ストロークのバイオメカニクス:位置エネルギーから運動エネルギーへの移行

PUBLISHED IN ENGLISH: 2020/02/11

BIOMECHANICS OF THE STROKE

テニスでは、プレーヤーはテニスラケットを使って体からボールにエネルギーを伝達し、ボールのスピードとスピンを生み出します。負荷されたエネルギーは、潜在的なエネルギー(蓄積されたエネルギー)であり、運動連鎖を介して、体節の移動エネルギー(運動のエネルギー)に、インパクトゾーン全体でタイムリーに、望む方向に伝達されます。

Potential energy

ポテンシャルエネルギーとは、張力を受けた筋肉や腱に蓄えられる弾性エネルギーのこと。

人体の筋肉は、輪ゴムを撃つのと同じように機能します。偏心荷重によって筋肉と腱の接合部に生じた張力によって、筋肉は輪ゴムのように作用します。そして、このような弾性的な伸張(エキセントリックな筋収縮)の直後に、爆発的な同心円状の筋収縮(リリース)を行うことで、伸張短縮サイクルが発生します。

筋肉と骨をつなぐ組織である腱は、エネルギーを貯蔵する空間です。私たちの体の腱は非常に弾力性に富んでおり、作用する力によって引き伸ばされたときに、弾性的な位置エネルギーを蓄え、その後、かなりの速さで反動を受けることができます。手足の遠位部にある腱は長く、大量の弾性エネルギーを蓄えることができるので、エネルギー効率の良い高速な動作を行う際には最も多く使用されるべきです。

弾性エネルギーは、サイクルのストレッチ段階(伸張短縮サイクル)で蓄えられ、筋肉や筋肉群が伸びる(ストレッチ)瞬間に蓄えられる位置エネルギーを提示する。筋肉を伸ばし、関節を巻くことで、雪だるま式に筋肉群が活性化し、流れるような動きで連動していく。伸張-短縮サイクルでは、伸張期の動作で蓄えられた弾性エネルギーが部分的に回復するため、同調期(短縮)の動作が強化される。この2つの要素、特に筋肉のプレテンションによるパフォーマンスへの恩恵は、テニスなどのスポーツでの成功に欠かせないものであることが研究で明らかになっている。

弾性エネルギーを回復させるには、運動の伸びる段階と縮む段階のタイミングが重要です。これらの動作段階に遅れが生じると、蓄積されたエネルギーの恩恵は減少します。筋肉は、伸展期に蓄えられた弾性エネルギーの放出により、伸展直後の方がより強力に収縮することができる。サーブ動作における上腕の内旋速度は、1.5秒休止した場合と比較して、すぐに解放した場合には約20%向上します。したがって、テニスでは、バックスイングとフォワードスイングの間に短い休止時間を設けることが重要である。

伸張反射は不随意反射で、伸ばされた筋肉をより強く収縮させ、同時に拮抗筋が収縮するのを抑制します(収縮すると動きが鈍くなります)。伸張反射(多くの場合、伸張-短縮サイクルと呼ばれる)は、強い反射性の同調性収縮の直後に起こる急激なエキセントリック収縮で構成されており、完全な関節の振幅に支えられた身体の素早い動きを可能にします。

筋肉がエキセントリックに伸ばされるほど、次のコンセントリック収縮時の力が大きくなるため、自発的な筋収縮の状態に比べて、収縮の速度は著しく速く、より強力になります。伸張反射は最も速く、不随意反射であるため、プレーヤーは意識的に可動域を制限することなく、スピードとパワーを生み出すことができます。

Potential to kinetic energy in a game situation

どのような状況(ディフェンス、ニュートラル、オフェンス)でも安定したプレーをするためには、プレーヤーは脚からのサポートが必要であり、重心を低くして身体の最適な支持基盤を確保しながら、脚に負荷をかける必要があります。これにより、プレーヤーは、地面から脚と腰の大きな筋肉群を介して、運動連鎖によるエネルギー伝達の雪だるま式を作り出すことができる。下半身と上半身の筋肉の弾性エネルギーを蓄えることによる負荷は、プレーヤーの姿勢、運動量、ストロークの効率(方向とペース)に直接影響します。下半身と上半身の筋肉の負荷が安定して同期していればいるほど、前方への運動量の伝達とアグレッシブなストロークが成功することが期待でき、ボールの飛び出しやポイントでの優位性を得ることができます。

下半身の荷重は、荷重用の膝が荷重用の足を地面に押し付けた瞬間に始まります。この動作により、重心が下がり、支持基盤が広く安定していきます。膝が足を地面に押し付けた後、打股が巻かれて、下半身の体重のほとんどが足と脚にかかります。この一連の動作により、脚の筋肉が伸ばされ、地面の力に支えられながら、脚に蓄積されたエネルギーを腰や上半身(胴体、肩、肘、手首)に向かって上昇させていきます。

Kinetic energy

運動エネルギーとは、静止状態からの加速を必要とする動きのことである。グラウンドストロークの開始時には、足はオープンまたはクローズのスタンスポジションになります。肩と胴体を回転させ、体幹の筋肉を「巻き込む」ようにします。フォロースルー動作を開始すべき足は、地面から必要な力を受けるために地面を押しています(GRF)。この状態のプレーヤーは、緊張した筋肉や伸びた腱に、大量の潜在的な弾性エネルギーを蓄えています。このエネルギーは、その後、流れるようなタイムリーな動きの中で、体の各部分の連続した動きの中で放出され、エネルギーの蓄積から放出まで、最大の運動量の伝達が行われる。

KINETIC CHAIN

閉鎖された連鎖運動による運動エネルギーの流れの重要性は、テニスのストロークの効率性だけでなく、動きにも関係しています。バランスを保ちながらエネルギーを素早く伝達することは、ボールに対する反応や動きを効率的に行うための必須条件です。テニスで加速・減速するために運動連鎖を利用することは、プレーヤーにとって常に理解し、自分のゲームに導入するための課題となっています。人間の動きには、多くの関節が協調して同期した動きをしています。体の各部位は個々の動きを生み出すパーツとして識別できますが、人間がパフォーマンスを発揮するためには、これらのパーツが連鎖的に連動する必要があります。運動連鎖によるエネルギーの流れが途切れる原因はいくつかありますが、その中でも準備のタイミングが悪いことによるストロークメカニクスの低下が挙げられます。

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How the energy is transferred through each segment?

私たちの体の腱は非常に弾力性に富んでおり、作用する力によって引き伸ばされたときに、弾性的な位置エネルギーを蓄えることができ、その後、かなりの速さで反動を受けることができます。手足の遠位部にある腱は長く、大量の弾性エネルギーを蓄えることができるため、エネルギー効率の良い高速な動作を行う際には、最も多く使用されるべきものです。

キネティックチェーンは、通常、安定したポストレッグを中心に、直線的な運動量を角度に変換することを目的としている(Schonborn, 1999)。フォワードフェーズの開始時には、GRFを使って、プレーヤーは後足と足首で地面を押し出し、そのエネルギーを膝を介して後方の腰に伝え、腰を打ちます。足がピーク速度に達すると、速度は腰に伝わります。そこからは、まず股関節が前方に移動し、続いて体幹の回転が起こります。この時点で、ラケットを持った腕は慣性を持ち、後方に移動する傾向があり、打球側の肩(打球側の肩が平行になるように非打球側の肩をロックする)が前方に回転した時点で、肘が伸びます。両肩(打たない肩は角運動量と運動方向を保つために反時計回りの動きをする)の回転で、腕は前方に引き出され、手首はボールに向かって加速し、人差し指と一緒にボールを介して加速する。接触する前の最後の瞬間、運動連鎖によって生み出された速度は、手首と指からラケットの先端まで(運動連鎖の最終的な最遠点として)大幅に増加し、ボールを通過する加速度がピークに達します。

手首と指をつなぐ腱は非常に長く、大量の弾性エネルギーを蓄えることができます。ラケットがボールに接触する直前の手首と指の動きは、ストロークのパワー、スピン、方向性を生み出すのに大きく貢献しているが、ストロークの方向やペースを最後の瞬間に変えて、ストロークを偽装するのにも利用できる。

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