上海女子自行車運(yùn)動員沖刺騎行中的下肢運(yùn)動學(xué)評價

何俊良，許以誠，馬國強(qiáng)

女子短距離自行車項(xiàng)目是上海市的優(yōu)勢項(xiàng)目，在剛結(jié)束的第十二屆全國運(yùn)動會上，上海自行車隊(duì)短距離項(xiàng)目奪取了優(yōu)異的成績。全運(yùn)會過后，上海自行車短距離項(xiàng)目怎樣在國內(nèi)保持優(yōu)勢，在國際賽場上取得更好成績，對短距離自行車運(yùn)動員的騎行技術(shù)進(jìn)行技術(shù)診斷無疑是一次有效的科學(xué)訓(xùn)練嘗試。

速度能力一直是自行車運(yùn)動員最為重要的能力，包括啟動加速能力（爆發(fā)力）和高速維持能力（速度耐力）。45 s全力沖刺騎行訓(xùn)練是上海自行車隊(duì)女子運(yùn)動員常用的速度能力訓(xùn)練方法。已有研究表明，在自行車全力沖刺騎行后期，自行車運(yùn)動員會減少踝關(guān)節(jié)的移動，使下肢踏蹬動作僅限于髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的屈伸動作[1]。該研究提示，在全力沖刺騎行中，不同運(yùn)動員的速度能力特點(diǎn)可能通過一些運(yùn)動學(xué)參數(shù)及其變化體現(xiàn)出來。

本文通過對女子自行車運(yùn)動員全力沖刺騎行的下肢運(yùn)動學(xué)分析，探討不同水平運(yùn)動員速度能力的特點(diǎn)，篩選評價下肢踏蹬技術(shù)的運(yùn)動學(xué)指標(biāo)，為上海自行車女子短距離運(yùn)動員提供個性化訓(xùn)練建議。

1 對象與方法

1.1 研究對象

選取上海市自行車隊(duì)短距離項(xiàng)目女子運(yùn)動員4名。受試運(yùn)動員具體信息見表1。

表1 受試自行車運(yùn)動員基本信息表Table I Basic Information of the Subjects

受試運(yùn)動員身體健康狀況良好，實(shí)驗(yàn)前24 h未從事劇烈運(yùn)動，半年內(nèi)無下肢創(chuàng)傷史，受試當(dāng)日無肌肉疲勞癥狀、精神狀態(tài)良好。

1.2 研究方法

本研究使用的三維紅外運(yùn)動捕捉系統(tǒng)為由9臺瑞典QUALISYS公司生產(chǎn)的OQUS400紅外攝像頭組成，本次研究中采樣頻率為120 Hz，采集軟件為QUALISYS自帶軟件 QTM （Qualisys Track Manager），軟件版本為QTM 2.7。所有攝像頭由其自帶的同步裝置進(jìn)行同步捕捉。本次研究中，三維紅外運(yùn)動捕捉系統(tǒng)攝像頭布局如圖1所示。

圖1 三維紅外運(yùn)動捕捉系統(tǒng)鏡頭構(gòu)成圖Figure 1 Camera Composition of the Three-dimensional Motion Capture System

在受試者身上貼放50處Mark反光點(diǎn)。包括骨盆部分6點(diǎn)，即雙側(cè)髂前上棘點(diǎn)、髂后上棘點(diǎn)、髂嵴最高點(diǎn)；雙側(cè)下肢18點(diǎn)，包括雙側(cè)股骨大轉(zhuǎn)子點(diǎn)、大腿跟蹤點(diǎn)（用弧形塑料板綁于大腿中段，塑料板上放置4點(diǎn)呈矩形排列）、股骨外上髁點(diǎn)、股骨內(nèi)上髁點(diǎn)、小腿跟蹤點(diǎn)（用弧形塑料板綁于小腿中段，塑料板上放置4點(diǎn)呈矩形排列）、腓骨外髁點(diǎn)、脛骨內(nèi)髁點(diǎn)；雙側(cè)足部共8點(diǎn)，包括雙側(cè)第一跖趾關(guān)節(jié)點(diǎn)、第五跖趾關(guān)節(jié)點(diǎn)、足跟點(diǎn)、足面跟蹤點(diǎn)。

踏頻數(shù)據(jù)采集裝置為德國產(chǎn)SRM自行車測功儀，型號為場地?zé)o線版。

本次測試要求受試運(yùn)動員使用場地自行車于滾筒之上進(jìn)行全力沖刺騎行，測試用LOOK 496場地自行車（法國）上安裝無線版場地SRM系統(tǒng)（德國）。以測試人員口令為開始信號，同步進(jìn)行運(yùn)動學(xué)與踏蹬頻率采集受試運(yùn)動員進(jìn)行45 s全力沖刺騎行數(shù)據(jù) （測試準(zhǔn)備開始之前由測試人員抓扶自行車后端使受試運(yùn)動員保持平衡）。受試者被要求全程保持坐騎，并盡最大努力完成每一腳踏蹬，采集全力騎行45 s的下肢運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)。使用Visual3D軟件計(jì)算出受試者的運(yùn)動學(xué)相關(guān)參數(shù)。

1.3 測試指標(biāo)

本文主要選取自行車踏頻、踏板速度、下肢關(guān)節(jié)活動度等指標(biāo)進(jìn)行分析研究，測試結(jié)果選取開始加速1.5 s、速度平穩(wěn)期1.5 s和結(jié)束前1.5 s這3個時期進(jìn)行分析 （3個時期分別記為開始階段、中間階段、結(jié)束階段）[2]。

自行車踏頻指受試運(yùn)動員在1 min內(nèi)踏板轉(zhuǎn)動的圈數(shù)。踏板速度指踏板轉(zhuǎn)動的線速度，本次研究中受試運(yùn)動員左足第五跖趾關(guān)節(jié)點(diǎn)的線速度表示，不考慮速度向量的方向性。用以間接表示受試運(yùn)動員的騎行速度，從而體現(xiàn)受試運(yùn)動員在整個全力沖刺騎行中的速度能力。各階段的最大踏板速度，選取該階段左足跖趾關(guān)節(jié)點(diǎn)最大線速度；最小踏板速度則選取最大踏板速度同一踏蹬周期的左足跖趾關(guān)節(jié)點(diǎn)的最小線速度。各階段踏板速度差值通過最大踏板速度減去最小踏板速度得出。

下肢關(guān)節(jié)活動度指雙側(cè)下肢髖、膝、踝三關(guān)節(jié)的活動度。髖關(guān)節(jié)活動度通過計(jì)算骨盆與大腿的環(huán)節(jié)內(nèi)角最大值與最小值之差得出。膝關(guān)節(jié)活動度是通過計(jì)算大腿與小腿的環(huán)節(jié)內(nèi)角最大值與最小值之差得出。踝關(guān)節(jié)活動度是通過計(jì)算小腿與足的環(huán)節(jié)內(nèi)角最大值與最小值之差得出。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本研究中的所有數(shù)據(jù)均通過EXCEL 2003軟件計(jì)算得出。

2 研究結(jié)果

2.1 自行車踏頻

通過全程踏頻曲線來看（見圖2），鐘××全程踏頻曲線峰值不高、加速階段曲線斜率也不大、曲線在較高的踏頻范圍（140 rpm以上）維持時間為30.5 s、后期曲線最小值大、后期曲線下降斜率小。徐××全程踏頻曲線峰值不高、加速階段曲線斜率也不大、曲線并沒有能夠達(dá)到較高的踏頻范圍 （140 rpm以上）。顧××全程踏頻曲線峰值最高、加速階段曲線斜率較大、曲線在較高的踏頻范圍（140 rpm以上）維持時間為30 s、后期曲線最小值小、后期曲線下降斜率大。姚××全程踏頻曲線峰值尚可、加速階段斜率最大、曲線在較高的踏頻范圍（140 rpm以上）維持時間為30 s、后期曲線最小值較大、后期曲線下降斜率較小。

圖2 女子自行車運(yùn)動員45s全力沖刺騎行踏頻曲線圖Figure 2 Pedaling Frequency Curve of the Female Cyclists during the 45s Sprint Riding

2.2 踏板速度

表2可見踏板速度在2.8 m/s以上屬于較大的速度，為本次受試運(yùn)動員中較高水平。鐘××踏板速度最大值能夠兩次達(dá)到2.8 m/s以上，分別是開始階段和中間階段（2.85 m/s和2.88 m/s）。在4名受試運(yùn)動員中，也只有鐘××能夠有兩階段踏板速度達(dá)到2.8 m/s以上，但是速度差值相對較大（3個時期分別為 0.84 m/s、0.72 m/s、0.77 m/s）。 徐××最高速度低（為2.44 m/s），且整體速度最大值均不高（中間時期為2.30 m/s，結(jié)束時期為1.12 m/s），結(jié)束時期較開始時期下降較為明顯（＞1m/s）。3個時期速度差值均較?。ǚ謩e為 0.53 m/s、0.51 m/s和 0.23 m/s）。 顧××3個階段的踏板速度最大值的平均值為2.67 m/s，在所有受試運(yùn)動員中排名第三，但其在開始階段踏板速度最大值達(dá)到2.89 m/s，為女運(yùn)動員中最大值，開始階段與結(jié)束階段的踏板速度最大值差為0.46 m/s，在所有受試運(yùn)動員中排名第三。姚××3個階段的踏板速度最大值的平均值為2.71 m/s，在所有受試運(yùn)動員中僅次于鐘××。開始階段與結(jié)束階段的踏板速度最大值差為0.37 m/s，與鐘××的 0.08 sm/s相比還是存在差距。在3個時期速度差值相對較大（0.76 m/s、0.74 m/s、0.65 m/s）。

表2 沖刺騎行測試3個階段的踏板速度變化一覽表Table IIChange of the Pedaling Speed during the Three Stages of Sprint Riding

2.3 下肢髖、膝、踝關(guān)節(jié)活動度

如表 3所示，鐘××、顧××、姚××3 名運(yùn)動員發(fā)生了結(jié)束階段較開始階段踝關(guān)節(jié)活動度減少，髖關(guān)節(jié)活動度增加的現(xiàn)象。尤其以兩名一級運(yùn)動員運(yùn)動員顧××和姚××較為明顯，左踝關(guān)節(jié)下降幅度都超過了10°（顧××為 23.789°，姚××為 16.931°），而她們右踝關(guān)節(jié)活動度下降幅度卻沒有左踝關(guān)節(jié)顯著（顧××為13.224°，姚××為 4.254°）。

表3 沖刺騎行測試3個階段的下肢關(guān)節(jié)活動度變化一覽表Table III Change of the ROM of the Lower Limbs during the Three Stages of Sprint Riding

3 分析討論

針對自行車運(yùn)動短距離項(xiàng)目而言，速度能力是極為重要的。優(yōu)秀的速度能力應(yīng)當(dāng)表現(xiàn)為強(qiáng)大的啟動加速能力（從靜止?fàn)顟B(tài)加速到最大速度），良好的維持高速能力（在競賽中能將速度維持在一個高水平）。

踏蹬頻率能夠顯示自行車運(yùn)動員速度能力的水平，而45 s全程沖刺騎行的踏頻曲線則可以反映出運(yùn)動員的速度能力特點(diǎn)。鐘××測試全程的踏頻變化提示該運(yùn)動員的專項(xiàng)速度能力特點(diǎn)為：維持高速能力突出，加速能力強(qiáng)；而顧××和姚××的踏頻曲線均顯示出運(yùn)動員的速度能力特點(diǎn)為，加速能力強(qiáng)；但姚××的維持速度能力較弱，后期騎行速度下降較為嚴(yán)重。這一現(xiàn)象也能夠充分地與他們的運(yùn)動成績相互印證，姚××的運(yùn)動成績要差于鐘××和顧××。自行車踏頻曲線能夠從整體上顯示受試運(yùn)動員的速度能力特點(diǎn)，通過對曲線的分析為進(jìn)一步對受試運(yùn)動員做踏蹬動作技術(shù)下肢運(yùn)動學(xué)分析奠定基礎(chǔ)。通過明確不同運(yùn)動員的速度能力特點(diǎn)，有助于今后更好地制定訓(xùn)練側(cè)重點(diǎn)和調(diào)整項(xiàng)目的技戰(zhàn)術(shù)。

同樣，通過分析踏板速度變化也發(fā)現(xiàn)，鐘××能獲得的最大速度較大、保持高速度的能力很強(qiáng)。鐘××3個階段的踏板速度最大值的平均值為2.83 m/s，在所有受試運(yùn)動員中最大，并且開始階段與結(jié)束階段的踏板速度最大值差為0.08 m/s，為所有受試運(yùn)動員中最小。這表明鐘××的速度能力，無論是啟動加速能力，還是維持高速能力都較其他運(yùn)動員具備一定的優(yōu)勢，并且維持高速能力優(yōu)勢明顯。

維持高速的能力是運(yùn)動員獲得優(yōu)秀成績的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而在沖刺騎行中后期出現(xiàn)的速度下降現(xiàn)象，是一種正常的生理現(xiàn)象。怎樣減弱這種生理現(xiàn)象，則取決于機(jī)體抵抗疲勞反應(yīng)，尤其是下肢肌肉群抵抗疲勞反應(yīng)的能力[3]。

本次研究中發(fā)現(xiàn)，受試運(yùn)動員全力沖刺騎行到了中后期，發(fā)生踝關(guān)節(jié)活動度減小、髖關(guān)節(jié)活動度增加的現(xiàn)象。并呈現(xiàn)隨著運(yùn)動員的運(yùn)動水平降低，左踝關(guān)節(jié)活動度減小程度增大的趨勢。這可能由于全力沖刺騎行后期機(jī)體產(chǎn)生疲勞，特別是小肌肉群控制的關(guān)節(jié)（如踝關(guān)節(jié)）疲勞反應(yīng)最大，為了繼續(xù)保持高速騎行，于是就發(fā)生了大肌肉群控制的關(guān)節(jié)（如髖關(guān)節(jié)）代償?shù)默F(xiàn)象[3]。

由于踝關(guān)節(jié)跖屈肌可將下肢產(chǎn)生的功率傳遞到踏板，因此減少踝關(guān)節(jié)運(yùn)動能夠增加關(guān)節(jié)剛度，從而減少疲勞狀態(tài)下踝關(guān)節(jié)的能量流失[4]。

在每個踏蹬圓周內(nèi)減少踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動還可將騎行簡化為一個雙關(guān)節(jié)屈伸動作，以便在中樞和/或外周疲勞狀態(tài)下更容易進(jìn)行協(xié)調(diào)。研究報(bào)道，當(dāng)受試者出現(xiàn)疲勞時，自由度的減小能夠簡化動作需求，這些特定關(guān)節(jié)的變化在拉鋸動作、跳躍、投擲、雙手瞄準(zhǔn)和舉重中均有報(bào)道[5]。就自行車短距離項(xiàng)目而言，這可能是影響速度耐力的因素之一。

可以認(rèn)為，下肢肌肉小肌群，主要是踝關(guān)節(jié)附近的小肌群是在全力沖刺騎行中后期最容易受到機(jī)體疲勞影響的部分，從而產(chǎn)生了全力沖刺騎行中后期踝關(guān)節(jié)活動度降低現(xiàn)象，這在一定程度上影響了下肢鏈將人體做功傳遞到自行車踏板，從而造成踏頻下降、踏板速度降低的情況。這也印證了先前研究者關(guān)于自行車運(yùn)動員全力沖刺后期腓腸肌外側(cè)肌肉肌電中位頻率下降特別明顯的研究結(jié)果，訓(xùn)練中可適當(dāng)增加下肢小肌肉群的速度耐力訓(xùn)練[6]。

明確不同運(yùn)動員的速度能力特點(diǎn)，可以針對性地采用不同的技術(shù)來發(fā)揮運(yùn)動員的最大能力。啟動加速能力與維持高速能力同樣重要，而維持高速能力的不同則能夠較好的體現(xiàn)運(yùn)動員運(yùn)動成績的優(yōu)劣。

在訓(xùn)練實(shí)踐中，通過提高技術(shù)動作的有效性、降低損耗，能夠更好地發(fā)揮速度能力。教練員通常要求運(yùn)動員表現(xiàn)出踏蹬動作“圓滑”，這是指自行車踏蹬一周時，牙盤上各角度的角速度趨向恒定[7]。在同樣的牙盤半徑條件下，踏板速度差值也能在一定程度上反映受試運(yùn)動員踏蹬動作的“圓滑”程度。

本研究發(fā)現(xiàn)，所有受試運(yùn)動員踏頻在接近100～130 rpm范圍內(nèi)時，踏板速度差值有變小的趨勢，尤其以徐××的自行車踏頻曲線最為明顯，這也印證了先前研究者關(guān)于自行車運(yùn)動員在100～130 rpm踏頻狀態(tài)下，運(yùn)動員的踏蹬“圓滑度”最好的研究結(jié)論[8]。

“圓滑”的踏蹬技術(shù)能夠增加踏蹬動作的有效性，能夠獲得更大的專項(xiàng)速度，降低沖刺騎行后期速度下降的幅度。而鐘××的踏板速度差值較大，表明在全力騎行過程中其踏蹬動作并不夠“圓滑”。如果能夠在今后的訓(xùn)練中加強(qiáng)鐘××技術(shù)動作有效性的訓(xùn)練，使其踏蹬用動作更加符合“圓滑”這一技術(shù)要求，將能夠在專項(xiàng)成績上取得突破。

4 結(jié)論

4.1 在45 s全力沖刺騎行測試中，自行車踏頻曲線、踏板速度能夠反映自行車運(yùn)動員全力沖刺騎行的速度能力及特點(diǎn)。而踏板速度差值則能在一定程度上反映自行車騎行踏蹬動作的“圓滑度”。

4.2 4名運(yùn)動員中，鐘××全力沖刺騎行各階段平均速度較高，速度耐力較好，但騎行踏蹬“圓滑度”仍需進(jìn)一步提高；顧××和姚××速度能力的短板主要表現(xiàn)為后程降速明顯。

4.3 在場地自行車全力沖刺騎行中，后程降速的程度是體現(xiàn)我國女子場地自行車運(yùn)動員速度水平的重要指標(biāo)。

4.4 場地自行車全力沖刺騎行后期，運(yùn)動員的踝關(guān)節(jié)活動度有所下降，但高水平運(yùn)動員降幅較小，踝關(guān)節(jié)活動度下降可能是影響自行車短距離項(xiàng)目運(yùn)動員速度耐力的因素之一?？稍诮窈笥?xùn)練中增加下肢小肌肉群的速度耐力訓(xùn)練。

參考文獻(xiàn)：

[1]Murian A.,Deschamps T.,Bourbousson J.,et al.Influence of anexhausting muscle exercise on bimanual coordination stability and attentionaldemands[J].Neurosci.Lett.,2008,432(1),64-68.

[2]James C.,Martin,Nicholas A.,Brown T.Joint-specific power production and fatigue during maximal cycling[J].Journal of Biomechanics,2009,42:474-479.

[3]Allen D.,Lamb G.,Westerblad D.H.Skeletal muscle fatigue:cellular mechanisms[J].Physiol.Rev.,2008,88(1):287-332.

[4]Mornieux G,.Guenette J.,Sheel A.W.,et al.Influence of cadence,power output and hypoxia on the joint moment distribution during cycling[J].Eur.J.Appl.Physiol.,2007,102(1):11-18.

[5]Zajac F.E.,Neptune R.R.,Kautz S.A.Biome chanic sandmusclecoor dination of human walking.PartI:intro-duction to concepts,power transfer,dynamics andsimulations[J].GaitPosture,2002,16(3):215-232.

[6]黃勇,王樂軍,龔銘新,等.自行車運(yùn)動員下肢肌肉sEMG特征及與輸出功率的相關(guān)性[J].上海體育學(xué)院學(xué)報(bào),2010,34(5):64-67.

[7]熊開宇,全如璐,延烽,等.自行車踏蹬圓滑度測定分析系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[J].中國體育科技,1999,35(7):36-38.

[8]鄭曉鴻,延烽.當(dāng)前我國場地自行車項(xiàng)目高水平女子運(yùn)動員踏蹬狀態(tài)的初步研究[J].北京體育師范學(xué)院學(xué)報(bào),1997,9(2):28-36.