三級(jí)跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員神經(jīng)肌肉功能和負(fù)荷機(jī)制的研究

李繼東，耿海軍，楊金田

（河北體育學(xué)院，河北 石家莊050041）

運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)

三級(jí)跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員神經(jīng)肌肉功能和負(fù)荷機(jī)制的研究

李繼東，耿海軍，楊金田

（河北體育學(xué)院，河北 石家莊050041）

通過實(shí)驗(yàn)法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)法，對(duì)河北體育學(xué)院7名三級(jí)跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員的三跳進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，探討了三級(jí)跳遠(yuǎn)神經(jīng)肌肉的功能和腿部著地時(shí)的沖擊負(fù)荷特征，特別是對(duì)地面反作用力、足底壓力和肌電圖活動(dòng)之間的相互作用及三者之間的相互聯(lián)系。研究表明：三跳最大的地面沖擊力是在第二跳；兩腳前腳掌的足底壓力與三級(jí)跳的成績呈高度相關(guān)，最大壓力峰值出現(xiàn)在腳后跟和前腳掌下面；肌肉預(yù)活動(dòng)時(shí)后腿伸張肌呈現(xiàn)高速率活化特征。

肌電圖；地面反作用力；足底壓力

影響三級(jí)跳遠(yuǎn)成績的因素，很大程度上依賴于助跑水平速度發(fā)揮的程度、控制能力和速度在單足跳、跨步跳和跳躍階段的分配情況等［1］。由于運(yùn)動(dòng)員身體特征的差異導(dǎo)致起跳技術(shù)存在明顯的不同，研究發(fā)現(xiàn)，在水平速度盡可能保持的情況下，良好的起跳技術(shù)需要肌肉動(dòng)作在適宜方向產(chǎn)生最大的力及發(fā)力時(shí)機(jī)與節(jié)奏的有效結(jié)合，這就要求運(yùn)動(dòng)員在承受較大沖擊力的同時(shí)，盡量減少水平速度的損失［2］。在三級(jí)跳遠(yuǎn)項(xiàng)目上，目前對(duì)地面反作用力和足底壓力進(jìn)行的研究非常有限，有研究認(rèn)為：在垂直方向的力值上有兩個(gè)峰值，即在觸地時(shí)制動(dòng)階段的垂直力（約為身體重量的7.0倍～14.2倍）和起跳階段垂直力（約是身體重量的 3.3～5.0倍［3］）。Nicol、Milani和Hennig，將壓力轉(zhuǎn)換器安置在鞋內(nèi)，測得了單足跳和跨步跳階段足跟、大腳趾和趾骨下的壓力最高峰值，研究還發(fā)現(xiàn)，三級(jí)跳中要想降低小腿損傷的高發(fā)病率，可適當(dāng)增大足底不同區(qū)域的壓力峰值［4］。

在三級(jí)跳遠(yuǎn)中，所測得較大的力值和足底壓力，對(duì)神經(jīng)肌肉的控制和神經(jīng)肌肉的活動(dòng)都提出了很高要求。因此筆者力圖探討三級(jí)跳遠(yuǎn)神經(jīng)肌肉的功能和腿部著地時(shí)的沖擊負(fù)荷，特別是對(duì)地面反作用力、足底壓力和肌電圖活動(dòng)之間的相互作用及三者之間的相互聯(lián)系。

1 研究對(duì)象和方法

1.1 研究對(duì)象

河北體育學(xué)院7名三級(jí)跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員，其中男子4名，女子3名。4名男子隊(duì)員的基本情況為：年齡（21±2）歲，身高（180±4）cm，體重（76.7±3.8）kg，平均成績?yōu)椋?5.32±0.45）m；3名女子隊(duì)員的基本情況為：年齡（20±3）歲，身高（172±2）cm，體重（63.6±4.9）kg，平均成績?yōu)椋?1.90±0.28）m。

1.2 測試程序

實(shí)驗(yàn)在一個(gè)訓(xùn)練周期結(jié)束后進(jìn)行測試，每名運(yùn)動(dòng)員試跳6次，選取每人3次試跳進(jìn)行分析，助跑最后5米用日本產(chǎn)JVC數(shù)碼攝像機(jī)攝拍，用三臺(tái)測力平臺(tái)測試負(fù)荷（對(duì)于專業(yè)運(yùn)動(dòng)員來講，三跳落地點(diǎn)在一個(gè)很小范圍內(nèi)變化，因此通過多次試跳，取其中3次準(zhǔn)確踏板試跳做為研究使用），采用瑞士產(chǎn)Kistler測力臺(tái)，頻率±50Hz，測試2個(gè)方向的地面反作用力，運(yùn)動(dòng)員首先在測力臺(tái)以正常速度行走3次，作為分析的參照運(yùn)動(dòng)。

用便攜式壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，測試足底壓力分布，并同步測量兩側(cè)肌電活動(dòng)，傳感鞋墊和肌電圖導(dǎo)線連接到自動(dòng)記錄器上，記錄器用皮帶固定在運(yùn)動(dòng)員的背部，足底壓力采樣頻率為200Hz，肌電儀記錄頻率為800Hz，用表面電極記錄臀大肌、股外肌、腓腸肌的肌電圖，電極沿肌絲方向縱向固定在位于肌梭分布區(qū)中心和肌腱遠(yuǎn)端之間的肌肉部位，電極之間距離38mm。

肌電圖和足底壓力數(shù)據(jù)都保存在一個(gè)可以互相轉(zhuǎn)換的智能卡上，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化到處理器上，而后對(duì)資料進(jìn)行收集、處理、分析數(shù)據(jù)，并與測得地面反作用力進(jìn)行同步分析。為方便分析，將三跳分別稱作單足跳、跨步跳和跳躍三個(gè)階段。

1.3 數(shù)理統(tǒng)計(jì)法

根據(jù)水平地面反作用力方向，將著地時(shí)間分為制動(dòng)和蹬伸兩個(gè)階段，從合力和合力方向來分析最大力值和平均力值。對(duì)肌電信號(hào)全波進(jìn)行收集，并且將標(biāo)準(zhǔn)肌電圖4個(gè)階段計(jì)算：著地前預(yù)收縮階段（50～100ms），著地前階段（0～50ms），制動(dòng)階段和蹬伸階段，將放大的肌電圖制成一般活動(dòng)圖，并與運(yùn)動(dòng)員以常速走狀態(tài)下的記錄圖形相比較。

所得數(shù)據(jù)用SPSS 10.0軟件包進(jìn)行處理分析，數(shù)據(jù)表達(dá)用平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

男子和女子最好成績的平均值分別為（15.32±0.45）m和（11.90±0.28）m，它們之間的總體平均值為（13.25±1.32）m。助跑速度為（8.56±0.63）m／s，與成績呈高度相關(guān)（r＝0.90，p＜0.001），不同階段的著地時(shí)間各不相同（p＜0.001），單足跳為（0.129±0.007）s，跨步跳為（0.157±0.009）s，跳躍為（0.177±0.010）s。三個(gè)階段中制動(dòng)時(shí)間分別為（0.079±0.008）s、（0.087±0.009）s和（0.113±0.012）s，與之相聯(lián)系的蹬伸階段分別為（0.50±0.006）s、（0.070±0.003）s和（0.064±0.007）s。

經(jīng)測試表明，垂直方向和水平方向的地面反作用力在跨步跳階段最大。對(duì)于所有著地階段來說，制動(dòng)階段的地面反作用力要比蹬伸階段大（表1）。制動(dòng)階段垂直方向的最大地面反作用力，在三跳中分別為身體重量的11.3±3.6、15.2±3.3和12.9±3.1倍，而在水平方向分別為身體重量的4.8±1.4、7.0±3.9和 6.7±1.1倍。為了研究地面反作用力對(duì)三級(jí)跳遠(yuǎn)成績的影響，將單足跳、跨步跳和跳躍階段的力量曲線進(jìn)行平分，經(jīng)多元回歸分析顯示，在制動(dòng)階段的最大垂直力和蹬伸階段最大水平力，對(duì)于預(yù)測成績來說是最佳的地面反作用力，二者的比重分別為58.9%和27.1%。

表1 在三個(gè)階段的作用力力量各階段的合力方向值

在三級(jí)跳中，所測得最高壓力峰值在腳后跟和前腳掌位置，最低壓力在腳中間位置。在幾次試跳中，腳后跟部的壓力較大，導(dǎo)致采集信號(hào)超出了轉(zhuǎn)換器采集量程（圖1傳感器1.2），圖2所示，測得壓力峰值超過正常走動(dòng)狀態(tài)下的4倍多。三級(jí)跳中，腳后跟部和前腳掌傳感器同時(shí)工作，即表示腳掌水平著地。研究表明，在三個(gè)階段，腳后半部分區(qū)域和大腳趾區(qū)域的最大壓力又有顯著差異（p＜0.05），且最小壓力值出現(xiàn)在單足跳階段。

圖1 1名男子運(yùn)動(dòng)員三跳不同傳感器和正常走狀態(tài)下的壓力示意圖圖

圖2 三級(jí)跳前腳掌后部壓力（傳感器 6.9.12）與成績的關(guān)系示意圖

圖2顯示三跳前腳掌的后部壓力與傳感器的壓力示意圖，前腳掌后部的壓力峰值（傳感器6、9、12）與三級(jí)跳的成績正相關(guān)（p＜0.001）。三個(gè)傳感器部位所采集的壓力峰值與三級(jí)跳成績的相關(guān)系數(shù)分別為：r＝0.71、r＝0.87、r＝0.90，從而顯示前腳掌壓力對(duì)成績的影響至關(guān)重要。制動(dòng)階段股外側(cè)肌群肌電平均值大于蹬伸階段（p＜0.001）（圖3）。圖4顯示單足跳、跨步跳和跳躍階段兩側(cè)肌肉活動(dòng)的圖形，研究表明，三個(gè)階段大腿伸肌群具有高度預(yù)活動(dòng)和制動(dòng)能力。

圖3 在三跳中股外側(cè)肌群的肌電活動(dòng)示意圖

3 結(jié)果與分析

研究結(jié)果不僅證實(shí)了三級(jí)跳運(yùn)動(dòng)員必須承受非常大的地面反作用力，而且對(duì)運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作提供了詳細(xì)的數(shù)據(jù)資料，同時(shí)也獲得了著地參量即最大地面反作用力、足底壓力峰值與行走時(shí)身體重量的關(guān)系。研究表明，在三級(jí)跳遠(yuǎn)中，著地沖擊階段最大垂直力量峰值和壓力峰值分別是行走時(shí)身體重量的10倍和4倍多。此外，三個(gè)階段平均水平力量也比行走時(shí)高4倍左右。

從呈獨(dú)立散點(diǎn)分布的前腳掌后部壓力和三級(jí)跳成績關(guān)系圖2可以看出，由于性別差異，男女運(yùn)動(dòng)員之間也有差異，女子運(yùn)動(dòng)員由于跳躍距離較短，所以以上關(guān)系圖中女子運(yùn)動(dòng)員都處于接近“0”點(diǎn)數(shù)據(jù)軸上。為了驗(yàn)證這種關(guān)系的可能性，在研究中又選用了其中一名男子運(yùn)動(dòng)員的10次三級(jí)跳遠(yuǎn)成績進(jìn)行研究，這10次跳的成績范圍在13.00～14.92m之間，如圖5所示，研究結(jié)果表明與上面的結(jié)果非常接近。

制動(dòng)階段合力和合力方向變化及著地時(shí)間的逐漸延長，進(jìn)一步說明水平速度從單足跳到跳躍階段呈下降趨勢(shì)（表1），表明在三個(gè)階段中跳躍階段所用支撐時(shí)間最長。不過為了在三跳過程中保持較高的水平速度，平均合力制動(dòng)角的傾斜度應(yīng)該接近于90°，這意味著肌肉活動(dòng)及肌肉活動(dòng)的節(jié)奏會(huì)更好相互協(xié)調(diào)起來。

圖4 臀大肌、股外肌、兩側(cè)腓腸肌活動(dòng)肌電圖（垂直的虛線表示兩次活動(dòng)銜接處）

圖5 男子三級(jí)跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員在一次試跳中前腳掌后部壓力與成績的關(guān)系（傳感器6.9.12）

研究中提到的較高沖擊負(fù)荷，需要更好的發(fā)展著地前肌肉運(yùn)動(dòng)原的控制能力，即多進(jìn)行其它類似沖擊力較大的拉伸收縮練習(xí)［5］。圖3表明，在著地階段前和制動(dòng)階段的肌電圖的變化情況。圖6表明，大腿伸肌群保持較高水平的預(yù)活動(dòng)能力和制動(dòng)動(dòng)作，可以有效防止制動(dòng)階段腿部不必要的彎曲，為高質(zhì)量完成技術(shù)動(dòng)作創(chuàng)造良好的條件。肌肉的這種預(yù)先活動(dòng)，為增大制動(dòng)階段肌電活動(dòng)和著地階段肌肉活動(dòng)的節(jié)奏提供了必要條件。肌肉著地前的預(yù)活動(dòng)能力過程，進(jìn)一步表明了它對(duì)調(diào)整著地時(shí)腿部動(dòng)作的僵硬和對(duì)局部肌肉力量衰竭的補(bǔ)償有重要作用。而且，肌肉的預(yù)活動(dòng)提高了α－γ神經(jīng)元的相互作用，可以增大紡錘肌的靈敏性，有效地提高肌肉伸張的靈活性，同時(shí)增大肌腱的堅(jiān)硬程度，最終提高三級(jí)跳成績。

圖6 臀大肌在三跳著地前50ms肌電活動(dòng)與成績的關(guān)系

運(yùn)動(dòng)員過度屈膝的原因，可能是髖部伸肌群的無效活動(dòng)。臀大肌的作用是伸展髖關(guān)節(jié)，同時(shí)防止髖關(guān)節(jié)過分向下移動(dòng)［6］。研究認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)員以較低的身體重心姿勢(shì)來減少臀大肌的活動(dòng)是可行的。在制動(dòng)階段由于屈髖原因，造成了膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)移位，為了防止這種多余動(dòng)作，在制動(dòng)階段需要膝部伸肌和趾部屈肌必須有較高的肌肉活性。

神經(jīng)肌肉的保護(hù)機(jī)制有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)偏差，如在三級(jí)跳遠(yuǎn)中，當(dāng)肌肉受傷的時(shí)候，會(huì)發(fā)生神經(jīng)肌肉不正確的協(xié)調(diào)活動(dòng)。有研究表明，與較多的低力量峰值進(jìn)行訓(xùn)練相比，在三級(jí)跳遠(yuǎn)中以較大的張力和力量峰值進(jìn)行訓(xùn)練能自身增強(qiáng)骨質(zhì)排列陣式［7］。

4 結(jié)論

1）最大的地面反作用力出現(xiàn)在跨步跳階段。

2）通過對(duì)運(yùn)動(dòng)員制動(dòng)階段最大垂直力值和起跳階段的最大水平力值的測試，可以預(yù)測三級(jí)跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3）兩腳前腳掌的足底壓力與三級(jí)跳的成績呈高度相關(guān)，最大壓力峰值出現(xiàn)在腳后跟和前腳掌。

4）肌電圖顯示表明，雙腳的著地部位對(duì)神經(jīng)肌肉系統(tǒng)工作提出了很高的要求，肌肉預(yù)活動(dòng)時(shí)呈現(xiàn)高速率活化特征，即隨后腿部伸肌高度的離心收縮。

［1］劉 超．速度平跳技術(shù)——三級(jí)跳遠(yuǎn)發(fā)展的趨勢(shì)［J］．田徑，1998（3）：13－14．

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Research on Neuromuscular Function and Load Mechanism in the Triple Jumper

LI Jidong，GENG Haijun，YANG Jintian
（Hebei Institute of Physical Education，Shijiazhuang 050041，Hebei，China）

By the method of experiment and statistics，the authors of this paper make a dynamics analysis to the three jumps for the 7 triple jumpers of Hebei Institute of Physical Education，and discuss the neuromuscular function and the ground im pact load characteristics to legs in the triple jump，especially discuss the interactions and relations of the ground impact forces，plantar pressure and electromyography．The results show that the largest ground impact forces is produced on the sec ond jump；the plantar pressure and achievement of triple jumps are highly relevant，and the highest peak pressures is recorded under the heel and forefoot；the back leg extensor is characterized by the high rate of activation in the pre activity phase．

electromyography；ground reaction force；plantar pressure

G804.63

A

1004－0560（2010）02－0077－03

2009-12-25；

2010-03-26

2007年河北省科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目部分研究成果，課題編號(hào)為07277110D。

李繼東（1966－），男，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)轶w育教學(xué)與訓(xùn)練。

責(zé)任編輯：喬艷春