影響跑步經(jīng)濟(jì)性的人體下肢肌肉做功研究

任占兵

影響跑步經(jīng)濟(jì)性的人體下肢肌肉做功研究

任占兵

探索人體下肢肌肉做功對跑步經(jīng)濟(jì)性的影響,選擇受過良好訓(xùn)練且水平在一級左右的男子中長跑運(yùn)動員15人。根據(jù)?VO2max相對值及800 m運(yùn)動成績,最終確定7人為研究對象。研究發(fā)現(xiàn),在擺動和支撐階段,臀大肌的做功排名與 RE呈負(fù)相關(guān)(r=-0.89,P< 0.01);表征擺動階段的腓腸肌外側(cè)和腓腸肌內(nèi)側(cè)以及支撐階段的股直肌、股外側(cè)肌、脛骨前肌和腓腸肌外側(cè)等肌肉做功的主成分與RE呈負(fù)相關(guān)性(r=-0.80,P<0.05)。研究表明,提高運(yùn)動員在拉長-縮短周期(SSC)的做功能力可以有效地改善運(yùn)動員的跑步經(jīng)濟(jì)性。建議對中長跑運(yùn)動員在訓(xùn)練過程中嘗試穿插爆發(fā)性力量訓(xùn)練,從而通過改善SSC的做功效率來提高運(yùn)動員的跑步經(jīng)濟(jì)性。

耗氧量;跑步經(jīng)濟(jì)性;肌電圖;做功

在國際上,圍繞動作與能量代謝之間關(guān)系的研究由來已久,其中,跑步經(jīng)濟(jì)性(Running Economy,用 RE表示)的動作表現(xiàn)研究就是其中之一。RE是決定耐力跑步運(yùn)動成績的關(guān)鍵生理學(xué)指標(biāo)之一[25],對于體能水平相當(dāng)?shù)哪土ε懿竭\(yùn)動員來說,用RE指標(biāo)來評價運(yùn)動員的耐力水平要比?VO2max好[24,26,60]。影響 RE的因素是一個復(fù)雜的系統(tǒng),而運(yùn)動生物力學(xué)因素只是其中的一個子系統(tǒng)。跑步是全身大部分肌肉、骨骼和關(guān)節(jié)參與的位移動作模式,主要包括手臂的擺動和下肢交替邁步等多個局部動作。從運(yùn)動生物力學(xué)角度探索跑步經(jīng)濟(jì)性與跑步動作之間的關(guān)系,對于構(gòu)建最優(yōu)化的跑步動作技術(shù),深入了解跑步動作與能量代謝之間的關(guān)系,進(jìn)一步提高耐力運(yùn)動員體能的節(jié)省化程度,對耐力運(yùn)動員更經(jīng)濟(jì)合理地動用自己有限的能量,具有現(xiàn)實意義。本研究主要探索人體下肢肌肉做功與RE之間的關(guān)系,先測量運(yùn)動員的跑步經(jīng)濟(jì)性,同時測量運(yùn)動員下肢肌肉的表面肌電,基于因變量RE,通過統(tǒng)計分析,尋找影響RE的人體下肢肌肉做功表現(xiàn)。

1 研究綜述

1.1 跑步經(jīng)濟(jì)性的概念闡釋

跑步經(jīng)濟(jì)性(RE)在國內(nèi)被翻譯成“跑的經(jīng)濟(jì)性”、“跑步效率”或者“跑節(jié)省化”等。RE通過跑步速度與能量消耗之間的關(guān)系來表征運(yùn)動員的有氧代謝能力。在RE被正式提出之前,人們圍繞跑速與耗氧量之間的關(guān)系進(jìn)行了大量的研究。Hill和Luption(1922)[45]對穩(wěn)定狀態(tài)和非穩(wěn)定狀態(tài)的耗氧量變化進(jìn)行了研究,他們認(rèn)為,運(yùn)動結(jié)束后所攝取的氧氣(特別是指高出安靜時水平的部分)主要是用作重新儲備運(yùn)動時消耗掉的能量物質(zhì)及清除肌肉和血液內(nèi)積累的乳酸,因此,跑步速度與需氧量之間的關(guān)系曲線表現(xiàn)出指數(shù)關(guān)系。Sargent(1926)[69]通過測試運(yùn)動員在不同速度下的耗氧量,計算了每分鐘耗氧量隨速度的變化情況,研究結(jié)果支持跑步速度與耗氧量之間的非線性關(guān)系的假設(shè)。Furusawa等 (1924)[37]認(rèn)為,當(dāng)速度高于2 m/s時,走路比跑步消耗更多的能量。Dill等(1930)[31]報道了在標(biāo)準(zhǔn)跑步速度下運(yùn)動員絕對耗氧量的差異在50%。他們的數(shù)據(jù)揭示,假如耗氧量用 ml/min/kg來表示,那么,在標(biāo)準(zhǔn)跑步速度下運(yùn)動員絕對耗氧量仍然有超過30%的差異。Fenn(1930)[34]表述了他的觀點,肢體跑步的動能構(gòu)成了總能量需求的一部分,這表明,跑步者自身的變化或者不同跑步者之間在跑步技術(shù)和風(fēng)格上的變化都可以影響能量消耗。Daniels(1985)[27]認(rèn)為,早期關(guān)于耗氧量和跑步速度之間的關(guān)系的研究主要呈現(xiàn)出以下特點:1)關(guān)于次最大強(qiáng)度跑的耗氧量研究具有意義;2)個體間在一定速度下的耗氧量有本質(zhì)區(qū)別;3)生物力學(xué)因素影響耗氧量與跑步速度之間的關(guān)系;4)疲勞影響跑步的需氧量;5)耗氧量與跑速之間呈現(xiàn)出非線性關(guān)系。根據(jù)Daniels等(1985)[27]的研究,自從1950年起,人們普遍支持跑速與耗氧量(ml/ min/kg)之間呈現(xiàn)出線性或者非常接近線性的關(guān)系。Henry(1951)[44]是支持線性關(guān)系的先驅(qū),而且他相信不存在個體間差異。這種觀念后來得到Balke(1963)[9]的證實。

在 20世紀(jì) 60年代,Margaria等[18,57,58]計算出每米或者每千米跑的能量消耗是固定的,而且不依賴于速度;跑步的凈消耗是1 kcal/kg/km,他們進(jìn)一步指出受過訓(xùn)練和未受過訓(xùn)練跑步者之間的效率差異非常小(5%～7%)。跑速與耗氧量之間的線性關(guān)系在次最大強(qiáng)度下似乎成立,因為這種情況下能量供應(yīng)以有氧為主,跑速范圍也受到限制。

Daniels等(1977)[28]指出,跑速與耗氧量之間的回歸線在一組受試者間變化很大,取決于比較的速度(低速時曲線坡度較小,高速時曲線坡度較大),當(dāng)跑步強(qiáng)度非常大時,相當(dāng)大比例的能量通過無氧代謝提供,這并不能像穩(wěn)定狀態(tài)下有氧運(yùn)動那樣去定量計算,因此,上述關(guān)系在這種情況下變得不明朗了[27]。在不同的跑步強(qiáng)度下,血乳酸聚集變化[64]說明,即使耗氧量與跑速之間的關(guān)系呈現(xiàn)出線性,但是總的能量消耗 (強(qiáng)度至少要大于80%?VO2max)表現(xiàn)呈指數(shù)的增加。

在20世紀(jì)70年代末期,人們逐漸統(tǒng)一了認(rèn)識,提出了跑步經(jīng)濟(jì)性(Running Economy)這個概念,并進(jìn)一步定義為在次極限負(fù)荷的特定速度下跑步,耗氧量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時每單位體重的耗氧量[5,23,24,61]。如果考慮到體重的因素,那么,在規(guī)定的跑步速度下,耗氧量較少則說明RE較好,反之,耗氧量較多則RE較差,即RE好的運(yùn)動員比RE差的運(yùn)動員在穩(wěn)定的速度下耗氧量少[76]。如圖1所示,當(dāng)跑步速度為3∶30 min/km時,受試者A的?VO2為50 ml/ kg/min,受試者B的?VO2為60 ml/kg/min,在相同的跑步速度下,受試者A的?VO2要小于B的?VO2。因此,受試者A的RE表現(xiàn)較好,B的RE表現(xiàn)較差。RE之間的差別也意味著當(dāng)二者在相同的 ?VO2水平上,受試者A要比受試者B每千米快大約15 s。

圖1 不同速度下的耗氧量示意圖

1.2 跑步經(jīng)濟(jì)性的實驗測量

在實驗室,RE的測量主要通過控制跑臺的速度,當(dāng)運(yùn)動員的耗氧量達(dá)到“穩(wěn)定狀態(tài)”時,利用氣體分析儀來進(jìn)行測量。關(guān)于已有研究對于RE的測量方法詳見表1。Morgan等(1989)[62]指出,用間接的測量熱量的方法精確計算運(yùn)動過程中的代謝率,需要基于兩種假設(shè)。第一條假設(shè)是ATP的供能全部來源于細(xì)胞的呼吸作用,而不是來源于磷酸原的分解作用或者無氧糖酵解。在非穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)動,無氧代謝功能占相當(dāng)大一部分,尤其是在接近最大速度跑的強(qiáng)度下運(yùn)動時,有氧代謝功能會被低估。采用間接的熱量測量方法去評價跑步的能量需求時,也應(yīng)該假設(shè)蛋白質(zhì)和氨基酸的降解對能量的需要并不重要。關(guān)于這一點,研究證實[2,33,54,79],在以下3種情況下蛋白質(zhì)代謝會增加:1)劇烈的運(yùn)動;2)長時間疲勞的運(yùn)動;3)肝糖元排空運(yùn)動下。在持續(xù)時間較短的運(yùn)動(6～10 min)和次最大強(qiáng)度跑的RE測試中,上述假設(shè)也許不會影響RE測試。達(dá)到“穩(wěn)定狀態(tài)”主要根據(jù)耗氧量動力。大量的研究表明[21,30,44],耗氧量反應(yīng)的半衰期是30 s,更多的研究[39,78]表明,耗氧量動力隨工作強(qiáng)度和身體水平而變化。在較低和中等的工作強(qiáng)度,Whipp等(1972)[78]發(fā)現(xiàn),在3 min之內(nèi)即可達(dá)到“穩(wěn)定狀態(tài)”。這些作者也指出,在高強(qiáng)度下,達(dá)到“穩(wěn)定狀態(tài)”的時間可能會持續(xù),而且對于受過良好訓(xùn)練的受試者來說,在達(dá)到“穩(wěn)定狀態(tài)”之前的任何一點的 ?VO2都要比一般人高,這表明在次最大強(qiáng)度下跑步的有氧消耗來源取決于身體的功能。

室內(nèi)測試有效排除了空氣和風(fēng)的阻力影響,在一定程度上克服了在室外場地獲得代謝數(shù)據(jù)的困難(如在訓(xùn)練和比賽中)[60]。然而,將跑臺測試數(shù)據(jù)如何轉(zhuǎn)化為地上跑應(yīng)該引起注意[27]。另外,在測試前,運(yùn)動員盡量處于非疲勞狀態(tài),進(jìn)行測試前6 h禁食;室溫控制在22℃～25℃,相對濕度為40%～55%;對于不熟悉跑臺的運(yùn)動員在測試前要進(jìn)行30～60 min的跑臺適應(yīng)練習(xí)。試驗時,要求受試者在不同時間的測試時穿同一雙鞋[61]。RE的測試強(qiáng)度應(yīng)該控制在85%最大耗氧量以下等[70]。

另外,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們發(fā)明了更便攜式的肺功能測試儀器,于是,RE的測量逐漸地開始擺脫實驗室的局限。Hausswirth等(1997)[40]描述的 K4 Cosmed就是一個質(zhì)量很輕,且可以精確遙感勘測的系統(tǒng),它可以同時測量實驗室和場地的最大或者次最大耗氧量。K4 Cosmed系統(tǒng)可以連續(xù)記錄場地遞增負(fù)荷中運(yùn)動員的通氣特征。最近許多研究采用 K4便攜式氧氣分析儀測量中等和高水平長跑運(yùn)動員的耗氧量[10-12,68,72]。運(yùn)動員在自然場地上的RE可以用 K4 Cosmed遙測系統(tǒng)測量。目前,類似的裝置已經(jīng)在國內(nèi)某些體育科研所出現(xiàn)并應(yīng)用。

表1 RE的跑臺測量方法一覽表

1.3 影響跑步經(jīng)濟(jì)性的肌肉力學(xué)表現(xiàn)

跑步階段,下肢肌肉被預(yù)先激活后,迅速進(jìn)行離心收縮,緊接著迅速轉(zhuǎn)為向心收縮的工作方式被稱為“拉長—縮短周期”收縮(Stretch-shortening cycle,簡稱 SSC)[47]。Cavangna等(1964)[18]估計,在跑步的過程中,如果沒有彈性能量的儲存和釋放,大概要多消耗30%～40%的 ?VO2。跑步離心收縮階段儲存的彈性能對人體推進(jìn)具有實際意義,彈性能力受到收縮幅度和頻率、激活水平、肌腱單元的硬度、肌肉完全拉長的長度、完全拉長與開始收縮之間的時間延遲等的影響[6,7,17]。肌腱單元的硬度隨跑速的增加而增加[17,63]。因此,在跑步過程中肌肉的重要作用是調(diào)節(jié)肌肉彈性的硬度,從而最大限度地發(fā)掘彈性能量[4,16,75]。

另外,收縮速度與向心和離心收縮之間的平衡對能量消耗和RE具有潛在的影響,因為在彈性能儲存的離心收縮階段要比彈性能釋放的向心收縮階段消耗的能量少[80]。關(guān)于向心和離心收縮階段的平衡問題目前還沒有明確的數(shù)據(jù),也沒有可以獲得的數(shù)據(jù)反映這兩種收縮的相對能量消耗,真正的離心收縮不能通過現(xiàn)代技術(shù)從肌腱的拉長中區(qū)別出來[8,19,53,55,80,82]。在高速跑的過程中 ,彈性能的恢復(fù)超過 了收 縮 結(jié) 構(gòu),占 做 功 的 大 部分[17,75]。KerRF (1987)[46]研究指出,中等跑速下,在人體動能、潛在的能量獲得和釋放中,跟腱和足弓肌腱可以分別存儲35%和17%的能量。

Taylor(1994)[75]認(rèn)為,肌肉在低速下產(chǎn)生力的能量消耗少,在肌肉等長收縮時,力達(dá)到最大,代謝率最小。但是,隨著收縮速度的增加,產(chǎn)生力的能量消耗也顯著增加?；谶@種現(xiàn)象,他提出這樣的假設(shè)——在跑步階段,肌肉會產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)性的力。該機(jī)制認(rèn)為,肌肉收縮首先是等長收縮,通過在離心階段調(diào)節(jié)肌腱單元的硬度產(chǎn)生同步的減速和彈性拉長,然后,產(chǎn)生等長沖量從而造成沖擊式的收縮加速。這種機(jī)制提出通過發(fā)掘自由彈性能實現(xiàn)能量代謝最小化。這種優(yōu)化模式很明顯需要精確的控制時機(jī),時間、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)因素的整合與精煉,需要大量的實踐和訓(xùn)練。Kyr¨ol¨ainen H等 (2001)[51]發(fā)現(xiàn),預(yù)激活通過增加alpha-gamma的共同激活,增加牽張反射,進(jìn)而增加肌肉纖維的靈敏性,同時也增加了肌纖維的硬度,因此RE提高。

在前期的研究中發(fā)現(xiàn),RE好的運(yùn)動員股四頭肌肌腱力在較低的水平,小腿三頭肌具有較高的硬度且產(chǎn)生很大的收縮力。為了探索這些特征對力產(chǎn)生的效率和能量恢復(fù)的影響,Albracht K等 (2006)[3]運(yùn)用希爾肌肉模型模擬肌肉收縮,確定的肌肉參數(shù)作為輸入變量。在8個不同的激活水平,在等速伸展前模擬等速向心收縮。對肌腱聯(lián)合體施加的變化長度和收縮速度與跑步狀態(tài)一致。仿真研究的結(jié)果表明:1)股四頭肌肌腱在較低的力量水平上具有產(chǎn)生力的優(yōu)勢,主要因為CE的收縮速度減少;2)小腿三頭肌較高的收縮長度和硬度導(dǎo)致在高激活狀態(tài)下產(chǎn)生力比較困難,而造成在較低的的激活水平產(chǎn)生力比較容易。除此之外,RE較好的運(yùn)動員,兩個肌腱聯(lián)合體在收縮階段表現(xiàn)出較好的能量釋放能力,股四頭肌肌腱聯(lián)合體產(chǎn)生較好能量釋放能力主要是因為SEE的延長,小腿三頭肌肌腱聯(lián)合體產(chǎn)生較好能量釋放能力主要是因為較高的收縮力量。尤其是在較低的激活水平,股四頭肌和小腿三頭肌肌腱聯(lián)合體表現(xiàn)出在每次激活時產(chǎn)生力的優(yōu)勢,并且比那些RE差的運(yùn)動員產(chǎn)生更好的能量釋放能力。

Heise GD等 (1996)[42]研究了 RE與下肢肌肉活動肌電信號之間的關(guān)系,非參數(shù)檢驗獲得的RE與 EMG之間的特征呈現(xiàn)出正相關(guān)和負(fù)相關(guān)。Heise GD等(2008)[43]研究了16名女性運(yùn)動員的RE與IEMG之間的關(guān)系,該研究結(jié)果支持 Kram和 Taylor(1990)[49]提出的理論,即跑步能量主要取決于支撐體重的能量消耗和產(chǎn)生力的時間過程。

綜上所述,關(guān)于跑步經(jīng)濟(jì)性的研究經(jīng)歷了相當(dāng)長的一段歷史,前人對 RE的初步研究取得了許多重要的突破。不但為我們開展后續(xù)研究提供了相對成熟的實驗基礎(chǔ),也為我們開展后續(xù)研究提供了相當(dāng)豐富的理論基礎(chǔ),同時,研究成果對教練員科學(xué)選材以及訓(xùn)練都有一定的幫助。Anderson(1996)[5]認(rèn)為,RE是一個復(fù)雜的、多變量的指標(biāo),個體間RE的差異對運(yùn)動成績的差異具有重要影響,在運(yùn)動員的成長階段,這些因素可以幫助教練員挑選出擁有較好RE潛能的運(yùn)動員,并指導(dǎo)他們進(jìn)行長跑訓(xùn)練。上述研究明顯表明,肌肉活動對 RE具有重要意義,而且在很大程度上可以解釋RE的個體間差異,在探討RE的動作表現(xiàn)過程中,人們越來越重視肌肉活動對RE的影響。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

北京體育大學(xué)競技體育學(xué)院受過良好訓(xùn)練且水平在一級左右的男子中長跑運(yùn)動員 15人。根據(jù)這 15人的?VO2max相對值及運(yùn)動成績,最終篩選7人的RE作為因變量(表2)。

表2 本研究被試運(yùn)動員基本情況一覽表 (n=7)

2.2 實驗測試

2.2.1 最大耗氧量(?VO2max)測試

測試儀器:MAXII-運(yùn)動肺功能測試系統(tǒng)、polar心率遙測系統(tǒng)、秒表等。要求在 ?VO2max測試前24 h停止運(yùn)動,處于非疲勞狀態(tài),所有受試者到達(dá)實驗室后,先依次在跑臺上進(jìn)行3 min的試跑,以適應(yīng)跑臺的運(yùn)動方式,避免由于生疏和緊張造成測試結(jié)果的失真和不同時間測試條件的不一致。測試系統(tǒng)校對后,受試者戴上氣體收集面罩、polar心率帶和安全裝置。準(zhǔn)備好后,受試者上跑臺,啟動跑臺。

第1 min坡度為1%,速度逐漸增加到8.0 km/h,保持1min;之后,保持坡度1%,以1 km/min的速度遞增,直到速度增加到18 km/h后,坡度每分鐘增加1%,速度均保持18 km/h,視個人能力坡度逐級遞增,直至力竭。出現(xiàn)?VO2max水平確定停機(jī)后,跑臺慢慢減速到開始準(zhǔn)備活動時的強(qiáng)度,受試者進(jìn)行慢跑至步行整理活動5 min(同時可摘下呼吸面罩或口嘴),然后停機(jī)并摘下呼吸面罩(或口嘴)及心率遙測儀。

VO2max的判定標(biāo)準(zhǔn),用以下4種情況任何3種同時出現(xiàn)時來確定:1)相連兩次間吸氧量的變化在5%以下或150 ml/min或2 ml/kg/min以下;2)R(呼吸商)>1.15;3) HR(心率)>180次/min;4)?VO2不再增加而出現(xiàn)平臺。

2.2.2 跑步經(jīng)濟(jì)性(RE)測試

在VO2max測試后隔日,讓受試者在跑臺上以一個低于正式負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)的跑速熱身3 min;然后,由專門人員貼表面肌電電極。電極發(fā)射盒固定在腰帶上;緊接著安裝心率遙測儀,佩戴呼吸面罩等,測定受試者坐位安靜時心率和氣體代謝各指標(biāo);達(dá)安靜時指標(biāo)后,令受試者上跑臺,開始測試RE值(圖2)。測試過程中,運(yùn)動員分別在65%、75%和85%?VO2max 3個強(qiáng)度下分別持續(xù)跑5 min[15],同時,記錄最后1 min的視頻與EMG數(shù)據(jù),每個5 min之間間隔5 min休息。

圖2 RE測試模擬程序示意圖

2.2.3 肌電測試

芬蘭制造16導(dǎo)Megawin肌電儀,選擇人體下肢8塊肌肉(圖3),取最后每個5 min最后1 min內(nèi)連續(xù)3個周期的下肢肌電作為分析對象,表面肌電采集頻率為1 020 Hz, RMS通過以下公式計算:

其中,I=RMS數(shù)據(jù)指數(shù);i=原始數(shù)據(jù)指數(shù);N=RMS計算過程的數(shù)據(jù)點數(shù)目;n=[1,N+1,2N+1…]。

每一導(dǎo)肌電的RMS值占八導(dǎo)肌電RMS值的百分比用來評價肌肉做功,計算過程在 Megawin軟件中自動生成。RMS值在Matlab 7.0采用巴特沃斯低通濾波處理,截取頻率為15 Hz,然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行插值及歸一化處理,得到肌電線形圖。

圖3 肌電測試的下肢8塊肌肉及編號示意圖

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

常規(guī)統(tǒng)計分析及相關(guān)性分析采用 SPSS 16.0軟件包進(jìn)行,統(tǒng)計結(jié)果以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。主成分分析運(yùn)用SPSS 16.0、Excel 2003以及自編程序進(jìn)行計算。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 VO2max和RE測試結(jié)果

在測試RE之前,對15名一級水平的男子中長跑運(yùn)動員用MAXII-運(yùn)動肺功能測試系統(tǒng)進(jìn)行測試,初步得出了VO2max、VCO2、VE、HR等指標(biāo)。根據(jù)VO2max值、運(yùn)動員的身體狀況等因素,選擇了 VO2max值較接近的7名受試者作為研究對象。7名受試者的代謝指標(biāo)如表3所示。

本研究選擇12 km/h、14 km/h和16 km/h 3個速度測試RE,得出7名運(yùn)動員在3個不同速度下的RE值(表4)。

表3 本研究受試者VO2max等代謝指標(biāo)峰值一覽表

表4 本研究不同速度下RE的測試結(jié)果一覽表(ml/kg/min)

7名受試者的 ?VO2max平均值為57.49±3.07 ml/ kg/min,RE12為 35.65±2.58 ml/kg/min,?VO2max與 RE數(shù)據(jù)離散程度均較小,另一方面,7名受試者的身高172.80 ±3.79 cm,體重63.66±3.82 kg,800 m運(yùn)動成績115.43 ±2.64 s,訓(xùn)練年限4.57±0.98年,說明7名受試者同質(zhì)性較強(qiáng),本研究對象的篩選比較合適。從數(shù)據(jù)的波動范圍及離散程度上講,本研究RE12測試結(jié)果與前人的研究基本一致[24,41]。通過對 800 m運(yùn)動成績與耗氧量關(guān)系進(jìn)行Pearson相關(guān)分析,得出運(yùn)動成績與RE12、RE14和RE16之間相關(guān)系數(shù)分別為0.925(P=0.003)、0.769(P=0.043)和0.65(P=0.114),因此,本研究選擇與800 m運(yùn)動成績高度顯著性相關(guān)的RE12作為因變量,分析其與下肢肌肉做功自變量之間的關(guān)系。

3.2 下肢肌肉肌電信號整體表現(xiàn)特征

3.2.1 臀大肌功能分析

Mann等(1986)[56]認(rèn)為,臀大肌在擺動的后期以及支撐階段的前1/3階段處于激活狀態(tài)。Nilsson等(1985)[66]認(rèn)為,在較慢的速度下,觸地以后臀大肌才被激活,然而,隨著速度的增加,臀大肌的激活模式與Mann等(1986)[56]的研究趨于一致,激活狀態(tài)在擺動的后期已經(jīng)開始出現(xiàn)。在擺動的后期,臀大肌很明顯處于離心收縮,從而減慢大腿的速度。在觸地早期階段,當(dāng)開始動員髖關(guān)節(jié)伸展時,臀大肌也扮演著維持大腿與骨盆的穩(wěn)定作用。Gazendam等(2007)[38]發(fā)現(xiàn),臀肌表現(xiàn)出2個峰值,第 1個峰值出現(xiàn)在觸地到支撐階段的前半期,第2個峰值出現(xiàn)在擺動階段的中期。本研究發(fā)現(xiàn),運(yùn)動員臀大肌的肌電圖出現(xiàn)2個峰值,峰值出現(xiàn)的時間與 Gazendam等(2007)[38]的研究類似。

圖4 人體下肢8塊肌肉表面肌電線形圖

3.2.2 股二頭肌(長頭)功能分析

股二頭肌在跑步的過程中扮演著伸髖和屈膝的角色[20]。Mann等(1986)[56]認(rèn)為,從擺動的早期到中期,由于沒有腘繩肌的激活,膝關(guān)節(jié)在大腿快速向前加速的情況下被動的處于屈曲狀態(tài)。在擺動的后期,腘繩肌的工作目的是為了減慢髖的屈曲,以及在大腿減速且動量矩轉(zhuǎn)移到小腿后,控制膝關(guān)節(jié)的伸展。當(dāng)大腿完成前擺準(zhǔn)備著地時,腘繩肌開始向心收縮進(jìn)行伸髖和屈膝。在腳觸地后,腘繩肌和股四頭肌共同作用保證支撐階段的身體穩(wěn)定。Mann等(1986)[56]認(rèn)為,在支撐階段,當(dāng)髖和膝關(guān)節(jié)開始同時伸展的時候,腘繩肌保持著等長收縮。Elliott等 (1979)[32]指出,從觸地到整個支撐階段,腘繩肌都始終保持激活,股二頭肌在腳跟離地到腳尖離地的過程表現(xiàn)出最大激活水平。該研究的股二頭肌激活水平也與本研究的結(jié)果基本類似。Gazendam等(2007)[38]研究發(fā)現(xiàn),腘繩肌表現(xiàn)出兩個峰值,一個在擺動后期的中段,一個在支撐階段。本研究得出的股二頭肌長頭肌電波形與前人研究結(jié)果基本一致,股二頭肌的第1峰值出現(xiàn)在離地后單腿周期的15%左右,第2峰值出現(xiàn)在單腿周期的70%左右。

3.2.3 股直肌、股內(nèi)側(cè)肌和股外側(cè)肌功能分析

股四頭肌在擺動的后期以及支撐的前期保持激活狀態(tài)。Nilsson等(1985)[66]發(fā)現(xiàn),股直肌在擺動的早期有一個激活狀態(tài),這與屈髖肌群的功能有關(guān)。Macintyre等(1987)[20]也發(fā)現(xiàn),股直肌、股內(nèi)側(cè)肌(VM)和股外側(cè)肌(VL)在擺動的早期有激活現(xiàn)象,由于股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌并沒有通過髖關(guān)節(jié),因此,沒有屈髖功能,但是這些肌肉對控制膝關(guān)節(jié)的彎曲具有一定作用。Brandell(1973)[14]認(rèn)為,由于大腿向前速度的減慢,轉(zhuǎn)移到小腿的動量矩加快了小腿的前擺并使膝關(guān)節(jié)伸展,當(dāng)膝關(guān)節(jié)開始屈曲準(zhǔn)備著地時,股四頭肌的激活狀態(tài)與腘繩肌幾乎保持一致。Elliot等(1979)[32]發(fā)現(xiàn),股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌和股直肌在著地到離地之間都保持著較高的激活狀態(tài)。Nilsson等(1985)[66]認(rèn)為,主要的激活狀態(tài)發(fā)生在支撐早期膝關(guān)節(jié)發(fā)生屈曲的離心階段。Brandell(1973)[14]發(fā)現(xiàn),股四頭肌的激活水平在膝關(guān)節(jié)屈曲與伸展的轉(zhuǎn)換階段達(dá)到最大。另外,Gazendam等(2007)[38]發(fā)現(xiàn),股四頭肌在觸地前被激活,在支撐中期結(jié)束。本研究得到的股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌和股直肌的肌電變化過程與前人研究的一致,即在擺動的后期和觸地的前期肌電峰值達(dá)到最大,激活水平最高。

3.2.4 腓腸肌內(nèi)側(cè)和外側(cè)功能分析

Mann等(1986)[56]報道指出,在較快的速度下,腓腸肌活性在跖屈前就停止了。這個階段按理說腓腸肌應(yīng)該表現(xiàn)出離心收縮。然而,Elliot等(1979)[32]認(rèn)為,在高速跑時,腓腸肌的最大激活發(fā)生在腳離地時,他們認(rèn)為是腓腸肌向心收縮的結(jié)果。根據(jù) Brandell(1973)[14]和 Mann等(1986)[56]的研究,在較慢的速度下,腓腸肌激活狀態(tài)僅僅發(fā)生在跖屈階段的30%～50%。Gazendam等(2007)[38]發(fā)現(xiàn),單腿周期內(nèi),腓腸肌表現(xiàn)出單峰狀態(tài),而且這種峰值與股四頭肌類似,但是比股四頭肌的相位要晚10%左右。本研究發(fā)現(xiàn),腓腸肌內(nèi)側(cè)和腓腸肌外側(cè)的激活時間順序非常相似,并且該研究結(jié)果和前人的研究也比較一致,即認(rèn)為腓腸肌在觸地的前期處于激活狀態(tài),激活時間大于位于單腿周期的50%～90%之間。我們可以發(fā)現(xiàn),人體下肢的“拉長-縮短周期”(SSC)主要發(fā)生在該過程,腓腸肌與股直肌、股內(nèi)側(cè)肌和股外側(cè)肌協(xié)同參與了人體下肢的“拉長-縮短周期”。

3.2.5 脛骨前肌功能分析

Elliot等(1979)[32]研究認(rèn)為,脛骨前肌的最大激活狀態(tài)發(fā)生在當(dāng)觸地時,此時,脛骨前肌做離心運(yùn)動。在腳觸地后的支撐階段,脛骨前肌表現(xiàn)出向心運(yùn)動,從而使小腿向前運(yùn)動。Nilsson等(1985)[66]發(fā)現(xiàn),在腳觸地后不久,脛骨前肌有一個平靜期。Mann等(1986)[56]還發(fā)現(xiàn),這個平靜期也出現(xiàn)在支撐的晚期。Gazendam等(2007)[38]發(fā)現(xiàn),脛骨前肌在整個跑步階段幾乎都處于激活狀態(tài),在觸地前即刻達(dá)到峰值,在腳離地后最小。本研究也認(rèn)為,脛骨前肌在跑步周期的大部分階段都處于激活。

3.3 下肢肌肉做功與RE關(guān)系表現(xiàn)特征

由圖5可知,跑步過程擺動階段人體下肢肌肉做功的排名由大到小依次為臀大肌、脛骨前肌、股直肌、股二頭肌、股內(nèi)側(cè)肌和股外側(cè)肌、腓腸肌內(nèi)側(cè)和外側(cè)等。通過Spearman秩相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),對于7名受試者來說,在擺動階段惟有臀大肌的做功排名與RE負(fù)相關(guān),且呈高度顯著性。

表5 本研究受試者擺動階段下肢肌肉做功表現(xiàn)一覽表(n=7)

圖5 跑步擺動階段下肢8塊肌肉做功表現(xiàn)示意圖

表6 本研究受試者跑步支撐階段下肢肌肉做功的表現(xiàn)一覽表(n=7)

圖6 跑步支撐階段下肢8塊肌肉做功表現(xiàn)示意圖

從圖6可知,在跑步支撐階段,人體下肢8塊肌肉做功順序由大到小依次為腓腸肌外側(cè)、股直肌、股內(nèi)側(cè)肌、腓腸肌內(nèi)側(cè)、臀大肌、股外側(cè)肌、股二頭肌、脛骨前肌。通過Spearman秩相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),對于7名受試者來說,在支撐階段惟有臀大肌的做功排名與RE負(fù)相關(guān),且呈高度顯著性。

3.4 下肢肌肉做功主成分分析

在對下肢肌肉做功與RE的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計分析時,不難發(fā)現(xiàn)這些指標(biāo)之間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系和相關(guān)性。但是,指標(biāo)在某種程度上反映的信息有重疊,對深入探索RE與這些指標(biāo)間的關(guān)系的確定都將帶來麻煩和復(fù)雜性,影響分析效果,但除去一些反映動作的生物力學(xué)指標(biāo)又覺得情報不完全。在反映運(yùn)動員運(yùn)動生物力學(xué)表現(xiàn)指標(biāo)盡可能不減少的前提下,利用較少的幾個互不相關(guān)的變量來反映整個跑步動作的生物力學(xué)表現(xiàn)是較好的選擇。主成分分析正是滿足上述的要求。

下肢肌肉做功的主要變量包括:1)擺動階段的8塊肌肉:A1-股直肌、A2-股內(nèi)側(cè)肌、A3-股外側(cè)肌、A4-脛骨前肌、A5-臀大肌、A6-股二頭肌、A7-腓腸肌外側(cè)、A8-腓腸肌內(nèi)側(cè);2)支撐階段的8塊肌肉:B1-股直肌、B2-股內(nèi)側(cè)肌、B3-股外側(cè)肌、B4-脛骨前肌、B5-臀大肌、B6-股二頭肌、B7-腓腸肌外側(cè)、B8-腓腸肌內(nèi)側(cè)。

依據(jù)表7,用特征值大于1作為納入標(biāo)準(zhǔn)。取累計貢獻(xiàn)率為89.946%,提取4個主成分,即m=4。用4個主成分來代替原有的16個肌肉做功變量指標(biāo),這4個主成分因子包含原來89.946%的信息量。為了對這4個主成分進(jìn)行解釋,就需要得到16個原始肌肉做功變量指標(biāo)對這4個主成分因子的子載荷(即原始指標(biāo)與主成分因子的相關(guān)系數(shù))。

表7 肌肉做功變量方差分解主成分提取分析一覽表

從表8因子載荷矩陣中可以得出如下結(jié)論:1)主成分F1代表A1-股直肌、A2-股內(nèi)側(cè)肌、A4-脛骨前肌、A5 -臀大肌、B1-股直肌、B2-股內(nèi)側(cè)肌、B5-臀大肌、B6-股二頭肌、B8-腓腸肌內(nèi)側(cè),因為這9個指標(biāo)的因子載荷量遠(yuǎn)大于其他幾個指標(biāo),因子載荷在0.55以上;2)主成分F2代表A7-腓腸肌外側(cè)、A8-腓腸肌內(nèi)側(cè)、B1-股直肌、B3-股外側(cè)肌、B4-脛骨前肌、B7-腓腸肌外側(cè),因為這6個指標(biāo)的因子載荷量遠(yuǎn)大于其他幾個指標(biāo),因子載荷在0.55以上;3)主成分 F3代表A3-股外側(cè)肌和B7-腓腸肌外側(cè),因為這2個指標(biāo)的因子載荷量遠(yuǎn)大于其他幾個指標(biāo),因子載荷在0.55以上;4)主成分 F4代表A6-股二頭肌,因為這個指標(biāo)的因子載荷量遠(yuǎn)大于其他幾個指標(biāo),因子載荷在0.55以上。

表8 肌肉做功變量主成分分析初始因子載荷矩陣一覽表

用主成分載荷矩陣中的數(shù)據(jù)除以主成分相對應(yīng)的特征值開平方根便得到兩個主成分中每個指標(biāo)所對應(yīng)的系數(shù)。將得到的特征向量與標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)相乘,就可以得出主成分表達(dá)式,并計算出4個主成分及綜合主成分得分值(F1、F2、F3、F4和綜合;表9)。

本研究對7名中長跑運(yùn)動員在支撐階段和擺動階段下肢肌肉做功變量各主成分得分與RE12進(jìn)行相關(guān)分析,得到在α=0.05水平上,主成分 F2得分與RE12呈負(fù)相關(guān)性,且相關(guān)性表現(xiàn)出顯著性(r=-0.80,P=0.03;表10)。

表9 本研究受試者下肢肌肉做功變量主成分得分值一覽表

表10 RE12與下肢肌肉做功變量得分值相關(guān)性矩陣一覽表

Kram(2000)[48]認(rèn)為,跑步的代謝能量與人支撐體重以及在跑的過程中產(chǎn)生力有著一定的聯(lián)系。Kram (1990)[49]對各種動物跑步速度的研究支持他的上述觀點。運(yùn)動生物力學(xué)領(lǐng)域的專家和學(xué)者開始逐漸關(guān)注RE與肌肉活性的關(guān)系。Umberger和 Martin(2007)[77]研究也認(rèn)為,肌肉做功與走路的能量代謝具有很大的聯(lián)系。DeVita (2007)[29]的研究認(rèn)為,平地走和跑會導(dǎo)致下肢肌肉組織產(chǎn)生過多的正功從而去克服其他機(jī)體組織的能量消損,對于跑步者來說,他們報道指出,正功比負(fù)功多 8%。Kyr¨ol¨ainen(2001)[50]認(rèn)為,有效的肌肉激活時機(jī)和支撐階段的放松是人體與地面產(chǎn)生有效作用力的首要必備條件。肌肉激活的目的是為了做功,上述研究均支持肌肉做功與能量消耗之間具有一定的聯(lián)系,但并沒有涉及從做功的角度研討跑步經(jīng)濟(jì)性與下肢肌肉做功之間的關(guān)系。

本研究發(fā)現(xiàn),如果運(yùn)動員 RE越低,經(jīng)濟(jì)性越好的話,主成分F2得分越高。而要想使運(yùn)動員的主成分 F2得分越高,只能通過提高反映主成分2得分因素的相關(guān)變量的做功,而這又需要減少非 F2影響因素的變量。主成分 F2反應(yīng)的人體下肢肌肉做功變量主要有:擺動階段的腓腸肌外側(cè)和腓腸肌內(nèi)側(cè);支撐階段的股直肌、股外側(cè)肌、脛骨前肌和腓腸肌外側(cè)等。進(jìn)一步對這些指標(biāo)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),其中有4個指標(biāo)在跑步的支撐階段處于激活狀態(tài),尤其是股直肌、股外側(cè)肌和腓腸肌外側(cè)均屬于支撐階段下肢“拉長-縮短”周期 (SSC)處于激活的主要肌群。Abe等(2007)[1]研究指出,男性初級水平跑步者的 RE與支撐階段股四頭肌外側(cè)向心-離心收縮的比值呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān),該研究說明,跑步者的跑步經(jīng)濟(jì)性越小,股四頭肌在拉長縮短周期過程(SSC)向心-離心收縮的比值較高。Heise等(2008)[43]研究了16名女性受試者股直肌、腓腸肌和腘繩肌中和外側(cè)與RE的關(guān)系,結(jié)果發(fā)現(xiàn),RE與股直肌-腓腸肌共激活的時間與RE之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),而股直肌與腓腸肌共激活的狀態(tài)主要集中在支撐階段的拉長-縮短周期(SSC)。本研究進(jìn)一步證實,肌肉在拉長 -縮短周期(SSC)做功與RE之間也存在著負(fù)相關(guān),由于 RE的值越小,說明運(yùn)動員的跑步經(jīng)濟(jì)性越好。因此,提高運(yùn)動員在拉長-縮短周期(SSC)的做功能力對改善運(yùn)動員的RE水平顯得十分重要。Paavolainen L等(1999)[67]研究認(rèn)為,與“耐力訓(xùn)練+普通力量訓(xùn)練”相比,“耐力訓(xùn)練+爆發(fā)力訓(xùn)練”可以提高5 000 m運(yùn)動員的跑步經(jīng)濟(jì)性和肌肉功率,該結(jié)論主要歸因于爆發(fā)性力量訓(xùn)練改善了運(yùn)動員下肢的神經(jīng)肌肉結(jié)構(gòu),從而提高了運(yùn)動員的無氧代謝能力和跑步經(jīng)濟(jì)性。因此,對耐力運(yùn)動員可以嘗試在高原和低氧訓(xùn)練的過程中,適當(dāng)穿插進(jìn)行下肢爆發(fā)性力量的訓(xùn)練,通過改善其下肢的神經(jīng)肌肉結(jié)構(gòu)特點來提高“拉長-縮短周期”(SSC)的做功效率,進(jìn)而提高運(yùn)動員的跑步經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

1.本研究發(fā)現(xiàn),用12 km/h速度下的耗氧量來評價800 m運(yùn)動員的跑步經(jīng)濟(jì)性水平比較適合。

2.當(dāng)跑步速度為12 km/h時,擺動階段人體下肢肌肉做功的排序由大到小依次為臀大肌、脛骨前肌、股直肌、股二頭肌、股內(nèi)側(cè)肌和股外側(cè)肌、腓腸肌內(nèi)側(cè)和腓腸肌外側(cè)等;支撐階段人體下肢肌肉做功的排序由大到小依次為腓腸肌外側(cè)、股直肌、股內(nèi)側(cè)肌、腓腸肌內(nèi)側(cè)、臀大肌、股外側(cè)肌、股二頭肌和脛骨前肌等。

3.影響RE的人體下肢肌肉做功的主要肌肉有:擺動階段的腓腸肌外側(cè)和腓腸肌內(nèi)側(cè);支撐階段的股直肌、股外側(cè)肌、脛骨前肌和腓腸肌外側(cè)等。本研究認(rèn)為,提高運(yùn)動員在拉長-縮短周期(SSC)的做功能力可以有效地改善運(yùn)動員的跑步經(jīng)濟(jì)性,建議對耐力運(yùn)動員在耐力訓(xùn)練過程中嘗試穿插爆發(fā)性力量訓(xùn)練,通過提高拉長-縮短周期的做功效率,進(jìn)一步提高跑步經(jīng)濟(jì)性。

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The Impact of the Lower Limbs Muscle Work on Running Economy

REN Zhan-bing

The purpose of this study was to explore the impact of the lower limbs muscle work on running economy.Based on the 800m results and the?VO2max,this paper selects 7 highly homogeneous runners from the 15 highly trained runners as the subjects.The results showed that the correlation coefficient was highly significant between the running economy and the work done by the Gluteus maximus(r=-0.89,P<0.01).Furthermore,the correlation coefficient was significant between the running economy and the principle components which was influenced by the gastrocnemius in swing stage and the gastrocnemius,rectus femoris,vastus lateralis,and tibialis anterior in stance stage(r=-0.80,P<0.05).We concluded that the more efficient work done by the lower limbs during the stretch shortening cycle,the more economy the runner was.It suggested that the explosive strength training can be used in the middle and long distance running in order to promote the running economy by improving the SSC work efficiency.

oxygen uptake;running economy;electromyography;work

G804.6

A

1000-677X(2010)01-0086-12

2009-07-09;

2009-12-15

國家科技支撐計劃課題(2006BAK37B03)。

任占兵(1979-),男,河南人,講師,博士,研究方向為體育教育訓(xùn)練學(xué),E-mail:rzb2008@yahoo.cn。

廣州體育學(xué)院,廣東廣州510500

Guangzhou Institute of Physical Education,Guangzhou 510500,China.

論文說明:北京體育大學(xué)2009屆博士學(xué)位論文,指導(dǎo)教師:郭元奇教授。