能量消耗C指標在評價乒乓球運動員多球練習中能量消耗的應用*

黎涌明， 李 博， 王欣欣， 王 艷， 顧 楠

(1. 上海體育學院體育教育訓練學院， 2. 上海體育學院中國乒乓球學院， 上海 200438)

能量消耗C(energy cost)是指身體每前進單位距離所消耗的高于安靜值的能量，其單位為J·m-1、kJ·km-1、J·m-1·kg-1或kJ·km-1·kg-1[1]。當運動強度低于無氧閾時，無氧部分的能量供應可以忽略不計，能量供應幾乎全部來自有氧供能系統(tǒng)，因此能量消耗C的單位也可用ml O2·m-1·kg-1[2]。鑒于Energy Cost和Energy Expenditure都可翻譯為能量消耗，本文分別使用能量消耗C和能量消耗將二者予以區(qū)分。研究表明，陸上周期類運動方式(步行除外)的能量消耗C隨速度的增加而增加(考慮空氣阻力)或保持不變(忽略空氣阻力)[3]，水上/中周期類運動方式的能量消耗C隨速度的增加而增加(考慮水阻)[4]。這一指標可以反映人類不同運動方式或同一運動方式不同運動水平的運動效率[1]，也可用于更為準確地計算周期類體力活動的能量消耗E[3]。自1919年首次報道人類步行的能量消耗C以來，有關能量消耗C的研究涵蓋了陸上和水上/中的多種周期類運動項目[4, 5]，但并未涉及非周期類運動項目。

相比于周期類運動項目的單一動作重復，非周期類運動項目的技術復雜性更強，其比賽過程往往是多個不同動作的組合。為了提高比賽中技術的精準性和有效性，非周期類運動項目在訓練中經常將復雜動作分解為單一動作，然后進行重復性練習。乒乓球屬于典型的非周期類運動項目，運動員在比賽中需要根據(jù)對手的回球使用不同的步法和擊球動作[6]。在眾多技術動作中，正手前沖弧圈是運動員主要的進攻和得分技術。為了提高這一技術的成功率和得分率，運動員常采用多球練習(如>100球或>3 min)[7]，且這一類型的練習可占高水平運動員訓練的～30%之多[8]。因此，乒乓球正手前沖弧圈多球練習為將周期類運動項目中的能量消耗C指標拓展到非周期類運動項目提供了可能。相比于周期類運動項目中能量消耗C的定義，乒乓球多球練習的能量消耗C的定義可以修改為身體每擊1次球所消耗的高于安靜值的能量(單位可為J·stroke-1或J·stroke-1·kg-1，這一定義同樣適用于其他持拍類運動項目的多球練習)。

鑒于此，本研究擬選取具有較高運動水平的大學乒乓球運動員進行正手前沖弧圈技術的遞增頻率測試，探究運動員在不同擊球頻率下正手前沖弧圈每擊1球所消耗的能量(能量消耗C)。為了進一步比較正手與反手前沖弧圈多球練習能量消耗C的差異，本研究也安排了反手測試。鑒于周期類運動項目在不考慮風阻或水阻情況下的能量消耗C隨速度的增加保持不變，本研究假設乒乓球正手和反手前沖弧圈多球練習的能量消耗C隨擊球頻率的增加保持不變，且正手前沖弧圈多球練習的能量消耗C高于反手。

1 對象與方法

1.1 研究對象

來自某大學乒乓球代表隊的11名健康大學生乒乓球運動員(5女6男，18±1 yrs，171±8 cm，65±8 kg，峰值攝氧量[VO2peak] 44.5±6.1 ml·min-1·kg-1)自愿參加本次研究，并簽署知情同意書。所有運動員運動等級都≥國家二級，平均具有10年的乒乓球訓練年限，目前周訓練量為>15 h。所有受試者熟悉測試流程，知曉測試可能存在的風險和不適，并被要求在研究期間保持日常飲食習慣，測試前1 d避免進行高強度體力活動，測試前2 h避免進食(但可正常補液)。

1.2 測試流程

受試者在1周內都進行了1次跑臺(pulsar 3p, h/p/cosmos, Germany)遞增負荷測試和2次乒乓球發(fā)球機(V-989H, TaiDe, China)多球遞增頻率測試，每兩次測試間間歇>24 h。3次測試過程中，運用便攜式氣體代謝儀(K4b2, Cosmed, Italy)和心率監(jiān)控儀(Polar Accurex Plus, Polar Electro Oy, Finland)對運動員的呼吸氣體和心率進行測量。測試前嚴格按照廠家要求對氣體代謝儀進行校準(校準氣筒為3 L，校準標準氣體濃度為：O2: 16.00 %，CO2: 5.09 %)。測試所處的海拔、溫度、濕度和氣壓分別為～5 m、20 ℃、～60 %和～1 015 mbar。

1.2.1 跑臺遞增負荷測試 跑臺遞增負荷測試采用Bruce測試方案，起始速度和坡度分別為1.7 mph和10%，每3 min進行速度或坡度的遞增，詳細運動方案和運動終止標準參見文獻[9]。運動員跑步過程中使用安全帶進行保護。運動終止前30 s的平均攝氧量(VO2)被定義為VO2peak。運動前、運動結束后第1、3、5、7、10分鐘從耳垂各采血10 μl，并運用乳酸分析儀(Biosen C_line, EKF Diagnostic, Germany)進行分析。

1.2.2 發(fā)球機3 min × 6級多球遞增頻率測試 受試者分別使用正手和反手前沖弧圈技術進行2次測試。測試用球為中國乒乓球協(xié)會認證用球(塑料球：40 mm/白色/一星，DHS，中國)。測試方法參照Zagatto等人的方法[10]，由6級組成，每級3 min，級間間歇1 min。使用發(fā)球機按照特定頻率進行定點發(fā)球(參數(shù)為：落點10，上旋8，下旋2，弧圈4)，落點為受試者持拍側(正手擊球)或非持拍側(反手擊球)桌面角落區(qū)域，6級發(fā)球頻率分別為35、45、55、65、75、85 stroke·min-1(發(fā)球機的頻率區(qū)間為20～90 stroke·min-1)。受試者被要求運用前沖弧圈技術全力將球向對面球臺的對角區(qū)域回擊。連續(xù)4次回擊失誤(未回擊到指定區(qū)域)則視為疲勞，測試終止[10]。本測試中所有受試者均完成了所有6級的測試。擊球過程中，受試者被要求不能有步法移動。測試前，受試者進行5 min熱身，熱身練習為回擊發(fā)球機6種不同頻率(見上)的發(fā)球。熱身結束后，受試者休息5 min，之后開始正式測試。受試者全程(準備活動開始至運動終止后6 min)佩戴便攜式氣體代謝儀和心率監(jiān)測儀，選取每級最后1 min的平均VO2和HR代表這一級的VO2和HR。受試者全程佩戴心率監(jiān)測儀。準備活動前，第一級測試前即刻，每兩級測試間歇，最后一級結束后1、3、5、7、10 min，采集受試者耳垂血各10 μl。運用每級結束時即刻的血乳酸減去上一級結束即刻的血乳酸即得到運動員的累積血乳酸。選用Borg 10級量表(1-10)，在每級結束后即刻詢問受試者的主觀疲勞感(RPE)[11]。

1.3 能量消耗C計算

運用基于每級高于安靜值的累積攝氧量、每級血乳酸累積量、每級運動后攝氧量動力學的快速部分的方法對乒乓球多球遞增頻率測試中的每級運動進行能量供應的計算[12]。為方便確定安靜攝氧量，本研究統(tǒng)一采用女性3.5 ml·min-1·kg-1，男性4.0 ml·min-1·kg-1的站立安靜值。采用3.0 ml·kg-1·mmol/L-1的氧氣-乳酸換算當量將乳酸值換算成氧氣值。在Excel中采用雙指數(shù)公式確定運動后過量氧耗的快速部分[13]。此外，由于每兩級測試間間歇只有1 min，不足以直接進行磷酸原供能的計算，本研究假設每兩級間的磷酸原再合成量一樣，且與第6級結束后的第1 分鐘相同[12]。采用20.9 kJ·l-1的能量當量(對應的呼吸商為0.96)將VO2換算成能量[5]。每一級的總能量供應量為三大供能系統(tǒng)能量供應量之和。將每一級的總能量供應量除以每一級的揮拍數(shù)和受試者的體重，可得到每一級每揮1次拍(或每擊1次球)所消耗的能量(J·stroke-1·kg-1)。

1.4 統(tǒng)計學處理

2 結果

受試者跑臺遞增速度測試中得到的VO2peak為44.5±6.1 ml·min-1·kg-1,峰值血乳酸為14.3±2.5 mmol·L-1。6種擊球頻率下，正手擊球對應的生理學強度均高于反手擊球(35，75 stroke·min-1的血乳酸除外，表1)。其中，心率的差異在45、55、65和85 stroke·min-1的頻率下顯著(P<0.05)；VO2和%VO2peak(每級VO2占VO2peak的百分比)的差異在35、45、55、65和85 stroke·min-1時顯著(65 stroke·min-1時的絕對值除外，P<0.05)。6種擊球頻率下，正手擊球和反手擊球對應的RPE相似(P>0.05)。

正反手前沖弧圈擊球的能量消耗C與擊球頻率的乘冪回歸函數(shù)分別為y=166.4x-0.731(R2= 0.9731)和y=33.21x-0.392(R2=0.8423)，其中y為能量消耗C(單位為J·stroke-1·kg-1)，x為擊球頻率(單位為stroke·min-1)。正手和反手前沖弧圈擊球的能量消耗C隨頻率的增加分別從(11.8±2.8) J·stroke-1·kg-1逐漸減少到(6.5±0.7) J·stroke-1·kg-1(P<0.05)，從(7.6±2.7) J·stroke-1·kg-1逐漸減少到(5.6±1.1) J·stroke-1·kg-1(P<0.05)。6種頻率下，正手前沖弧圈擊球的能量消耗C高于反手，且在35、45、55、65和85 stroke·min-1時差異顯著(P<0.05，圖1)。

Frequency(stroke·min-1)IndexForehandBackhand35RPE1.1±0.90.9±0.7HR(beats/min)121±11111±13Bla(mmol·L-1)1.49±0.311.50±0.41VO2(L·min-1)1.598±0.4481.059±0.459#(ml·min-1·kg-1)24.4±5.215.9±5.4#%VO2peak(%)54.9±9.736.0±12.5#45RPE1.9±1.41.9±1.2HR(beats/min)132±10125±25#Bla(mmol·L-1)1.71±0.401.70±0.42VO2(L·min-1)1.690±0.4331.324±0.542#(ml·min-1·kg-1)25.8±5.219.9±6.4#%VO2peak(%)58.3±9.945.3±14.9#55RPE3.0±1.93.3±1.6HR(beats/min)144±15127±20#Bla(mmol·L-1)2.10±0.601.95±0.53VO2(L·min-1)1.856±0.4411.496±0.556#(ml·min-1·kg-1)28.3±4.522.4±6.1#%VO2peak(%)64.4±11.750.4±12.8#65RPE3.8±2.34.1±1.8HR(beats/min)150±18135±18#Bla(mmol·L-1)2.29±0.752.18±0.64VO2(L·min-1)1.8±0.41.6±0.5(ml·min-1·kg-1)27.9±4.923.8±4.8#%VO2peak(%)64.2±16.053.8±10.8#75RPE4.8±2.25.4±2.1HR(beats/min)152±18141±16Bla(mmol·L-1)2.43±0.932.46±0.88VO2(L·min-1)1.780±0.2661.641±0.429(ml·min-1·kg-1)27.6±4.524.9±4.0%VO2peak(%)63.4±15.456.2±8.185RPE5.5±3.06.1±2.2HR(beats/min)160±16146±15#Bla(mmol·L-1)3.02±1.002.80±0.93VO2(L·min-1)1.926±0.3231.663±0.433#(ml·min-1·kg-1)29.5±2.624.9±4.6#%VO2peak(%)67.3±9.756.1±7.9#

RPE: Rating of perceived exertion, Borg 10-scal; HR: Heart rate; Bla: Blood lactate concentration; VO2： Oxygen uptake; %VO2peak， percentage of peak oxygen uptake

#P<0.05vsforehand

Fig.1Energy cost in loop drive practice at different stroke frequencies(n=11)

*P<0.05vsbackhand

3 討論

本研究嘗試將周期類運動項目的能量消耗C指標拓展應用到非周期類持拍項目的單一技術動作的重復性練習，將能量消耗C的定義由身體前進1 m所消耗的高于安靜值的能量修改為身體每擊1次球所消耗的高于安靜值的能量，并選取乒乓球正手和反手前沖弧圈作為運動方式，探究能量消耗C指標在乒乓球多球練習中應用的可行性。本研究的主要研究結果表明，乒乓球前沖弧圈擊球的能量消耗C隨頻率的增加而下降，且正手的能量消耗C在大部分頻率下顯著高于反手。

本研究首次將周期類運動項目中的能量消耗C指標拓展應用到持拍類運動項目單一技術動作的多球練習，因此能量消耗C相關研究結果暫不能與其他持拍類同類研究進行對比，但是本研究發(fā)現(xiàn)的乒乓球前沖弧圈的能量消耗C隨負荷強度(在本研究中為擊球頻率)的增加而下降，與周期類運動項目并不一致。周期類運動項目的能量消耗C與是否考慮氣阻或水阻有關。陸上項目(如跑步、騎車、滑冰、滑雪)如果忽略空氣阻力(如在實驗室跑臺或測功儀上進行運動)，能量消耗C并不受速度的增加而變化[1, 5]，但是如果考慮空氣阻力(如進行場地測試)，能量消耗C隨速度的增加而增加[1, 3]。水上項目由于無法忽略水阻，因此能量消耗C隨速度的增加而增加[4, 14]。本研究的乒乓球前沖弧圈多球練習由于是原地擊球，且動作以軀干的旋轉和持拍側上肢的前后揮動為主，因此運動過程中的空氣阻力可以忽略不記。但即便如此，其能量消耗C仍隨速度的增加而下降。這可能是由于發(fā)球機發(fā)球頻率的增加導致受試者完成一次擊球動作(包括擊球前的引拍和揮拍擊球)的可用時間縮短(由35 stroke·min-1時的～1.71 s減少到85 stroke·min-1時的～0.71 s)，而為了保證本研究回擊球的要求(即回擊到指定區(qū)域)，受試者可能減小了引拍和揮拍幅度，以及揮拍力度。盡管本研究在進行生理學能量供應相關測試的同時并未進行生物力學身體關節(jié)幅度和發(fā)力的測試，但相關推測得到了Iino等人[15]和肖丹丹等人[16]的支持。Iino等人發(fā)現(xiàn)高頻率反手前沖弧圈擊球時球拍速度更小，且這與更小幅度的髖和軀干旋轉有關[15]；肖丹丹等人比較了正手弧圈球輕拉和重拉的足底力學特征，發(fā)現(xiàn)重拉的峰值力顯著高于輕拉[16]。未來研究建議同時從生理學和生物力學角度進一步明確能量消耗C隨頻率增加而下降的原因，如果能量消耗C的下降確實是由動作幅度和動作發(fā)力下降導致的，那么教練員和運動員需要對高頻率的多球練習給予關注，避免為了追求擊球頻率而犧牲了擊球質量(如幅度和力度)。

本研究的6種擊球頻率下，正手前沖弧圈的能量消耗C高于反手，且差異在35、45、55、65和85 stroke·min-1時顯著，兩種擊球能量消耗C與頻率的關系公式分別為y=166.4*x-0.731(R2=0.9731)和y=33.21*x-0.392(R2=0.8423)，這表明周期類運動項目的能量消耗C同樣可用于區(qū)分非周期類運動項目不同的技術動作。Capelli等人探究了四種泳姿的能量消耗C，發(fā)現(xiàn)其都隨速度的增加而增加，且四種泳姿的能量消耗C存在差異，相同速度下自由泳的能量消耗C最小，其余依次為仰泳、蝶泳和蛙泳[14]。正反手前沖弧圈能量消耗C的差異可能與這兩種技術動作的差異有關，正手前沖弧圈被認為需要更多的髖部和軀干的旋轉[17]，而更多的關節(jié)部位(或肌肉)參與會增加使用該技術動作生理學強度(表1)和能量消耗C。同樣由于正手比反手前沖弧圈涉及更多的髖和軀干旋轉，且高頻率下髖和軀干旋轉更易受限[15]，正手前沖弧圈能量消耗C隨頻率增加的下降幅度要大于反手(圖1，同見二者公式中的乘冪，分別為-0.731和-0.392)。依此類推，如果訓練能夠減小高頻率下髖和軀干旋轉的受限，那么可以預見正手前沖弧圈能量消耗C隨頻率增加的下降幅度將會減小。此外，本研究的不同頻率下正手和反手前沖弧圈的能量消耗C分別為(6.5～11.8)J·stroke-1·kg-1和(5.6～7.6)J·stroke-1·kg-1，該能量消耗C值整體上要高于跑步(從兒童的～8.2 J·m-1·kg-1至成年的～3.8 J·m-1·kg-1)[5, 18]、滑冰(～1.6～2.6 J·m-1·kg-1)和自行車(～0.9～2.3 J·m-1·kg-1)，低于游泳(～8.0～25.0 J·m-1·kg-1)，與皮劃艇類似(～4.0～10.7 J·m-1·kg-1)[19]。

與能量消耗C隨擊球頻率的增加而下降不同，正手和反手前沖弧圈各項生理學強度指標隨擊球頻率增加而增加(表1)，這表明擊球頻率可以用作乒乓球多球練習的強度指標。然而，在本研究的6種擊球頻率下，正手和反手的生理學強度都并不高。正手對應的強度只有54.9%～67.3%VO2peak(血乳酸 1.49～3.02 mmol/L，心率為121～160 beats/min)，反手對應的強度只有36.0%～56.1% VO2peak(血乳酸1.50%～2.80 mmol/L，心率為111～146 beats/min)。這一強度與文獻報道的乒乓球訓練和比賽強度一致[20, 21]，即乒乓球訓練和比賽都屬于中等強度的身體活動。綜合以上能量消耗C隨擊球頻率增加而下降，可以推測高擊球頻率擊球質量的下降可能并不是由生理學能量供應不足導致的，而更可能是神經肌肉方面的協(xié)調性不夠導致的。

本研究也存在一些不足。首先，本研究受試者的樣本量只有11名，且包括5名女性和6名男性，單一性別的受試樣本較小，但是來自跑步能量消耗C的研究表明，成年受試者的能量消耗C不受性別影響[5]，因此本研究的女性和男性大學生乒乓球運動員在能量消耗C方面可以視為一個群體。其次，本研究的受試者為某大學乒乓球代表隊的運動員，盡管平均訓練年限>10年，但由這一群體得到的結論能否拓展到其他運動水平的人群還有待進一步研究。第三，本研究只針對兩種無步法的技術動作進行了研究，未來研究可以對更多的技術類型，尤其是增加步法的技術類型，進行多球練習的能量消耗C研究。

綜上所述，周期類運動項目的能量消耗C可拓展應用于評價大學生乒乓球運動員單一技術動作多球練習的能量消耗，從能量代謝角度呈現(xiàn)大學生運動員在不同擊球頻率下的擊球效率，并為比較乒乓球不同技術動作提供生理學依據(jù)。乒乓球正手弧圈多球練習的能量消耗C隨擊球頻率的增加而下降，且相同擊球頻率下正手的能量消耗C高于反手。未來研究建議同時從能量消耗C和人體擊球運動學與動力學角度進一步明確能量消耗C隨頻率增加而下降的機制，并考慮將能量消耗C作為評價高頻率下特定技術動作效率的指標。