運(yùn)動生物力學(xué)方法在我國速度滑冰專項(xiàng)力量研究中的應(yīng)用

華立君　蒙猛　楊春懷　馬逸奎

摘要：當(dāng)前運(yùn)動生物力學(xué)方法和手段已經(jīng)全方位的應(yīng)用到速滑運(yùn)動員專項(xiàng)力量訓(xùn)練和科研領(lǐng)域，從運(yùn)動學(xué)、足底動力學(xué)、肌電學(xué)及肌肉力學(xué)的單方面研究，到各種生物力學(xué)研究方法和手段的綜合應(yīng)用，都有所體現(xiàn)。從基礎(chǔ)力量測試到專項(xiàng)力量分析，基本技術(shù)、輔助訓(xùn)練手段的測試分析到專項(xiàng)力量訓(xùn)練器材的研發(fā)成果，都證明了運(yùn)動生物力學(xué)在我國速度滑冰專項(xiàng)力量訓(xùn)練和研究中發(fā)揮著重要的作用。不足之處主要體現(xiàn)在高水平的科研成果數(shù)量不多，綜合分析的深度不夠，對專項(xiàng)力量訓(xùn)練理論的指導(dǎo)同訓(xùn)練實(shí)踐結(jié)合的不夠緊密，缺乏具體可操作化的建議，理論性過強(qiáng)不利于教練員和運(yùn)動員理解。

關(guān)鍵詞：運(yùn)動生物力學(xué)；速度滑冰；專項(xiàng)力量；應(yīng)用與進(jìn)展

中圖分類號：G862.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1002ˉ3488（2013）02ˉ0010ˉ04

1引言

國內(nèi)外運(yùn)動生物力學(xué)的研究方法主要包括運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和生物學(xué)研究方法，其中運(yùn)動學(xué)研究方法主

要采用攝像及數(shù)字化處理來測量人體運(yùn)動的時(shí)間特性、空間特性和時(shí)空特性，動力學(xué)主要采用測力法測定力和速度、加速度等力學(xué)參數(shù)生物學(xué)涉及神經(jīng)肌肉活動的測量，主要是指對研究對象的肌力、肌電等生物學(xué)因素進(jìn)行測量[1]。由于受試驗(yàn)條件所限，以往的運(yùn)動生物力學(xué)研究多局限于單一方法的應(yīng)用，但任何一項(xiàng)運(yùn)動都包含著人體內(nèi)部與外部各項(xiàng)參數(shù)的連續(xù)變化，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，同步測量獲取人體內(nèi)外各類信息，并進(jìn)行綜合分析已成為各個(gè)運(yùn)動隊(duì)的切實(shí)需要和體育科研發(fā)展的新趨勢。

二十世紀(jì)八十年代速度滑冰研究的開創(chuàng)者Ingen Schenau[2]通過鞋底傳感器的應(yīng)用測得了速滑運(yùn)動員的足底壓力曲線和膝關(guān)節(jié)角度曲線，從能量的角度提出了速度滑冰的用力模型。Koning[3]將肌電測量的方法引入到速度滑冰的研究中，將探討的視角轉(zhuǎn)向肌體內(nèi)部肌肉的工作狀態(tài)。近年來，圖像分析在速滑研究中也得到廣泛應(yīng)用，攝像技術(shù)幫助研究者從速滑運(yùn)動員肢體運(yùn)動中尋找規(guī)律[4]。當(dāng)前最前沿的研究成果是：代表身體外部特征的足底壓力、關(guān)節(jié)角度和動作視頻，與代表身體內(nèi)部特征的肌電信號在速度滑冰運(yùn)動員專項(xiàng)試驗(yàn)中被同步測量進(jìn)行研究[5]。多年來生物力學(xué)方法和手段在速度滑冰運(yùn)動員的技術(shù)和專項(xiàng)力量訓(xùn)練中發(fā)揮了作用，通過對運(yùn)動員速滑過程每個(gè)階段技術(shù)動作和陸地模仿動作進(jìn)行生物力學(xué)分析，可以準(zhǔn)確定位專項(xiàng)力量的性質(zhì)，評價(jià)陸地模仿訓(xùn)練方法和專項(xiàng)力量訓(xùn)練方法的科學(xué)性。

2 運(yùn)動生物力學(xué)方法在我國速度滑冰專項(xiàng)力量訓(xùn)練中的應(yīng)用

2.1運(yùn)動學(xué)研究揭示了力量訓(xùn)練與技術(shù)之間的關(guān)系

速度滑冰運(yùn)動員在不同負(fù)荷下膝關(guān)節(jié)伸展所用時(shí)間存在拐點(diǎn)，這為選擇速度力量負(fù)荷大小提供了理論依據(jù)。目前的力量訓(xùn)練中對速度力量訓(xùn)練的負(fù)荷大小還存在模糊認(rèn)識，使用的重量、每組的次數(shù)與測試的結(jié)果存在差異，大重量和多次數(shù)并不能提高速度力量，建議教練員運(yùn)用先進(jìn)的運(yùn)動生物力學(xué)方法和手段提高訓(xùn)練的科學(xué)性與實(shí)效性。嚴(yán)力[6]研究結(jié)果表明，我國速滑運(yùn)動員速度力量訓(xùn)練負(fù)荷的重量偏高，每組練習(xí)的次數(shù)偏多。我國國家隊(duì)女子短距離選手在膝關(guān)節(jié)伸展速度、彎道傾倒角度和滑跑頻率方面與國外選手存在較大差距，為此專門制定了力量測試方案，為我國優(yōu)秀女子速滑運(yùn)動員王曼麗制訂了最佳速度下70 kg的負(fù)荷重量，改變了以往采用100～110 kg的負(fù)荷重量進(jìn)行力量訓(xùn)練，嚴(yán)重影響膝關(guān)節(jié)的伸展速度的狀況。在測試后通過對杠鈴負(fù)荷的調(diào)整，訓(xùn)練一段時(shí)期后王曼利膝關(guān)節(jié)伸展速度有較大幅度的提高。該研究結(jié)果表明運(yùn)動學(xué)分析手段可揭示技術(shù)和力量訓(xùn)練之間的關(guān)系。上述研究表明速度力量訓(xùn)練在速滑訓(xùn)練中十分重要，速滑運(yùn)動員可以通過運(yùn)動學(xué)研究掌握先進(jìn)的專項(xiàng)力量訓(xùn)練方法，符合人體自身和運(yùn)動項(xiàng)目的科學(xué)規(guī)律就能獲得滿意的訓(xùn)練效果。

2.2足底動力學(xué)研究為蹬冰力特征和陸上力量訓(xùn)練方法設(shè)計(jì)提供了參考和借鑒

通過對速滑運(yùn)動員的滑跑動作進(jìn)行足底動力學(xué)研究可以充分認(rèn)識速滑蹬冰足部力量分布與傳導(dǎo)特征，進(jìn)一步了解蹬冰的力學(xué)特征，并在這種力學(xué)合理性分析的基礎(chǔ)上優(yōu)化運(yùn)動技術(shù)。劉貴寶[7]利用德國Parotec鞋墊式壓力分布測量系統(tǒng)對我國優(yōu)秀速滑運(yùn)動員500 m滑跑進(jìn)行了全程足底動力學(xué)測試。通過對速滑運(yùn)動員彎道滑跑特點(diǎn)與直道滑跑特點(diǎn)相比較，表明彎道速度的獲得和彎道技術(shù)動作有關(guān)，技術(shù)動作使蹬動力轉(zhuǎn)化為前進(jìn)速度，技術(shù)動作的耐力水平是保持穩(wěn)定競技狀態(tài)的關(guān)鍵，速滑彎道耐力特點(diǎn)既在一定程度上反映技術(shù)動作穩(wěn)定性，又在力學(xué)素質(zhì)上提示了絕對蹬動力量和步頻的重復(fù)能力；速滑運(yùn)動員的彎道蹬冰力量和步頻的大小，與彎道耐力指數(shù)成正比。該研究提示教練員如果在訓(xùn)練中隨意增加蹬冰力量或者步頻的訓(xùn)練，可能會破壞運(yùn)動員的耐力水平，甚至使運(yùn)動員競技狀態(tài)的控制周期更加不穩(wěn)定。

陳小平[8]等對我國國家隊(duì)部分短距離速滑運(yùn)動員的最大力量閾值及其下降率進(jìn)行了動力學(xué)測試，研究結(jié)果表明我國男、女速滑運(yùn)動員的最大閾值與深蹲最大力量的比率分別為：男子61.49%；女子59.06%。通過這一指標(biāo)與國外優(yōu)秀運(yùn)動員對比分析表明我國優(yōu)秀速滑運(yùn)動員的快速力量能力并不弱于國外優(yōu)秀選手，反映出我國運(yùn)動員在短距離項(xiàng)目上具有一定的優(yōu)勢。但力量耐力的測試結(jié)果表明我國運(yùn)動員均處于較低的水平，其中20次深蹲前5次與后5次沖量的平均落差男運(yùn)動員為18.95%，女運(yùn)動員為13.60%，這一結(jié)果說明我國速度滑冰運(yùn)動員的力量素質(zhì)發(fā)展不平衡，具有較好的快速力量能力，但在力量耐力能力上表現(xiàn)出明顯的不足。為此提出我國短距離速滑運(yùn)動員應(yīng)該在保持最大力量和快速力量一定優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，優(yōu)先發(fā)展力量耐力的建議。

王犇[9]運(yùn)用足底壓力分布測試系統(tǒng)比較滑冰直道技術(shù)與滑板輔助訓(xùn)練手段的F-t曲線特征、壓力傳導(dǎo)特征和壓強(qiáng)分布特征等動力學(xué)參數(shù)，驗(yàn)證滑板輔助訓(xùn)練手段對提高滑冰直道技術(shù)水平的效果，為提高滑板輔助訓(xùn)練手段的有效性提供科學(xué)依據(jù)。

2.3肌電圖研究為速滑教練員制定個(gè)性化力量訓(xùn)練方案提供理論依據(jù)

在速度滑冰專項(xiàng)力量研究中，采用肌電圖分析方法可以分析主要發(fā)力肌肉的工作特點(diǎn)、發(fā)力大小、貢獻(xiàn)率多少等情況，全面系統(tǒng)地剖專項(xiàng)動作時(shí)的肌肉收縮及協(xié)同特征規(guī)律，了解不同專項(xiàng)力量訓(xùn)練手段的實(shí)際效果，進(jìn)而根據(jù)不同需要有針對性地設(shè)計(jì)具體肌肉的力量訓(xùn)練方法，提高速度滑冰力量訓(xùn)練的科學(xué)化水平。

為建立表面肌電與足底壓力同步模型，從身體內(nèi)部工作狀態(tài)的角度討論速度滑冰的一般規(guī)律，合理分析動作技術(shù)，設(shè)計(jì)專項(xiàng)力量的訓(xùn)練方法。林嘉等通過測量速滑運(yùn)動肌電與足底壓力以及視頻信號，建立了速滑蹬冰單周期模型，將速度滑冰單步周期劃分為6個(gè)階段，直觀地顯示了蹬冰周期參數(shù)變化的全過程，為速度滑冰技術(shù)分析以及日常訓(xùn)練提供了理論依據(jù)，在此基礎(chǔ)上提出將膝角120°時(shí)的下肢爆發(fā)力量素質(zhì)作為提高速滑能力的重點(diǎn)訓(xùn)練項(xiàng)目和評估速滑運(yùn)動員個(gè)人能力的一項(xiàng)測試指標(biāo)[10]。陳小平等對速度滑冰運(yùn)動員專項(xiàng)滑行時(shí)的多塊肌肉進(jìn)行肌電測試，從中篩選出4塊對蹬冰動作起主要作用的肌肉，在對多名運(yùn)動員4塊肌肉的肌電模型進(jìn)行“標(biāo)準(zhǔn)化”處理之后，得到了我國優(yōu)秀速滑運(yùn)動員蹬冰的肌肉用力模型[11]。該模型可以反映出速滑運(yùn)動員腿部主要蹬伸肌肉在蹬冰周期各個(gè)階段的工作特征以及它們之間的關(guān)系，為專項(xiàng)力量訓(xùn)練提供了訓(xùn)練目標(biāo)和理論依據(jù)。

2.4等動測試的相關(guān)研究成果為速滑運(yùn)動員專項(xiàng)力量訓(xùn)練提供定量數(shù)據(jù)

佟永典[12]為了分析我國速度滑冰優(yōu)秀男運(yùn)動員的下肢蹬冰有關(guān)肌肉群的做功情況，選擇國內(nèi)優(yōu)秀速滑運(yùn)動員劉洪波、黃勇為研究對象，利用Cybex6000等動肢體測力系統(tǒng)測量他們的膝、髖關(guān)節(jié)伸屈有關(guān)肌肉群高速收縮時(shí)的有關(guān)力學(xué)特征量。研究表明速度滑冰蹬冰輸出功伸膝肌群起的作用大于伸髖肌群起的作用，提示在平時(shí)的力量訓(xùn)練中要特別重視伸膝肌群快速收縮能力的訓(xùn)練，尤其是角速度在400°/S以上的伸膝力量訓(xùn)練。由于應(yīng)用負(fù)杠鈴蹲起的訓(xùn)練方法是不能達(dá)到所要求的角速度，建議用模擬側(cè)蹬冰快速跳來達(dá)到訓(xùn)練快伸膝肌群肌力的目的，并且要伸膝角速度達(dá)到400°/S以上。研究建議訓(xùn)練方法可采用等動訓(xùn)練法，這樣就能明確知道所訓(xùn)練的肌群在指定速度下的功量輸出，進(jìn)而評定力量訓(xùn)練效果。

3運(yùn)動生物力學(xué)在速度滑冰專項(xiàng)力量訓(xùn)練儀器開發(fā)中的應(yīng)用

陳民盛[15]為達(dá)到通過控制速度變化的訓(xùn)練方法達(dá)到力量訓(xùn)練的目的，設(shè)計(jì)和研制了速滑蹬冰等動模擬訓(xùn)練器。該訓(xùn)練器由機(jī)械部分、測量顯示部分、測力與位移傳感部分、阻尼機(jī)構(gòu)、臺式微機(jī)的控制部分所組成。機(jī)械部分主要是由主體框架、滑板和限制體姿的高度框架組成?；遄?、右運(yùn)行在兩條光滑的滑道內(nèi)，可左、右分別滑動達(dá)1.20 m。兩塊滑板具有互鎖性，當(dāng)一側(cè)滑板滑動時(shí)，另一側(cè)滑板則被鎖死，避免產(chǎn)生雙向滑動的現(xiàn)象。在框架的設(shè)計(jì)上，上蓋部分采用可自由升降式，以保證所有練習(xí)者都能在基本姿勢條件下完成動作，使陸上模擬手段更接近冰上動作。該訓(xùn)練器為了使運(yùn)動員在不同的膝關(guān)節(jié)角度下都能獲得最佳的訓(xùn)練效果，采用了在訓(xùn)練過程中改變阻力的大小的設(shè)計(jì)原理。

楊春懷[16]研制的速度滑冰專項(xiàng)力量多功能訓(xùn)練器是集電腦技術(shù)、傳感技術(shù)與機(jī)械技術(shù)為一體的新型訓(xùn)練器械。該訓(xùn)練器特別是按照項(xiàng)目技術(shù)條件和實(shí)際比賽項(xiàng)目的技術(shù)動作程序（起跑、直道滑行、彎道滑行）、步頻、蹬動力量、時(shí)間等進(jìn)行強(qiáng)化模擬訓(xùn)練，可根據(jù)并負(fù)載量的要求調(diào)整外加阻力負(fù)荷。該訓(xùn)練器能夠比較準(zhǔn)確的測量運(yùn)動員作模擬訓(xùn)練時(shí)的壓力數(shù)值，并能以圖像和數(shù)字的形式反饋給運(yùn)動員。該器械的特點(diǎn)是訓(xùn)練器械隨人體蹬動方向移動，因此它是一個(gè)活動式的測力裝置，又是一種模擬性很強(qiáng)的專項(xiàng)力量訓(xùn)練器械。

高偉[17]為提高運(yùn)動員的專項(xiàng)力量訓(xùn)練效率和專項(xiàng)運(yùn)動能力，針對滑冰運(yùn)動的腿部用力特點(diǎn)， 為了使得腿部力量訓(xùn)練與專項(xiàng)運(yùn)動更接近，設(shè)計(jì)制作了一套用于該訓(xùn)練的腿部力量訓(xùn)練器。同傳統(tǒng)的負(fù)重深蹲力量訓(xùn)練方式相比在腿部專項(xiàng)力量訓(xùn)練中具有更大的優(yōu)勢，該力量訓(xùn)練器的訓(xùn)練方式與滑冰專項(xiàng)特征更相近， 可以對腿部肌肉實(shí)現(xiàn)更加接近于專項(xiàng)運(yùn)動的載荷刺激。

賀福濱[18]等依據(jù)速度滑冰的運(yùn)動特點(diǎn)設(shè)計(jì)出一種速度滑冰陸地全相模擬場地與訓(xùn)練器械，運(yùn)動員可利用其在陸地上按冰上實(shí)際比賽項(xiàng)目的距離進(jìn)行起跑、直道橫向滑行、彎道交叉蹬動技術(shù)的狀態(tài)、步頻、時(shí)間、力量進(jìn)行循環(huán)訓(xùn)練。該儀器由中心定位盤、彎道弧度插接限定道、旋轉(zhuǎn)的中心定位轉(zhuǎn)盤、圓周運(yùn)動負(fù)重扶車、彎道塑膠踏道、負(fù)重扶車配重塊、塑料滑道等共同組成，研究結(jié)果表明利用該系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，可有效提高速滑運(yùn)動員專項(xiàng)力量耐力能力。

4 當(dāng)前運(yùn)動生物力學(xué)在我國速度滑冰專項(xiàng)力量研究中存在的問題與展望

綜合分析上述研究成果，表明當(dāng)前運(yùn)動生物力學(xué)方法和手段已經(jīng)全方位的應(yīng)用到速滑運(yùn)動員專項(xiàng)力量訓(xùn)練和科研領(lǐng)域，從運(yùn)動學(xué)、足底動力學(xué)、肌電學(xué)及肌肉力學(xué)的單方面研究到各種生物力學(xué)研究方法和手段的綜合應(yīng)用都有所體現(xiàn)。研究成果從基礎(chǔ)力量測試到專項(xiàng)力量分析，從基本技術(shù)、輔助訓(xùn)練手段的測試分析到專項(xiàng)力量訓(xùn)練器材的研發(fā)和設(shè)計(jì)都證明了運(yùn)動生物力學(xué)在我國速度滑冰專項(xiàng)力量訓(xùn)練和研究中發(fā)揮著重要的作用。

在取得上述研究成果的同時(shí)，當(dāng)前運(yùn)動生物力學(xué)方法手段在我國速度滑冰專項(xiàng)力量研究中還存在以下幾個(gè)方面的問題亟待解決：第一，當(dāng)前運(yùn)動生物力學(xué)在我國速度滑冰項(xiàng)目中進(jìn)行綜合性研究和應(yīng)用的成果不是很多，涉及的內(nèi)容也有局限性，特別是通過生物力學(xué)測試對我國優(yōu)秀速滑運(yùn)動員專項(xiàng)技術(shù)及專項(xiàng)力量特征方面進(jìn)行研究的高水平研究成果更為少見。第二，雖然速滑教練員、科研人員和訓(xùn)練學(xué)專家學(xué)者從訓(xùn)練方法手段、生物力學(xué)測試、訓(xùn)練儀器開發(fā)和應(yīng)用等不同角度對我國速度滑冰運(yùn)動員專項(xiàng)力量訓(xùn)練進(jìn)行了研究，但還沒有從本質(zhì)認(rèn)清速度滑冰力量訓(xùn)練的特點(diǎn)和規(guī)律，尤其在力量訓(xùn)練專項(xiàng)化方面缺乏領(lǐng)先國際的科研成果，定性的研究多于定量的研究。第三，由于研究者們對速滑運(yùn)動員力量訓(xùn)練專項(xiàng)化的認(rèn)識還存在誤區(qū)和爭議，高科技手段在專項(xiàng)力量訓(xùn)練中應(yīng)用不夠，國外先進(jìn)的訓(xùn)練方法和手段借鑒遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還沒有形成適合我國運(yùn)動員專項(xiàng)特點(diǎn)的專項(xiàng)力量訓(xùn)練方法體系來指導(dǎo)訓(xùn)練實(shí)踐。第四，速度滑冰運(yùn)動員力量訓(xùn)練儀器和輔助設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用盡管取得了一定的成果，但在實(shí)踐中應(yīng)用還有待于對專項(xiàng)特征參數(shù)化描述、訓(xùn)練參數(shù)設(shè)定、運(yùn)動員訓(xùn)練監(jiān)控和反饋等問題進(jìn)行更加深入的研究與完善，以不斷促進(jìn)力量訓(xùn)練儀器設(shè)備的專項(xiàng)化和實(shí)用化。第五，通過對研究成果分析表明，運(yùn)動生物力學(xué)在我國速滑運(yùn)動員專項(xiàng)力量訓(xùn)練領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。不足之處是綜合分析深度不夠，都處于單兵作戰(zhàn)狀態(tài)；分析不夠全面，對力量訓(xùn)練的理論指導(dǎo)沒有同訓(xùn)練實(shí)踐緊密結(jié)合；理論性過重不利于教練員實(shí)施，缺乏具體可操作的建議。

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責(zé)任編輯：田郁玫