振動訓(xùn)練作用目標主要是肌肉中彈性成分的實驗研究

劉北湘,龍小安,李昭潔

(成都體育學(xué)院,四川 成都 610041)

振動訓(xùn)練作用目標主要是肌肉中彈性成分的實驗研究

劉北湘,龍小安,李昭潔

(成都體育學(xué)院,四川 成都 610041)

該研究將32名受試者分為三個實驗組進行了為期8周的下肢肌肉力量振動訓(xùn)練實驗研究,通過影像測量和動力學(xué)測量采集實驗前、后30cm和50cm兩種高度跳深的凈沖量、反跳高度及反跳比數(shù)據(jù)。對實驗數(shù)據(jù)分析表明,有附加振動刺激的動態(tài)性負重蹲練習(xí)方式其數(shù)據(jù)提高幅度優(yōu)于靜態(tài)力量練習(xí)方式和無附加振動練習(xí)方式。對比分析三個實驗組的數(shù)據(jù)差異表明,有附加振動刺激的下肢肌肉力量訓(xùn)練主要是通過促進下肢肌肉中彈性成分的增強而獲得肌肉力量的提高。對比分析兩個不同跳深高度的數(shù)據(jù)表明,下肢肌肉對外力沖量的利用受下肢肌肉儲能能力的影響,有附加振動刺激的實驗組其下肢肌肉儲能能力比無附加振動刺激的實驗組要強。

振動訓(xùn)練;肌肉力量;負重蹲;跳深;運動生物力學(xué);肌肉彈性成分

振動訓(xùn)練是一個通過外加機械振動波作用于肌肉使之產(chǎn)生響應(yīng)的過程。對振動訓(xùn)練的研究,需要考慮機械振動波及其傳播途徑的力學(xué)特性和肌肉對機械振動波產(chǎn)生響應(yīng)的特性。從生理學(xué)角度看肌肉,偏重的是肌肉的支配神經(jīng)(運動單位)、激素、物質(zhì)能量代謝等方面的問題[1-5];從生物力學(xué)角度看肌肉,必然要關(guān)注肌肉組成要素中的主動收縮成分、彈性成分等的力學(xué)特性問題[6]。目前在相關(guān)振動訓(xùn)練的研究文獻中,大多偏重前者而忽略了后者。曾有學(xué)者提出研究振動訓(xùn)練應(yīng)考慮振動的力學(xué)特點(產(chǎn)生交變應(yīng)力等)以及肌肉的生物力學(xué)特性(粘彈性、彈簧振動傳遞效應(yīng)等)[7]。本文運用實驗研究的方法從運動生物力學(xué)的角度側(cè)重對振動訓(xùn)練的作用目標進行深入探討。

1 研究方法

1.1 實驗對象及實驗內(nèi)容

體育專業(yè)男生33人,年齡18-22歲,下肢無傷病,隨機分為三組,每組11人(注：其中第3組有1人中途因故退出實驗)。選擇負重蹲作為練習(xí)動作,以膝關(guān)節(jié)伸肌群為主要實驗?zāi)繕恕?/p>

實驗內(nèi)容：實驗組1：附加振動向心收縮。兩腳站立在振動臺上做負重深蹲。實驗組2：不附加振動向心收縮。兩腳站立在地面做負重深蹲。實驗組3：附加振動等長收縮。兩腳站立在振動臺上屈膝90°保持肌肉緊張。

練習(xí)量：1、2兩組每課10次×5組(每組20秒鐘內(nèi)完成);3組靜力蹲每次持續(xù)20秒×5組。

練習(xí)要求：振動方向為縱向,振動頻率30Hz,振動幅度3mm。負重深蹲動作要求保持軀干垂直,深蹲到最大限度,站起時要求全力、全速,下肢完全伸直并提踵。訓(xùn)練時間8周,每周5次。外加負荷重量選擇個人最大載荷的80%重量(10RM)。該載荷可發(fā)展最大肌力和爆發(fā)力[8];該載荷還可使下肢有較大的緊張度,接近人體大腿固有頻率的理論值以便產(chǎn)生較好的振動訓(xùn)練效果[9-10]。

訓(xùn)練用設(shè)備：震動訓(xùn)練器(全能型PowerPIate Pr05 AIR)2臺。

1.2 測試動作、測量方法及數(shù)據(jù)指標

(1)測試動作。跳深：受試者分別從30cm、50cm高度自由下落,兩腳同時落在測力臺上,然后全力、全速向上跳起。采用動力學(xué)測量與三維影像測量同時進行。說明：下肢在跳深工作條件限制下,下肢伸肌(股四頭肌、小腿三頭肌等)伸展肌群做超等長收縮,在下落重力的作用下這些肌群被拉長,肌肉組織中的彈性成分存儲能量,這些能量在回跳時被釋放,回跳過程主要是肌肉的彈性成分在發(fā)揮作用。測量該動作相關(guān)指標可了解肌肉彈性成分工作能力的改變情況[11-12]。

(2)測量方法。采用動力學(xué)測量與三維影像測量同步進行。

①動力學(xué)數(shù)據(jù)測量：使用美國BERTEC三維測力臺。②三維影像測量：用2臺攝像機拍攝影像資料,拍攝方法按三維影像測量基本要求進行(兩臺攝像機主光軸夾角為120度,采用外光源兩步,拍攝頻率50幀/秒,三維坐標采用8個控制點的立方體框架等)。用美國APAS_2000三維影像測量系統(tǒng)解析運動學(xué)數(shù)據(jù)。

(3)數(shù)據(jù)指標。兩個高度的跳深動作在實驗前、后各測量一次。測量指標包括：動力曲線、沖量等動力學(xué)數(shù)據(jù);以及人體重心運動軌跡、反跳高度等運動學(xué)數(shù)據(jù)。本文根據(jù)研究內(nèi)容的需要,主要選擇分析討論其中沖量、人體重心反跳高度及反跳比等數(shù)據(jù)指標所反映的問題。

數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計分析軟件(PASW Statistics 18.0)進行處理。分析各組間數(shù)據(jù)差異時采用單因素方差分析(One-Way ANOVA),各組數(shù)據(jù)間經(jīng)過方差齊次性檢驗(顯著性概率均為P＞0.05),符合進行均數(shù)多重比較的條件。分析同組實驗前、后數(shù)據(jù)差異采用獨立樣本T檢驗(independent-Sample T test)。差異顯著性標準為P＜0.05和P＜0.01。數(shù)據(jù)表達方式為“平均數(shù)±標準差”。

2 實驗結(jié)果

經(jīng)過對跳深實驗數(shù)據(jù)的分析,篩選出“凈沖量、反跳高度、反跳比”三個對本文有重要意義的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理和分析,數(shù)據(jù)結(jié)果在表1和表2中列出。

表1 30cm跳深實驗數(shù)據(jù)(n1=11;n2=11;n3=10)

跳深凈沖量：人體落臺后對測力臺產(chǎn)生縱向壓力,這個壓力包括兩部分,一部分來源于人體下落形成的沖撞力和下肢蹬伸時產(chǎn)生的蹬地力;另一部分是人體自身的重力。在作用時間范圍內(nèi)縱向壓力形成總沖量。總沖量減去人體重力形成的沖量即所謂的“凈沖量”,跳深凈沖量的大小與人體向上反跳高度有密切關(guān)系。

反跳高度：通過影像測量獲得人體落臺后向上反跳時重心上升的最大高度。計算方法為“重心最高點”減去“重心初始高度”再加上“跳深高度”即所謂“反跳高度”(參閱圖4所示)。

反跳比：根據(jù)動力學(xué)原理(動量定理)可以由凈沖量換算得到一個理論上的反跳高度。由于凈沖量中包含了人體下落時的沖撞力和蹬伸力兩部分形成的沖量,在實際測量時很難精確的對二者進行分割,而且沖撞力又是決定人體肌肉在離心收縮過程中彈性成分存儲能量的因素,因此將二者合并計算。這就使得由凈沖量換算得到的反跳高度要大于實際的反跳高度。將實際反跳高度除以由凈沖量換算的理論反跳高度即所謂“反跳比”。反跳比恰好反映了人體下肢肌肉對跳深過程形成的沖量的利用情況,即肌肉中的彈性成分存儲和利用能量的能力。

表2 50cm跳深實驗數(shù)據(jù)(n1=11;n2=11;n3=10)

3 分析討論

參加實驗的對象均處于身體素質(zhì)可塑性很強的年齡階段,其身體素質(zhì)在某個方面受到特定的訓(xùn)練后,必然會有所改變。從表1、表2及圖1、圖2所反映的數(shù)據(jù)變化基本趨勢來看,實驗后的數(shù)據(jù)較實驗前均有不同程度的提高,這是符合運動訓(xùn)練學(xué)基本原理的現(xiàn)象。以下需要討論“量”變中所包含“質(zhì)”的差異。

3.1 跳深的凈沖量與反跳高度數(shù)據(jù)分析

凈沖量及反跳高度數(shù)據(jù)如表1、表2和圖1、圖2所示。

組間比較：在30cm高度跳深和50cm高度跳深中,實驗前3個組的凈沖量及反跳高度數(shù)據(jù)并無明顯差異。實驗后的凈沖量比較：在30cm高度跳深中1組要高于2、3組,并且數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出差異具有非常顯著意義(P＜0.01);但是在50cm高度跳深中凈沖量數(shù)據(jù)1組和2、3組之間雖然平均值有差異,但是差異沒有顯著意義。2組和3組之間實驗后凈沖量數(shù)據(jù)比較,雖然在平均數(shù)上有一定差異,但是不論是30cm還是50cm高度跳深,凈沖量的差異都不具有顯著意義。實驗后的反跳高度數(shù)據(jù)比較：1組明顯要高于2、3組,并且數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出差異具有顯著意義或非常顯著意義(P＜0.05或P＜0.01)。2組和3組實驗后反跳高度數(shù)據(jù)比較,雖然在平均數(shù)上有一定差異,但是差異不具有顯著意義。

各組實驗前、后比較：1組的凈沖量及反跳高度數(shù)據(jù)的差異在30cm、50cm高度跳深時具有非常顯著意義或顯著意義(P＜0.01或P＜0.05);2組和3組的凈沖量數(shù)據(jù)雖然在平均數(shù)上有一定差異,但差異都不具有顯著意義;2組反跳高度數(shù)據(jù)只在30cm高度跳深中差異具有顯著意義(P＜0.05);3組反跳高度數(shù)據(jù)在30cm和50cm高度跳深中差異具有顯著意義(P＜0.05)。

圖1 30cm跳深各平均數(shù)示意圖

圖2 50cm跳深各平均數(shù)示意圖

在動力測量時事先測量受試者的重力,通過儀器調(diào)試重力線歸零屏蔽了重力的影響,因此從測量得到的動力曲線所獲得的沖量即為去除了人體重力沖量的凈沖量(即動力曲線下面積的大小)。凈沖量包括兩部分：其一為落地緩沖產(chǎn)生撞擊力形成的沖量;其二為蹬伸過程產(chǎn)生的蹬地力沖量。撞擊力沖量的大小主要受下落高度影響,同一個人在同一種高度時其沖量的大小相差不會很大。在下落撞擊過程中下肢伸肌群被動拉伸,肌肉中的彈性成分存儲沖擊力帶來的能量,能量存儲的效率受彈性成分優(yōu)劣的影響。蹬地力沖量是由下肢伸肌群主動收縮成分產(chǎn)生的主動收縮力和肌肉彈性成分釋放所存儲的彈性力共同實現(xiàn),蹬地力沖量越大越能使人體重心騰空后反跳的高度越大。圖3所示范例是同一個受試者在同一個跳深高度時實驗前、后的動力曲線。圖中顯示：實驗前、后動力曲線主要變化表現(xiàn)在蹬伸階段部分,不論是曲線的高度(力值的大小)和曲線下的面積(沖量),實驗后都要明顯大于實驗前。因此,由表1、表2和圖1、圖2所反映的凈沖量平均數(shù)差異表明：實驗組1在凈沖量上的提高情況優(yōu)于其它兩組,這種提高幅度除了因振動訓(xùn)練使下肢伸肌群主動收縮能力得到提高以外,還要歸功于振動刺激促進了肌肉彈性成分存儲能量能力的提高。

圖3 跳深動力曲線范例圖

圖4 跳深人體重心軌跡、速度范例圖

在跳深過程中人體重心位置及速度變化如圖4所示。人體從跳深臺上開始動作,經(jīng)過下落、緩沖及蹬伸形成與測力臺之間的跳深沖量(即表1、表2中的凈沖量),在離地瞬間重心達到最大速度,這個速度越大,人體重心騰空后達到的反跳高度也會越大。反跳高度數(shù)據(jù)直接反映了跳深過程中對跳深沖量的利用情況。在30cm和50cm跳深之間各數(shù)據(jù)進行比較,30cm跳深的凈沖量數(shù)據(jù)要明顯小于50cm,差異具有顯著性。其原因是50cm跳深高度下落的高度大,在重力加速度的作用下使人體與測力臺之間產(chǎn)生了更大的撞擊力,因而形成了更大的跳深沖量。但是,這些跳深沖量在反跳時不一定能夠被充分的利用,直接的證據(jù)是30cm和50cm跳深的反跳高度數(shù)據(jù)之間并無明顯差異。這種現(xiàn)象說明,人體下肢利用跳深沖量的能力受下肢肌肉彈性成分存儲能量的能力影響,當這種能力達到其極限后,多余的跳深沖量就不會被利用,而是在反跳過程中通過動作延遲被消耗掉。這也從另一個側(cè)面說明,肌肉中彈性成分的強弱對于肌肉發(fā)揮其作用效能具有重要的作用。

3.2 跳深反跳比數(shù)據(jù)分析

反跳比數(shù)據(jù)如表1、表2和圖1、圖2所示。

組間比較：在30cm高度跳深和50cm高度跳深中。實驗前3個組的反跳比數(shù)據(jù)并無明顯差異;實驗后的反跳比數(shù)據(jù)比較,1組明顯要高于2、3組,并且數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出差異具有非常顯著意義(P＜0.01)。此外在30cm高度跳深中。2組和3組實驗后反跳比數(shù)據(jù)比較,3組要高于2組,數(shù)據(jù)差異也具有顯著意義(P＜0.05)。但2組和3組之間這種差異的顯著性在50cm高度跳深中沒有出現(xiàn)。

各組前、后比較：在30cm和50cm高度跳深中。1組實驗前、后數(shù)據(jù)的差異具有非常顯著意義(P＜0.01);3組實驗前、后數(shù)據(jù)的差異具有顯著意義(P＜0.05)。2組實驗前、后反跳比數(shù)據(jù)比較,只在30cm高度跳深中的差異具有顯著意義(P＜0.05),而在50cm高度跳深中平均數(shù)雖然具有差異,但是差異沒有顯著意義。

肌纖維的力學(xué)模型(如圖5所示)顯示：肌力主要由主動收縮成分產(chǎn)生的主動收縮力(該力也需要通過串聯(lián)彈性成分傳遞)和并聯(lián)彈性成分產(chǎn)生的被動收縮力二者共同構(gòu)成。這兩者中任何一種能力的提高都會使整個肌力得到提高。肌肉中的彈性成分在肌肉力量中起到兩個重要的作用：其一,并聯(lián)彈性成分產(chǎn)生的彈性力可以單獨構(gòu)成肌力的一部分,而且它在肌肉被動拉伸過程中起到存儲能量的作用,它的能力越強存儲的能量越多;其二,串聯(lián)彈性成分的作用是傳遞肌纖維主動收縮力,它的能力越強就越能很好的傳遞肌纖維收縮力,反之就會造成肌纖維主動收縮力的耗損,不能將肌纖維主動收縮力完全的表現(xiàn)在肌力中。

圖5 肌肉力學(xué)模型

實驗1組和2組采用的訓(xùn)練內(nèi)容完全一樣,不同的只是1組在訓(xùn)練中附加了全身振動刺激。如果說相同的訓(xùn)練應(yīng)該獲得相同的訓(xùn)練效果的話,那么1、2兩組之間出現(xiàn)反跳比的顯著差異就應(yīng)該歸功于附加的振動刺激,而反跳比的大小又反映的是肌肉彈性能力的狀況。由此可以推斷：振動刺激的作用目標應(yīng)該是肌肉中的彈性成分。

實驗1組與3組雖然在訓(xùn)練中都受到附加振動的刺激,但是3組進行的是肌肉等長練習(xí)(靜力練習(xí)),雖然3組實驗對象的肌纖維中彈性成分也得到了較好的訓(xùn)練,但是在進行跳深這樣動態(tài)性很強的測試內(nèi)容時,其反跳比數(shù)據(jù)必然會表現(xiàn)出不同,兩組之間反跳比存在顯著差異只能說明1組的訓(xùn)練對彈性成分作用要比3組更好一些而已。此外再比較2組和3組的反跳比,在30cm跳深中3組高于2組且差異具有顯著性,這也說明3組由于在訓(xùn)練中受到了振動刺激訓(xùn)練,其肌肉中的彈性成分能力的增強要高于2組。這也說明：振動刺激作用的目標是肌肉中的彈性成分。

比較30cm跳深和50cm跳深的反跳比數(shù)據(jù)變化趨勢,50cm跳深的反跳比總體要比30cm低,其原因應(yīng)該是由于受試者在50cm高度下落時,產(chǎn)生的沖撞力較大,由此形成的凈沖量也會較大(如表1、表2凈沖量數(shù)據(jù)所示),凈沖的增加會降低反跳比。同時肌肉中的彈性成分因不能很好的存儲和利用這種過大的撞擊能量而導(dǎo)致能量的耗損,因而不會表現(xiàn)出反跳高度的明顯增大(如表1、表2反跳高度數(shù)據(jù)所示)。這種能量損耗的存在會掩蓋組與組之間原本差異不強的現(xiàn)象,因此也說明在50cm跳深中2組和3組反跳比的差異出現(xiàn)不顯著的原因。這與前述“下肢肌肉在跳深過程中對跳深沖量的利用受其彈性成分強弱的影響,當超過其極限時增加跳深高度并不能增大反跳高度”的討論是一致的。

4 結(jié)論

(1)在下肢肌肉力量訓(xùn)練中,附加全身振動刺激的方式比無附加振動刺激的方式能使受試者在跳深測試中表現(xiàn)出更好的跳深凈沖量、反跳高度及反跳比。其中有附加振動刺激的動態(tài)性負重蹲練習(xí)實驗組其數(shù)據(jù)的提高幅度更大。

(2)通過對三個實驗組跳深凈沖量、反跳高度及反跳比數(shù)據(jù)的對比分析表明：有附加振動刺激的下肢肌肉力量訓(xùn)練主要是通過促進下肢肌肉中彈性成分的增強而獲得肌肉力量的提高。

(3)通過對兩個不同高度跳深凈沖量、反跳高度及反跳比數(shù)據(jù)的對比分析表明：下肢肌肉對外力沖量的利用受下肢肌肉儲能能力的影響。有附加振動刺激的實驗組其下肢肌肉儲能能力比無附加振動刺激的實驗組要強,其中有附加振動刺激的動態(tài)性負重蹲練習(xí)實驗組表現(xiàn)的更為突出。

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Experimental Research on M uscle Elastic Com ponents of the Effects of Vibration Training

LIU Bei-Xiang,et al
(Chengdu Sport University,Chengdu,China 610041)

The research divides 32 subjects into three experimental groups to conduct an 8-week experiment of muscle strength of lower limbs through vibration training.The research uses imagemeasurement and dynamic measurement to collects data of net impulse,rebound heightand rebound ratio before and after the experiment in 30cm and 50cm -depth jumping.The results show that the group ofweight deep squat vibration increasesmost,the group of halfweight squat static vibration follows and the group of squat vibration ranks last.The analysis shows that vibration training is mainly to promote the elastic component lower limbmuscles to improve themuscle strength.Comparative analysis of the two kinds of data indicates that the ability of energy storage of lower limbmuscle affects the use of force.The capacity of energy storage in vibration experiment group of lower extremity muscle ismuch better than non vibration experimental group.

vibration training;muscular strength;squattingwith weight;depth jumping;sportbiomechanics;muscle elastic component

G804.2

：A

：1001-9154(2014)06-0046-05

G804.2

：A

：1001-9154(2014)06-0046-05

國家自然科學(xué)基金項目(11272068)。

劉北湘(1954-),男,湖南人,教授,碩士生導(dǎo)師。研究方向：運動生物力學(xué)。

2014-02-26