運動性疲勞對跳深動作結(jié)構(gòu)影響的生物力學(xué)分析

鄒曉峰　陳民盛

摘要：使用三維測力平臺、Panasonic攝像機和MONARK 834E型功率自行車對20名男學(xué)生疲勞前后跳深動作進行測試，結(jié)果表明運動性疲勞引起跳深動作結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著性的變化，表現(xiàn)為重心速度的下降、騰起距離減少，以及與地接觸時間顯著性增加等特點；膝關(guān)節(jié)功能不斷下降，膝關(guān)節(jié)角度變化范圍明顯增大，膝關(guān)節(jié)峰值功率顯著性降低，最大橫向和縱向的沖擊力明顯增大，垂直蹬伸力顯著性降低。這些生物力學(xué)參數(shù)的改變，不但大幅降低了跳深訓(xùn)練的效果，同時增大了關(guān)節(jié)和肌肉損傷的風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：運動生物力學(xué)；運動性疲勞；跳深練習(xí)；增強式訓(xùn)練

中圖分類號：G808.14；G804.16

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-7116(2009)07-0089-04

運動性疲勞對骨骼肌活動能力的影響，不但被生理學(xué)和訓(xùn)練學(xué)界廣為關(guān)注，同時也是運動生物力學(xué)研究領(lǐng)域的重點課題。通常認為，在運動性疲勞狀態(tài)下，由于肌肉的貯存和分散能量的能力下降，輸出功率的降低，肌肉不能承載原來的負荷，必然導(dǎo)致動作技術(shù)的變形以及增大肌肉拉傷、應(yīng)力性骨折、關(guān)節(jié)和軟骨變性等損傷的風(fēng)險。可見運動性疲勞不但對運動員的運動能力產(chǎn)生直接的影響，而且也是導(dǎo)致運動性損傷的重要原因。因此，揭示運動性疲勞后的生物力學(xué)參數(shù)的變化因素，是探討產(chǎn)生骨骼肌損傷機制的重要途徑之一。

以跳深為典型代表的plyometric(增強式)練習(xí)，其實質(zhì)是一種利用機械撞擊刺激，迫使肌肉產(chǎn)生盡可能大肌張力的方法。這種短暫的沖擊性活動，能夠有針對性地增強肌梭的長度一反饋成分的易化反射作用，使肌肉既耐受更大的牽張負荷，又儲存了更多的彈性勢能，從而有效地促進動作速度和爆發(fā)力的發(fā)展，提高神經(jīng)系統(tǒng)的反應(yīng)能力。目前，國內(nèi)對于跳深的研究主要集中在跳深高度、跳深負荷以及強度等方面，但是在運動性疲勞后跳深練習(xí)的訓(xùn)練效果，是否存在潛在的損傷風(fēng)險等問題上還不明確。所以，研究疲勞后跳深練習(xí)動作結(jié)構(gòu)的改變及對下肢關(guān)節(jié)肌肉的影響，對于plyometric訓(xùn)練具有十分重要的意義。

1研究對象與方法

1.1研究對象

受試者為吉林大學(xué)體育學(xué)院20名男生，平均年齡(20±2)歲，平均身高為(176±4)cm，平均體重(67±7)kg，身體健康，背部、髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)功能正常，無運動性疾病，均接受一段時間的跳深訓(xùn)練，以保證動作的準(zhǔn)確性。

1.2研究方法

每名受試者完成準(zhǔn)備活動后，著裝緊身高彈長褲，完成50 cm的跳深測試，要求所有測試動作均為兩手叉腰，以減少手臂擺動對動作的影響。全部測試分2次進行，首先，在非疲勞狀態(tài)下進行一次跳深測試，然后在疲勞誘發(fā)后立刻進行第2次跳深測試。

疲勞的誘發(fā)在MONARK 834E功率自行車上進行。在5min的熱身練習(xí)之后，采取功率自行車逐級遞增負荷作為誘發(fā)肌肉疲勞的動力性運動。開始負荷的功率為50w，然后以50w負荷功率遞增，每級負荷運動時間為3min，保持其運動節(jié)奏為55r／min，直到受試者無法進行時停止實驗。測試過程中，及時不斷地給予受試者鼓勵，當(dāng)受試者確實難于維持時，停止蹬踏自行車，再進行跳深的測試。

采用大連理工大學(xué)研制的YDT-6461型六分量壓電晶體生物力學(xué)測力平臺，記錄足著臺過程中地面反作用力，門限值2kg，采樣時間1500ms。同時使用二臺日本Panasonic DP200攝像機同步進行三維拍攝，攝像機鏡頭高度約1.2m，拍攝頻率為50Hz，采用美國艾里爾(Ariel Dynamics)公司生產(chǎn)的The APAS System錄像解析系統(tǒng)對運動圖像進行數(shù)字處理。應(yīng)用spss12.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)處理，本研究采用的統(tǒng)計檢驗顯著水平為P<0.05。

2研究結(jié)果及分析

2.1疲勞前后跳深練習(xí)表現(xiàn)

表1是疲勞前后跳深練習(xí)部分運動學(xué)參數(shù)的變化情況，可以發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的參數(shù)都發(fā)生了顯著性變化。疲勞后騰起速度由(2.89±0.21)m／s降到(2.70±0.37)m／s，顯著性地下降(P<0.05)；重心騰起的高度也顯著性降低(P<0.05)；重心緩沖距離略有增大，但是變化不明顯。在時間參數(shù)上，疲勞前后也有較大差異，疲勞后騰空時間明顯縮短(P<0.01)，而與地面接觸階段的緩沖時間與蹬伸時間均顯著性地增加(P<0.05)。

2.2下肢關(guān)節(jié)活動范圍

疲勞后跳深練習(xí)，在由高處下落至著地瞬間，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)角度沒有明顯變化，踝關(guān)節(jié)角度值略有下降。在隨后的著地緩沖階段，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)角度變化范圍都顯著性增大(P<0.05)，但髖關(guān)節(jié)角度變化范圍疲勞前后差異無顯著性。至最大緩沖時刻，明顯可見疲勞后膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)角度被壓低(P<0.05)。在蹬伸階段，膝關(guān)節(jié)角度變化范圍仍舊明顯增加(P<0.05)，而髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)變化范圍不明顯，無統(tǒng)計學(xué)意義(表2)。

2.3動力學(xué)參數(shù)特征

1)三維力。

疲勞后跳深，緩沖階段的最大垂直沖擊力F_z沒有明顯的下降，而前后方向作用力F_y和F_x則顯著性增加(P<0.05)。在蹬伸階段，蹬伸力前后方向的分力F_y顯著的增加(P<0.05)，而垂直蹬伸力值從(21.58±6.22)N／kg減少到(19.46±8.39)N／kg，對其進行，檢驗，發(fā)現(xiàn)差別具有顯著性(P<0.05)。

2)關(guān)節(jié)功率。

關(guān)節(jié)功率定義為力矩與相應(yīng)的環(huán)節(jié)角速度的乘積。從疲勞后的關(guān)節(jié)功率看，緩沖階段髖關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)功率峰值上升顯著(P<0.05)，而膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)功率峰值增加不明顯，無統(tǒng)計學(xué)意義。在隨后的體現(xiàn)下肢做功能力的蹬伸階段，髖、膝、踝關(guān)節(jié)峰值功率均有所下降，其中膝關(guān)節(jié)峰值功率下降非常顯著(P<0.05)。

3討論

本文旨在探討疲勞后跳深練習(xí)動作結(jié)構(gòu)的改變及其對下肢關(guān)節(jié)肌肉的影響。通常認為，在進行跳深一類的plyometric訓(xùn)練時要在其他力量訓(xùn)練前進行，即在神經(jīng)肌肉系統(tǒng)不疲勞情況下訓(xùn)練，其理由是如果機體疲勞，神經(jīng)的適應(yīng)性可能減少，與地面接觸階段的時間增加，這樣有可能減少肌肉的工作效率。但實際上許多體育項目的功率輸出是在疲勞狀態(tài)下完成的，有學(xué)者認為應(yīng)該在疲勞狀態(tài)下訓(xùn)練輸出功率，可以將一些plyometric訓(xùn)練在疲勞條件下進行，以滿足專項的適應(yīng)。由于目前對疲勞狀態(tài)下的跳深訓(xùn)練的動作結(jié)構(gòu)變化以及影響機制還不是十分明確，因此還不能判斷其適用性。

研究中發(fā)現(xiàn)，運動性疲勞引起跳深動作結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著性的變化。最直接的證據(jù)是重心速度的下降、騰起距離減少，以及與地接觸時間顯著性增加(見表1)，這些運動學(xué)參數(shù)的改變，說明疲勞后受試者的運動能力已經(jīng)顯著下降。生理學(xué)研究認為這是由于人體

在從事連續(xù)性的運動過程中，隨著能源物質(zhì)的不斷消耗，代謝產(chǎn)物的積累導(dǎo)致肌肉的疲勞，致使肌肉牽張反射敏感性降低、剛性調(diào)節(jié)減弱、運動中肌纖維募集的類型改變，從而減弱肌肉收縮活動的能力，不能維持原有的練習(xí)強度與輸出功率。因此，疲勞后跳深練習(xí)效果下降是必然的。

疲勞前后下肢關(guān)節(jié)角度的變化也說明動作結(jié)構(gòu)的改變。在本研究中，要求運動員上肢相對固定，這就減少了上肢的擺動對跳深練習(xí)動作結(jié)構(gòu)的影響，動作質(zhì)量的好壞主要由下肢各關(guān)節(jié)肌肉的工作能力來決定。在著地緩沖階段，下肢受到瞬間的沖擊力作用，髖、膝、踝關(guān)節(jié)進行屈曲緩沖，下肢伸展肌群收縮方式為離心收縮；而在蹬伸階段，通過積極的伸展下肢關(guān)節(jié)，釋放離心收縮時儲存的彈性能。疲勞后，在緩沖階段最明顯的變化是膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)角度都有顯著性的下降，重心更低，關(guān)節(jié)運動范圍、緩沖時間都顯著性增加。有研究認為，這是下肢關(guān)節(jié)為降低地面垂直反作用力的一種補償策略，人主要依靠關(guān)節(jié)屈曲時活動肌的伸長和骨骼的變形來減小和傳遞觸地時所受到的作用力，以確保安全地與地面接觸。但增大緩沖的幅度，不利于跳深的耦合作用和隨后拉伸的速度，肌肉韌帶的承載能力也增加，增大損傷的風(fēng)險。同時緩沖時間的增加，也會導(dǎo)致肌肉的彈性形變力下降，彈性能將有一部分以熱能的形式釋放，使向心收縮時可利用的部分減少，肌張力下降。在蹬伸階段膝關(guān)節(jié)的角度變化范圍雖然顯著性地增大，髖關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)也積極伸展，但是蹬伸時間也明顯延長，造成輸出功率降低(見表4)。

關(guān)節(jié)功率代表了人體不同部位做功的能力，這種能力的下降可反映人體疲勞的程度。通過檢驗疲勞前后關(guān)節(jié)功率的變化發(fā)現(xiàn)，疲勞后跳深，著地緩沖階段的下肢關(guān)節(jié)功率峰值都較正常跳深有所增加，尤其髖關(guān)節(jié)功率峰值增加更加顯著(P<0.05)，這說明疲勞后下肢關(guān)節(jié)受到?jīng)_擊作用后做負功有所增加，伸展關(guān)節(jié)肌群的工作能力下降明顯。在蹬伸階段，最明顯的變化是膝關(guān)節(jié)功率峰值顯著性降低，而踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的功率峰值也略有下降，這意味著在此階段的關(guān)節(jié)輸出功率明顯減少?？梢?，運動性疲勞導(dǎo)致跳深動作的這些結(jié)構(gòu)性改變對跳深訓(xùn)練效果的影響是十分明顯的，教練員應(yīng)根據(jù)運動員的機能狀況，選擇跳深適宜的負荷量與強度。

從跳深動作前后沖擊力的變化情況來看，疲勞后最大橫向和縱向的沖擊力，明顯增大(P<0.05)，而垂直沖擊力增幅沒有統(tǒng)計學(xué)意義，這和部分研究結(jié)果不一致。前后方向作用力的增加，是由于著地時刻踝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)角度下降所致，這容易導(dǎo)致跟腱產(chǎn)生極大的應(yīng)變。如果受試者能夠有意識地通過更為豎直的腳姿觸地以減小最大反作用力時，則達到最大垂直作用力的時間將延遲。觸地時較為豎直的腳姿態(tài)，也能夠提供給運動員更長的時間來減小腳跟在觸地前的垂直速度，降低損傷的幾率。而橫向作用力的增加，可能是著地時刻關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動與踝關(guān)節(jié)的內(nèi)翻或者外翻造成的，說明疲勞后踝關(guān)節(jié)著地穩(wěn)定性能的下降，這也增加了踝關(guān)節(jié)損傷的風(fēng)險。由于跳深時下肢受到垂直的沖擊力的作用較大(本研究中最大近4000N)，這意味著較大的沖擊載荷會使伸展關(guān)節(jié)肌群受到較大的牽拉作用，當(dāng)出現(xiàn)疲勞時，人體肌肉骨骼系統(tǒng)應(yīng)對足跟觸地振動波的調(diào)節(jié)能力下降，強烈的沖擊和扭轉(zhuǎn)負荷將增加正常關(guān)節(jié)退化的危險；當(dāng)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)存在異常、關(guān)節(jié)或肌肉出現(xiàn)神經(jīng)支配障礙、肌肉力量或耐力不足時，發(fā)生退化性關(guān)節(jié)疾病的可能性更大。因此疲勞后，跳深動作可能會造成除代謝疲勞之外的肌肉和關(guān)節(jié)損傷。

運動性疲勞引起跳深動作結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著性的變化，表現(xiàn)為重心速度的下降、騰起距離減少，以及與地接觸時間顯著性增加等特點，膝關(guān)節(jié)功能不斷下降，膝關(guān)節(jié)角度變化范圍明顯的增大，膝關(guān)節(jié)峰值功率顯著性降低，最大橫向和縱向的沖擊力明顯增大，垂直蹬伸力顯著性降低。這些生物力學(xué)參數(shù)的改變，不但大幅降低了跳深訓(xùn)練的效果，同時增大了關(guān)節(jié)和肌肉損傷的風(fēng)險。因此，教練員應(yīng)根據(jù)運動員的機能狀況、力量基礎(chǔ)和訓(xùn)練水平，選擇跳深適宜的負荷量與強度。

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