 156.03±11.47 147.57±15.56
引拍结束B 154.49 ±10.82 145.56±10.18* 138.41±5.17 ﹠ 130.27±4.36
击球时刻C 157.74±7.36 148.58±7.65 142.90±8.35 139.58±9.04
随挥结束D 160.34 ±7.83 155.74±11.81 150.36±11.88 145.71±6.33
再次还原a 159.22±9.58 155.37±12.89 154.58±11.29 149.09±17.23
表1－2－13 左膝关节角度（n=10 ） 单位：o
轻打 重打 轻拉 重拉
（M ±SD） （M ±SD） （M ±SD） （M ±SD）
还原时刻A 159.76 ±10.23 148.14±11.49 151.66±7.79 150.08±10.87
引拍结束B 153.53 ±14.10 141.94±10.55* 137.38±4.77 ﹠ 120.04±7.27
击球时刻C 155.99±12.61 144.45±9.04 * 123.83±8.85 123.53±9.01
随挥结束D 160.20 ±11.02 152.17±7.88 144.17±1.37 143.41±12.47
再次还原a 157.87±11.53 150.60±9.53 154.31±6.48 150.58±11.14
2.3.1.1.1 引拍阶段
引拍阶段，下肢主要是作屈曲下蹲动作，这是动作技术的重要组成部分，
为挥拍击球时的蹬伸作时间、空间、发力条件上的准备。引拍结束时刻下肢各
关节状态特征见表1－2－10 至表1－2－13。
从表1－2－10 至表1－2－13 和图1－2－10 中可以看到，正手攻打技术在
49
----------------------- Page 53-----------------------
北京体育大学博士学位论文
两种发力时，右膝关节角度不是减小而是增大，轻打时从153o增大到157o，重
打时从151o增加到152o。同时，在这一阶段右髋关节角度在轻打和重打中分别
下降了3o和9o，左髋关节的角度分别下降了5o和9o。而左侧的膝关节在轻打
中下降了6o，在重打中减小了9o。说明正手快攻动作的屈曲下蹲是通过两侧髋
关节和对侧膝关节的屈曲完成的。
在弧圈球技术技术中，运动员下肢显示出明显的屈曲下蹲动作，两侧髋、
膝关节角度明显减小。引拍结束时刻重拉的四个关节角度均小于正手快攻的角
度，而且重拉的四个关节角度均小于轻拉的四个关节角度值。最大力量弧圈球
技术的球拍速度比其他三种击球大，说明屈曲的程度大小与最后球拍的速度有
关。在最大力量弧圈球技术时，右髋关节角度由148o减小至106o，降低了42o；
右膝关节由151o降低到129o，降低了22o；左髋关节角度由147o降低到130o，
降低了17o；左膝关节由150o减小到120o，减小了30o。可以看到重拉时，持
拍同侧的膝角和髋角下蹲得幅度更大。
身体屈膝下蹲，向后引拍时，膝关节屈曲太大和太小都不能产生有效的蹬
地力量。膝关节屈曲过大，会给伸膝肌过大负荷，影响伸膝速度及与身体其他
环节的配合。而屈膝过小，又不能充分拉长伸膝肌，不能使伸膝肌获得较大的
弹性势能，从而影响伸膝力量，因而也影响身体的向前向上的速度。由于运动
员身体素质不同，不同运动员可能有自己最适合的膝关节屈曲角度和身体下蹲
深度。在弧圈球技术时，在运动员腿部力量允许的情况下，可以适当增加膝关
节的下蹲深度。
2.3.1.1.2 挥击阶段
在这一阶段里，膝关节做快速的蹬伸动作，这是整个人体环节链系统动量
传递的开始。持拍侧（右）下肢的蹬伸产生的动量向上传递到上肢，再传给球
拍，使球拍能够具有更大的动量与球发生碰撞。
要使下肢产生更多的动量向上传递，需要在蹬伸中获得更大的动能和速度。
根据做功的原理推导，蹬伸幅度和蹬伸时间是衡量蹬伸质量的指标。较大的蹬
伸幅度和较短的蹬伸时间能够产生更大动量。下肢蹬伸动作及其能力，是确保
技术动作质量的重要指标之一。
在整个蹬伸击球动作中，4 个关节角度，除了正手快攻时膝关节角度是下
降的之外，其余情况下均是增加的趋势。其中在弧圈球技术中，右髋关节的角
度增加的幅度更为明显，但整个过程增加的速度还是比较平稳的，从而保证整
个身体的重心的平稳移动和处于挥拍动作的最佳状态。
50
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2.3.1.1.3 随挥阶段和还原阶段
在随挥阶段，下肢继续蹬伸，髋关节和膝关节角度继续增加，到随挥结束
时刻达到各自的最大值，然后迅速在左腿的蹬转下，身体还原到起始位置，各
个关节角度开始减小，为下一次击球做准备。
2.3.2.2 下肢各关节的速度变化
速度(mm/s)A B C D a 速度(mm/s)A B C D a
500 800
700
400
600
300 500
400
200 300
200
100
时间 100 时间
0 （ms） 0 （ms）
0 50 100 0 50 100
轻打 重打
速度(mm/s)A B C D a 速度(mm/s)A B C D a
1000 1200
800 1000
800
600
600
400
400
200 200
时间 时间
0 （ms） 0 （ms）
0 50 100 150 200 0 50 100 150 200
轻拉 重拉
右髋
右膝
右踝
左髋
左膝
左踝
图1－2－11 下肢关节的速度
从图1－2－11 中可以看出，在一个动作周期中，下肢各关节速度的变化曲
线与上肢的曲线变化相一致，均出现两个波峰和两个波谷。第一个波峰是引拍
加速的过程，在第二个波峰附近击球，第一次波谷时刻是引拍结束附近时刻第
二次波谷是随挥结束左右时刻。
正手快攻时下肢速度变化的规律性更加明显一些，当正手弧圈球技术时曲
线略显杂乱。两侧踝关节的速度变化在两种技术中变化都较小。
在轻打时，下肢各关节的最大速度的值由大到小依次右髋、右膝、左髋、
左膝、左踝、右踝，并且在引拍阶段出现的峰值和挥拍击球阶段的峰值基本相
51
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同。
在重打时，下肢各关节的最大速度的值由大到小与轻打时的不同是左膝关
节的速度超过了右膝关节的速度。引拍阶段出现的峰值和挥拍击球阶段的峰值
也基本相同。
在正手轻拉弧圈球中，左膝的速度明显增大，超过了其他关节的速度，处
于第一位。
在正手轻拉弧圈球时，右踝的速度也有较大的变化，下肢各关节的最大速
度的值由大到小依次为右髋、左膝、左髋、右膝、右踝和左踝。
从下肢的情况来看，挥拍臂对侧支撑腿的各关节参加动作的时间均早于同
侧支撑腿，并且相应的数值也略微大一些，这表明对侧支撑腿在整个动作中的
地位和所起的作用要比同侧支撑腿的作用明显。
2.4 击球技术动作的力学特征
对运动员在完成动作技术时地面对人体的地面支撑反作用力（即运动员蹬
地力）特征的研究，有助于认识运动员下肢发力的特点，是动作技术分析和诊
断的一项重要内容，至今尚未见有对乒乓球运动员蹬地力的报道。本文用两块
KISTLER 三维测力台按垂直、前后和左右方向记录了运动员分别完成两种技术
4 个动作时的地面支撑反作用力（简称支反力）。本文分析的是从第一次还原时
刻到下一次还原时刻的一个周期中（包括四个阶段五个特征时刻）运动员蹬地
力的变化，对三个方向蹬地力曲线变化的特点及各自出现峰值与谷值力的大小
进行了分析。当运动员均衡地站在测力台上，准备测试前，先对系统进行清零。
本章节中的图是从上一个周期的随挥结束到下一个周期的引拍结束为止，地面
对人体的支撑反作用力，比实际一个周期多了上个周期的还原阶段和下个周期
的引拍阶段，以便清晰地看出地面支撑反作用力的变化特征。
2.4.1 垂直方向的支撑反作用力
完成乒乓球击球技术过程中，在垂直方向上的分力最大。垂直支反力的大
小和变化取决于三个因素：（1）身体的重力，（2）身体重心的上下移动，使在
垂直方向上的加速度和地面支撑反作用力也随之不断改变，（3）完成动作的时
序。在整个动作过程中，双脚始终分别站在一块测力台上，在完成动作的不同
阶段，身体重心在不断地从右脚转移到左脚，又从左脚转移到右脚，从而身体
重心也在不断地上下移动，从而形成了垂直方向上支反力的力—时间特征曲线。
曲线中曲线图的Y 轴为地面垂直反作用力力， X 轴为时间，单位为微秒。
如图1－2－12 所示，左右脚在垂直方向上的力，两个技术四组动作显示出
52
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了基本相同的变化规律，只是峰值的大小有所不同。在还原时刻，人体重心处
于两脚之间，身体的移动速度也很慢，两块测力台上显示的应该基本为0。正
手轻打时，左右脚的力出现了小的波动。
力(N) A B C D a 力(N) A B C D a
150 400
300
100
200
50
100
0 0
0 500 1000 -100 0 500 1000 1500 2000
-50 时间 时间
（微秒） -200 （微秒）
-100 -300
轻打 重打
力(N) A B C D a 力(N) A B C D a
300
300
200
200
100
100
0 0
0 500 1000 1500 2000
-100 0 500 1000 1500 2000 -100
-200 时间 -200 时间
（微秒）
（微秒）
-300 -300
轻拉 重拉
Fz 左
Fz 右
图1－2－12 垂直方向上双脚的支反力
注：Fz 左是指左脚所受到的支反力，Fz 右指右脚所受到的支反力。
先分析右脚力的变化。右脚是动作的主要发力环节。后引拍时，身体重心
逐渐向右脚移，右脚的支反力开始大于零，曲线向上走，右脚支反力逐渐增大
到引拍结束B 点附近达到最大值，然后右脚向右后方蹬地，右脚的支反力开始
减小，身体重心开始向左脚转移，经过身体平行站位时刻，右脚支反力开始变
为低于体重线。这时球拍继续向前在C 点，挥拍击球，后随着随挥动作，身体
重心继续往左脚移动，右脚的力变为最小，超过D 点之后，身体又向右转体，
重心又开始向右脚转移，右脚的支反力开始增大，到A 点再次还原时，右脚的
支反力重新接近于为零，形成一个动作周期。
左脚作为动作技术过程中的支撑腿，在垂直方向上的支反力的变化方向与
右脚相反。从图1－2－12 中可以看到，左右脚与水平轴围成的面积，分别位于
水平轴的上方和下方，两者面积基本相同，正负相抵消。两脚对时间的冲量之
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北京体育大学博士学位论文
和应为零，因为人体两只脚始终站在测力台上，身体并未腾空。
对比2 个技术4 种动作在出现峰值的大小，可以看出不同技术中支反力的
特点，位于曲线下方的谷值的数值和峰值在大小上基本上相同，只是方向相反。
表1－2－14 不同技术在垂直方向上支反力出现峰值对比（n=10 ） 单位：牛
轻打 重打 轻拉 重拉
（M ±SD） （M ±SD） （M ±SD） （M ±SD）
右脚峰值 51.10 ±10.45 ﹟ 272.44 ±21.15 201.57 ±12.78 226.67±19.55
左脚峰值 101.21 ±22.31 ﹟ 303.35 ±33.30* 103.39±18.30 ﹠ 207.97 ±27.20
经检验，重打的峰值均大于轻打的峰值，重打时左右脚最大支反力为303
牛和272 牛，分别大于了轻打时左右脚的最大地面支撑反作用力。说明重打时
在引拍结束和随挥结束时刻，重心向对侧脚移动的更充分。
轻拉和重拉的区别在于，重拉的左脚最大支反力分别大于轻拉。在引拍结
束时，两者的峰值没有差别。说明重拉和轻拉在引拍过程中，重心从左脚移动
到右脚的幅度是差不多的，随挥结束，借着高速挥拍时的惯性，身体重心从右
脚向左脚移动得更多。
当比较和弧圈球技术的区别时，可以看到正手快攻在随挥时蹬地力大于拉
弧圈球。提示我们重心在打球中的重要作用。
2.4.2 水平方向的支撑反作用力
在水平面上的支反力较小（见图1－2－13），同一技术不同力量击球显示
出相同的曲线变化趋势。两种技术左右脚支反力的变化基本相似。双脚的发力
方向基本一样，以保证身体向左右的扭转。在向右的支反力上，右脚大于左脚；
在向左的支反力上，左脚大于右脚。
在还原时刻，由于身体还原，左右脚在水平方向上的力在0 附近，随后在
引拍阶段，身体向右后扭转，对于右脚来说，随着重心向右脚的转移，地面给
予右脚一个递增的向右的支反力；对于左脚来说，向左的支反力逐渐减小变为
向右的支反力，两者在引拍结束附近，向右的支反力达到最大。
在挥拍击球阶段，身体重心逐渐由右脚向身体中心转移，右方向两只脚制
动，分别到身体平衡位置，向右的力逐渐经过0 变为向左的力，为了配合身体
向左转体击球。同时，双脚在与地面接触时也有脚跟抬起的扭转。
54
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表1－2－16 不同技术在左右方向上支反力出现峰值（n=10 ） 单位：牛
轻打 重打 轻拉 重拉
（M ±SD） （M ±SD） （M ±SD） （M ±SD）
右脚谷值 －22.23 ±10.15 ﹟ －52.89±2.23 －38.13±5.87 ﹠ －63.54±7.90
左脚峰值 9.05 ±1.30 ﹟ 36.88 ±2.98 63.11 ±7.46 ﹠ 41.89 ±5.58
右脚峰值 53.88 ±5.89 52.44±7.89 32.38±3.49 ﹠ －8.27±3.27
左脚谷值 －39.60±6.71 ﹟ －51.43±6.82 －61.09±4.76 ﹠ －59.89±7.05
当比较峰值和谷值时刻发现，在同一技术，不同力量击球时，有显著差异。
说明要发力打球时，要注重向前向上的蹬地力。当比较两种技术时，左右脚最
大用力有差别，但差异不显著。
2.4.4 力学特征小结
本节从垂直、水平、前后三个方向对完成两种动作四个技术时左右脚地面
支撑反作用力的生物力学特征进行了描述，并对同种技术两种用力方式之间及
两种技术之间左右脚支反力的最大力值进行了对比分析，得出：
（1）乒乓球运动员完成正手快攻和弧圈球技术的力学指标差异在于，拉弧
圈球时左右、上下方向上的地面支撑反作用力的最大值大于正手快攻。提示我
们在完成弧圈球技术时，要加大左右和上下方向上的蹬地力。
（2）最大力量和中等力量两种用力方式完成正手快攻技术的力学指标差异
在于，重打时垂直、前后方向上的最大地面支撑反作用力大于大于轻打。提示
我们当要大力正手快攻时，要加大向下、向后的蹬地力。
（3）最大力量和中等力量两种用力方式完成正手弧圈球技术的力学指标差
异在于，重拉时三个方向上的最大地面支撑反作用力均大于大于轻打。提示我
们当要大力正手拉弧圈球时，要特别注重加大蹬地力。
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第二部分 乒乓球步法垫测试系统的研制
1 乒乓球步法垫测试系统组成
步法垫测试系统是与中科院合肥智能机械研究所共同研制开发的。该系统
由三个部分组成：柔性薄膜开关阵列垫、信号采集仪、分析软件（图2－1－1）。
柔性薄膜开关阵列垫用于感应运动员的脚部与地面的接触情况；
信号采集仪用来采集柔性薄膜开关阵列垫上的感应信号，经过适当处理，
传送给计算机后台软件。
分析软件要实现数据采集、分析、调试和统计的功能。
PC
柔性薄膜开关
信号采 分析软件
阵列垫
集仪
数据库
图2－1－1 系统结构示意图
2 乒乓球步法垫测试系统硬件原理
柔性薄膜开关阵列垫采用微触开关工艺加工制作，只需轻微的压力就可以
使其导通，可以准确探测运动员在其上的步法移动（图2－2－1）。
图2－2－1 柔性薄膜开关阵列垫
信号采集系统基于单片微处理器设计，配合高速切换开关，实现对柔性薄
膜开关阵列的高速扫描和信号采集。微处理器选用Silicon Laboratories 公司的
C8051F040 型单片机，它基于8051 改进型设计，工作频率可达25MSPS，资源
丰富，IO 口最多64 个，64K FLASH/4K RAM。
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力(N) A B C D a 力(N) A B C D a
60
60
40
40
20
20
0
0
0 500 1000
-20 0 500 1000
-20
-40 时间 时间
（微秒） -40 （微秒）
-60
-60
轻打 重打
力(N) A B C D a 力(N) A B C D a
60 80
60
40
40
20
20
0 0
-20 0 500 1000 1500 2000 -20 0 500 1000 1500 2000
时间 -40 时间
-40
（微秒） -60 （微秒）
-60 -80
轻拉 重拉
Fx 左
Fx 右
图1－2－13 水平方向上双脚的支反力
注：Fx 左是指左脚所受到的水平方向上的支反力，Fx 右指右脚所受到水平方向上的支
反力，方向向右为正。
在随势挥拍阶段，身体重心继续向右，双脚的支反力达到向左的最大值后，
进入还原阶段，随着身体向右的扭转，双脚向左的支反力逐渐减小到0，身体
再次回到还原状态。
表1－2－15 不同技术在左右方向上支反力出现峰值（n=10 ） 单位：牛
轻打 重打 轻拉 重拉
（M ±SD） （M ±SD） （M ±SD） （M ±SD）
右脚峰值 35.22 ±10.45 ﹟ 40.45 ±2.45 42.77 ±6.11 ﹠ 63.78 ±7.56
左脚峰值 7.23 ±1.09 9.39±2.37 36.76 ±3.32 ﹠ 41.54 ±5.70
右脚谷值 －15.12±3.54 ﹠ －41.77 ±3.56
左脚谷值 －38.35±4.19 ﹠ －63.59±7.23
55
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从图1－2－13 和表1－2－15 中可以看到，两种力量的正手快攻，在左右
上最大支反力差异不显著；而两种力量的弧圈球技术，在两处峰值处的力值，
无论是左脚还是右脚，差异都非常显著。在引拍结束附近出现的峰值，弧圈球
技术大于快攻。这提示我们在完成弧圈球技术时要注重在左右方向上的蹬地。
2.4.3 前后方向上的支撑反作用力
力(N) A B C D a 力(N) A B C D a
80 60
60 40
40
20
20
0
0
0 500 1000
-20 0 500 1000 -20
时间 时间
-40 -40 （微秒）
（微秒）
-60 -60
轻打 重打
力(N) A B C D a 力(N) A B C D a
60 80
60
40
40
20 20
0
0
-20 0 500 1000 1500 2000
-20 0 500 1000 1500 2000 时间 -40 时间
（微秒） -60 （微秒）
-40 -80
轻拉 重拉
Fy 左
Fy 右
图1－2－14 前后方向上双脚的支反力
注：Fy 左是指左脚所受到的前后方向上的支反力，Fy 右指右脚所受到前后方向上的
支反力。方向向后为正。
在前后方向上，地面支撑反作用力也较小。从图中可以看到，两种力量的
正手快攻曲线变化类似，两种力量的正手弧圈球技术的支反力变化曲线相似。
在4 种技术动作中，在前后方向上的支反力，左右脚呈现相反方向的变化形式。
一直脚向前蹬地的同时，另外一只就向相反方向用力，以保持击球时身体的稳
定。如图1－2－14 所示显示出前后方向上地面支撑反作用的力值大小和方向变
化情况。
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第三部分 对步法垫测试系统的验证及测试结果分析
1 研究方法
1.1 测试对象
本次实验为对乒乓球步法的初步研究，该步法测试系统在硬件测试和软件
分析上还有许多不成熟的地方，数据后期分析的工作量很大。故此次选取的测
试对象人数为1 名运动员和1 名陪练，系北京体育大学运动系优秀乒乓球运动
员。（表3－1－1）。
表3－1－1 测试者与陪练基本情况
性别 年龄 训练 身高 体重 运动 执拍 球拍 打法类
（岁） 年限 （m） （Kg ） 等级 手 类型 型
测试者 男 19 12 1.76 65 一级 右手 横拍 弧快
陪练 男 23 15 1.83 98 一级 右手 直拍 弧快
1.2 实验仪器
（1）乒乓球步法垫测试系统（包括乒乓球步法垫、信号反射器、信号接收
器、数据采集与分析软件等）
（2）一台Panasonic M9500 录像机
（3）外同步装置
（4 ）乒乓球台、乒乓球拍和乒乓球
1.3 实验方法
应用与中科院合肥智能机械所合作研制开发的乒乓球步法垫测试系统，同
时与录像同步测试，对运动员在一场比赛中的步法移动特征进行研究。在北京
体育大学生物力学实验大厅进行。
摄像机置于运动方向的右前侧方，与实验对象运动区域中心的距离约为10
m，主光轴距地面的高度0.8 m，拍摄频率为50 幅/s，在拍摄之前调整摄像机焦
距并使之达到最清晰，然后锁定。
乒乓球步法垫测试频率为50 Hz，置于球台前的地板上，表面铺上一层乒
乓球比赛专用地板胶。
乒乓球步法测试垫和摄像机之间用外同步装置（发光二极管）相连，由步
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法测试垫数据采集系统开关的同时，来控制外同步装置中发光二极管的亮与灭，
以此从录像的画面上找到与步法垫测试同步的时刻，从而达到两个测试系统的
外同步。
1.4 实验过程
进行了一场5 局3 胜制（比分为3：2，测试者胜）的比赛。基本按平时正
常比赛进行。只是双方运动员在每局结束以后无需换边，以保证受试者一直站
在步法测试垫上。在受试者在每一分球前准备发球或准备接球时，开始采集数
据，待一分球结束时，停止采集。
1.5 数据分析与处理
利用乒乓球步法垫中的数据分析模块获取原始数据，采集时间13.64 min，
共获取了整场比赛中双脚步法移动的各6 万余个数据点，对两只脚的所有数据
进行了分析与处理。后期运用 Microsoft office Access2003 、Microsoft office
Excel2003 进行数据处理与统计分析。
2 乒乓球步法的测试结果与分析
2.1 对比赛的描述
整场比赛共打满5 局。比分为3：2，测试对象胜。整场比赛中测试对象始
终在步法测试垫上。经赛后询问，与平常打球时的地面感觉相似，步法测试垫
未影响运动员的正常打球。每局比分、擦网球数、及采集球数见表3－3－1。
本论文对全部102 分球（包括8 个擦网发球）中的所有步法进行了分析与统计。
表3－3－1 整场比赛基本情况
比分 发球擦网 共采集
局数
（测：陪） 次数（个） 球数（个）
1 8:11 1 20
2 8:11 5 24
3 11:5 2 18
4 11:5 0 16
5 13:11 0 24
一场球共计 8 102
以下行文中按一分球、一局球和一场球，从微观到宏观对比赛中的步法移
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信号采集系统与计算机之间通过串口连接，通信速率为115,200 bps。
3 乒乓球步法垫测试系统软件原理
3.1 软件构成
分析软件部分包括四个模块：数据采集模块、数据分析模块、数据调试模
块、统计模块。
数据采集模块实现与信号采集仪之间的数据通信，向信号采集仪发送控制
指令，从信号采集仪获取实时采集数据。并进行数据的预处理、存储，以便分
析（如图2－3－1）。
数据分析模块根据采集模块采集处理的数据，实现步法移动轨迹的重构，
并结合高速影像记录，实现对采集信号左、右脚区分，以实现对各参数的计算、
统计（如图2－3－2）。
数据调试模块用于对原始数据的显示，与分析统计相对应，以及时校正处
理的数据（如图2－3－3）。
统计模块根据数据分析模块的左右脚分析、计算给出各时间段内的左、右
脚的支撑时间、腾空时间、移动路程等参数（如图2－3－4 ）。
图2－3－1 数据采集模块
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3.2 软件算法中时间偏差的说明
虽然乒乓球步法垫测试系统和录像拍摄是同步的，但是得到的数据上两者
在时间上有一点小差异，存在着偏差。步法垫的采集时间比录像采集时间要少
一些，总的偏差不超过5％。有如下偏差：
（1）实际时间算法的误差
在程序中出于统计处理的需要，
实际时间＝（左脚腾空时间＋左脚支撑时间）－（左脚腾空次数＋左脚支
撑次数－1）×0.02 s
（2）对于腾空和落地规定的误差
以1 分球为一个区段进行实际时间与累加时间比较时，1 分球结束时所处
的腾空（或支撑）并没有结束，必须要等到下一个落地（或腾空）产生时，才
计算这段时间，时间已超出1 分球的时间段。同样，开头的第一段也包含了上
一分的一些时间。
图2－3－2 数据分析模块
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图2－3－3 数据调试模块
图2－3－4 数据统计模块
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4 乒乓球步法垫测试系统技术参数
（1）柔性薄膜开关阵列面积：300 * 400 （cm * cm）
（2）阵列分布：4 * 4 （cm * cm）
（3）采样频率：50 HZ
（4 ）厚度：0.3cm
5 对步法垫测试精度的检验
在进行步法垫测试前我们对步法垫的精度进行了检验。因为在测量实践中，
测量仪器的重复性、再现性和稳定性对量测结果有较大的影响。对精度的估算，
都需要用样本数据来估计测量总体的标准差。误差能反映测量结果与真值的差
异，差异小，俗称精度高，差异大则称精度低，评价仪器精度的高低有多种方
式和指标，常用的有精度范围、重复性与线性度。
针对精度范围的评估一般有两种情形：其一已知真值的情况下，可以把所
测量的数据与真值相减以得到一组偏离真值的误差样本，对于这些样本数据，
可用贝塞尔（Bessel ）公式计算样本的标准差进而对精度值进行检验。
重复性是指在相同条件下（相同测量方法、相同操作人员、相同测量器具、
相同地点和相同使用条件等），在短时间内对同一个量进行多次测量所得结果之
间的一致程度。样本数据的标准差可反映仪器的重复性如何。
线性度是指随着自变量的增加因变量变化的线性程度。
本实验中，由于柔性薄膜开关的制作技术已比较完备，因此有关柔性薄膜
开关本身的精度问题可认为符合实验要求。现主要问题是将柔性薄膜开关制成
步法垫时，由于面积增大和线路增多，应对步法垫进行检验。在本实验中，通
过两种方法来成步法垫的精度范围：其一是单点测试；另一种方法步法垫上铺
上不同厚度的物体进行测试。通过单点测试，反映出此仪器有良好的精度，精
度约为1.73±0.06 mm，已经满足本实验所需精度；重复测量数据的数据误差约
为0.76 mm，具有良好的重复性；由于线性度的检测没有很直观的检测方法，
因此，没有对其进行线性度的检测，但由于整个仪器的制造及组装都是由中科
院合肥智能研究所来完成，其在仪器运出前对其进行了调试，反映精度、重复
性、线性度良好。
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动的运动学特征进行描述与分析。当进行1 分球详细分析时，以第4 局第1 分
为例；当进行一局球具体分析时，以第4 局或第5 局为例。
对具体一分球步法特征的描述，可以从微观对每一次脚步移动进行详细的
描述；当选取一局球时，是将一分球作为一个最小单位对步法特征进行描述的；
选取一场球时，是以一局球为单位，从较为宏观的角度对步法特征进行分析与
描述的。
第4 局第1 个球基本情况为，测试对象发球，共进行了3 个回合，净时间
为11.22 s，测试对象输。净时间是指从运动员准备发球到这一分比赛结束为止
的时间，排除了比赛中拣球和休息的时间。
第4 局总比分为11：5，共有16 分球，测试对象胜，净用时共2 min。第5
局比分为13:11，共有24 个球，测试对象胜，净用时共2.97 min。
2.2 比赛中运动员步法的时相特征
在乒乓球比赛中，运动员的双脚与地面的关系有四种状态：左脚单脚支撑
（同时右脚腾空）、右脚单脚支撑（同时左脚腾空）、双脚支撑和双脚腾空。对
于一侧脚而言，该侧脚与地面的关系有两种状态：该侧脚支撑或该侧脚腾空。
每次腾空视为一次步法移动。
2.2.1 一分球中步法的时相特征
表3－3－2 第4 局第1 分球的时相参数表
左脚 左脚 右脚 右脚 双脚 双脚
支撑 腾空 支撑 腾空 支撑 腾空
次数 11 10 8 8 13 4
时相最小值(s) 0.04 0.16 0.18 0.12 0.08 0.10
时相最大值(s) 1.94 0.40 3.24 0.44 1.38 0.12
时相平均值(s) 0.70 0.29 0.96 0.27 0.44 0.11
时相标准差(s) 0.56 0.09 1.14 0.11 0.46 0.01
总计(s) 8.50 2.72 8.62 2.60 5.68 0.44
时相百分比 75.76% 24.00% 76.83% 22.08% 50.62% 3.92%
测试结果显示了单脚时相的特征（见表3－3－2）。在用时11.22 s 的一分球
中，左脚腾空了10 次，右脚腾空了8 次。左脚在一分球的24.00%的时间（2.72
s）内处于腾空状态，右脚在一分球的23.00 %的时间（2.60 s）内处于腾空状态，
其余时间为该侧脚的支撑时间。每次平均腾空时间为：左脚2.72 s,右脚2.60 s。
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其中右脚腾空的最长时间为0.44 s,左脚为0.40 s。最短时间分别为：左脚0.16 s，
右脚0.12 s。
在一分球比赛中，双脚腾空次数为4 次，双脚支撑次数为13 次。在一分比
赛中有一半左右的时间双脚处于双支撑状态，而其余一半时间双脚处于非双支
撑状态，双脚的腾空状态有三种，双脚腾空、左脚腾空和右脚腾空，一侧脚腾
空的同时另一侧脚处于单支撑状态。其中双脚腾空的时间仅占一分时间的3.92
%，平均每次为0.11 s，在其他44.08 %时间内,处于单脚腾空状态（其中，右脚
24 ％，左脚22.08 % ）。
2.2.2 一局中步法的时相特征
表3－3－3 第5 局步法的时相参数表
1 分球 双脚腾 左脚支 左脚腾 左脚腾 右脚支 右脚腾 右脚腾
球数 时间 空次数 撑时间 空次数 空时间 撑时间 空次数 空时间
（s） （次） （s） （次） （s） （s） （次） （s）
1 9.46 1 7.62 7 1.84 7.66 8 2.10
2 7.62 2 5.96 8 1.66 5.92 8 1.64
3 6.84 1 4.70 7 2.14 5.34 8 1.96
4 8.30 1 6.44 6 1.86 6.66 6 1.84
5 5.70 0 5.26 2 0.44 4.62 4 0.84
6 6.98 3 4.80 8 2.18 5.78 8 1.60
7 6.46 0 4.78 6 1.68 4.70 5 1.86
8 4.90 2 3.58 4 1.32 3.78 6 1.44
9 9.32 0 7.12 8 2.20 7.34 6 1.48
10 6.44 0 5.58 5 0.86 5.78 4 0.72
11 6.42 3 4.62 6 1.80 4.86 7 1.74
12 8.30 5 5.68 8 2.62 6.28 9 2.12
13 5.34 1 4.10 6 1.24 4.36 4 1.04
14 5.82 1 4.86 4 0.96 5.12 5 0.96
15 6.80 2 4.94 7 1.86 5.36 9 1.66
16 7.76 2 5.58 7 2.18 5.56 8 1.64
17 9.20 0 8.22 6 0.98 8.12 5 1.12
18 8.82 0 7.56 6 1.26 8.18 4 0.84
19 7.00 2 5.02 7 1.98 5.98 5 1.14
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强烈支持28楼观点，送鲜花一朵鼓励！20 9.54 2 5.90 14 3.64 7.02 10 2.48
21 10.56 2 9.26 9 1.30 9.04 6 1.34
22 5.42 3 3.62 6 1.80 3.92 6 1.52
23 6.94 1 5.60 4 1.34 5.64 4 1.06
24 8.00 3 5.82 6 2.18 5.58 9 2.52
最小值 4.90 0 3.58 2 0.44 3.78 4 0.72
最大值 10.56 5 9.26 14 3.64 9.04 10 2.52
平均值 7.41 1.54 5.69 6.54 1.72 5.94 6.42 1.53
标准差 1.53 1.28 1.41 2.25 0.66 1.38 1.91 0.50
总计 177.9 37 136.6 157 41.32 142.6 154 36.66
百分比 76.78% 23.22% 80.14% 20.60%
表3－3－3 显示了第5 局中的时相参数特征，对24 个球的所用净时间、支
撑、腾空时间进行了详细统计。第5 局比赛总用时为177.94 s （2.97 min），每
一分球平均净用时为7.41 s，每分球用时最长10.56 s，最短4.90 s。双脚腾空次
数共37 次，每分平均为1.54 次，一分中双脚腾空最多是5 次，最少的是没有
一次双脚腾空。左脚腾空的总时间占一局时间的23.22%，为41.32 s，每一分球
平均为1.72 s，最长时间3.64 s，最短时间0.44 s。右脚腾空时间占一局时间的
20.60%，总时间为36.66 s，在一分比赛中用1.53±0.50 s。
右脚腾空次数和腾空时间略比右脚的腾空次数和腾空时间多，经T 检验，
差异不显著，可以认为左右脚腾空时间基本相同。
2.2.3 一场比赛步法的时相特征
如表3－3－4 所示，测试的这一场比赛的净用时为13.64 min，每局平均净
用时为2.73 min。一场比赛中运动员双脚共腾空了132 次，左脚腾空了730 次，
右脚腾空了707 次，左脚的腾空次数和腾空时间和右脚的腾空次数和腾空时间
相似，略高一些，经T 检验差异不显著。
在一局中，双脚腾空最多为37 次，最少为18 次，平均为26 次；左脚腾空
最多为162 次/局，最少为110 次/局，平均为146 次/局；右脚腾空次数的最大
值159 次/局，最少值为112 次/局，平均次数为141 次。
从左右脚的腾空总时间、支撑总时间和时相百分比上可以看到，左脚和右
脚的腾空总时间分别为3.06 min 和2.89 min，时间百分比分别为22.43 %和21.19
%，即一场比赛中有将近一半的时间，两脚处于移动状态。
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表3－3－4 对整场比赛的步法移动参数表
双脚腾 平均净 左脚支 左脚腾 左脚腾 右脚支 右脚腾 右脚腾
局数 空次数 时间 撑总时 空总次 空总时 撑总时 空总次 空总时
（次） （min ） 间（min ）数（次） 间（min ） 间（min ）数（次） 间（min ）
第1 局 21 2.54 2.03 143 0.51 2.05 136 0.49
第2 局 28 2.91 2.27 158 0.63 2.32 146 0.58
第3 局 18 3.23 2.45 162 0.78 2.45 159 0.78
第4 局 28 2.00 1.55 110 0.44 1.57 112 0.43
第5 局 37 2.97 2.28 157 0.69 2.35 154 0.61
最小值 18 2.00 1.55 110 0.44 1.57 112 0.43
最大值 37 3.23 2.45 162 0.78 2.45 159 0.78
均数 26 2.73 2.12 146 0.61 2.15 141 0.58
标准差 7 0.48 0.35 21 0.13 0.70 19 0.14
总计 132 13.64 10.58 730 3.06 10.75 707 2.89
时相
77.57% 22.43% 78.81% 21.19%
百分比
2.2.4 小结
综上所述，测试的这一场比赛的净用时为13.64 min，每局平均净用时为2.73
min 。一场比赛中运动员共出现双脚腾空132 次，左脚腾空730 次，右脚腾空
707 次。在乒乓球比赛中，有大约一半的时间运动员处于移动状态，乒乓球步
法的移动以单脚的移动为主，以双脚的同时移动为辅。左脚和右脚的移动次数
和移动时间基本相似。
2.3 比赛中步法的空间特征
2.3.1 步法移动的区域特征
如图3－3－1 所示，显示了该名运动员乒乓球比赛中1 分、1 局、1 场中每
一步的位置点分布，从中可以看出该运动员的移动范围的大致区域分布特点。
本文采用步法移动范围的计算方法是用步法在左右最远端的距离与前后最远端
距离的乘积。
68
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5.3.1 步法的移动范围
第4 局第1 分 第5 局
2.747m
1.525m
图3－3－1 1 分、1 局 、1 场中步法移动区域示意图
在第4 局第1分的比赛中，运动员步法在左方最远端一点的横坐标值为1.68
m，右方最远端一点的横坐标为3.28 m；运动员步法在前后最远端一点的纵坐
69
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标分别为0.56 m、2.52 m，所以这一分的步法移动范围为：
2
（3.28－1.68）×（2.52－0.56）＝3.14 m ；
同样，算得一局比赛中，该运动员移动的范围大约是：
2
（3.92－0. 80）×（2.56－0.48）＝6.49 m ；
在一场比赛中，该运动员移动的区域范围为：
2
（3.92－0. 68）×（2.56－0.08）＝8.04 m 。
在第4 局第1 分球中，运动员先在球台的左侧侧身发球后，右脚向右前跨
一小步，紧接着双脚小跳步，正手弧圈球技术；后两脚向左后跳步，反手拨球，
球失误，同时，双脚又小跳步，站稳，一分球结束。从图3－3－1 的一分球图
中可以看到在这一分球中，该运动员步法移动大致区域在中远台，偏左边。
从第5 局和整场比赛的步法分布区域来看，该名运动员的步法为不对称分
布，大部分分布在中远台偏左的地方，在步法垫的偏右侧，即球台右边侧向右
1 米以外，以及步法垫右后侧，几乎没有见步法的分布。
从乒乓球技战术来看，在乒乓球比赛中，双方运动员总是从反手位开始比
赛，在比赛进行中也通常以压对方反手位为主。从本论文对乒乓球运动员比赛
步法分布图上也可以证实乒乓球这一技战术特点。
2.3.2 步法的移动距离
2.3.2.1 一分球中步法移动特征
表3－3－5 1 分中双脚移动距离 单位：cm
左脚步幅 右脚步幅
次数（次） 11 8
最小值 1.00 4.10
最大值 16.40 19.20
平均值 8.39 9.86
标准差 5.48 5.08
合计 83.90 88.70
在第4 局第1 分球中，左脚移动了83.90 cm，右脚移动了88.0 cm，每一步
最大的移动距离，左脚为16.40 cm，右脚为19.20 cm。每一步最小的移动距离
左脚为1cm，右脚为4.10 cm。左右脚的平均移动距离分别为8.39 cm 和9.86 cm。
70
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此主题相关图片如下：复件 乒乓球1.研究及步法垫测试系统的研制与实验.jpg多谢ppyeah兄弟的大力支持！！！
2.3.2.2 一局球中步法移动特征
表3－3－6 1 局中双脚移动的距离 单位：cm
球数 左脚移动距离 右脚移动距离 双脚共移动距离
1 58.40 85.10 143.50
2 38.20 70.10 108.30
3 62.20 78.40 140.60
4 43.40 42.50 85.90
5 10.20 30.20 40.40
6 48.10 64.60 112.70
7 49.10 52.30 101.40
8 45.60 44.20 89.80
9 82.50 37.60 120.10
10 11.80 19.90 31.70
11 53.00 75.00 128.00
12 79.20 83.80 163.00
13 54.50 41.80 96.30
14 26.20 55.70 81.90
15 84.80 55.60 140.40
16 94.70 69.90 164.60
17 10.50 35.20 45.70
18 16.00 37.70 53.70
19 48.20 41.00 89.20
20 104.60 90.80 195.40
21 39.10 71.20 110.30
22 84.40 75.70 160.10
23 23.90 52.70 76.60
24 92.60 106.10 198.70
每分平均 52.55 59.05 * 111.60
标准差 28.38 21.78 46.01
最大值 104.60 106.10 198.70
最小值 10.20 19.90 31.70
1 局总计 1261.20 1417.10 2678.30
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强烈支持29楼观点，送鲜花一朵鼓励！注： * p<0.05, 代表经t 检验差异显著（下同）
表3－3－6 详细列举了在第5 局中每一分左右脚移动的距离情况。在第5
局中，左脚共移动了12.61 m（1261.20 cm），右脚共移动了14.17 m（1417.10 cm），
左右脚共移动26.78 m （2678.30 cm）。经T 检验，发现每一分中右脚移动的距
离59.05±21.78 cm，长于左脚的52.55±28.38 cm。右脚在一分中的最大最大距
离为106.10 cm，最小距离为19.90 cm，均大于右脚的最大距离104.60 cm，和
最小距离10.20 cm，左右脚在一分中平均移动1.12 m(111.60 cm)。
2.3.2.3 一场球步法移动特征
表3－3－7 1 场中双脚移动的距离 单位：m
局数 左脚移动距离 右脚移动距离 双脚共移动距离
第1 局 9.35 11.12 20.47
第2 局 10.50 12.44 22.94
第3 局 13.75 14.62 28.37
第4 局 7.12 9.86 16.98
第5 局 12.61 14.17 26.78
总计 53.33 62.20 115.54
均数 10.67 12.44 * 23.11
标准差 2.63 2.01 4.63
最大值 13.75 14.62 28.37
最小值 7.12 9.86 16.98
经研究发现，在一场比赛中，该名运动员左右脚共移动了115.54 m，其中
左脚移动了53.33 m，右脚移动了62.20 m，在一局比赛中，运动员移动的平均
总距离为23.11 ±4.6 3m。经t 检验，每局右脚的移动距离（12.44±2.01 m）大
于左脚（10.67±2.63 m）在一局中的移动距离，差异显著。
2.3.3 步法的步幅
2.3.3.1 步幅的大小
对一场比赛中所有的步法的步幅（左脚730 次，右脚707 次）进行了分析
与统计，见表3－3－8。两脚共移动了1437 次，每一步平均移动8.02±7.28 cm。
右脚一步最大的距离是59.40 cm，而左脚最大一步的步幅是53.00 cm。左右脚
的最小步幅为0，说明腾空以后又几乎在原地落下。右脚一步的步幅是8.80±
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7.61cm，左脚一步是7.31±7.00 cm，右脚的步幅明显大于左脚的步幅，经检验，
p<0.05，差异显著。
表3－3－8 一场比赛中每一步步幅的统计
左脚 右脚 两脚合并
移动次数（次） 730 707 1437
最小值（cm） 0.00 0.00 0
最大值（cm） 53.00 59.40 59.40
均值（cm） 7.31 8.80 * 8.02
标准差（cm） 7.00 7.61 7.28
2.3.3.2 步幅的频率分布
表3－3－9 一场比赛中步法的步幅分布频率表
左脚 右脚
次数 频率（％） 次数 频率（％）
5cm 以内的次数 344 47.15 251 35.52
5～10 cm 的次数 185 21.17 221 31.19
10～20cm 的次数 155 25.40 170 24.03
20cm 以上的次数 46 6.28 64 9.25
6.28% 9.25%
21.17% 5cm以内 35.52%
24.03%
47.15% 5～10cm
10～20cm
20cm以上
25.40%
31.19%
左脚 右脚
图3－3－2 乒乓球步幅分布频率图
对步幅的大小分布，进行了统计，见表3－3－9 和图3－3－2。按5 cm 以
内、5～10 cm，10～20 cm 和20 cm 以上进行分类统计。可以明显地看到，无
论左脚和右脚，5 cm 以内的小步法最多，分别占25.40%和31.19%。20 cm 以上
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北京体育大学博士学位论文
的步幅占了很小的比例，左脚只有6.28%，右脚为9.25%。也就是说，在乒乓
球的步法移动中，以步幅为20 cm 以内的步法为主，5 cm 以内的小碎步占了很
大比例，左脚的小碎步比例大于右脚的小碎步比例。
2.3.4 小结
比赛中该运动员乒乓球步法的空间特征表现为：该运动员步法移动的范围
2
为8.04 m ；一场比赛中运动员移动的总距离为115.54 m；在一局比赛中运动员
移动的总距离23.11 ±4.63 m；每一步平均移动的距离是8.02±7.28 cm；步法移
动中最远一步的移动距离为59.40 cm。
步法范围呈不对称分布，大部分分布在中远台偏左的地方；在一局比赛、
一分比赛及每一步中，右脚的移动距离均大于左脚的移动距离；乒乓球的步法
移动以20 cm 以内的步幅为主，左脚以小碎步移动更多。
2.4 比赛中步法的时空特征
2.4.1 移动频率
表3－3－10 一场比赛中步法移动频率表 单位：次/s
左脚腾空频率 右脚腾空频率 双脚腾空频率 总腾空频率
第1 局 0.94 0.89 0.14 1.69
第2 局 0.91 0.84 0.16 1.58
第3 局 0.84 0.82 0.09 1.56
第4 局 0.92 0.94 0.23 1.62
第5 局 0.88 0.87 0.21 1.54
一场平均 0.89 0.86 0.16 1.59
标准差 0.04 0.04 0.05 0.05
在乒乓球比赛中，无论是左、右脚单脚，或是双脚，每腾空一次，可以看
作是一次步法移动。由于左脚腾空和右脚腾空中包含了双脚同时腾空的情况，
所以，总腾空频率等于左脚腾空频率和右脚腾空频率之和减去双脚腾空频率。
从表3－3－10，可以得出，在一场中左脚的腾空频率为0.89±0.04 次/s，右脚
为0.86± 0.04 次/s,双脚腾空频率为0.16± 0.05 次/s，总的腾空频率为1.59±
0.04 次/s 。
从以上分析可以看出，乒乓球运动员在比赛中步法移动的频率特点为移动
74
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的频率很高，2 s 要移动3 次，其中多为左右脚的单脚移动，而双脚同时移动的
频率比较低。
2.4.2 移动速度
表3－3－11 步法移动速度表 单位： m/s
左脚 右脚 两脚合并
次数（次） 730 707 1437
最小值 0.00 0.00 0.00
最大值 2.32 2.80 2.80
平均值 0.30 0.40 ** 0.34
标准差 0.28 0.36 0.31
速度 速度
（m/s） （m/s）
2.50 3.00
2.00 2.50
1.50 2.00
1.50
1.00
1.00
0.50
0.50
0.00 次数
0.00
1 101 201 301 401 501 601 701
1 101 201 301 401 501 601 701
次数
左脚 右脚
图3－3－3 步法移动速度分布示意图
对乒乓球比赛中每一步移动的速度进行了分析，见表3－3－11 和图3－3
－3。这个移动速度指的是每一步在地面上移动的平均速度。左、右脚单脚移动
的最小速度为0 ，因为有的小碎步是腾空之后又几乎落在了原地。左脚的最大
移动速度为2.32 m/s，右脚为2.80 m/s。右脚的移动速度（0.40±0.36 m/s）大于
左脚水平移动速度（0.30±0.28 m/s），经检验，p<0.01，差异显著。单步的总平
均速度为（0.34±0.31 m/s）
通过以上分析，可以得出乒乓球运动员在比赛中步法移动的特点是移动较
小，右脚的移动速度大于左脚的移动速度。
2.4.3 小结
乒乓球步法的速度特征为以1.59±0.04 次/s 的高频率移动，移动速度较小
75
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北京体育大学博士学位论文
为0.34±0.31 m/s，右脚的移动速度大于左脚的移动速度。
2.5 乒乓球步法运动学特征总结
通过上述对乒乓球比赛中运动员步法移动的时间特征、空间特征和时空特
征的结果与分析，可以对乒乓球运动员步法移动的总体运动学特征概括为：运
动员在偏左台的8.04 m2 的区域里，以1.59±0.04 次/s 的高频率，每步以8.02
±7.28 cm 的小步幅进行步法移动；在比赛中，运动员有大约一半的时间处于移
动状态，乒乓球步法的移动中以单脚的移动为主，以双脚的同时移动为辅；运
动员在一场比赛中共进行了1437 次移动，移动距离为115.54 m；右脚的每步移
动距离、每局移动距离大于左脚。
3 对乒乓球步法研究的讨论
3.1 对乒乓球步法特征的讨论
按教科书上对乒乓球步法技术的分类共有七种类型：单步、跨步、并步、
交叉步、小碎步和小跳步技术。从本论文对乒乓球步法的研究中可以看到，在
比赛中运用小范围碎步技术更多，大范围的步法移动，如跨步、交叉步技术运
用得较少。
当以右手为执拍手时，可以把身体的左方看作是闭合区，身体的右方看作
是开放区。由于右手击球和身体解剖结构的缘故，移动时左脚以小碎步移动，
配合右脚的移动，将身体调整到合适位置，让开右手位，为上肢合理击球保证
适当的空间。从本论文的数据分析中可以看到右脚移动次数与左脚移动次数几
乎相同（且略少），但步幅和总移动距离均大于左脚，本论文的研究从定量角
度揭示和验证了乒乓球步法的这一特点。
乒乓球步法的这种高频率、短时间小步法的移动特点，保证了运动员重心
的稳定，避免重心大幅度的上下起伏，为运动员在快速移动中保证高质量的击
球提供了稳定的身体支撑。同时也为运动员快速启动、快速制动提供了保障，
因为在每次击球完，运动员对下一次击球的方向和落点，是处于未知的高度警
惕状态，于是体现在步法上就是快速对上次步法进行制动，同时准备快速向来
球方向移动。
3.2 对乒乓球步法训练和体能训练的启示
本实验运用新研制的用于乒乓球专项的乒乓球步法测试垫，对比赛中乒乓
球运动员的步法进行了测试，对乒乓球步法的定量研究作出了一些尝试。本文
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的研究结果与发现不但补充与丰富了乒乓球步法的原理，而且对乒乓球步法的
教学与训练及运动员的体能训练都有重要的指导与参考作用。
在进行步法训练时，要选择与这种高频率、小步幅的步法特征相适应的训
练方法和手段。在进行乒乓球体能训练时，训练的内容上也可以考虑与乒乓球
步法特征相一致的训练内容，要选择以提高运动员爆发力、快速反应能力，能
够提高相适应的神经中枢和肌肉快速力量的训练内容。
3.3 步法特征的后继研究
由于时间和实验仪器的限制，只对一名一级运动员比赛中的步法进行了研
究，今后可以对不同级别、年龄的乒乓球运动员的步法特征进行研究。通过对
我国国家队优秀运动员的步法特征进行研究，建立乒乓球基本步法模型；在此
基础上，分析不同级别、年龄的乒乓球运动员在运动员在训练、比赛过程中的
步法移动方面的特点与不足，帮助教练员进行制定针对性的训练方案，提高运
动员的乒乓球竞技水平，为2008 年奥运科研攻关做贡献。
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北京体育大学博士学位论文
结 论
本文运用QUALISYS 三维运动学测试系统和两台KISTLER 测力台系统，
对10 名乒乓球运动员的正手快攻和弧圈球技术进行了生物力学研究；研制开发
了一套乒乓球步法垫测试系统，并运用该系统对1 名1 级乒乓球运动员比赛中
的步法特征进行了测试与分析。研究结论如下：
（1）球拍触球瞬间并非出现在挥拍最大速度时刻，大部分出现在挥拍最大
速度之后。
（2）在击球的引拍和挥拍击球阶段，上肢各关节的动作不像其他生物力学
研究所说的是鞭打动作形式，上肢各关节最大速度出现的顺序没有定式，动作
与动作之间，个体与个体之间差异较大。
（3）乒乓球运动员完成正手快攻和弧圈球技术的力学指标差异在于，拉弧
圈球时左右、上下方向上的地面支撑反作用力的最大值大于正手快攻。提示我
们在完成弧圈球技术时，要加大左右和上下方向上的蹬地力。
（4 ）最大力量和中等力量两种用力方式完成正手快攻技术的力学指标差异
在于，重打时垂直、前后方向上的最大地面支撑反作用力大于大于轻打。提示
我们当要大力正手快攻时，要加大向下、向后的蹬地力。
（5）最大力量和中等力量两种用力方式完成正手弧圈球技术的力学指标差
异在于，重拉时三个方向上的最大地面支撑反作用力均大于大于轻打。提示我
们当要大力正手拉弧圈球时，要特别注重加大蹬地力。
（6）本论文所研发的乒乓球步法垫测试系统可以用作对乒乓球比赛中步法
的测试。可以获得整场比赛步法移动的运动学参数：步法移动的时间（左、右
足腾空、支撑时间、次数；双足的腾空、支撑时间等）、步法移动的空间（步法
移动的范围、步幅）及步法移动的速度、步频等指标。对深入探索乒乓球步法
技术规律有重要意义。
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谢谢！
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