輕負(fù)荷半蹲起下肢力增加速率與各種肌肉收縮運動表現(xiàn)的關(guān)系

李志遠(yuǎn)，李玉章，陳 亮

短跑、跳躍等運動項目起動加速、踏跳等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)發(fā)力時間很短，一般在0.1～0.3 s（扎齊奧爾斯基等，2011），下肢在極短時間內(nèi)獲得最大地面反作用力是能夠達(dá)到較高競技水平的必要條件。因此，提高力增加速率（rate of force development，RFD）尤為重要。Aagaard等（2002）將RFD定義為肌肉在靜力性和動力性收縮條件下力-時間曲線斜率，來表示肌肉短時快速發(fā)力能力。Wilson等（1995）采用單位時間內(nèi)力值的變化率來計算下肢多關(guān)節(jié)向心RFD值。動力性RFD與最大力量產(chǎn)生的原因、機(jī)制以及持續(xù)時間不同，是相互獨立關(guān)系（Andersen et al.，2006；Bojise-m?ller et al.，2005）。RFD作為最大力量和快速運動中獲得速度的決定因素，對短跑、跳躍等運動員的運動表現(xiàn)有著重要影響（Aagaard et al.，2002）。因此，為了恰當(dāng)診斷和評價運動員的訓(xùn)練狀態(tài)和競技水平，應(yīng)將RFD與最大力量分開測定，評價其能力。

在抗阻訓(xùn)練中，最大力量（1RM）可以判斷和描述訓(xùn)練強(qiáng)度，是衡量運動員基礎(chǔ)力量水平的重要參數(shù)（Lotrurco et al.，2016；Mcmaster et al.，2014）。等速肌力測試也是預(yù)測運動成績最常用的實驗室測試指標(biāo)之一（Koutsioras et al.，2009），它可以通過對比不同角速度條件下髖、膝、踝關(guān)節(jié)屈伸峰力矩的異同，評價下肢肌肉力量和爆發(fā)力水平（Tsiokanos et al.，2002）。下肢爆發(fā)性運動項目要求膝關(guān)節(jié)伸肌群在伸展過程中產(chǎn)生較高的輸出功率（Jacobs et al.，1996；Kubo et al.，1999）。因此，測定不同角速度條件下等速膝伸展峰力矩，探討其特征，可以更加有針對性地指導(dǎo)專項力量訓(xùn)練。近年來，縱跳測試結(jié)合短距離加速跑測試正在廣泛應(yīng)用于不同項目運動員的速度和爆發(fā)力評價之中（Blazevich et al.，2003；Hennessy et al.，2001）。隨著運動員下肢爆發(fā)力水平的提高，短時間內(nèi)通過募集更多運動單位參與放電以傳遞更多能量，可以使縱跳高度逐漸提高（Alemdaro?lu et al.，2002）。因此，縱跳能力可以更加客觀準(zhǔn)確地反映下肢爆發(fā)力的變化情況。

目前，測定RFD的手段較多，測試動作主要以等長和等動的單關(guān)節(jié)運動為主，部分需要昂貴的肌力測定裝置（Andersen et al.，2010；Blazevich et al.，2008；Gruber et al.，2004；Mebes et al.，2008；Molina et al.，2012；Naczk et al.，2007）。負(fù)重蹲起作為典型的多關(guān)節(jié)運動，也是短跑、跳躍和球類等項目運動員下肢力量訓(xùn)練的主要手段。重負(fù)荷深蹲起主要用于增加肌肉橫斷面積和絕對力量，輕負(fù)荷半蹲起則用于提高運動員下肢爆發(fā)力（Caiozzo et al.，1981；Kanehisa et al.，1983）。因此，要提高專項力量水平，運動員必須以專門的負(fù)荷和速度進(jìn)行練習(xí)以產(chǎn)生最佳的神經(jīng)肌肉適應(yīng)，從而在專項比賽中提高運動表現(xiàn)（Wilson et al.，1995）。然而，對輕負(fù)荷半蹲起練習(xí)時RFD測量和評價的研究較少，且很少以高水平運動員為對象，探討其向心RFD值與等長和等動收縮條件下肌力要素、縱跳能力之間的關(guān)系，以及有關(guān)RFD變量間關(guān)系特征方面的研究仍存在不足。

本研究旨在探討各種輕負(fù)荷條件下半蹲起力-時間曲線特征和RFD與各種肌肉收縮運動表現(xiàn)的相關(guān)性，分析輕負(fù)荷抗阻練習(xí)與等長、等動及縱跳動作發(fā)力特征間內(nèi)在生物力學(xué)聯(lián)系。本研究假設(shè)：1）輕負(fù)荷半蹲起RFD值在短時間內(nèi)相類似；2）RFD值與最大力量無相關(guān)關(guān)系，而與高角速度條件下等動膝伸展峰力矩、各種縱跳能力間存在顯著性正相關(guān)關(guān)系。

1 研究對象與方法

1.1 實驗對象

募集日本筑波大學(xué)9名男子大學(xué)生運動員為受試者，其中，跳遠(yuǎn)、三級跳遠(yuǎn)和跳高運動員各2名，均為日本國家代表隊隊員，另有筑波大學(xué)足球、網(wǎng)球和羽毛球代表隊隊員各1名。年齡：23.3±3.8歲；身高：176.9±5.1 cm；體重：70.3±6.1 kg。實驗前，向受試者充分說明本實驗的目的、方法以及實驗中可能存在的危險性等，并向受試者充分說明有關(guān)的實驗動作，在實驗開始前一周讓受試者進(jìn)行充分練習(xí)。本研究經(jīng)過筑波大學(xué)倫理委員會認(rèn)證，測試前所有受試者簽訂知情同意書。

1.2 測試動作

根據(jù)Prue等（2008）的研究結(jié)果，依據(jù)20～60 kg負(fù)荷范圍為向心半蹲起最大輸出功率區(qū)間以及輕負(fù)荷的選取小于自身體重的原則。本研究采用20 kg、40 kg、60 kg負(fù)荷重量的半蹲起來測取RFD，通過最大負(fù)荷半蹲起（負(fù)荷＞1RM）以測得最大力量（Fmax），通過在等速肌力測試系統(tǒng)上進(jìn)行膝關(guān)節(jié)等速和等長性伸展運動以測得膝伸展峰力矩（Peak Torque，PT），通過在測力臺上進(jìn)行各種縱跳練習(xí)（SJ、CMJ、RJ）測得跳躍能力指標(biāo)。

1.2.1 RFD測試

在三維測力臺（Kistler公司產(chǎn)）上面固定史密斯深蹲架進(jìn)行半蹲起練習(xí)，從膝關(guān)節(jié)角度為120°的姿勢開始，要求在無反動動作的前提下盡量快速向上蹲起，20 kg、40 kg、60 kg重量各自進(jìn)行3次測試。在這個過程中使用關(guān)節(jié)角度計（Biometrics）來實時監(jiān)測和確定測試開始時的膝關(guān)節(jié)角度，腳的位置要求受試者在實驗前確定好各自最容易進(jìn)行動作的姿勢，實驗過程中要求其保持不變。

地面反作用力數(shù)據(jù)利用1 000 Hz的抽樣頻率進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，在電腦（DELL公司產(chǎn)）上進(jìn)行讀取。通過半蹲起算出最大力量和各種輕負(fù)荷條件下RFD值。計算RFD時，利用地面反作用力的數(shù)值減去體重和蹲起重量的總和，以各受試者的體重和蹲起重量的總和值為基準(zhǔn)，比總和值大5%的時點作為動作的開始點。本文參考了前人研究中總結(jié)和歸納出的向心RFD計算方法，即峰值力（Peak Force）除以達(dá)到峰值力所需要的時間（Aagaard et al.，2002；Mirkov et al.，2004；Molina et al.，2012）。

1.2.2 最大力量測試

在測力臺上對所固定的杠鈴（負(fù)荷＞1RM）保持與向心蹲起同樣的膝關(guān)節(jié)角度（120°）的同時，在測取雙腳最大靜力收縮反作用力值后，指令其單腳盡量發(fā)揮出最大力，左右腳分別做2次。在本研究中判定跳遠(yuǎn)、跳高等項目的踏跳腳為優(yōu)勢腳，算出優(yōu)勢腳和左右腳最大力值的總和。同時，在此期間算出地面反作用力與受試者體重的差值。

1.2.3 等速膝伸展峰力矩（Peak Torque）測試

利用等動肌力測試系統(tǒng)（Biodex П型，美國產(chǎn)）測定等長性及等速性收縮產(chǎn)生的肌肉力量。等速性肌力測定采用在60/s、180o/s和300o/s 3種角速度條件下進(jìn)行的膝關(guān)節(jié)伸展峰力矩。在與半蹲起同樣的膝關(guān)節(jié)角度（120°）情況下，要求盡全力發(fā)揮出最大的力，各自盡最大努力實施5次。同時，在最大負(fù)荷條件下做靜力膝伸展，要求盡快發(fā)揮出最大的力量，最大努力實施3次。以上肌力的測定用受試者優(yōu)勢腳實施，并將其最大值作為分析對象。測試時，肢體在椅座位上，用專門的皮帶將其上半身、髖部及測定腳的大腿部固定在座椅上，調(diào)節(jié)膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動中心使力臂長與測力計的轉(zhuǎn)動軸結(jié)合，踝關(guān)節(jié)上部使用專用襯墊固定。等速性肌力測定的可動范圍為0°為最大伸展部位，并可沿屈曲方向轉(zhuǎn)動90°。

1.2.4 各種縱跳能力測試

縱跳練習(xí)采用半蹲跳（squat jump，SJ）、下蹲跳（counter movement jump，CMJ）和連續(xù)反彈跳（rebound jump RJ）。SJ使用關(guān)節(jié)角度計，確保與半蹲起同一姿勢，膝關(guān)節(jié)角度為120°，無反動動作，讓其盡量往高處跳。CMJ是從站位姿勢開始，利用下蹲反動動作盡量往高處跳，RJ是從站立姿勢開始，進(jìn)行連續(xù)5次的縱跳運動，在此期間要求踏跳時間盡可能短，并口頭指示其盡量往高處跳。從5次跳躍中選擇姿勢良好，且受試者個人感覺是比較完美的動作，同時選取反應(yīng)力量系數(shù)值（Reactive Strength Index，RSI）最高的一次跳躍作為分析對象。

在所有縱跳動作中，為了限制擺臂，要求其兩手叉腰進(jìn)行跳躍，每種跳躍練習(xí)間需要進(jìn)行充分的休息以消除疲勞的影響。以所測的地面反作用力數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將各位受試者體重值的5%作為離地及觸地的判定標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)所有縱跳的跳躍高度，RJ中通過以下公式來算出RSI：跳躍高度（RJ-JH）=1/8·g·Ta2，g=9.81 m/s，Ta為滯空時間，RSI=跳躍高度/觸地時間（Ebben et al.，2010；Endo et al.，2007；Zushi et al.，1993）。

1.3 統(tǒng)計處理

各測定項目用M±SD表示，對比不同負(fù)荷間RFD變量特征采用單因素方差分析，F(xiàn)值有顯著差異的項目根據(jù)LSD進(jìn)行多重比較。各測定項目間的相關(guān)系數(shù)采用Pearson法計算，*P＜0.05，**P＜0.01。

2 研究結(jié)果

2.1 半蹲起相對地面反作用力時間序列曲線特征

如圖1所示，半蹲起動作的平均總發(fā)力時間在0.2 s以內(nèi)。同時，從不同重量間的平均上升曲線可以發(fā)現(xiàn)，3種重量曲線在0～60 ms的區(qū)間幾乎重合?？梢钥闯觯?0～60 kg負(fù)重范圍內(nèi)的快速半蹲起練習(xí)中，即使重量增加，其相對RFD值在約60 ms時間以內(nèi)幾乎相等。

圖1 相對地面反作用力的時間序列曲線（n=9）Figure 1.Time-series Data of Relative Ground Reaction Force

2.2 半蹲起RFD值與最大力量、等動性收縮力量間的關(guān)系

從表1可知，3種負(fù)荷半蹲起時RFD值與雙腿和優(yōu)勢腿最大力量間無相關(guān)關(guān)系（P＞0.05），60 kg負(fù)荷條件下RFD值與300o/s膝伸展峰力矩間存在顯著性正相關(guān)（P＜0.01）。

表1 RFD值與最大力量、等動性膝伸展峰力矩的關(guān)系Table 1 Relations between RFD Value and Maximum Strength，Peak Torque of Isokinetic Knee Extension

2.3 半蹲起RFD值與各種縱跳能力間的關(guān)系

從圖2可知，在3種縱跳測試中，CMJ和RJ的跳躍高度顯著高于SJ（P＜0.01），而RJ的RFD值顯著大于SJ和CMJ（P＜0.01）。

由表2可知，40 kg負(fù)荷條件下半蹲起RFD值與SJ、CMJ跳躍高度間存在顯著正相關(guān)（P＜0.05）。

表2 RFD值與各種縱跳能力間的關(guān)系Table 2 Relations between RFD Value and Performances of Various Vertical Jumps

2.4 RFD構(gòu)成要素之間的關(guān)系

表3中結(jié)果顯示，3種負(fù)荷半蹲起RFD值與峰值力間存在顯著正相關(guān)（P＜0.05），與到達(dá)峰值的時間之間則存在顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。峰值力越高，達(dá)到峰值時間越短，其RFD值就越大。

表3 半蹲起時RFD值與峰值力和達(dá)到峰值時間之間的關(guān)系Table 3 Relations between RFDand Peak Force，Time to Peak Force in Half-squat

表4中結(jié)果顯示，3種負(fù)荷半蹲起時峰值力和到達(dá)峰值時間之間無相關(guān)關(guān)系（P＞0.05）。

表4 半蹲起時峰值力和達(dá)到峰值時間之間的關(guān)系Table 4 Relations between Peak Force in Squat and Time to Peak Force in Half-squat

3 分析與討論

3.1 各種輕負(fù)荷條件下半蹲起力-時間曲線特征

從受試者半蹲起時地面反作用力的時間序列曲線中可以看出，在不同負(fù)荷條件下的相對反作用力曲線在0～60 ms的區(qū)間內(nèi)幾乎重合（圖1）；即使半蹲起時的重量不同，在約60 ms時間區(qū)間以內(nèi)時，RFD值大小相當(dāng)。

綜合以上結(jié)果，不同重量間相對地面反作用力曲線在60 ms以內(nèi)的上升方式相似，因此，在一定負(fù)重范圍內(nèi)半蹲起所產(chǎn)生的短時間發(fā)力效果相同。3種負(fù)荷半蹲起的發(fā)力時間在0.2 s以內(nèi)，且在0～60 ms初期時段的RFD值相同或相似。因此，從肌肉收縮形式和發(fā)力時間特征上與短跑起跑、游泳起跳登臺入水相似性很高。West等（2011）研究發(fā)現(xiàn)，0～30 ms、0～50 ms初期時段向心RFD值與100 m跑起跑反應(yīng)時存在顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），而Tillin等（2012）得出，0～100 ms初期時段向心RFD值與5 m和20 m沖刺跑用時存在顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。還有研究表明，0～60 ms初期時段向心RFD值與游泳起跳蹬臺入水反應(yīng)時存在中等程度的負(fù)相關(guān)（r=-0.56）（West et al.，2011）。因此，綜合本研究結(jié)果可知，采用輕負(fù)荷半蹲起進(jìn)行下肢爆發(fā)力練習(xí)可以縮短短跑、游泳起跳蹬臺入水的反應(yīng)時，同時，還可以提高5 m、20 m短距離沖刺跑的運動表現(xiàn)。

3.2 RFD值與各種肌肉收縮運動表現(xiàn)間的關(guān)系

本研究結(jié)果表明，3種輕負(fù)荷半蹲起RFD值與雙腿和優(yōu)勢腿的最大力量、優(yōu)勢腿等長性膝伸展峰力矩間未存在相關(guān)關(guān)系。Murphy等（1996）研究表明，肌肉的靜力性收縮力量與動力性運動表現(xiàn)間存在很低程度的相關(guān)關(guān)系。而Andersen等（2010）認(rèn)為，高負(fù)荷深蹲起或等長性膝伸展時，肌肉等長收縮產(chǎn)生的力從動作開始到發(fā)揮出最大值需要較長時間，這與短時間發(fā)揮出的力量間由于解剖學(xué)和神經(jīng)生理學(xué)的控制機(jī)理不同而使兩者間呈現(xiàn)出相互獨立的關(guān)系，本研究中的結(jié)果也證實了這一觀點。另外，Zushi等（1997）和Young等（1999）研究表明，高水平跳躍運動員進(jìn)行深蹲時的最大力量與各種短距離沖刺跑和水平、垂直方向的跳躍能力間無相關(guān)關(guān)系。H?kkinen等（1989）也認(rèn)為，高強(qiáng)度負(fù)重深蹲不能改善最大RFD值，反而會導(dǎo)致肌肉的快速發(fā)力能力下降，而有意識地進(jìn)行快速發(fā)力動作如負(fù)輕重量的快速半蹲起或跳躍訓(xùn)練等可以提高肌肉的快速發(fā)力能力。因此，本實驗以Prue等（2008）研究為依據(jù)，在最大輸出功率范圍內(nèi)選取20 kg、40 kg和60 kg較輕負(fù)荷的半蹲起來測取RFD值，并討論其與SJ、CMJ和RJ等縱跳能力間的相關(guān)性。

圖2 各種縱跳高度和RFD值Figure 2.The Height of Jump and RFD Value of Various Vertical Jumps

本研究發(fā)現(xiàn)，僅60 kg負(fù)荷半蹲起RFD值與300o/s高速度條件下的膝伸展峰力矩存在顯著性正相關(guān)。Iossifidou等（2005）發(fā)現(xiàn)，相比低角速度，高角速度條件下等動膝伸展練習(xí)可以用來預(yù)測負(fù)重半蹲起輸出功率和半蹲跳的跳躍高度。所以，等速性膝伸展練習(xí)應(yīng)在高角速度條件下進(jìn)行，這樣才能提高膝關(guān)節(jié)伸肌群的快速發(fā)力能力。另外，40 kg條件下半蹲起RFD值與SJ、CMJ跳躍高度之間存在顯著正相關(guān)，而3種負(fù)荷條件半蹲起的RFD值與RJ跳躍高度和RSI之間未存在顯著性相關(guān)關(guān)系（P＞0.05）。Zushi等（1995）認(rèn)為，CMJ或RJ由于發(fā)力時間（RJ約0.2 s，CMJ約1.0 s）和限制兩者的生理因素不同，兩者之間是相互獨立的關(guān)系。同時，從圖2可知，雖然RJ和CMJ的跳躍高度間無顯著性差異，但由于RJ的觸地時間極短，使得RJ的RFD值顯著高于CMJ。本研究中，3種負(fù)荷的半蹲起總發(fā)力時間（0.2 s以內(nèi)）與RJ相似，但由于肌肉收縮形式的差異，使半蹲起RFD值與RJ能力間不存在相關(guān)關(guān)系。因此，本研究所采用的輕負(fù)重半蹲起RFD值不能夠恰當(dāng)?shù)卦\斷和預(yù)測RJ這種以短時程“拉長-縮短周期”運動（stretching-shorten cycle，SSC）為主要肌肉收縮形式的縱跳動作運動表現(xiàn)，CMJ和RJ兩種縱跳能力訓(xùn)練要應(yīng)用于各自發(fā)力時間和肌肉收縮形式類似的運動項目中才會提高相應(yīng)競技能力。從本研究結(jié)果可知，40 kg負(fù)重條件下的RFD值與SJ和CMJ能力有著相似的內(nèi)在發(fā)力特征，可以同時反映和預(yù)測SJ和CMJ的運動表現(xiàn)。Young等（1999）研究表明，20 kg負(fù)荷半蹲起地面反作用相對力值（極大值/體重）與SJ和助跑跳躍運動表現(xiàn)間都存在顯著性相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。因此，20 kg或40 kg輕負(fù)荷半蹲起可以作為提高運動員跳躍能力的專項力量手段導(dǎo)入系統(tǒng)訓(xùn)練計劃之中。

最大力量對快速力量的影響是有條件的，在訓(xùn)練初期或青少年階段，快速力量會隨著最大力量的增加而提高。但本研究中的受試者是高水平的優(yōu)秀運動員，其快速力量可以在最大力量不增長的情況下單獨得到改善。高水平運動員快速力量的提高可以通過改善神經(jīng)系統(tǒng)的支配能力，如運動單位的募集能力、工作肌群間的協(xié)調(diào)配合等得以實現(xiàn)。所以，在高水平快速力量型運動員的訓(xùn)練中，應(yīng)強(qiáng)調(diào)“低負(fù)重、少次數(shù)和快速度”，加大克服自身體重的力量練習(xí)比例（如各種水平和垂直方向的跳躍練習(xí)），要求運動員注意大肌群和小肌群、主動和拮抗肌群以及異側(cè)同名肌群的協(xié)調(diào)工作，以增強(qiáng)神經(jīng)對肌肉的快速調(diào)動能力。

3.3 RFD變量特征

RFD是根據(jù)峰值力和到達(dá)峰值時間所計算出的指標(biāo)，從表3可知，RFD與峰值力和到達(dá)峰值時間之間分別存在顯著性正相關(guān)和負(fù)相關(guān)。然而，Andersen等（2006）認(rèn)為，肌肉自主收縮時RFD與峰值力和達(dá)到峰值時間無相關(guān)關(guān)系。這可能是由于肌肉的收縮形式不同，造成其RFD與其構(gòu)成要素間相關(guān)性的差異。

另外，本研究發(fā)現(xiàn)，峰值力與到達(dá)峰值時間兩者之間不存在相關(guān)關(guān)系。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因可能是峰值力和到達(dá)峰值時間的決定因素不同，峰值力主要由肌肉最大自主收縮值所決定（Bemben et al.，1990），而到達(dá)峰值時間則主要受肌纖維類型比例的影響（Birch et al.，1994）。Harridge等（1996）認(rèn)為，肌肉動作單位產(chǎn)生期間力量產(chǎn)生速率與肌纖維組成有關(guān)。Bottinelli等（1996）發(fā)現(xiàn)，快肌纖維橫橋擺動速率是慢肌纖維的4～9倍，而肌肉收縮初期放電率主要受橫橋擺動速率的影響。

Ca2+動力學(xué)特征也是影響肌肉快速收縮的主要因素（Thorstensson et al.，1976）。因此，除了最大力量和內(nèi)源性肌肉特性外，生理因素也可以影響肌肉收縮初期的RFD。EMG測量可以反映神經(jīng)驅(qū)動等生理因素在肌肉收縮過程所產(chǎn)生的影響，但本研究未進(jìn)行EMG測試，其生理因素在RFD變量中的作用有待于進(jìn)一步研究和探討。

3.4 本研究的不足

本研究著重討論了輕負(fù)荷半蹲起地面反作用力增加速率與肌肉各種收縮形式下運動表現(xiàn)間的關(guān)聯(lián)性，提出發(fā)展各種肌肉收縮能力的適宜負(fù)荷，但未探討和分析不同專項運動員下肢RFD總體特征。今后有必要增加各專項受試者的樣本量，探討不同專項運動員下肢力增加速率的特征以及與各專項運動能力間的關(guān)聯(lián)性，從而更加有針對性地指導(dǎo)各專項訓(xùn)練實踐。

4 結(jié)論

輕負(fù)荷半蹲起可以作為短跑、游泳等項目起動力量的訓(xùn)練手段，來減少起跑和起跳入水的反應(yīng)時，進(jìn)而強(qiáng)化起點技術(shù)；在20～60 kg負(fù)荷范圍內(nèi)，RFD值在短時間內(nèi)保持相對恒定；采用40 kg或60 kg負(fù)荷快速半蹲起相比最大力量練習(xí)而言，能在保持高輸出功率的同時，具有更加高速的發(fā)力特征，可作為提高高水平運動員跳躍能力的專項力量練習(xí)手段導(dǎo)入訓(xùn)練計劃之中。