篮球教学中投篮技术动作的力学分析

2022-09-11

篮球是一项为了投篮得分同时限制对方投篮得分, 并以投篮得分的多少来决定比赛胜负的一项技能性同场对抗类项群的球类运动, 因此投篮技术是篮球运动中的核心技术。影响投篮命中率的因素较多, 如心理状态、投篮时机、身体训练水平及投篮技术等, 但是投篮技术是决定投篮命中率的主要因素, 具体地说, 投篮出手角度、入篮角度、球的旋转、瞄篮点、全身协调用力以及球离手前的食指拨球都是决定投篮技术合理与否以及投篮命中率的重要因素。

1 投篮中篮球的旋转

1.1 投篮中篮球旋转的类型

通过查阅文献和走访优秀篮球运动员、教练员及篮球专家, 笔者认为投篮中球在空中应该旋转, 同时通过观察N B A超级球星乔丹、科比、马龙、巴克利等运动员, 发现其在比赛中投篮时篮球在空中高速旋转。通过仔细的分析与研究, 笔者认为在投篮中的球旋转有两种类型, 即前旋和后旋 (所谓球前旋或后旋是以运动员的投篮手的食指指向为基准点来确定的) , 并且球旋转类型取决于投篮动作, 其中前旋主要出现于行进间低手投空心球和行进间低手投打板球, 后旋主要出现于中远距离投篮 (含勾手投篮) 和行进间高手投空心球、打板球[2,3,4]。也有人提出篮球的侧旋问题, 如黄顺和 (1992) 人在投侧面打板球时球侧旋以期反射角大于入射角增加球入球篮的概率[1], 王剑涛等 (1994) 认为, 在投打板球时如果球以一定的速度侧旋, 就可以自动地对不合适的打板点进行适当的调整, 从而有利于投篮中筐[5]。一般情况下, 在篮筐的右侧投篮时, 球应按照矢状轴左旋, 在篮筐左侧投篮时, 球应按照矢状轴右旋。其实在篮球投篮中根本没有侧旋球, 因为球的旋转决定于投篮动作, 而无论是原地投篮、跳起投篮 (包括反手投篮和勾手投篮) 还是行进间投篮, 球只可能以冠状轴为轴前旋或后旋, 而不可能侧旋, 因为各种投篮动作都不可能对篮球施加一个在方向上平行于矢状轴的力, 之所以认为有侧旋球是由于其将区分球旋转时将投篮基准参考点多元化, 其实参考点只有一个, 即运动员投篮手的食指。

1.2 篮球后旋在投篮中的作用及力学分析

一般来说, 篮球运动在室内进行, 因此投篮中篮球在离开运动员的食指手指之后, 也就是说运动员对篮球施加作用力的过程结束之后, 篮球在空中只受到三个力的作用, 即重力, 空气阻力和空气浮力。由于后两个力相对于重力而言其作用较小, 因此可以认为篮球在做一个近似的斜抛运动, 斜抛运动的各种运动参数取决于运动员在球离手前及离手瞬间对球施加力的各种要素的情况, 其轨迹方程为:

但是由于投篮动作造成球在空中旋转使得篮球在做一个复合运动, 即篮球在做些抛运动的平动的同时也在围绕球体的冠状轴 (相对于运动员的食指而言) 做旋转运动的转动, 因此篮球在空中的运行轨迹同一般意义上讲的斜抛运动还是有一定的区别。篮球在空中后旋主要是由于在投篮时, 运动员下肢蹬地的力量、腰腹力量和上肢力量借助人体关节链条的传递, 通过腕部前屈, 最后食指作用于球体的后下部 (十指对球的作用点位于球体的冠状轴之前) 而产生的, 主要应用于中远距离投篮和行进间高手投空心球及投打板球。

篮球后旋在投篮中作用及力学机制。一, 球的后旋, 尤其高速后旋能有效地克服空气阻力, 避免球在飞行中产生上下飘动的现象, 有利于球在空中飞行保持相对稳定, 这一点对中远距离投篮非常重要。众所周知, 篮球在空中低速飞行时, 空气施加在球体表面的摩擦力较少, 靠近球体的气流和球面之间存在一个小小的空隙, 即球面层, 由于球面层的存在使得球体向着运行方向前后两部分区域的压强差异不显著, 也就是说, 气流经过球面滑过后还能保持稳定的流动, 这对篮球的运行影响不大。但是在中远距离投篮时, 篮球的运动速率较大, 此时球体表面与空气流的摩擦大大增加, 球面层遭到严重破坏, 当气流经过球体剥离点时会产生一个与原来气流方向有很大偏差的流线, 使球体的后部区域产生较大的层流涡流区, 从而使球的前后两个部分的压强存在显著差异, 致使球体受到较大的阻力, 减少了球体飞行轨迹的长度和高度, 尤其不利于中远距离投篮。如果在投篮时, 通过给球体施加一个适当的力, 使球体在飞行过程中产生一定的向后旋转。由于空气粘滞性作用, 以及球体表面并非绝对光滑性, 因而球在旋转时, 将带动球体外表面附近的一层气体粒子, 产生与球体的旋转方向一致的空气环流。空气环流与空气流的相互作用, 减弱或破坏球体后部区域的层流涡流, 使球体周围的气流产生变化。这样就能有效地减小空气对它的阻力, 从而使球保持较稳定的飞行状态, 有利于控制球的飞行轨迹和保持球的出手方向, 有利于提高投篮命中率。二, 篮球的高速后旋可以使篮球获得一个上升力, 这提高球在空中飞行的弧度, 增大入射角, 扩大篮筐的暴露面, 从而对提高投篮的命中率大有裨益。由于上面提到的原因, 球体在后旋时, 球体上下部通过的气流量和流速不等, 其上侧的空气环流与空气流线的流动方向一致, 气流速较大但流量少。同理, 球体下侧则相反, 流量多且流速慢。根据流体力学的伯努力方程:P+ρgh+1/2ρv2=恒量, 空气密度ρ和重力加速度g都是恒定的, 流体高度h的变化相对于大气层的高度来讲可以忽略不计。所以, v越大, P就越小, v越小, P就越大[6], 单纯从理论上分析投篮是距离越远, 球得出手速度就应该越快。飞行中篮球的上面A点相对于下面B点所形成的气体高流速为低压区域, 而B相对于A则为气体低速流高压区域, 因此产生了方向向上的力, 即上升力, 并且压差越大升力就越大, 升力越大, 其抛物线的弧度就越大。因此篮球后旋的速度越快, 其抛物线的弧度就越大, 入射角就大, 入射截面积就越大, 增加了篮球进筐的机会。

1.3 篮球前旋在投篮中的作用及力学分析

篮球在空中前旋主要是由于在投篮时, 运动员下肢蹬地的力量、腰腹力量和上肢力量借助人体机械链条的传递, 通过腕部前屈, 最后食指作用于球体的前下部 (食指对球的作用点位于球体的冠状轴之后) 而产生的, 主要出现于行进间低手投空心球及投打板球。

篮球前旋在投篮中作用及力学机制。一, 球的前旋有利于球在空中飞行时保持相对稳定, 其原因同1.2中的有关论述。二, 球的前旋有利于快攻, 笔者在实验观察中发现运动员在投篮中使用同样的力量时, 篮球的移动速度的大小依次是前旋球、不旋球和后旋球, 但是球的飞行距离、弧度的大小却恰好相反, 所以在篮球比赛的快攻中运动员常常采用行进是低手投篮就时利用前旋球的速度快的特点。虽然球前旋时, 球会受到一个下压力, 这会缩短球在球篮水平面以上的飞行高度和飞行距离, 但是考虑到前旋球主要用于靠近投篮点的行进间投篮, 球在空中的飞行时间和飞行距离都很短, 所以这个下压力对球的影响并不大。

2 投篮时瞄准点的选择及其对命中率的影响

2.1 瞄准点的类型

根据篮球是否击打篮板, 投篮瞄准点分为两类, 即篮圈瞄准点和篮板瞄准点。由于篮板瞄准点对投篮的角度范围有一定的限制, 再加上篮球在与篮板碰撞中的能量损失与相互吸收, 导致球在触板后的运行轨迹较为复杂, 因此现在专门头采用打板投篮的运动员较少, 该动作一般多用于行进间低手、高手投篮和位于球篮两侧投篮角的范围在30度至45度之间以及篮板正面的中远距离投篮。

2.2 篮板瞄准点的力学依据

采用篮板瞄准点投篮的力学原理是动量守恒, 如果视篮球和篮板为弹性刚体, 忽略其间的动量损失, 篮球打板前后与篮板的夹角应该近似相等, 再加上篮球的面积 (415.265cm2) 只有篮圈面积 (6358.517cm2) 的十五分之一, 所以瞄准点允许一定的误差, 这个误差要靠运动员经过千百次身体练习而形成的精确的运动感知觉来把握。笔者在实验观察中发现, 前旋球和后旋球打板后篮球的运行轨迹会有所不同, 前旋球在打板后会有一个上冲运动, 而后旋球会有一个下压运动, 因此在投低手打板球时的瞄准点应该比高手打板球的瞄准点距离篮圈稍远稍低, 远多少低多少还要依靠运动员的本体感觉来调整。

2.3 篮圈瞄准点的力学依据

通过走访调查部分篮球专家及运动员, 笔者发现人们心中自设的篮圈瞄准点有五种, 即篮圈前沿、篮圈后沿、虚无的篮圈中心点、虚无的篮圈中心点的正上方二十公分处以及整个篮圈。这里所言的前沿和后沿是以运动员手的食指为参考点, 笔者认为应该是篮圈后沿, 因为投篮出手时球是后旋球, 如果投篮时瞄准“前沿”投篮, 根据球体在空中飞行的抛物线轨迹和球体触篮筐的关系可能出现3种情况, 第1种是如果用力较小, 球没有触及前沿根本不可能投中;第2种可能是球正好碰到前沿上, 那么后旋球碰到前沿回弹筐外也不可能命中;第3种情况是球正好投到筐的中心或者力量稍大一点触到篮圈的后沿而回弹入篮筐而命中, 所以当瞄准点为“前沿”时命中概率为33.4%。而瞄准点为“后沿”投篮也会出现3种可能:第1种投篮力量较小, 篮球没有触到后沿而正好入篮筐中心投中;第2种投篮时出手力量正好触及到后沿上, 由于球体在空中是后旋球, 球触后沿后, 后旋反弹正好弹向篮筐中而投中;第3种可能是力量特大 (或特小) 而与“后沿”不可能接触而不可能投中, 所以瞄篮筐“后沿投篮”的命中率为66.7%。关于这一点笔者和许多学者已经通过教学实验得到证实。当瞄准点为其他点时, 由于一个虚无的点在投篮中很难起到瞄准的作用没有意义, 因此他们不宜作为投篮瞄准点。

摘要：投篮技术是篮球运动中的核心技术, 投篮出手角度、入篮角度、球的旋转、瞄篮点、全身协调用力以及球离手前的食指拨球都是决定投篮技术合理与否以及投篮命中率的重要因素。本文运用空气动力学、运动生物力学以及统计概率学来分析篮球旋转在投篮中的作用, 投篮瞄准点选择的多样性、差异性及其对投篮球命中率的影响。

关键词：篮球,投篮技术动作,力学分析