Contributions of Upper Limb Segment Rotations During the Power Serve in Tennis
В высокоскоростной подаче в теннисе вклад анатомических вращений сегментов верхней конечности в скорость головки ракетки в момент удара зависит как от их угловой скорости, так и от мгновенного положения ракетки относительно осей вращения этих сегментов. Одиннадцать высококвалифицированных теннисистов были сняты тремя камерами Photosonics с частотой 200 Гц во время выполнения мощной подачи. Трёхмерные траектории 11 отмеченных ориентиров были вычислены методом прямой линейной трансформации, после чего трёхмерные вращения отдельных сегментов верхней конечности были определены с использованием векторных уравнений (Sprigings, Marshall, Elliott, & Jennings, 1994). Основными источниками средней линейной скорости центра головки ракетки 31,0 м·с⁻¹ в момент удара были внутренняя ротация плеча (54,2%), сгибание кисти (31,0%), горизонтальное сгибание и отведение плеча (12,9%), а также линейная скорость плечевого сустава со стороны ракетки (9,7%). Разгибание в локтевом суставе, напротив, сыграло отрицательную роль (-14,4%) и уменьшило поступательную скорость центра ракетки в момент удара.
Введение
Поскольку каждое очко в теннисе начинается с подачи, логично предположить, что этот удар играет важную роль в определении исхода матча. Игроки всех уровней стремятся развить высокоскоростную подачу как неотъемлемую часть своей игры. Специалисты в области спорта и тренеры согласны, что скорость ракетки (а значит, постударная скорость мяча), высота точки удара и величина прямого вращения мяча являются ключевыми факторами, определяющими угол направления мяча при успешной подаче (Elliott, 1983). Скорость головки ракетки в момент удара, следовательно, является критической характеристикой успешной подачи, которая может существенно изменяться игроком за счёт индивидуальных движений сегментов верхней конечности. Поэтому роль векторов угловой скорости плеча, предплечья и кисти в создании максимальной скорости точки удара ракетки представляет значительный интерес для специалистов, тренеров и игроков. При этом имеется мало данных о том, как отдельные сегменты бьющей конечности реально вносят вклад в развитие скорости ракетки.ElliottServeJAB.pdf
Проксимально-дистальная последовательность движений в подаче была подробно описана ранее (Adrian & Enberg, 1971; Elliott, Marsh, & Blanksby, 1986; Plagenhoef, 1971; van Gheluwe & Hebbelinck, 1985). Jack, Adrian, and Yoneda (1979) с помощью электрогониометрии оценили вклад сегментов в скорость ракетки у игроков среднего уровня. Van Gheluwe, de Ruysscher, and Craenhals (1987) с использованием трёхмерной кинематографии описали вращение плеча и пронацию предплечья во время подачи высококвалифицированных игроков. Sprigings et al. (1991) разработали алгоритм для вычисления вклада анатомических вращений каждого сегмента верхней конечности в скорость головки ракетки с учётом как угловой скорости сегмента, так и мгновенного положения головки ракетки относительно каждой оси вращения. В анализе одного игрока среднего уровня Sprigings et al. (1994) показали, что наибольший вклад в скорость головки ракетки в момент удара вносит внутренняя ротация плеча, тогда как пронация предплечья при очень высокой угловой скорости дала сравнительно небольшой вклад из‑за положения ракетки относительно оси вращения.
Целью данного исследования было определить роль нижней части тела и туловища, плеча, предплечья и кисти в выполнении мощной подачи в теннисе. Также оценивалась относительная важность линейного движения плечевого сустава и каждого из возможных вращений сегментов (плечо: сгибание/разгибание, приведение/отведение, внутренняя/наружная ротация; предплечье: сгибание/разгибание, пронация/супинация; кисть: сгибание/разгибание, лучевое/локтевое сгибание) в процессе подачи.
Методы и процедуры
Испытуемые
В исследовании участвовали одиннадцать праворуких теннисистов-мужчин среднего возраста 22 года, которых два профессиональных тренера оценили как игроков с высокоскоростной подачей. Игроки выполняли подачу своими собственными ракетками (небольшие различия в массе, натяжении струн и жёсткости), чтобы обеспечить естественность техники.
Съёмка
Три синхронизированные камеры Photosonics с частотой 200 Гц были размещены согласно схеме Wood and Marshall (1986) и использовались для съёмки опорной конструкции с маркерами известного положения, охватывающей рабочее пространство подачи. На верхнюю конечность каждого испытуемого наносили девять маркеров, ещё два маркера крепили по бокам ракетки на уровне центральной оси головки (Figure 1). Маркеры на передней и задней поверхностях плеча использовали для локализации плечевого (glenohumeral) сустава, а маркеры по обе стороны дистального конца плечевой кости — для локтевого сустава. Для более точной оценки движений запястья и предплечья маркеры на дистальном конце предплечья и на кисти крепились к жёстким стержням, выступавшим за анатомические границы сегментов и усиливающим видимую пронацию/супинацию предплечья, сгибание/разгибание кисти и лучевое/локтевое сгибание. Эти стержни не ограничивали естественное размахивание рукой в подаче, и смещение маркеров за счёт движения кожи было минимальным.
Каждого игрока снимали при выполнении трёх мощных подач из области центральной отметки базовой линии так, чтобы мяч попадал в квадрат 1,5×1,5 м в центральном углу правого (deuce) поля подачи внутри зоны съёмки при идентичных позициях камер.
Анализ и обработка данных
Для анализа отбиралась попытка с наибольшей скоростью, определённой по киноплёнке. Изображения опорной конструкции (24 точки) и игрока (11 точек) проецировались кинопроектором NAC 16‑mm через зеркало на поверхность стола, после чего координаты оцифровывались. Неизвестные трёхмерные координаты точек на теле игрока вычислялись методом прямой линейной трансформации по Marzan and Karara (1975). Анализировали фазу махового движения вперёд — от первого вперёд направленного движения плеча до примерно пятого кадра после удара по мячу, при масштабе проекции 1/9 от реального размера. Среднеквадратичная ошибка вычисления координат x, y и z для контрольных точек составила в среднем 4 мм для 11 испытуемых.
Для каждого из трёх сегментов верхней конечности строились ортогональные единичные векторы локальных систем координат. Оси вращения выбирались в анатомически привычных терминах (сгибание/разгибание, приведение/отведение, внутренняя/наружная ротация плеча; пронация/супинация и сгибание/разгибание предплечья; сгибание/разгибание и лучевое/локтевое сгибание кисти), отражающих движения, контролируемые мышечной активностью и обычно используемые тренерами. Абсолютные векторы угловой скорости сегментов вычислялись для последующего определения относительных векторов угловой скорости каждого сегмента относительно проксимального звена (Sprigings et al., 1994). Анатомически ориентированные скалярные угловые скорости получали как скалярное произведение относительных векторов угловой скорости на соответствующие единичные векторы. Векторные произведения между относительными векторами угловой скорости и радиус‑векторами к центру головки ракетки затем использовали для оценки эффективности данных вращений в создании скорости головки ракетки, причём этот подход ранее был верифицирован для подачи в теннисе (Sprigings et al., 1991).
Поскольку система осей плеча была жёстко связана с сегментом, а не с плечевым суставом, оси сгибания/разгибания и приведения/отведения изменяли ориентацию относительно стандартного анатомического описания при внутренней/наружной ротации плеча. Вследствие этого при использовании указанного алгоритма трудно строго разделить вклад сгибания/разгибания и приведения/отведения в скорость головки ракетки, если движение плеча содержит значительную внутреннюю/наружную ротацию. Поскольку значительная внутренняя ротация плеча происходит непосредственно перед ударом, авторы решили объединённо представлять вклад сгибания и отведения плеча в скорость головки ракетки. Траектории 11 оцифрованных маркеров сглаживались с помощью оптимально регуляризованной сплайн‑аппроксимации пятого порядка (Woltring, 1986).
Результаты
В момент удара средняя скорость центра головки ракетки, направленная перпендикулярно базовой линии в сторону соперника (ось x), составила 31,0 м·с⁻¹, что выше 27,0 м·с⁻¹, зарегистрированных у игрока в Sprigings et al. (1994), и сопоставимо с данными Elliott et al. (1986) и van Gheluwe & Hebbelinck (1985) для игроков колледж‑ и международного уровня. Средняя пиковая скорость центра головки ракетки 32,9 м·с⁻¹ достигалась примерно за 0,005 с до удара.
Суммарный вклад вращения туловища и поступательного движения нижних конечностей обеспечивал среднюю скорость плечевого сустава ракетко‑руки 3,0 м·с⁻¹ по оси x в момент удара (Table 1), что соответствует 9,7% скорости центра головки ракетки. Эта величина была меньше пикового значения 3,6 м·с⁻¹, наблюдавшегося за 0,056 с до удара, но несколько превышала аналогичные показатели 2,0–2,5 м·с⁻¹ (примерно 7–8% вклада), описанные в Sprigings et al. (1994), van Gheluwe & Hebbelinck (1985) и Elliott et al. (1986). Остальные 90% скорости головки ракетки обеспечивались анатомическими вращениями плеча, предплечья и кисти к моменту удара.
Средняя пиковая угловая скорость внутренней ротации плеча составляла 36,5 рад·с⁻¹ и наступала за 0,005–0,006 с до удара (Table 2). Это движение вносило 54,2% линейной скорости головки ракетки в момент удара, подтверждая характерную роль данной ротации для высокоскоростной подачи, ранее отмеченную van Gheluwe et al. (1987) и количественно оценённую как 30% вклада в Sprigings et al. (1994). Исследования Chandler et al. (1992) показали, что показатели силы и мощности внутренних ротаторов плеча на предпочитаемой руке на 25% выше, чем на противоположной, а работа Mont et al. (1994) продемонстрировала прирост скорости подачи примерно на 11% у групп, тренирующих внутреннюю и наружную ротацию плеча, по сравнению с 1% в контрольной группе.ElliottServeJAB.pdf
Горизонтальное сгибание и отведение плеча давали меньший, но заметный вклад — 12,9% скорости головки ракетки в момент удара при средней линейной скорости 4,0 м·с⁻¹ в этом компоненте, что ниже 7 м·с⁻¹, зарегистрированных у игрока средней квалификации в Sprigings et al. (1994). Пронация предплечья вокруг лучелоктевого сустава и разгибание в локтевом суставе также существенно влияли на скорость ракетки, причём эффекты этих движений были разнонаправленными. Средняя пиковая угловая скорость пронации составляла 16,4 рад·с⁻¹, но наступала раньше — за 0,055 с до удара, и к моменту удара снижалась до 6,8 рад·с⁻¹, обеспечивая лишь 1,6 м·с⁻¹ (5,2%) линейной скорости головки ракетки; при этом у двух подач наблюдалась небольшая супинация предплечья в момент удара, как отмечалось и в van Gheluwe et al. (1987).El
Средняя пиковая угловая скорость разгибания в локтевом суставе 21,5 рад·с⁻¹ за 0,04 с до удара соответствовала значениям 21–25 рад·с⁻¹, описанным для высококвалифицированных игроков, но была ниже 44,1 рад·с⁻¹, зарегистрированных Buckley & Kerwin (1988) у игроков уровня county. При этом угловая скорость локтевого сустава 8,3 рад·с⁻¹ в момент удара имела отрицательный вклад: она уменьшала скорость центра головки ракетки по оси x на 14,2%, что согласуется с выводами Sprigings et al. (1994). Объяснение состоит в том, что при значительной внутренней ротации плеча разгибание локтя вблизи удара придаёт головке ракетки латеральное и слегка назад направленное движение, снижая поступательную скорость вперёд.ElliottServeJAB.pdf
Сгибание кисти и её локтевое сгибание завершали кинематическую цепь. Средняя пиковая угловая скорость сгибания кисти 30,0 рад·с⁻¹ за 0,006 с до удара уменьшалась до 26,5 рад·с⁻¹ к моменту удара, при этом данное движение обеспечивало 9,5 м·с⁻¹ линейной скорости головки ракетки, то есть 30,6% её конечной скорости — ключевой вклад, ранее отмеченный Jack et al. (1979) и Sprigings et al. (1994) как характерный для «power serve». Локтевое сгибание кисти играло минимальную роль, добавляя всего 0,2 м·с⁻¹ (0,6%) к скорости головки ракетки, что в целом соответствует данным Sprigings et al. (1994).ElliottServeJAB.pdf
Выводы
Рассчитанные вклады отдельных анатомических вращений в скорость головки ракетки показывают, что знания одной лишь величины угловой скорости сегмента недостаточно для оценки его полезности в формировании скорости ракетки. Наибольший средний вклад (54,2%) действительно обеспечивала внутренняя ротация плеча с наибольшей угловой скоростью 33,0 рад·с⁻¹ в момент удара, но увеличения скорости разгибания в локте могут приводить к ещё большему снижению поступательной скорости ракетки вперёд, чем это наблюдалось в данном исследовании. Сгибание кисти, вращение туловища, а также сгибание и отведение плеча также идентифицированы как значимые компоненты, способствующие формированию высокой скорости подачи в теннисе.ElliottServeJAB.pdf