不同負重超等長訓練動作下肢各關節(jié)角沖量及做功分析

井蘭香，劉 宇

定量的分析下肢多關節(jié)運動動力學的方法可測量下肢運動學和動力學數(shù)據(jù)，計算出下肢凈關節(jié)力矩(net joint moment，NJM)、關節(jié)角沖量、關節(jié)功率、關節(jié)做功等變量并進行比較。為了明確下肢單個關節(jié)動力學在整個下肢伸展過程中所起的作用，將下肢各關節(jié)做功之和看作下肢做功，求出各關節(jié)做功與下肢做功的比值，便可得出下肢各關節(jié)貢獻度［1－2］。這種方法被廣泛的用于跳躍、蹲、行走、速滑等運動的研究中［3～5］。

上述研究都是在動作條件恒定的條件下進行的，而實際上同一目標動作可以在位移、運動速度、外部阻力等條件發(fā)生變化的情況下完成。例如不同高度跳深(落地速度發(fā)生變化)膝關節(jié)峰值NJM 與下落高度之間不存在線性關系［6］。不同負重上臺階動作髖、膝、踝關節(jié)角沖量均與外部阻力呈正相關［7］。Flangan［2］在其報導中觀察到不同負重蹲起動作下肢伸展的向心階段，髖關節(jié)做功對下肢做功具有最大貢獻度，與外部負重線性相關，而膝、踝關節(jié)貢獻度較小且不隨負重的增加而呈線性增加?？梢娨环N運動的外部條件發(fā)生改變時，關節(jié)動力學隨之產(chǎn)生相應改變。

原地垂直縱跳(countermovement jump，CMJ)是常用的下肢超等長訓練方法，加載不同負重，即CMJ 外部條件發(fā)生改變時下肢關節(jié)動力學是否隨之改變，相關報導較少。故本研究采用不同負重作為外部條件變量，以CMJ 作為基本動作，對受試者進行下肢超等長訓練，觀察CMJ 動作從開始至腳尖離地動作周期過程中髖、膝、踝關節(jié)NJM、關節(jié)功率、垂直地面反作用力(vertiacl ground reaction force，VGRF)的變化規(guī)律;分析不同負重CMJ 離心及向心階段髖、膝、踝關節(jié)角沖量與負重的相關性;計算髖、膝、踝關節(jié)做功對下肢做功的貢獻度，比較不同負重對各關節(jié)貢獻度的影響。為不同負重超等長訓練的實踐應用提供較為科學的實驗數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

受試者為16 名男性籃球運動員。運動年限為5年以上，無下肢關節(jié)肌肉損傷史。年齡、身高、體重分別為:(17.25±1.04)y、(192.25±5.22)cm、(89.92±8.77)kg。

1.2 儀器設備

訓練設備為負重超等長訓練器。運動學數(shù)據(jù)使用VICON(英國，WORKSTAION 5.1)采集，采樣頻率為120 Hz。8 個紅外攝像頭感應標記點位于左側髂結節(jié)、髂前上棘、大轉子、膝關節(jié)內(nèi)上髁、膝關節(jié)外上髁、內(nèi)踝、外踝、第一跖指關節(jié)、第五跖指關節(jié)、腳尖的MARK 標記。動力學數(shù)據(jù)由KISTLER 三維測力臺(瑞士，9287B)與運動學數(shù)據(jù)同步采集，采樣頻率為1 200 Hz。

1.3 測試方法及數(shù)據(jù)分析

首先測量每個受試者下肢的一次最大重復(one repetition maximum，1 RM)值，即能夠一次成功推舉的最大重量:要求受試者估測自己做頸后負重深蹲(膝關節(jié)約90°，雙腳與肩同寬，杠鈴桿中點處加海綿包裹置于頸后)只能完成一次完全站立所舉起的杠鈴重量，測試過程中可選擇自己習慣的下肢動作策略(即髖、膝、踝三個關節(jié)屈曲角度的不同結合方式)。正式測試前受試者做2～3 組、每組8～10 次低于10%1 RM 估測值負重的CMJ 進行熱身，之后分別以1 RM估測值的10%～90%為負重試舉，每種負重試舉一次，隨后調整負重直到受試者不能完全站立為止，將能夠成功舉起的最大杠鈴重量記錄為1 RM。

一周后返回實驗室，肩扛杠鈴，雙腳與肩同寬站立于測力臺，分別以0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%1 RM 杠鈴作為不同負重條件，聽到口令后下蹲至膝關節(jié)約90°位置時快速盡力向上跳起完成CMJ，每個動作重復3 次。CMJ 動作開始后，動力學數(shù)據(jù)由測力臺直接讀取。運動學數(shù)據(jù)由VISUAL3D 軟件(Visual3D Version 3.34.0)重建標記的3－D 坐標進行后期處理，計算關節(jié)角度，關節(jié)角度對時間求微分得到關節(jié)角速度。采用標準逆動力學方法計算下肢凈關節(jié)力矩(net joint moment，NJM)。NJM 與關節(jié)角速度之積為關節(jié)功率Pj(t)=Mj(t)·ωj(t)NJM對時間的積分得角沖量，關節(jié)功率的積分等于關節(jié)做功。質量系統(tǒng)(體重+杠鈴重量)克服重力做功等于體重加杠鈴重量之和乘以質心垂直位移，質心垂直位移，其中t 為騰空時間的1/2。按照下式計算關節(jié)做功對下肢做功的貢獻度:

動力學結果以體重做標準化，時間以動作周期做標準化。

2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

應用SPSS13.0 軟件對所得數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理。分別對髖、膝、踝關節(jié)角沖量與不同負重間進行相關性分析，使用ONE－WAY ANOVA 分別對髖、膝、踝關節(jié)作各負重時貢獻度與無負重時貢獻度均數(shù)間的比較，Tukey’s HAD 檢驗各關節(jié)貢獻度均數(shù)之間差異性。統(tǒng)計結果以表示，顯著性水平為0.05。

3 實驗結果

以40%1RM 負重CMJ 動作為例，從動作起始至腳尖離地支撐時段內(nèi)，下肢肌工作于動作時長的68%時刻由離心收縮轉為向心收縮，此過程中VGRF 以及髖、膝、踝三個關節(jié)的NJM、關節(jié)功率隨時間變化規(guī)律如圖1 所示。

不同負重CMJ 向心階段髖、膝、踝關節(jié)角沖量見表1。加載不同負重后CMJ 動作離心階段各關節(jié)角沖量均現(xiàn)在大于0 負重時;加載50%～60%1RM 負重后CMJ 向心階段髖關節(jié)做功顯著大于0 負重時;加載50%1RM 負重后CMJ 向心階段踝關節(jié)做功顯著大于0 負重時。圖2 所示髖關節(jié)向心階段角沖量與負重呈正相關，而膝、踝關節(jié)向心階段角沖量與負重之間不具有相關性。

圖1 40%1RM 負重CMJ 從開始至腳尖離地下肢各關節(jié)動力學－時間%曲線

表1 不同負負荷CMJ 離心及向心階段下肢各關節(jié)角沖量()

表1 不同負負荷CMJ 離心及向心階段下肢各關節(jié)角沖量()

* 表示與0 負荷相比P ＜0.05。

不同負重CMJ 向心階段下肢做功、下肢各關節(jié)做功見表2。在10%、20%、30%1 RM 負重條件下下肢做功顯著低于無負重時下肢做功，大于30%1 RM 負重時，下肢做功隨負重增加而增加;髖關節(jié)在10%1 RM 負重時做功顯著低于0 負重時，60%1 RM 負重時做功顯著高于0 負重時;加載不同負重后膝關節(jié)做功均顯著低于0 負重時;30%1 RM 負重時踝關節(jié)做功顯著低于0 負重時。

表2 不同負重CMJ 向心階段下肢及各關節(jié)做功()

表2 不同負重CMJ 向心階段下肢及各關節(jié)做功()

* 表示與0 負重相比P ＜0.05。

下肢各關節(jié)做功對下肢做功的貢獻度結果顯示在無負重條件下，下肢各關節(jié)貢獻度顯著差異結果為:膝關節(jié)＞髖關節(jié)＞踝關節(jié);負重10%1 RM 時貢獻度差異為膝關節(jié)＞踝關節(jié)＞髖關節(jié);20%1 RM 時為膝關節(jié)＞髖、踝關節(jié);30%1 RM 時膝關節(jié)＞髖關節(jié)＞踝關節(jié);負重40%～60%1 RM 時下肢各關節(jié)貢獻度顯著差異結果為:髖關節(jié)＞膝關節(jié)＞踝關節(jié)。

每個關節(jié)做功對下肢做功的貢獻度隨外加負重增加的變化統(tǒng)計結果為:髖關節(jié)貢獻度在10%1 RM 負重時與無負重時沒有顯著性差異，20%～60%1 RM 負重時均顯著高于無負重時;膝關節(jié)貢獻度在10%～60%1 RM 負重后均顯著低于無負重時;踝關節(jié)貢獻度在10%～50%1 RM 負重時顯著高于無負重時，在60%1 RM 負重時與無負重時沒有顯著差異。三個關節(jié)貢獻度不隨負重增加而成比例增加或減少，與負重之間不具有線性關系(圖4)。

圖4 不同負重CMJ 下肢各關節(jié)做功對下肢做功的貢獻度

4 討論

本研究主要運用髖、膝、踝關節(jié)角沖量和關節(jié)做功進行下肢關節(jié)動力學比較分析。關節(jié)角沖量是NJM對時間的積分，關節(jié)做功則是關節(jié)功率對時間的積分，二者是變量的時間效應，能反映整個CMJ 動作特征。結果發(fā)現(xiàn)不同負重超等長訓練動作下肢髖、膝、踝關節(jié)動力學特征不同。

從NJM 角沖量與負重相關性分析可以看出，負重因素對CMJ 動作離心期下肢各關節(jié)角動力學影響較大，所有關節(jié)角沖量都隨負重增加而增加。當CMJ 動作開始后機體離心收縮下蹲處于半屈位時，需要爆發(fā)性的動作促使機體由一種位置轉向另一種位置，前交叉韌帶受損傷危險性極高［8］。隨著負重逐步增加，離心期機體對地面的沖量增加，膝關節(jié)內(nèi)的失衡隨之逐步增加。負重后為保持機體的系統(tǒng)剛度，須增加離心期下肢各關節(jié)周圍肌肉力量才能阻止韌帶損傷［9］，同時完成快速向向心階段的轉換。向心期只有髖關節(jié)受負重影響最大，需髖關節(jié)肌肉力量增加到相應水平，而膝、踝關節(jié)肌肉力量增加主要滿足機體負重后矢狀位的平衡，而不是用于提高伸展關節(jié)的快速力量。從VGRF－time%曲線和支撐時間長度可以看出隨負重增加動作明顯逐漸變慢，這對關節(jié)穩(wěn)定性是有利的。

較深入和詳細地分析多關節(jié)運動過程中單關節(jié)肌肉力量時，首推利用逆動力學方法計算凈關節(jié)力矩［10］，這種方法所得NJM 能夠較好地闡明跨越關節(jié)周圍肌群的力量變化［11］。下肢負重超等長訓練的意義在于能有效地提高下肢肌肉力量和爆發(fā)力，也就是說能提高下肢髖、膝、踝關節(jié)NJM，但僅用單一的訓練方法并不足以使肌肉力量在下肢三個關節(jié)中同時得到足量的分配。為了使下肢各關節(jié)周圍肌肉均能得到力量和爆發(fā)力較好的發(fā)展和提高，需采用多種訓練方法，并確定每種訓練的目標肌。關節(jié)貢獻度反映了一種訓練對關節(jié)周圍肌肉力量的需求程度，關節(jié)貢獻度大者即是訓練的目標?。?2］。確定了目標肌，有針對性地進行訓練，4～6周即能產(chǎn)生特異性神經(jīng)－肌肉適應。

下肢超等長訓練方法采用的是CMJ 動作，下肢各關節(jié)肌肉力量和爆發(fā)力決定著CMJ 縱跳能力，其中髖、膝關節(jié)NJM 是決定CMJ 能力的最主要因素［13］。CMJ 騰空高度是反映縱跳能力指標之一，它與肌肉產(chǎn)生NJM 的能力相關，也就是與肌肉產(chǎn)力能力相關。Inacio［8］在其研究中提出，負重低至2%體重時即可顯著降低CMJ 成績。本研究中質心系統(tǒng)(體重+杠鈴重)縱跳高度隨負重增加逐漸降低(從無負重至60%1 RM縱跳高度依次為(0.34±0.03)m，(0.24±0.04)m，(0.13±0.02)m，(0.09±0.07)m，(0.09±0.04)m，(0.05±0.01)m，(0.03±0.01)m)，表明負重這一外部條件改變對CMJ 成績影響顯著。圖3A 顯示髖關節(jié)NJM 沖量與負重正相關，說明負重越大，CMJ 動作向心階段髖關節(jié)肌肉力量所起的作用越大。

肌肉力量，通過測量力量值和NJM 值反映，受多種因素制約。首先，肌肉力量的量值受測量肌肉力量時刻的速度影響。高速度條件下測量肌肉力量產(chǎn)生的NJM 值往往低于低速度時刻測量的NJM。這種負相關使得縱跳能力和肌肉力量關系變得復雜化。縱跳能力與肌肉力量之間關系的第二個制約因素是關節(jié)特異性。因為與每個關節(jié)相聯(lián)結的肌肉質量不同，相對縱跳的貢獻度會存在差異，髖關節(jié)肌肉力量與縱跳能力的關系，可能對抗膝關節(jié)肌肉力量以及踝關節(jié)肌肉力量與縱跳能力之間的關系。另外一種制約縱跳能力和肌肉力量之間相關性的因素是，縱跳過程中兩種類型肌肉收縮特產(chǎn)生肌肉力量。因為縱跳包含著兩個階段:離心階段和向心階段，其中一種收縮形式產(chǎn)生的肌肉力量更能影響CMJ 能力。上述三種因素(關節(jié)、肌肉收縮類型、運動速度)之間相互作用可以與與CMJ成績產(chǎn)生諸多的聯(lián)系。

前期研究中提出平均NJM 控制動作的途徑［14］，而本研究采用NJM 做功這一指標，兩種途徑的結果具有一致性，即髖關節(jié)隨著負重增加顯著增加，尤其是最大負重時髖關節(jié)增加最為顯著。質心系統(tǒng)克服重力做功和下肢做功高度相關［15］，理論上講，如果所有關節(jié)做功存在同一性，下肢關節(jié)做功之和等于克服重力做功［16］。實驗結果表明兩者之間具有偏差，這種偏差可能是由于質心位移的測量，以及忽略了軀干做功因素。究竟哪種變量控制機體完成目標動作，還需要進一步深入研究。

5 結論

不同負重CMJ 主要影響離心階段下肢各關節(jié)角動力學。向心階段只有髖關節(jié)角沖量及做功貢獻度隨負重增加而增加;膝關節(jié)角沖量受負重影響較小，做功貢獻度隨負重增加逐漸降低;踝關節(jié)角沖量及做功貢獻度受負重影響較小。

結果表明，大強度負重超等長訓練動作對髖關節(jié)肌力量的需求尤為顯著，髖關節(jié)肌是主要的目標肌肉;小強度負重及無負重時膝關節(jié)肌是主要目標肌肉，無負重時膝關節(jié)肌起作用最大。實踐中如利用CMJ 提高下肢肌肉力量及爆發(fā)力，可將關節(jié)貢獻度較大者確定為目標肌肉，采取相應負重條件進行超等長訓練。

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