“旋轉(zhuǎn)式技術(shù)”神經(jīng)肌肉活動的內(nèi)在規(guī)律
——以馮杰為例

尹華跟，張葆欣，黃 藝，葉萃蓬，馬 屹

(1.上饒師范學(xué)院體育學(xué)院，江西 上饒 334001；2.西安體育學(xué)院健康科學(xué)系，陜西 西安 710068；

3.貴州健康職業(yè)學(xué)院人文基礎(chǔ)部，貴州 銅仁 554300；4.嶺南師范學(xué)院體育科學(xué)學(xué)院，廣東 湛江 524048)

旋轉(zhuǎn)式推鉛球技術(shù)自1972年首次出現(xiàn)在奧運(yùn)賽場上，至今已有40余年的發(fā)展史。當(dāng)前，該項目的世界記錄是由美國著名旋轉(zhuǎn)式推鉛球運(yùn)動員巴恩斯在1990年以23.12米的成績創(chuàng)造并保持至今的[1]。近幾年，在世界田徑賽場上采用旋轉(zhuǎn)式推鉛球技術(shù)的運(yùn)動員不斷增多且屢創(chuàng)佳績。根據(jù)國外科學(xué)家推測，今后采用旋轉(zhuǎn)式推鉛球技術(shù)可將鉛球記錄在原有最高水平的基礎(chǔ)上提高2～3米，這說明該技術(shù)具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。反觀我國，旋轉(zhuǎn)式推鉛球技術(shù)卻沒有像背向滑步技術(shù)那樣在國內(nèi)田徑界產(chǎn)生較大的影響，很多教練員和運(yùn)動員對此技術(shù)還將不太認(rèn)可的態(tài)度。但隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，業(yè)內(nèi)人士開始逐步認(rèn)識到旋轉(zhuǎn)式推鉛球技術(shù)具有其獨特的優(yōu)勢并代表著今后推鉛球技術(shù)的發(fā)展趨勢，所以該技術(shù)逐漸被教練員和運(yùn)動員所關(guān)注。尤其是在近期的第十三屆全運(yùn)會上，鉛球運(yùn)動員馮杰采用旋轉(zhuǎn)式推鉛球技術(shù)奪得銅牌，超額完成了賽前預(yù)定的目標(biāo)，實現(xiàn)了陜西省在全運(yùn)會中該項目獎牌的零突破，同時也讓其他競爭對手及教練員眼前一亮。馮杰在2014年之前還是采用背向滑步推鉛球技術(shù)，并在上屆全運(yùn)會中僅以一公分之差未能進(jìn)入前八；之后由于考慮到個人年齡和傷病等問題，同時結(jié)合美國著名鉛球教練員唐·巴比特對其身體形態(tài)的評估，馮杰三次赴美進(jìn)行技術(shù)動作的更換(滑步改為旋轉(zhuǎn))。經(jīng)過三年的技術(shù)沉淀后，馮杰在國內(nèi)規(guī)格最高的賽事中獲獎，這是我國鉛球史上首例，所以具有重要的研究意義。

表面肌電(Surface Electromyogram,sEMG)信號是從皮膚表面通過電極引導(dǎo)記錄下來的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動時的生物電信號，其與肌肉的活動狀態(tài)和功能狀態(tài)之間存在不同程度的關(guān)聯(lián)性，能在一定程度上反映神經(jīng)肌肉的活動[2,3]。目前，運(yùn)用該測試系統(tǒng)進(jìn)行的肌電學(xué)研究已廣泛應(yīng)用到各個研究領(lǐng)域，在跑跳類、球類、投擲類、武術(shù)等項目中均有應(yīng)用[4]。但對于鉛球項目研究的應(yīng)用則更多地局限于背向滑步推鉛球技術(shù)。關(guān)于女子鉛球運(yùn)動員研究較多，但研究方式多為運(yùn)動學(xué)原理。關(guān)于旋轉(zhuǎn)式推鉛球技術(shù)的研究少之又少，通過文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，只在孫有平[5]、曹杰[6]、孫威[7]等研究人員近幾年的研究中有所涉及，且他們的研究多是關(guān)于單個關(guān)節(jié)和單個技術(shù)動作而非完整的投擲技術(shù)環(huán)節(jié)。

基于此，本研究運(yùn)用無線遙測肌電測試系統(tǒng)和高速攝像機(jī)對優(yōu)秀旋轉(zhuǎn)式推鉛球運(yùn)動員馮杰采用的三種不同重量鉛球訓(xùn)練的整個技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行同步測試，以獲取(各技術(shù)階段)同一時間標(biāo)準(zhǔn)和時序下的相關(guān)肌電學(xué)參數(shù)，進(jìn)而揭示三種不同重量的鉛球在完整投擲過程中對神經(jīng)肌肉活動內(nèi)在規(guī)律及機(jī)理變化特征的影響，為今后馮杰技術(shù)動作的改進(jìn)和專項力量訓(xùn)練的合理安排提供一定的理論參考。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

筆者以西安體育學(xué)院競技體校優(yōu)秀鉛球運(yùn)動員馮杰為研究對象(表1)，該運(yùn)動員在2017年賽季中獲得全國田徑室內(nèi)錦標(biāo)賽(第三站)和全國田徑投擲項群賽(第二站)亞軍以及第十三屆全運(yùn)會季軍等獎項。本研究選取的是2017年7月運(yùn)動員賽前訓(xùn)練中實驗測試的相關(guān)肌電學(xué)數(shù)據(jù)。

表1 研究對象基本情況一覽表

1.2 研究方法

1.2.1 文獻(xiàn)資料法

筆者通過萬方數(shù)據(jù)庫、中國知網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)資源平臺檢索了近10年有關(guān)投擲鐵餅和旋轉(zhuǎn)式推鉛球技術(shù)的運(yùn)動學(xué)及肌電學(xué)方面研究的文獻(xiàn)資料，并對部分文獻(xiàn)資料進(jìn)行整理、歸納，為本論文的撰寫提供了有力的理論參考依據(jù)。

1.2.2 專家訪談法

筆者在課題研究過程中，訪問了國家隊投擲組在西安冬季集訓(xùn)期間的領(lǐng)隊及部分鉛球資深教練，進(jìn)一步深化了對旋轉(zhuǎn)式推鉛球技術(shù)動作特點的理解。同時，對運(yùn)動員主管教練馬屹以及西安體院運(yùn)動生物力學(xué)、田徑等專業(yè)學(xué)科領(lǐng)域的專家就本次實驗方案設(shè)計的可行性進(jìn)行了咨詢，同時也征求了運(yùn)動員的意見。這為本研究實驗測試方案的確定與完善提供了有力的指導(dǎo)和幫助。

1.2.3 實驗法

(1)測試儀器與方法。本實驗所使用的測試儀器均源于西安體育學(xué)院國家體育總局重點實驗室。本次實驗運(yùn)用芬蘭生產(chǎn)的(Megawin6000-16)16導(dǎo)無線遙測肌電儀，對運(yùn)動員(馮杰)的10塊肌肉進(jìn)行測試，記錄下運(yùn)動員在投擲鉛球過程中受試肌肉的表面肌電圖(sEMG)。同時，采用兩臺美國PULNIX高速攝像機(jī)從投擲圈的正后面和右側(cè)面同步拍攝并記錄下動作的視頻。其表面肌電圖(sEMG)的采樣頻率為1 000 Hz,攝像機(jī)的拍攝頻率為50 Hz，每臺攝像機(jī)距離投擲圈約10 m左右，鏡頭距離地面1.1 m左右。

(2)測試肌肉的選取與電極的粘貼。根據(jù)旋轉(zhuǎn)式推鉛球和擲鐵餅技術(shù)動作結(jié)構(gòu)特點以及運(yùn)動生理學(xué)、運(yùn)動解剖學(xué)知識，結(jié)合對以往學(xué)者在相關(guān)研究中選取肌肉的方法和教練員、運(yùn)動員在運(yùn)動實踐中的認(rèn)識，選取了10塊測試肌肉，分別為左側(cè)2塊(左股二頭肌、左股四頭肌)、右側(cè)8塊(右腓腸肌后段、右股二頭肌、右股四頭肌、右臀大肌、右豎脊肌、右腹外斜肌、右胸大肌、右腕關(guān)節(jié)屈肌)。本次實驗的電極使用的是一次性心電電極片(Ag/AgCI,上海申風(fēng)醫(yī)療保健用品公司生產(chǎn))，在電極片安放前先用砂紙輕輕打磨皮膚，去掉角質(zhì)皮和汗毛，再用醫(yī)用酒精棉球清除皮膚表面的油脂等以提高電極的導(dǎo)電性。在貼放電極片時，順著肌纖維的走向?qū)蓚€記錄電極平行貼在肌肉的肌腹處，兩個電極相距2 cm，零電極則貼在肌肉的末端，并通過A/D轉(zhuǎn)換器與電腦連接。最后用彈力繃帶固定好電極，以減少噪聲對信號的干擾。具體見圖1所示。

圖1 選取測試肌肉電極片安置示意圖

(3)同步的設(shè)置。關(guān)于同步的問題，我們采用外同步方法使肌電儀和攝像機(jī)進(jìn)行同步連接，在每個攝像機(jī)前面放置一個通過串聯(lián)連接的閃光點。當(dāng)開始信號在肌電儀里面發(fā)出時，在攝像機(jī)里可以記錄到一個很亮的光源(稱作“mark點”)，從而完成技術(shù)動作在肌電和攝像中的同步工作。在數(shù)據(jù)解析的時候，根據(jù)mark點設(shè)置在采集段的兩端，截取兩個mark點間的肌電和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行同步處理。

(4)實驗方案的操作。在實驗方案確立之前，我們先咨詢了運(yùn)動員、教練員及相關(guān)專家的建議，以確保實驗的準(zhǔn)確性。在正式實驗前，先讓運(yùn)動員做10～15 min的熱身活動，以確保運(yùn)動員身體各關(guān)節(jié)都活動開；然后對不同重量的鉛球進(jìn)行試投，以提高技術(shù)的穩(wěn)定性；最后進(jìn)入正式測試，運(yùn)動員對不同重量的鉛球均投3～4次左右，并為每一次成績做記錄(具體操作見表2)。

表2 運(yùn)動員投擲不同重量鉛球?qū)嶒灢僮髑闆r一覽表

實驗測試時間為2017年7月8日上午，實驗測試地點為西安體育學(xué)院綜合田徑館。

1.2.4 數(shù)理統(tǒng)計法

采用芬蘭生產(chǎn)的Megawin肌電分析軟件對選定的肌電儀中的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、處理，以此獲得運(yùn)動過程中肌肉的放電時間順序、RMS值和iEMG值等數(shù)據(jù)。運(yùn)用SPSS Statistics17.0統(tǒng)計軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)統(tǒng)計學(xué)處理，對投擲三種不同重量鉛球的動作中肌肉的放電值進(jìn)行方差分析，并在Excel表格中制作圖表運(yùn)用到文中進(jìn)行研究分析。

2 研究結(jié)果與分析

為了更好地認(rèn)識和分析旋轉(zhuǎn)式推鉛球技術(shù)動作的特征，根據(jù)山東體育學(xué)院毛永[8]教授的研究結(jié)果，筆者將完整的旋轉(zhuǎn)式推鉛球技術(shù)劃分為五個技術(shù)階段，即雙支撐起轉(zhuǎn)階段(預(yù)擺開始—右腳離地R↑)、單支撐階段(右腳離地R↑—左腳離地L↑)、騰空階段(左腳離地L↑—右腳著地R↓)、過渡階段(右腳著地R↓—左腳著地L↓)、最后用力階段(左腳著地L↓—鉛球出手♂)。

2.1 馮杰投擲過程動作時間特征的分析

旋轉(zhuǎn)式推鉛球作為快速力量爆發(fā)型運(yùn)動項目，其影響旋轉(zhuǎn)速度的主要因素是加速的節(jié)奏，從其節(jié)奏變化可以判斷運(yùn)動員身體加速的合理性。通過表1可知，馮杰在投擲三個不同重量的鉛球時，完成動作的時間分別為3.107 s、3.03 s和3.138 s。相比之下，投擲7.26 kg鉛球完成動作時間相對較短，主要是因為雙支撐起轉(zhuǎn)階段動作結(jié)束時間較早，所以后續(xù)動作階段鉛球越轉(zhuǎn)越快。雙支撐起轉(zhuǎn)階段是整個旋轉(zhuǎn)動作的開始階段，同時也是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動量的重要時刻，運(yùn)動員應(yīng)在該階段使整個身體處于充分扭緊的準(zhǔn)備狀態(tài)，以儲備足夠的旋轉(zhuǎn)動力。但通過數(shù)據(jù)并結(jié)合影像視頻來看，7.26 kg鉛球的投擲并非如此，馮杰雙支撐起轉(zhuǎn)階段準(zhǔn)備時間不充足，投擲結(jié)果不佳，這說明技術(shù)階段完成動作時間短也并不能代表技術(shù)動作的嫻熟、穩(wěn)定以及肌肉間的發(fā)力協(xié)調(diào)。預(yù)擺開始的準(zhǔn)備時間充足才更有利于投擲技術(shù)的穩(wěn)定發(fā)揮，這在學(xué)者們對李厚林[9]、董海軍[10]和王卓識[11]的研究中都有所體現(xiàn)。在單支撐階段，馮杰投擲7.26 kg鉛球與其他兩種不同重量的鉛球相比用時較長，為0.528 s，占該投總時間的17.43 %。這與學(xué)者董海軍[10]在對我國優(yōu)秀旋轉(zhuǎn)式鉛球運(yùn)動員張俊的研究結(jié)果存在一定的差異，在該研究中張俊的單支撐階段完成時間為0.4 s。相比較，馮杰投擲三種不同重量的鉛球在單支撐階段均存在用時較長的現(xiàn)象，這表明馮杰在單支撐階段存在右腿的擺扣及左腿的蹬轉(zhuǎn)不夠積極主動的問題。騰空階段的時間是人體在無支撐狀態(tài)下的運(yùn)行時長，馮杰在相應(yīng)的投次中完成騰空階段的時間相對較短，但與張俊在該階段技術(shù)的完成時間(0.08 s)相比則顯得用時尤為長。這說明馮杰在旋轉(zhuǎn)中，外力矩消失的情況下，重心上下起伏較大，不利于右腿帶動右髖快速扣轉(zhuǎn)下壓，這使之左腿離地后不能迅速屈膝積極地向右腿靠攏，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)速度降低，耗時較長。這些問題在馮杰投擲三種不同重量的鉛球中均存在。在過渡階段，用時長短一直是學(xué)者們爭論的焦點，有的學(xué)者認(rèn)為過渡階段時間越短越好；但學(xué)者董海軍[10]對張俊的研究以及筆者自身對運(yùn)動員技術(shù)動作解析的結(jié)果認(rèn)為過渡階段并不是越短越好，因為用時短雖有利于左腳快速著地，但不利于增加兩腳之間的著地距離，這將會影響最后用力對器械的加速距離。從投擲三種不同重量鉛球的效果來看，馮杰投擲8 kg鉛球在過渡階段的完成時間與張俊在該階段的時間(0.24 s)更為吻合。但是投擲其他兩種不同重量的鉛球在過渡階段的用時長短并不能由此判定該投擲技術(shù)的好壞，只有符合運(yùn)動員自身發(fā)力的合理范圍及滿足肌肉間的協(xié)調(diào)合作才能發(fā)揮最大的輸出功率。最后用力在推鉛球技術(shù)的最后加速階段，馮杰投擲三種不同重量鉛球時的最后用力階段用時大體一致，差異不顯著，且與張俊在該技術(shù)階段用時(0.24 s)相接近。這說明馮杰在投擲鉛球時，整個下肢的蹬伸速度較快，對鉛球出手速度及投擲角度的把控較好。

從整體上看，相比投擲6 kg和7.26 kg鉛球，投擲8 kg鉛球在開始的旋轉(zhuǎn)階段，耗時相對較短；但在騰空轉(zhuǎn)過渡階段旋轉(zhuǎn)速度降低，耗時增加明顯。而在最后用力階段，完成時間上則與投擲6 kg和7.26 kg鉛球無差異。這體現(xiàn)了在旋轉(zhuǎn)過程中人體動能向鉛球充分的轉(zhuǎn)移，使“人體—器械”于旋轉(zhuǎn)中積蓄的“能量”在最后用力的動作中得到充分的“釋放”[12]，從而在一定程度上彌補(bǔ)了騰空轉(zhuǎn)過渡階段降速較多的不足。

2.2 馮杰投擲三種不同重量鉛球肌肉活動的sEMG總體描述

圖2—圖4是馮杰在投擲三種不同重量的鉛球動作過程的原始sEMG數(shù)據(jù)。筆者通過對原始sEMG中各技術(shù)階段及動作的劃分來對所測的10塊肌肉活動的強(qiáng)弱進(jìn)行定性描述。

2.2.1 投擲6 kg鉛球

圖2為馮杰投擲6 kg鉛球的動作時相與肌肉的原始sEMG測試所對應(yīng)的結(jié)果。根據(jù)圖2顯示，馮杰在該投擲過程中的旋轉(zhuǎn)階段(雙支撐起轉(zhuǎn)階段，單支撐階段、騰空階段、過渡階段)下肢肌群是主要參與活動的肌肉，軀干及上肢肌群在旋轉(zhuǎn)階段放電效果不明顯，有的肌肉甚至未被激活，在整個過程中只有右豎脊肌保持一定的持續(xù)用力。肌肉的原始sEMG放電信號最強(qiáng)的階段是最后用力階段，該階段是決定投擲成績的關(guān)鍵技術(shù)階段。在這一技術(shù)環(huán)節(jié)中，除左股二頭肌外，其他肌肉均表現(xiàn)出較強(qiáng)的肌肉活力，其中左、右股四頭肌的振幅及棘波頻率最為強(qiáng)烈，肌肉活動強(qiáng)度相對較弱的是右腹外斜肌、右胸大肌。左股二頭肌是該階段放電最弱的肌肉，這與李延軍[13]學(xué)者對張俊在該技術(shù)階段的研究結(jié)果相悖，其研究認(rèn)為左股二頭肌是最后用力階段的主要發(fā)力肌肉。所以，馮杰今后應(yīng)加強(qiáng)左股二頭肌及相關(guān)聯(lián)肌肉的專項訓(xùn)練，以彌補(bǔ)在該技術(shù)階段主要發(fā)力肌肉的放電不足。

表3 投擲三種不同重量鉛球時各技術(shù)階段完成動作時間分配統(tǒng)計表 單位：s

圖2 馮杰投擲6 kg(20.87 m)鉛球原始sEMG圖

2.2.2 投擲7.26 kg鉛球

圖3為馮杰投擲7.26 kg鉛球時，相與肌肉的原始sEMG測試結(jié)果。根據(jù)圖3所示，馮杰在該投擲練習(xí)中右豎脊肌在旋轉(zhuǎn)階段均一定的持續(xù)用力，但在最后用力階段則出現(xiàn)放電不明顯的跡象。這與上述馮杰投擲6 kg鉛球的原始sEMG在該階段存在顯著差異，同時與王琨[14]學(xué)者在其研究中認(rèn)為右豎脊肌在整個投擲過程中應(yīng)保持一定的持續(xù)收縮能力來固定豎直軀干以保證旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性的結(jié)論不一致。從而進(jìn)一步說明了馮杰在旋轉(zhuǎn)過程中，右豎脊肌固定豎直軀干穩(wěn)定性不足的問題。另外，左股二頭肌、右腹外斜肌、右胸大肌在最后用力階段肌肉活動強(qiáng)度較弱，尤其是右胸大肌在整個技術(shù)環(huán)節(jié)中存在未被激活的問題。右腕關(guān)節(jié)屈肌則在最后用力鉛球出手瞬間出現(xiàn)一次最大的放電信號，這說明馮杰在該階段積極伸臂促使鉛球急速有力地向前推出。

2.2.3 投擲8 kg鉛球

圖4為馮杰投擲8 kg鉛球的動作時相與肌肉的原始sEMG測試結(jié)果。根據(jù)圖4所示，馮杰在該投擲過程中右豎脊肌保持著一定的持續(xù)用力，其放電強(qiáng)度在最后用力階段要明顯好于7.26 kg鉛球。左股二頭肌在之前投擲6 kg、7.26 kg鉛球的最后用力階段，原始sEMG中存在未被激活的跡象，但在該投擲的技術(shù)環(huán)節(jié)中出現(xiàn)一次最強(qiáng)的放電。另外，右腹外斜肌和右胸大肌在該階段放電效果相對明顯，其他肌肉也在該階段出現(xiàn)了一種“爆發(fā)式”肌肉活動。從整體上看，該投擲階段各塊肌肉放電效果呈現(xiàn)出由下往上、從右至左再右的傳遞過程，肌肉收縮與放松效果明顯，富有節(jié)奏感，呈現(xiàn)出“一張一弛”的狀態(tài)。

圖3 馮杰投擲7.26 kg(18.58 m)鉛球原始sEMG圖

圖4 馮杰投擲8 kg(16.79 m)鉛球原始sEMG圖

2.3 馮杰投擲三種不同重量鉛球肌肉活動的RMS特征分析

表4 投擲三種不同重量鉛球時各技術(shù)階段肌肉活動的RMS統(tǒng)計表 單位：uV

2.4 馮杰投擲三種不同量鉛球肌肉活動的iEMG特征分析

積分肌電(iEMG)是指在一定時間內(nèi)肌肉參與活動的運(yùn)動單位的放電總量，即在時間不變的前提下，其值大小在一定程度上反映了參加工作的運(yùn)動單位的數(shù)量多少和運(yùn)動單位的放電大小，這是評定肌纖維參與多少的重要指標(biāo)[2,15,16]。肌肉做功貢獻(xiàn)率是指在完成某一工作時，在一定時間內(nèi)某一塊肌肉的積分肌電值占參與該動作全部肌肉積分肌電總值的百分比，這在一定程度上可以反映一塊肌肉在完成一個動作中的比重或重要性[17]。兩者主要是通過對不同骨骼肌的積分肌電值進(jìn)行比較來評價不同骨骼肌的貢獻(xiàn)程度，從而有針對性地設(shè)計專項力量訓(xùn)練手段，提高訓(xùn)練效果。

表5 投擲三種不同重量鉛球時完整技術(shù)動作肌肉活動的iEMG統(tǒng)計表 單位：uV.s

表6 投擲三種不同重量鉛球時完整技術(shù)動作肌肉做功貢獻(xiàn)率(%)統(tǒng)計表

圖5 投擲三種不同重量鉛球時肌肉活動的積分肌電、貢獻(xiàn)率平均值示意圖

3 結(jié)論

(1)雙支撐起轉(zhuǎn)階段(R↑)準(zhǔn)備時間充分，更有利于投擲技術(shù)的穩(wěn)定。

(2)左股四頭肌和右股二頭肌在整個動作過程中是主要用力肌肉，今后應(yīng)該注意加強(qiáng)訓(xùn)練，特別是股后肌肉群的訓(xùn)練。

(3)右豎脊肌除在投擲7.26 kg鉛球的最后用力階段(♂)放電不足外，但在投擲6 kg和8 kg鉛球的整個技術(shù)階段中均表現(xiàn)出較好的放電水平。

(4)投擲6 kg和8 kg鉛球的肌肉激活效果要好于7.26 kg鉛球，尤其是投擲8 kg鉛球效果最為明顯。在今后的專項技術(shù)練習(xí)中可以多采用6 kg和8 kg鉛球訓(xùn)練來鞏固并提高投擲技術(shù)的穩(wěn)定性。

(5)肌肉活動與主動用力大小的順序是右豎脊肌、右臀大肌、左股四頭肌、右股二頭肌、左股二頭肌、右腓腸肌后段、右股四頭肌、右腹外斜肌、右腕關(guān)節(jié)屈肌、右胸大肌。在整個投擲過程中右豎脊肌、右臀大肌、左股四頭肌、右股二頭肌作用較大，值得深入研究并加強(qiáng)鍛煉。