力量測(cè)試的生物力學(xué)

戴伯頤，沙湛鑫

（1. 美國懷俄明大學(xué) 運(yùn)動(dòng)機(jī)能與健康系，美國 懷俄明州拉勒米市 82070；2.美國南密西西比大學(xué)運(yùn)動(dòng)機(jī)能學(xué)院，美國 密西西比州哈蒂斯堡市 39406）

力量測(cè)試的生物力學(xué)

戴伯頤1，沙湛鑫2

（1. 美國懷俄明大學(xué) 運(yùn)動(dòng)機(jī)能與健康系，美國 懷俄明州拉勒米市 82070；2.美國南密西西比大學(xué)運(yùn)動(dòng)機(jī)能學(xué)院，美國 密西西比州哈蒂斯堡市 39406）

力量測(cè)試被教練員和運(yùn)動(dòng)員廣泛使用，生物力學(xué)因素對(duì)于力量測(cè)試的結(jié)果和力量訓(xùn)練的效果有重要影響。論述單關(guān)節(jié)和多關(guān)節(jié)力量測(cè)試中力臂與力矩之間的關(guān)系，肌肉長度、收縮速度、動(dòng)作類型在力量測(cè)試中起到的作用，討論非傳統(tǒng)力量測(cè)試中用到的儀器和指標(biāo)及其在不同領(lǐng)域的運(yùn)用。教練員在力量測(cè)試和力量訓(xùn)練中應(yīng)考慮這些因素，保證力量測(cè)試的可靠性，以及力量訓(xùn)練與運(yùn)動(dòng)效果之間的相關(guān)性。

運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)；力量訓(xùn)練；訓(xùn)練效果；監(jiān)測(cè)

肌肉力量是人體體育運(yùn)動(dòng)和日?；顒?dòng)的重要基礎(chǔ)，通常被定義為某個(gè)肌肉或肌肉群在某一特定動(dòng)作中能夠產(chǎn)生的最大力或者最大力矩。反映肌肉力量的測(cè)試指標(biāo)很多，如衡量下肢力量的測(cè)試指標(biāo)有膝關(guān)節(jié)等動(dòng)力矩、深蹲重量和縱跳高度等。本文重點(diǎn)介紹不同力量測(cè)試中所涉及到的生物力學(xué)因素。

1 單關(guān)節(jié)力量測(cè)試的生物力學(xué)

單關(guān)節(jié)力量測(cè)試中能夠比較明顯地區(qū)分力、力臂和力矩。以手用測(cè)力計(jì)測(cè)試伸膝力量為例（圖1），測(cè)試人員將測(cè)力計(jì)放在離踝關(guān)節(jié)較近的地方測(cè)試受試者產(chǎn)生的最大力。在這種情況下，所測(cè)得的力就是外力；而測(cè)力計(jì)到膝關(guān)節(jié)的距離則是外力臂。如果將外力乘以外力臂，得到的就是外力矩。由于小腿重心在膝關(guān)節(jié)之下，測(cè)試到的外力矩和內(nèi)力矩大小一樣。假設(shè)這個(gè)內(nèi)力矩都是股四頭肌產(chǎn)生，那么股四頭肌到膝關(guān)節(jié)的作用距離就是內(nèi)力臂，而將內(nèi)力矩除以內(nèi)力臂就可以得到內(nèi)力。在伸膝測(cè)試中，由于股四頭肌內(nèi)力和內(nèi)力臂相對(duì)恒定，因此，內(nèi)力矩也相對(duì)恒定。最容易導(dǎo)致誤差的是測(cè)力計(jì)放置的位置。如果測(cè)力計(jì)放在較遠(yuǎn)的位置，則外力臂較大，測(cè)試到的外力則會(huì)較小（圖1左）；而如果把測(cè)力計(jì)放在較近的位置，則外力臂較小，測(cè)試到的外力則會(huì)較大（圖1中）。相比于測(cè)試外力，測(cè)試外力矩的可靠性更高。常用來測(cè)試關(guān)節(jié)力量的Biodex 等動(dòng)力量測(cè)試系統(tǒng)（圖1右）最后所給出的指標(biāo)就是力矩。

2 多關(guān)節(jié)力量測(cè)試的生物力學(xué)

在多關(guān)節(jié)力量測(cè)試時(shí)，外力是多個(gè)內(nèi)力矩的綜合體現(xiàn)，因此每個(gè)關(guān)節(jié)都對(duì)外力的產(chǎn)生起到作用。例如在縱跳中，伸踝、伸膝和伸髖肌群都產(chǎn)生了垂直于地面的力。相比于單關(guān)節(jié)測(cè)試，多關(guān)節(jié)測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)是更接近實(shí)際運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)作，但缺點(diǎn)是難以明確每個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)最后力量的貢獻(xiàn)程度。比如2位縱跳高度一樣的運(yùn)動(dòng)員，其膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)力量可能很不一樣。多關(guān)節(jié)力量測(cè)試中也能區(qū)分力和力矩，例如在深蹲測(cè)試時(shí)，半深蹲負(fù)重往往比全深蹲大。由于深蹲時(shí)的負(fù)重是外力，當(dāng)受試者往下移動(dòng)時(shí)，膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)角度增加，而外力到膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的作用距離增加。因此，當(dāng)外力恒定時(shí)，外力臂隨著關(guān)節(jié)角度的增加而增加，進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)外力矩的增加（圖2）。與此同時(shí)，由于肌肉力和力臂相對(duì)恒定，運(yùn)動(dòng)員能夠產(chǎn)生的內(nèi)力矩則相對(duì)恒定。所以當(dāng)深蹲幅度增加時(shí)，能夠蹲起的最大重量隨外力臂的增加而減少[1]。此外，在多關(guān)節(jié)測(cè)試中，各個(gè)關(guān)節(jié)的相對(duì)位置也會(huì)影響關(guān)節(jié)之間的力矩分布。以臥推為例，當(dāng)杠鈴重量不變，而兩手間距較小時(shí)，外力到肘關(guān)節(jié)是屈肘力臂，外力到肩的力臂較小，肘關(guān)節(jié)需要產(chǎn)生伸肘力矩，肩關(guān)節(jié)負(fù)荷較小（圖3上）；而當(dāng)兩手之間距離增加，外力到肘關(guān)節(jié)是伸肘力臂，外力到肩的力臂較大，肘關(guān)節(jié)需要產(chǎn)生屈肘力矩，肩關(guān)節(jié)負(fù)荷較大（圖3下）。

圖1 伸膝力量測(cè)試的生物力學(xué)示意

3 肌肉力、長度和速度對(duì)力量測(cè)試的影響

肌肉在不同長度和速度下能夠產(chǎn)生的最大力不同。離心收縮時(shí)力最大，等長收縮時(shí)其次，向心收縮時(shí)力最小。此外，在向心收縮時(shí)，收縮速度越大，產(chǎn)生的力越??；在離心收縮時(shí)，收縮速度越大，產(chǎn)生的力越大。所以在測(cè)試關(guān)節(jié)力矩時(shí)，控制收縮方式和速度很重要。此外，肌肉在其最佳長度時(shí)產(chǎn)生的力最大，當(dāng)肌肉偏離最佳長度（縮短或者拉長），其產(chǎn)生的最大力會(huì)下降。肌肉的長度往往與關(guān)節(jié)的角度相關(guān)，比如肱二頭肌的長度會(huì)隨肘關(guān)節(jié)的增加而變長。因此，不同的肘關(guān)節(jié)角度測(cè)到的最大屈肘關(guān)節(jié)力矩不一樣。此外，肌肉具有“牽拉—收縮周期”的特征，即肌肉在向心收縮前先進(jìn)行離心收縮可以增加其力量輸出。這一個(gè)理論的最佳體現(xiàn)是有預(yù)擺的縱跳高度大于沒有預(yù)擺的縱跳高度。因此在力量測(cè)試中，關(guān)節(jié)角度、速度和有無預(yù)擺都會(huì)影響所測(cè)得的最大力或者力矩。

圖2 深蹲中關(guān)節(jié)角度與外力臂之間的關(guān)系

圖3 臥推時(shí)兩手間距與外力臂之間關(guān)系

4 動(dòng)作類型對(duì)力量測(cè)試的影響

不同的動(dòng)作類型即使使用同一肌群，其產(chǎn)生的力量也會(huì)不一樣。在開鏈動(dòng)作中，遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)相對(duì)自由而近端關(guān)節(jié)相對(duì)固定（如踢足球）。在閉鏈動(dòng)作中則相反，遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)相對(duì)固定而近端關(guān)節(jié)相對(duì)自由（如下蹲）。Biodex等動(dòng)伸膝力矩測(cè)試屬于開鏈測(cè)試動(dòng)作，而下蹲力量測(cè)試屬于閉鏈測(cè)試動(dòng)作。有數(shù)據(jù)表明在開鏈和閉鏈動(dòng)作中，大腿的肌電活動(dòng)是不一樣的[2]。此外，研究顯示，深蹲訓(xùn)練可以增加深蹲負(fù)重和縱跳高度，但并沒有顯著增加開鏈下等速伸膝力矩；臥推訓(xùn)練可以增加臥推力量，但沒有顯著增加閉鏈下俯臥撐時(shí)的最大力輸出[3]。相比坐姿水平蹬腿，負(fù)重深蹲訓(xùn)練對(duì)于縱跳高度的改善更為明顯[4]。這些發(fā)現(xiàn)都突顯出力量訓(xùn)練和測(cè)試中動(dòng)作類型和身體姿勢(shì)的重要性。動(dòng)作類型與身體姿勢(shì)不僅影響內(nèi)外力臂、力矩、肌肉力長和“力—速”關(guān)系，而且影響到神經(jīng)肌肉的適應(yīng)性和多關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)性。在力量測(cè)試及訓(xùn)練中，教練員要盡量選擇與運(yùn)動(dòng)模式相似的動(dòng)作類型。

5 傳統(tǒng)力量測(cè)試和非傳統(tǒng)力量測(cè)試比較

傳統(tǒng)的力量測(cè)試動(dòng)作包括深蹲、臥推、硬拉等。在這些測(cè)試中，測(cè)試人員可以直接測(cè)得運(yùn)動(dòng)員完成這些動(dòng)作時(shí)的最大負(fù)重，也可以通過較小負(fù)重推測(cè)最大負(fù)重。直接測(cè)試最大負(fù)重的不足之處在于：較高的受傷概率及較長的測(cè)試時(shí)間。因此，很多其他測(cè)試系統(tǒng)被用來測(cè)試力量相關(guān)指標(biāo)，包括定時(shí)門、測(cè)力臺(tái)、應(yīng)力測(cè)試儀器、縱跳毯、動(dòng)作捕捉系統(tǒng)、加速度計(jì)等[5]。定時(shí)門可用于測(cè)試動(dòng)作的速度。測(cè)力臺(tái)可以通過地面作用力來推算身體的速度、功率、起跳速度和高度[6]。應(yīng)力測(cè)試儀器可以安裝在不同儀器上以測(cè)試不同動(dòng)作中的最大力，比如等長深蹲和等長硬拉。縱跳毯通過受試者在空中的時(shí)間來測(cè)試起跳高度。動(dòng)作捕捉系統(tǒng)可以計(jì)算出位置、速度、加速度。當(dāng)測(cè)力臺(tái)和動(dòng)作捕捉系統(tǒng)同時(shí)使用，關(guān)節(jié)力矩和功率也能被計(jì)算出來[7]。加速度器可以直接測(cè)量加速度。應(yīng)用力可以通過加速度和質(zhì)量來計(jì)算。加速度和單位時(shí)間也可以計(jì)算出速度。由于力量和肌肉含量的關(guān)系，身體肌肉成分也能從一定角度反映肌肉力量[6]。相比于傳統(tǒng)的最大力量測(cè)試，功能性動(dòng)作力量測(cè)試不但在相關(guān)指標(biāo)上更接近真實(shí)的運(yùn)動(dòng)情景，而且可以降低受傷概率和縮短測(cè)試時(shí)間。

6 力量測(cè)試的應(yīng)用意義

力量測(cè)試不僅可用于檢測(cè)力量訓(xùn)練的效果以及力量與運(yùn)動(dòng)成績的關(guān)系，還可用于對(duì)疲勞的診斷和對(duì)運(yùn)動(dòng)損傷的監(jiān)測(cè)。簡潔快速的測(cè)試方法（如最大俯臥撐測(cè)試和縱跳測(cè)試中的最大力和功率）可用于監(jiān)測(cè)澳式橄欖球運(yùn)動(dòng)員的疲勞[8]。此外，當(dāng)身體左右兩側(cè)的最大力被2個(gè)不同測(cè)力臺(tái)測(cè)試的時(shí)候，兩側(cè)力量的不平衡也能反映出來。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員身體一側(cè)發(fā)生嚴(yán)重的運(yùn)動(dòng)損傷（如單側(cè)十字韌帶斷裂），往往會(huì)表現(xiàn)出身體兩側(cè)顯著的不平衡/對(duì)稱，而對(duì)力量不平衡的監(jiān)測(cè)可以用于預(yù)防損傷[7]。

7 小 結(jié)

本文介紹了一些可以影響到力量測(cè)試結(jié)果的生物力學(xué)因素。教練員在力量測(cè)試和力量訓(xùn)練中應(yīng)考慮這些因素，進(jìn)而保證力量測(cè)試的可重復(fù)和對(duì)比性，以及力量訓(xùn)練與運(yùn)動(dòng)效果之間的相關(guān)性。簡潔實(shí)用的力量測(cè)試更應(yīng)被廣泛使用，以達(dá)到監(jiān)控訓(xùn)練效果和訓(xùn)練狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)損傷風(fēng)險(xiǎn)，幫助傷后康復(fù)等目的。

[1]Fisher H, Stephenson M L, Graves K K, et al. The relationship between force production during isometric squats and knee flexion angles during landing[J]. J Strength Cond Res, 2016,30(6)：1670-1679

[2]Wilk K E, Escamilla R F, Fleisig G S, et al. A comparison of tibiofemoral joint forces and electromyographic activity during open and closed kinetic chain exercises[J]. Am J Sports Med, 1996, 24(4)： 518-527

[3]Wilson G J, Murphy A J, Walshe A. The specificity of strength training： the effect of posture[J]. Eur J Appl Physiol Occup Physiol, 1996,73(3-4)： 346-352

[4]Wirth K, Hartmann H, Sander A, et al. The impact of back squat and leg-press exercises on maximal strength and speed-strength parameters[J]. J Strength Cond Res, 2016,30(5)： 1205-1212

[5] McMaster D T, Gill N, Cronin J, et al. A brief review of strength and ballistic assessment methodologies in sport[J]. Sports Med, 2014, 44(5)： 603-623

[6]Stephenson M L, Smith D T, Heinbaugh E M, et al. Total and lower extremity lean mass percentage positively correlates with jump performance[J]. J Strength Cond Res, 2015,29(8)：2167-2175

[7]Dai B, Butler R J, Garrett W E, et al. Using groundreaction force to predict knee kinetic asymmetry following anterior cruciate ligament reconstruction[J]. Scand J Med Sci Sports, 2014, 24(6)： 974-981

[8]Roe G, Darrall-Jones J, Till K, et al. Between-days eliability and sensitivity of common fatigue measures in rugbyplayers [J].Int J Sports Physiol Perform, 2016,11(5)： 581- 586