水下海豚腿最大推進力功率與最大速度的關系

沈宇鵬 溫宇紅

摘?要：對不同性別或不同身體姿勢的水下海豚腿（UDK）的最大推進力功率（Pmax）與最大速度（vmax）進行差異性檢驗;探索性別或身體姿勢因素是否會影響UDK的Pmax-vmax的相關關系。49名高水平運動員（其中男29人，年齡（20.7±3.2）歲;身高（1.83±0.05） m，體重（78.1±8.6） kg;女20人，年齡（19.6±1.7）歲，身高（1.71±0.04） m，體重（61.6±6.2） kg）參加測試。對實驗對象進行不同身體姿勢（俯臥、仰臥）的UDK的vmax和Pmax測試。采用混合線性模型評估性別或身體姿勢效應對UDK的Pmax與vmax相關關系的影響。研究結果：男運動員UDK的vmax和Pmax均明顯高于女運動員（vmax：P<0.01，ES=0.93;Pmax：P<0.01，ES=1.40）;仰臥和俯臥姿勢在vmax無差異（P=0.448，ES=0.05），但仰臥姿勢的Pmax大于俯臥姿勢（P<0.01，ES=0.25）。不同性別和不同身體姿勢（俯臥、仰臥）不會影響UDK的Pmax-vmax的關系。結論：UDK的Pmax和vmax在性別或身體姿勢的差異不會改變UDK的Pmax與vmax的關系，教練員和運動員不需要單獨制定不同性別或不同身體姿勢的UDK訓練計劃。

關?鍵?詞：運動生物力學;水下海豚腿;最大速度;最大功率

中圖分類號：G804.6?文獻標志碼：A?文章編號：1006-7116（2021）04-0131-06

Abstract： The purpose of this study was to examine the difference of maximum power （Pmax） or maximum velocity （vmax） in underwater dolphin kick （UDK） between sex or body position， and investigate the relationship between Pmax and vmax for UDK as well as exploring whether these two factors moderated the relationship between Pmax - vmax in UDK. Forty-night elite swimmers voluntarily participated in the research （29 male swimmers， age： 20.7±3.2 year; height： 1.83±0.05 m， weight： 78.1±8.6kg; 20 female swimmers， age： 19.6±1.7year; height： 1.71±0.04 m， weight： 61.6±6.2 kg）. The subjects were required to participate in testing for Pmax and vmax in two kinds of body position including prone and supine， respectively. Using multiple linear mixed-effect models to evaluate the moderation of sex or body position on the relationship between Pmax and vmax for UDK. The results showed that： Males vmax and Pmax were significantly higher than females （vmax： P<0.01， ES=0.93; Pmax： P<0.01， ES=1.40）; no significant difference found in body position（P=0.448， ES=0.05） between the prone and supine， but UDKs Pmax in the supine was significantly higher than in the prone （P<0.01， ES=0.25）. The association between Pmax and vmax for UDK was not adjusted by the effect of sex or the effect of body position. The conclusion was that the difference of Pmax and vmax of UDK in gender or body position may not moderate the relationship between Pmax and vmax for UDK， and the coaches and the athletes do not need to make a training program for UDK based on sex or body position when these two factors was not moderated the relationship between Pmax and vmax for UDK.

Key words： sports biomechanics;underwater dolphin kick;maximum velocity;maximum power

水下海豚腿（underwater dolphin kick，UDK）是運動員在游泳比賽中，出發(fā)或轉身后采用的重要水下游進技術。優(yōu)化UDK可以縮短運動員出發(fā)或轉身后的時間，進而提高整體游泳成績[1]。

推進力是影響最大游泳速度（maximum swimming velocity，vmax）的決定性因素之一[2]，在其他條件不變的情況下，推進力越大，游泳速度也就越快。因此，發(fā)展推進力是提高UDK的vmax的重要訓練方法。在水中測量推進力是非常困難的，采用牽引游泳方式測量最大推進力功率（maximum swimming power，Pmax）被認為是評估游泳推進力的理想指標[3-5]。現(xiàn)有研究表明：Pmax是預測短距離自由泳成績的重要因子[6-7]，與短距離游泳成績高度正相關[8-9]。

在游泳比賽中，男女運動員均需要使用UDK技術，在混合泳比賽中，運動員還需要根據(jù)游泳規(guī)則要求采用不同的身體姿勢（俯臥和仰臥）的UDK技術游進。前人研究報告了性別和游泳姿勢是影響競技游泳姿勢Pmax或vmax變化的重要因素[3，10-11]。不同性別的運動員在4種競技游泳姿勢的Pmax和vmax均具有顯著性差異，男運動員比女運動員有更大的Pmax和更快的vmax[3]。在游泳姿勢方面，爬泳與仰泳有相似的動作結構，但與仰泳相比，爬泳劃水和打腿動作振幅更小[12]，產生的Pmax更小，但vmax更快[4]。在游泳時，4種競技游泳姿勢主要依靠手臂劃水產生推進力在水面游進，UDK主要依靠打腿驅動身體在水面下游進。不同性別或不同身體姿勢變化對水下游泳技術的Pmax或vmax的影響還不清楚。

雖然在競技游泳姿勢上Pmax與vmax具有較強的相關關系，但水中阻力和推進效率的變化會使Pmax與vmax的相關關系發(fā)生動態(tài)變化。例如：在相同的Pmax輸出條件下，水中阻力更低或推進效率更高的運動員有更快的vmax，反之亦然。很大程度上水中阻力或推進效率的變化導致了Pmax或vmax在性別或身體姿勢條件下具有差異，但不同性別或不同身體姿勢對Pmax與vmax相關關系的影響還缺乏研究評估。因此，探索性別或身體姿勢在UDK的Pmax-vmax相關關系中的角色對理解水下游泳技術的推進力、游泳速度與推進效率的關系是非常必要的。另一方面，如果Pmax-vmax的相關關系因性別或姿勢因素的影響而發(fā)生變化的話，那教練員和運動員就需要根據(jù)性別或身體姿勢因素制定不同的Pmax訓練策略來促進vmax的提高。因此，本研究設立2個研究目的：（1）比較不同性別或不同身體姿勢條件下，UDK的vmax或Pmax是否具有差異;（2）檢驗性別或身體姿勢因素是否會調節(jié)UDK的Pmax-vmax的相關關系變化。

1?研究對象與方法

1.1?研究對象

49名高水平游泳運動員，其中男29人，年齡（20.7±3.2）歲，身高（1.83±0.05） m，體重（78.1±8.6） kg，國際泳聯(lián)積分（702±113）分;女20人，年齡（19.6±1.7）歲，身高（1.71±0.04） m，體重（61.6±6.2） kg，國際泳聯(lián)積分（723±90）分。自愿參加測試，身體健康，在實驗前所有實驗對象均被告知實驗詳細流程及步驟并填寫知情同意書。

1.2研究方法

對運動員進行UDK的vmax和Pmax測試。所有測試均在運動員常規(guī)訓練期開始后的2周內進行，期間運動員的訓練量和訓練強度均相同。測試開始前1周，要求運動員熟悉設施器材及場地環(huán)境，并進行相關練習。每名運動員需要參加4次測試，每次測試隨機指定運動員采用俯臥或仰臥姿勢的UDK進行vmax或Pmax測試。每次測試至少間隔24 h，以避免運動員出現(xiàn)疲勞。

1）最大速度（vmax）測試。

測試時，運動員被要求在聽到出發(fā)信號后，迅速蹬離池壁，潛至水下約1 m處做15 m全力水下海豚腿，15 m池底標志線提示運動員游進距離。在5和15 m池面設置標記，邀請兩名有豐富經驗的教練員使用人工秒表記取運動員頭到達5和15 m處的時間，以避免出發(fā)和滑行對速度測試的影響。要求每名運動員進行2次俯臥或仰臥姿勢的UDK測試，取測試最好成績用來計算最大速度。

2）最大推進力功率（Pmax）測試。

參考Dominguez方法[11]使用改良版水中牽引設備（Total Performance，美國）進行多組15 m水下海豚腿漸增半牽引（semi-tethered swimming，STS）負重測試以計算Pmax。仰臥或俯臥姿勢的UDK測試要求同vmax測試。測試前進行標準熱身活動。每組測試間歇時間為5 min。測試時，運動員最初負重重量為5 kg，每次增加5 kg直至測試停止。每次測試時，將運動員自水中牽引設備所承擔的額外負重重量乘于完成該組測試的游泳速度用于計算功率（P）。將多組測試所得到的功率值繪制成功率-負重重量的拋物線曲線，拋物線峰值（Y軸）即為Pmax。測試次數(shù)由自制Excel表格繪制拋物線曲線模型決定。

3）計時成績信度和水中牽引設備的效度檢驗。

采用ICC系數(shù)評估人工計時的信度，在vmax和Pmax測試中，2名教練員計時成績的平均ICC=0.98，表明計時成績具有高度一致性。在本研究中，采用數(shù)字測力計（山度，中國，誤差率0.1%，敏感度0.01N）對牽引負重重量進行測量和校對。分別采集6個點的負重重量（5、10、15、20、30和40 kg）。負重重量與測力計顯示重量（N）進行線性回歸擬合結果表明，測力計顯示重量與負重重量為線性關系（y=2.278x+2.254，R2=0.996，P<0.01），具有較好的效度。在研究中，推進力功率由水中牽引負重重量×游泳速度的乘積所決定，而牽引設備具有所測量的負重重量具有良好效度與計時成績（用于計算游泳速度）具有良好信度表明：游泳速度與推進力功率的計算結果具有用于研究可以接受的信度與效度水平。

4）統(tǒng)計分析。

使用獨立樣本T-test和配對T-test分別對不同性別和不同身體姿勢的vmax和Pmax進行組間和組內差異檢驗?？紤]到運動員測試2種身體姿勢的UDK具有重復數(shù)據(jù)特征，且為非獨立數(shù)據(jù)，受UDK技術具有隨機效應（運動員個體差異性）和固定效應（性別和身體位置）的影響，傳統(tǒng)線性模型（Linear Model，LM）無法處理混合效應（Mixed effects）分析[13]。因此，采用混合線性模型（Linear Mixed-Effect Model，LMM）來建立回歸模型，將vmax設為因變量，將Pmax設為自變量并作對數(shù)轉換，以滿足線性回歸分析需要。參考溫忠麟等[14]對調節(jié)變量評估方法建立多個分層回歸模型來檢驗性別和身體姿勢是否對UDK的vmax與Pmax關系具有調節(jié)效應。將性別和身體姿勢變量逐步納入4個模型進行回歸分析如下：（1）建立僅具有Pmax效應的樸素模型（M1）;（2）將性別效應納入M1建立基于性別效應的模型（M2）;（3）將身體姿勢效應納入M1建立基于身體姿勢效應的模型（M3）;（4）建立基于性別×身體姿勢交互效應的模型（M4）。根據(jù)回歸模型中，性別、身體姿勢等回歸參數(shù)顯著性水平和R2變化情況來評估性別或身體姿勢效應對UDK的Pmax-vmax關系的影響。以條件決定系數(shù)（Conditional r-squared，Rc2）與邊際決定系數(shù)（Marginal r-squared，Rm2）的差值來評估隨機效應對模型的影響。所有數(shù)據(jù)用平均數(shù)±標準差來描述，顯著性水平設為P<0.05。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與繪圖均使用在R studio 3.5的lmer4、performance、ggplot函數(shù)包來完成。

2?結果與分析

UDK的vmax和Pmax在不同性別和不同身體姿勢條件下數(shù)據(jù)的分布情況見圖1。獨立樣本T-test結果顯示（圖1a和1c）：男運動員UDK的vmax（（1.55±0.20） m·s-1）明顯高于女運動員（（1.38±0.10） m·s-1），比女運動員平均快11%（0.16 m·s-1），差異具有統(tǒng)計學意義（P<0.01，ES=0.93）。女運動員的Pmax（（0.70±0.15） W·kg-1）明顯低于男運動員（1.05±0.32） W·kg-1），比男運動員平均低33%（0.35 W·kg-1），差異具有統(tǒng)計學意義（P<0.01，ES=1.40）。配對T-test結果表明（圖1b和1d）：采用仰臥姿勢（（0.95±0.34） W·kg-1）的UDK比俯臥姿勢（（0.87±0.29） W·kg-1）有更高的Pmax輸出，二者差異具有統(tǒng)計學意義（P<0.01，ES=0.25），但仰臥姿勢（（1.49±0.18） m·s-1）與俯臥姿勢（（1.48±0.19） m·s-1）UDK的vmax的差異無統(tǒng)計學意義（P=0.448，ES=0.05）。

在控制Pmax變量后（M1），依次將性別效應（M2）、姿勢效應（M3）和性別×姿勢效應（M4）納入回歸模型后表明（見表1）：性別效應（b=0.04，P>0.05）、姿勢效應（b=0.02，P>0.05）和性別×姿勢交互效應（b=0.01，P>0.05）的回歸系數(shù)均對vmax沒有預測作用。僅包含Pmax效應的樸素模型（M1）可以解釋因變量（vmax）變化的80%，在分別納入性別效應（M2），姿勢效應（M2）和性別×姿勢交互效應（M4）后，M2（83%）、M3（80%）和M4（81%）的解釋效力并沒有顯著性的增加。這表明性別效應、身體姿勢效應或二者的交互效應均不會影響UDK的Pmax與vmax的相關關系。研究進一步通過簡單斜率分析和圖形分析來檢驗在不同性別和不同身體姿勢條件下，Pmax對vmax的預測效應。結果發(fā)現(xiàn)：在不同性別或身體姿勢條件下，Pmax對vmax均產生顯著性的正向影響（男：b=0.31，P<0.01;女：b=0.25，P<0.01;仰臥：b=0.28，P<0.01;俯臥：b=0.30，P<0.01）。雖然回歸模型的斜率略有不同，但回歸模型的解釋效力較為一致（男：R2=0.56;女：R2=0.51;仰臥：R2=0.62;俯臥：R2=0.65）。圖形化分析也表明（見圖2）：在不考慮其他因素的條件下，UDK的Pmax與vmax表現(xiàn)出較強的正相關關系（圖2a）。而不同性別（圖2b）、不同身體姿勢（圖2c）或性別×姿勢交互（圖2d）條件下，UDK的Pmax與vmax的相關關系及回歸線均未發(fā)生明顯變化。這表明：性別和身體姿勢因素不會影響UDK的Pmax與vmax的關系。考慮到性別或身體姿勢效應對UDK的Pmax-vmax關系的變化不具備調節(jié)作用，遵循模型精簡原則，認為不包含性別或身體姿勢效應的樸素模型（M1）可較好地描述UDK的Pmax-vmax的高度正相關關系（lnvmax=0.42+0.23lnPmax，R=0.90，P<0.01），即Pmax越大，vmax越快。

3?討論

本研究主要目的是檢驗運動員性別或身體姿勢效應是否會影響UDK的Pmax與vmax的相關關系。結果發(fā)現(xiàn)：雖然男女在UDK的Pmax和vmax方面均具有差異，Pmax在仰臥或俯臥身體姿勢條件下具有差異，但不同性別或不同身體姿勢不會影響UDK的Pmax與vmax的相關關系。

不同性別運動員在UDK的vmax和Pmax均具有差異。男運動員比女運動員有更快的速度（11%）和更高的功率輸出（33%）。這與前人對自由泳姿勢的研究結果相似。Sharp等[15]研究報告了高水平大學生男運動員在25 m自由泳速度上比女運動員快12%，陸上自由泳上肢功率峰值高43%。Barbosa等[6]測試發(fā)現(xiàn)年齡組男子運動員100 m自由泳速度比女運動員快10%，自由泳功率輸出高30%。很顯然，男女在身體形態(tài)[16]、肌肉重量[17]、肌纖維橫截面積[18]的差異是導致UDK的vmax和Pmax差異的重要原因。

值得注意的一個結果是：男女運動員在UDK的vmax和Pmax具有差異，但性別差異并不會影響UDK的Pmax與vmax的相關關系。雖然男女在肌肉力量和功率輸出方面的差異，使教練員和運動員常依據(jù)性別制定不同的游泳訓練策略，但這種訓練策略并不適用于發(fā)展UDK的Pmax能力。這一點，可以用水中阻力與游泳速度之間的關系來解釋研究結果。研究表明：水中阻力與游泳速度的立方成正比，即游速越快，阻力越大[19]。因此，更快的UDK速度需要更大的推進力來克服隨著游速的提高而增大的水中阻力。男運動員有更快的UDK速度，但需要輸出更大的Pmax來克服隨之增大的水中阻力。與之相應的是女運動員UDK速度相對較慢，也僅需要較小的Pmax來推動身體向前游進。Barbosa等[6]的研究也支持了本研究結果：在控制了100 m游泳速度后，男女年齡組運動員在推進效率和阻力系數(shù)上無顯著性差異。

研究中發(fā)現(xiàn)改變身體姿勢對UDK的vmax沒有影響，不同身體姿勢的UDK在vmax沒有差異，這與Robinson等[20]研究結果相一致。仰臥姿勢的Pmax比俯臥姿勢平均高9%（0.08W·kg-1），具有顯著性差異。這與仰臥姿勢的UDK比俯臥姿勢有更大的下肢關節(jié)（髖關節(jié)、膝關節(jié)）垂直振幅有關[2]：更大的動作振幅能增大打腿時的推進力面積，進而產生更大的推進力[20]。雖然還沒有研究報道過UDK的Pmax在不同身體姿勢上的差異，但前人研究表明：運動員在仰泳中所產生的推進力大于自由泳[3， 11]，這在很大程度上支持了本研究的結果。

前人研究表明：膝關節(jié)運動是影響UDK的速度變化和產生推進力的運動關節(jié)[21]。在采用俯臥和仰臥姿勢時，身體姿勢變化并沒有引起身體動作結構的變化，特別是膝關節(jié)動作均以屈伸動作完成打腿動作。不同身體姿勢并沒有導致動作結構出現(xiàn)差異，仰臥或俯臥的UDK均能獲得相似的游泳速度。這可能是解釋UDK的Pmax-vmax關系不受身體姿勢因素限制的主要原因。仰臥和俯臥姿勢在vmax沒有顯著性差異，這說明無論采用仰臥還是俯臥姿勢進行UDK的訓練均可以提高UDK的成績。而仰臥姿勢比俯臥姿勢能產生更大的Pmax，這暗示著在UDK的Pmax訓練中，采用仰臥姿勢比俯臥姿勢可能獲得更大的推進力收益。

在采用M1模型描述UDK的Pmax與vmax關系時，Pmax可以解釋vmax變化的80%，但當排除隨機效應后，模型的解釋效力下降30%（Rc2-Rm2：0.80-0.50=0.30）。這說明，運動員UDK技術的個體差異性對Pmax與vmax之間的關系變化有重要影響作用。Connaboy等[21]發(fā)現(xiàn)：運動員采用不同的打腿頻率和幅度的組合方式均能獲得相似的UDK游進速度。計算機模擬分析發(fā)現(xiàn)：較大的打腿幅度在提高推進力的同時也會增大阻力。而較小幅度的打腿會產生較低的推進力和較低的阻力。但不同打腿頻率和打腿幅度（快頻率低幅度vs低頻率高幅度）均可以獲得理想游速的UDK打腿技術[22]。很顯然，阻力和推進力決定了游泳速度的變化。增大推進力或減小阻力均可以提高游泳速度[19]。因此，提高UDK的速度可能存在多種打腿頻率和打腿幅度的組合方式。不同的打腿組合方式必然使UDK的技術具有個體差異性并影響UDK的Pmax-vmax的關系變化。研究結果提示UDK的Pmax-vmax相關關系很大程度上受運動員技術的個體差異性影響，不受性別和身體姿勢因素的影響。教練員和運動員在發(fā)展Pmax來提高UDK的vmax時，應著重考慮不同打腿幅度和打腿頻率所帶來的技術個體差異性來制定不同的UDK訓練策略。

與成年高水平運動員相比較，提高UDK速度對青少年游泳運動員提高成績同樣重要。但本研究對象為成年高水平游泳運動員，考慮到青少年運動員在身體形態(tài)、肌肉力量、技術等方面與成年運動員具有差異[23]，研究結論對青少年游泳運動員的外推效力在一定程度上受到限制。另一方面，雖然最新的游泳規(guī)則限制了側向UDK技術的使用，但還有部分運動員在仰泳或自由泳比賽中采用側向UDK打腿技術。因此，在今后研究中應納入側向姿勢來討論不同身體姿勢UDK技術條件下Pmax-vmax關系的變化情況。

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