生物力學視角下 “Plyometric” 與肌肉“拉長—縮短周期”運動理論的研究述評

車同同

（首都體育學院，北京100191）

“跑”“跳”“投”等人類最基本動作的共同點是一定要通過反向動作完成（如圖1）。反向動作是受重力影響的人體在腳觸地瞬間下肢關節(jié)彎曲，參與活動的肌肉和肌腱部分受到強制性拉長后，立即進行向心縮短的運動過程。許多運動項目中，伴隨著較高的身體速度和運動能量，反向動作在短時間內產生極高的負荷，如跳躍類項目的踏跳動作一般在0.1～0.15 s完成，所受到的地面反作用力值可高達1 t左右。因此，構筑和開發(fā)針對高負荷反向動作的專項力量訓練的方法和手段尤為重要。

圖1 跑、跳、投和反向動作、Plyometrics的關系Figure 1 The relationship between running，jumping，shooting and reverse action，Plyometrics

高負荷反向動作過程中，肌肉先做離心式拉長，緊接著進行向心式收縮，利用肌腱復合體在離心階段貯存的彈性勢能在向心階段釋放以及神經(jīng)的反射性調節(jié)，在短時間內產生更大的力量和更高的功率，這種肌肉收縮形式為拉長—縮短周期（stretch-shorten?ing cycle，SSC）運動。 “Plyometrics” 則是一種針對提高運動員肌肉SSC運動能力，將力量與速度有機結合以增強肌肉爆發(fā)力的訓練方法。一般將SSC運動過程分為四個運動時相：預激活時期、離心收縮期、離心—向心的耦聯(lián)期和向心收縮期。此過程不是單純離心收縮與向心收縮機械性的累加，而是形成一種自然類型的肌肉功能［1-3］，它是由離心向向心收縮進行快速平穩(wěn)銜接的一個有機整體，其產生的力量要遠大于單純的向心收縮。因此，SSC運動一直是運動訓練界的研究熱點，被廣泛運用于各專項爆發(fā)力訓練實踐促進在拉伸—縮短周期（SSC）中肌肉力量的增加。然而，引起SSC中肌肉力量增加的機制仍不是很清楚，殘余力增強（residual force enhancement，RFE）和延伸率對SSC中力量增強起著重要作用。

基于此，本研究旨在通過文獻資料法、邏輯分析法，以下肢為例從生物力學視角下對SSC運動理論進行探討與分析，歸納、梳理及追溯 “Plyometrics” 一詞在我國力量訓練研究領域的翻譯歷程，闡明SSC過程中四個時期的力學特征，以及導入快速伸縮復合訓練（plyometrics training，PT）必須遵循的生物力學原則，加強教練員、運動員以及廣大體育工作者對SSC理論的認識，為各專項運動員肌肉爆發(fā)力訓練實踐提供一定的理論依據(jù)和實際參考。

1 反向動作與SSC運動

圖2列舉出3種跳躍練習的形態(tài)，半蹲跳（squat jump，SJ）為無反向動作的練習，下蹲跳（counter move?ment jump，CMJ）為伴隨較輕反向動作的練習，而跳深（drop jump，DJ）則為高強度反向動作的練習。與SJ不同，進行CMJ和DJ練習時下肢肌肉強制性被拉長，在離心階段貯存的彈性勢能迅速在向心階段向身體移動的方向投射，這兩種肌肉收縮類型結合形成的連鎖狀態(tài)，稱為SSC運動。至今為止有關SSC運動有效性相關機制的研究，主要涉及肌肉或肌腱彈性勢能的貯存和再利用、肌肉拉長后的增強效果、牽張反射等反射機能的效果等方面［2，4-5］。從實現(xiàn)神經(jīng)肌肉潛能的角度來看，DJ是發(fā)展SSC運動能力最重要的訓練方法［6-8］。

圖2 跳深（DJ）、下蹲跳（CMJ）和半蹲跳（SJ）的運動形態(tài)Figure 2 Movement forms of deep jump（DJ），squat jump（CMJ）and half squat jump（SJ）

2 SSC運動過程的時相特征

Schmidtbleicher［64］將SSC分成兩類，快速和慢速。慢速SSC動作特征是髖、膝、踝關節(jié)角位移大，收縮時間長，支撐時間＞0.25 s者?？焖賁SC動作特征是小的角位移和短的耦聯(lián)時間，支撐時間＜0.25 s者。SSC運動過程與“剛度（stiffness）”密不可分。剛度是一個物理學概念，為“胡克定律的一部分”，用于研究物質的彈性，又可以理解為抵抗形變的能力，有其物理起源。經(jīng)典力學中引用的剛度概念只適用于被動物體（如肌腱與韌帶）。

2.1 預激活時期（pre-activity phase）

SSC運動過程的預激活時期，是離心收縮期之前的肌腱復合體預拉長時期。該時期發(fā)生在腳接觸地面之前，叫做“腳接觸地面前肌肉力量的持續(xù)累積”［9-11］，累計順序：（1）形成收縮構件的初始剛度，使肌腱復合體結構的彈性機能與肌肉收縮特性相結合；（2）在動態(tài)活動中提供足夠的關節(jié)旋轉減速，可能是一種保護韌帶和關節(jié)免受損傷的機制。

Komi等［12］采用活體測量技術，將傳感器在局部麻醉的情況下植入跟腱部，直接記錄人的跟腱力，經(jīng)過適當?shù)男食绦蚝?，受試者可進行正常運動，包括以不同的速度步行、跑步、單足跳、雙足跳及騎自行車。圖3顯示為進行中速跑時脛骨前肌、腓腸肌和比目魚肌表面肌電圖和跟腱力的變化曲線。在腳接觸地面之前，小腿肌腱復合體被拉長，脛骨前肌、腓腸肌和比目魚肌預先激活。研究得出，在腳接觸地前150 ms，大多數(shù)小腿肌群出現(xiàn)肌電信號［13-14］。下圖3顯示脛骨前肌與腓腸肌的預激活程度大于比目魚肌。

圖3 腳接觸地面時小腿相關肌肉的SSC運動過程中表面肌電圖以及跟腱力變化（根據(jù)Komi等［15］）Figure 3 Surface EMG and achilles tendon force changes during the SSC movement of the calf related muscles when the foot touches the ground（according to Komi，et al.［15］）

前人研究表明，預激活是通過增強α-γ共激活來增加肌肉紡錘體的敏感性，從而導致牽張反射的增強［16］。在跑步緩沖階段，肌肉主軸靈敏度的變化增加了Ia型傳入神經(jīng)的活性，進而促進肌鈣蛋白的產生，導致膝關節(jié)伸肌和足底屈肌的活動隨跑步速度增加而增加。因此，預激活增強了肌腱復合體接觸地面時克服和吸收高沖擊負荷的剛度［17-18］，剛度增強使肌腱儲存一定的彈性能量，并在隨后的向心收縮階段釋放，使力量獲得增強。Aura等［19］認為，正功的機械效率與預拉長強度間成正相關關系，預拉長負荷增加時，拉長—縮短周期運動中正功功率會提高。

2.2 離心收縮期（eccentric phase）

離心收縮是SSC過程的初始時期，該時期肌腱復合體在負荷的作用下被動拉長，拉長的長度以及速度至關重要。在一定范圍內，離心期所產生的彈性勢能與肌腱復合體被拉長的長度和速度成正比。肌腱復合體離心期產生較大的張力主要來源于兩個方面：一是離心收縮時肌肉的彈性成分被拉長而產生阻力，同時肌肉中的可收縮成分拉長過程中也可以產生阻力；二是牽張反射，肌肉在離心階段受到外力牽拉時會反射性地引起肌肉的強烈收縮。

2.2.1 離心收縮期彈性能量的產生、貯存與釋放

通常，肌肉SSC運動時在離心拉長階段，肌腱復合體會產生的“彈性能量”并貯存在彈性組織中，在隨后的向心收縮階段被貯存的彈性能量以動能的形式釋放，由此增加了肌肉收縮過程中能量生成的總和，促進肌肉力量的產生。彈性能量的生成、貯存和再利用與肌肉的組織結構有關。從生物力學的角度可以把肌肉分為收縮（肌纖維）和彈性（結締組織）兩個部分，彈性部分又根據(jù)與肌肉收縮部分不同的連接方式被分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種結構。Alexander等人［20］的研究認為，串聯(lián)結構可達10%，而并聯(lián)僅為1%～4%，所以彈性能量的產生和貯存主要取決于肌肉的串聯(lián)彈性成分（如肌腱等）。Rack等人［21］對串聯(lián)彈性組織的微細結構在肌肉快速伸縮中的作用做出了進一步分析，認為無論是位于肌節(jié)之間的彈性鍵盤，還是位于肌肉兩端的肌健均對彈性能量的貯存起著重要作用。如圖4所示，有彈性能量和無彈性能量的差距很大，Bob?bert等［22］通過大量實驗，把小腿三頭?。幢饶眶~肌和腓腸?。┑募‰鞆秃象w通過模型簡化為肌纖維和肌腱的結合，該模型沒有任何彈性。實線表示經(jīng)過試驗得出的小腿三頭肌的功率，虛線表示無任何彈性能的肌肉模型的功率。虛線與實線之間陰影部分只能用彈性能量來表示。

圖4 跳躍起跳過程中，小腿三頭肌的功率與時間的關系（根據(jù)Bobbert等［22］修改）Figure 4 The relationship between the power of the calf triceps and time during the jump take-off process（modified according to Bobbert，et al.［22］）

2.2.2 牽張反射在SSC運動中的作用

在一個SSC運動的拉長階段中傳出神經(jīng)對肌肉放電受到兩種反射的調整：來自牽拉反射促進作用和來自高爾基氏腱器的抑制作用。當肌肉受到外力牽拉時，肌梭感受器發(fā)動牽張反射，使受牽拉的肌肉收縮回彈。當牽拉進一步加大時，肌肉不能再被拉長而產生只有張力變化的等長收縮，可興奮腱器官，使強烈收縮的肌肉舒張以避免被牽拉的肌肉受到損傷，這一反射過程被稱為腱反射或高爾基氏腱反射。

跑步取決于肌肉和關節(jié)剛度以及階段性牽張反射［23］。牽張反射分為短潛伏期成分（short latency stretch reflex，SLC）和中潛伏期成分（medium latency stretch reflex，MLC）。在跳躍和奔跑中，很容易觀察到小腿肌群，特別是比目魚肌的SLC。SLC出現(xiàn)在腳接觸地面后約40 ms，牽拉肌腱系統(tǒng)會改變肌肉紡錘體的敏感度，導致Ia型傳入活動增加，隨后由于肌電活動增強而促進力的增長。這一發(fā)現(xiàn)與Dietz等人的研究結果一致。Dietz等人觀察到跑步過程中，腓腸肌與地面接觸后的肌電活動在40 ms左右急劇增加。肌腱復合體剛度不僅取決于運動范圍［24］，還取決于牽張反射系統(tǒng)的有效性［25-26］。牽張反射在肌肉的剛度調節(jié)中發(fā)揮著重要的作用，通過調節(jié)肌腱的剛度，增加力量輸出［27］。并且已被證實在肌電延遲13～15 ms后力量顯著增強［28］。Stein［29］和Nichols［30］的研究得出，牽張反射系統(tǒng)與肌肉剛度成高度線性關系，肌肉的力量凈增加量比上肌肉長度變化量為肌肉系統(tǒng)的剛度（肌肉和肌腱的彈性）。因此，在SSC運動中，牽張反射在觸地過程中顯著地促進了力的產生。

2.3 離心—向心收縮的耦聯(lián)時期（coupling phase）

離心—向心收縮期之間存在一個等距收縮階段［52］（過渡期），稱之為耦聯(lián)時期。研究表明，SSC運動中有兩個非常重要的時間概念：耦聯(lián)時間與接觸時間（見圖5）。離心—向心收縮的耦聯(lián)時期是指工作肌在練習中從離心收縮轉換至向心收縮所需的時間，是動作的過渡階段［31］。肌肉的彈性能量的釋放具有明顯的時間效應，離心收縮時產生的彈性能量貯存在被快速拉長的肌肉中，若耦聯(lián)時間增加，貯存的彈性能量會損耗，使向心收縮時可利用的部分減少，肌張力下降。Cavagna［32］和Komi［33］也提到，肌肉離心收縮貯存的彈性勢能在向心收縮時釋放，離心—向心轉換過程中時間過長，彈性能量將會減弱甚至消失，相反此時期越短彈性能量利用率越高，肌肉輸出功率越大。因此，肌肉的SSC運動中耦聯(lián)時間越短，肌肉從離心到向心的抑制停留的時間也就越短，肌肉所貯存的彈性能量會更有效地發(fā)揮。

圖5 拉長—縮短周期中重要的耦聯(lián)時間和接觸時間兩個時間段Figure 5 Lengthen-shorten the two important time periods of coupling time and contact time in the cycle

接觸時間是指在下肢SSC運動過程中測力板記錄的數(shù)據(jù)中地面反作用力的周期，即腳接觸地面的時間，表現(xiàn)為是落地的緩沖時間與蹬伸時間。Albert等人［34-35］指出，接觸時間的長短會影響到向心收縮的速度。國際訓練學領域極重視“接觸時間”，認為SSC運動能力的提高在很大程度上就是為了盡可能縮短接觸時間。Boscod等人［36］讓兩組受試者分別穿著普通跑鞋和特制的軟鞋在跑臺上進行各種跑速的練習，結果在各種跑速中軟鞋組的接觸時間均較普通組長，并且觀察到了接觸時間每增加1 ms，由預先拉長所増加的力效應相應地下降20 N。

Kobsar等［37］得出，耦聯(lián)時間與接觸時間成顯著正相關，接觸時間可以解釋耦聯(lián)時間方差的81.3%，在慢速跳躍條件下，接觸時間可以準確預測耦聯(lián)時間。慢速跳躍在關節(jié)離心階段表現(xiàn)出明顯的膝關節(jié)峰值減速，在關節(jié)反轉附近的向心階段表現(xiàn)出膝關節(jié)峰值加速，其表示耦聯(lián)時間。

2.4 向心收縮期（concentric phase）

SSC運動的向心收縮期是整個過程的最后加速階段，此過程早期肌腱額外的伸長，直到骨骼肌力峰值和肌腱達到峰值長度［53］。之后，肌腱開始收縮并釋放彈性能。此階段肌肉收縮長度變短，將離心收縮階段貯存起來的彈性能量平穩(wěn)快速地釋放，進而迸發(fā)出更大的力量，輸出更高地功率。SSC運動過程中力量、功率、速度和加速度的增強引發(fā)向心收縮期，其中，功率和速度除了向心階段末期均在增加，而力量和加速度的增加只發(fā)生向心階段的前期［51］。如圖6所示。此過程不是單純離心收縮和向心收縮所產生能量機械性的累加，而是由離心向向心收縮進行快速平穩(wěn)銜接的一個有機整體，其產生的力量要遠大于單純的向心收縮。

圖6 SSC運動中向心階段力量、功率、速度和加速度的發(fā)展關系（根據(jù)McCarthy J.P.等［51］修改）Figure 6 The development relationship of force，power，speed and acceleration in the centripetal phase of SSC movement（modified according to McCarthy J.P.，et al.［51］）

3 殘余力量增加（RFE）和殘余力量抑制（RFD）與SSC運動

單個肌節(jié)、肌原纖維和單個肌纖維到整個肌肉都可以觀察到一種現(xiàn)象，即主動肌肉拉伸后觀察到的穩(wěn)態(tài)等距力的長期增強，通常稱為殘余力增強（RFE）；主動肌肉收縮后觀察到的穩(wěn)態(tài)等距力的長期下降，通常稱為殘余力抑制（RFD）［54-55］，此現(xiàn)象亦存在于SSC運動中。

前人［56-61］研究表明，拉伸誘導的RFE有助于增加SSC過程中的力量和功率，阻礙RFD的發(fā)展。SSC過程后的穩(wěn)態(tài)等距肌肉-肌腱力取決于拉伸階段中建立的RFE的數(shù)量，并獨立于拉伸階段時所獲得的力而存在［62］。還有研究表明，殘余力的增強和橫橋中儲存的彈性能量是SSC增強的相關因素［63］。

4 “Plyometrics”一詞的釋義和來源

Plyometrics是指在極短時間的運動過程中提高SSC運動能力的訓練方法，主要應用于田徑的跳躍、短跑和投擲項目，以及球類項目中的跑、跳、投動作和步伐移動、打擊動作等。Plyometrics一詞最早出現(xiàn)于1968年的前蘇聯(lián)［38-39］，由前蘇聯(lián)生物學家Verkhoshan?ski首次提出［40］。國內學者通過大量的文獻爭論表明，Hill在20世紀50年代就較為系統(tǒng)地論述過肌肉與預拉長能加大肌肉張力的現(xiàn)象［41］。國外學者經(jīng)過考證后提出，Plyometrics起源于跳躍式訓練［39，42］。但是跳躍式訓練能夠追溯到18世紀50年代的愛爾蘭，還有可能更早，但是無從考證。1975年被美國田徑教練弗雷德·維爾特所命名，基于拉丁語詞源，被翻譯為“可測量的長度”。之后，在國內Plyometrics一直被翻譯成“超等長”［43］。直到2011年，由于“等長”的概念容易被誤解成靜力性的動作，所以經(jīng)多名學科體育專家、學者的反復討論和斟酌，最終被翻譯為“快速伸縮復合訓練”［43］。具體翻譯情況如表1所示。

表1 力量訓練領域中各類書籍、文獻對“Plyometrics”一詞的翻譯歷程Table 1 Translation history of the term “Plyometrics” in various books and documents in the field of strength training

5 快速伸縮復合訓練導入的生物力學原則

5.1 技術性和過度負荷原則

超等長阻力訓練能顯著降低SSC支撐時間，縮短耦聯(lián)時長，提高肌肉-肌腱復合體由離心收縮至向心收縮能量轉換能力，增加下肢肌肉爆發(fā)力［65］。無負重超等長練習優(yōu)先發(fā)展膝關節(jié)肌肉快速力量；較低負重超等長練習可有多種效果，髖關節(jié)肌肉起主要作用，有利于發(fā)展下肢肌肉絕對力量和爆發(fā)力；而大負重時主要動用髖關節(jié)，有利于具有較大貢獻度的髖關節(jié)肌肉絕對力量的發(fā)展［66］?？焖偕炜s復合訓練。（plyomet?ric training，PT）中經(jīng)常采用伴隨著高負荷反向動作的跳深練習為手段。因此，作為PT的基本原則，應進行在盡可能短時間內的反彈性動作。采取深蹲跳動作時，一旦動作停止后再向上蹬伸，所受到的地面反作用力就會減小，進而不能形成高負荷的反向動作。意識到動作迅速轉換，防止中途間斷，實施反彈性的技術動作結構至關重要。PT中要以一定水平的技術性為基礎，才能取得理想的訓練效果。

5.2 運動構造性

PT的運動構造中存在內在的時間序列因果關系，圖7顯示為跳深的運動構造時間序列。由于觸地時間非常短，在下落到著地的準備階段中，主動肌要進行適度的預緊張，可以為觸地階段爆發(fā)出較高的力值做準備。同時，為了抵抗較大的地面反作用力，整個身體要形成一個系統(tǒng)，變成一個強力彈性體。然而，為了滿足上述條件，必須進行預先動作和緊接著的落下動作。在準備階段結束后進入著地緩沖階段，主動肌群和肌腱單位被動拉長，全身像彈簧一樣擺動的同時貯存彈性能，在蹬伸時期釋放能量，爆發(fā)式完成彈射動作［48］。然而，在準備期預備動作過度緊張或沒有預備緊張的情況下，準備動作不當則不會形成動力位置，進而不會發(fā)生一系列的連鎖動作。另外，下肢各關節(jié)有關肌群在離心期產生肌力或核心肌群較弱，以及在蹬伸期過度強調踏射動作時，連鎖動作也不會發(fā)生。

圖7 跳深過程時間序列因果關系的運動結構模型Figure 7 The movement structure model of the time series causality of the depth jump process

因此，PT過程中從時序動作構造上理解并掌握技術非常重要，PT不是“難度練習”而是“技巧練習”，技術性優(yōu)先于負荷量，是要將技術性與各項目專項性高度結合的訓練。

5.3 訓練手段的導入順序

作為PT導入順序的基本原則，重視時序性運動構造，首先將準備動作和著地技術分開進行練習。為此，將“臺階跳下和著地緩沖”作為一個整體進行練習，如果讓其進行較大聲音的著地或受到較高沖擊時，提示其進行預備緊張、準備動作和著地動作，即便在較小的可動范圍內，為抵抗重力，高質量地完成緩沖動作至關重要。其次，流暢地完成落地緩沖和蹬伸動作，實施讓其有效地前后結合的連鎖練習。

在掌握基本技術基礎上，可以在進行各種跳躍練習的同時提高負荷強度。一般而言，可以從以單純垂直高度為目標的練習到有身體前旋的練習，從雙腳到單腳的練習，從有手臂或腿部限制的練習到自由練習，從一次單獨跳躍到多次連續(xù)跳躍練習，遵循以上原則，應按照各自順序導入各種練習［49］。每次都從技術簡單、容易掌握的動作練習過渡到復雜、熟練的動作練習。另外，在負荷強度上遵循遞增性原則，一般從低臺階到高臺階、無助跑到有助跑，輕負荷到重負荷負重、制動性到反彈性動作，應按照以上順序選取、導入練習。

另外，訓練對象是青少年或競技水平較低的運動員時，上述的導入順序應進行重新組合，略加調整在訓練計劃中的位置，在注重基本技術練習的同時，提高其反向動作的完成能力，在安全、無受傷風險的基礎上掌握練習動作，逐漸提高負荷強度。而當訓練對象為高水平運動員時，由于具有較高的技術，有必要導入高強度負荷的練習內容，如在1 m以上的臺階上進行跳深練習，在臺階上進行助跑進行跳深跳遠練習、負重蹲跳練習等。高水平運動員訓練計劃中導入以上高強度PT，可以顯著提高其競技水平［50］。同時，為了防止受傷，探求每個運動員的極限負荷的同時，導入各自適當強度的練習也是非常重要的。

6 小結

（1）SSC運動理論被廣泛應用于爆發(fā)力訓練之中，為了獲得更大肌肉力量，輸出更高的功率，要有適當?shù)募∪忸A激活、短而快的離心階段、離心向向心短延遲的轉換時間，也要有適宜的肌肉、肌腱、韌帶、關節(jié)大的剛度以及牽張反射強度。

（2）“Plyometric”一詞大都被譯為“超等長”，可能因國家、地域及文化的不同，研究者理論、訓練實踐、翻譯水平不同，對Plyometric一詞的理解有所不同，翻譯也不盡相同。因此，筆者提出譯為“快速伸縮復合訓練”更符合SSC運動的生物力學機制，更為貼切。

（3）耦聯(lián)時間為SSC離心和向心之間的過渡，與SSC中彈性能的更有效利用有關，同時，短的接觸時間對于最大化SSC的潛在效果也很重要。

（4）雖然已經(jīng)證明RFE是人體肌肉自主收縮的一種現(xiàn)象，但對RFE仍有幾個方面尚未完全了解，未來的研究重點應放在與人類自然運動相關的多關節(jié)收縮和拉長—縮短周期上，以及放在RFE的神經(jīng)控制和代謝能量消耗的潛在機制上。

（5）掌握PT導入的生物力學原則，熟練PT訓練過程，可以顯著提高高水平運動員的競技水平；在青少年進行PT訓練時要尊重其生長發(fā)育規(guī)律。