雙搖跳繩訓練對大學生下肢肌肉力量的影響

吳 方，井蘭香

（燕山大學 體育學院，河北 秦皇島 066044）

近年來，隨著大學生課業壓力不斷增加，學生們的生活習慣發生了較大的變化， 久坐少動等不良習慣已經成為在校大學生人群中的普遍現象，有甚者單日久坐可達14h 以上［1］，對健康極為不利， 且對學生的身體活動能力也造成了不同程度的負面影響。久坐少動行為（Sedentary Behavior ，SB）是指能量消耗少的特殊坐立行為（能量消耗在1～1.5METs）。1MET 表示為安靜狀態下休息能耗的能量。 有研究表明，久坐少動行為已經成為死亡、疾病和失能的主要影響因子，成為引起全球關注的一個公共衛生問題［2］。久坐少動行為會使骨骼肌的總質量相對不足，肌纖維體積減小，肌肉力量及肌肉爆發力下降，從而造成大學生身體活動能力下降。 因此，久坐行為可能是高校的大學生體質健康測試中學生無法取得理想成績的關鍵原因。綜上，為了預防久坐、低體力行為對大學生人群帶來的潛在危害，應采取一系列積極的干預措施。

運動是改善久坐、低體力行為的重要手段，但在校大學生迫于繁重的課業壓力對課余時間的擠壓以及運動場地的局限性，并不是所有運動都適合該類人群。 跳繩運動簡單易學，且不受時間場動限制。 跳繩可作為人們日常提高體能的一項運動，可對人體器官產生較好的影響，鍛煉人的心、肺、胃功能，神經系統和腦功能，經常進行跳繩還可提高人的跳躍能力，增加下肢肌肉彈性［3］。 雙搖跳繩是跳繩運動中的一種，表現為縱跳與搖繩技術的結合， 要求參與者跳躍一次繩需連續兩次通過腳底。 跳繩運動含有大量下肢彈跳動作，此動作的要素是下肢的伸展和屈曲， 兩種動作均具有拉長-縮短周期 （Stretch-Shortening Cycle， SSC）動作特征，可鍛煉髖、膝、踝關節周圍肌肉的超等長收縮能力［4］，或作為部分競技體育運動員專項輔助練習［5-6］。 因此，跳繩運動適合作為運動干預手段對久坐大學生進行鍛煉。 跳繩運動近年來開展火熱，越來越多的學者對其進行實驗研究， 但研究多以對跳繩運動對人的健身功效以及對跳繩運動本身的生物力學特征進行分析， 以跳繩運動為干預手段， 對受試者下肢肌肉力量及爆發力進行系列的生物力學分析研究尚少。 日常行為活動大多以下肢多關節運動為主，在研究中應采用下肢多關節的動力學、運動學測試。 原地縱跳是使用于各年齡人群下肢動力學的常用動作，因此，本研究以雙搖跳繩作為干預手段，利用生物力學的研究方法，測試并計算干預前后健康大學生原地縱跳的下肢動力學及運動學數據，以期證明雙搖跳繩能夠促進久坐人群下肢肌力、爆發力提供客觀的數據參考。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

自學校招募久坐少動大學生共40 名 （男性20 名， 女性20 名），隨機分為實驗組（男性 n=10，女性 n=10）和對照組（男性n=10，女性n=10）。 納入標準：受試者每日身體活動少于1.5METs，或久坐13h 以上；無扁平足、1 年內無任何下肢運動損傷； 自愿參與本研究設計的訓練并保證完成整個實驗過程。

1.2 訓練方法

雙搖跳繩的教授、練習由專門教練負責完成。 對所招募低體力活動的健康大學生實施為期8 周的連續雙搖跳繩練習。正式訓練前3 周傳授其雙搖跳繩正確技術動作， 此后進行每周4 次，每次6 組，每組40 個不間斷連續雙搖跳繩訓練。 兩組受試者不改變原有日常安排， 對照組受試者除日常活動外不進行任何形式的身體練習。

1.3 實驗設備

運動學：瑞士生產的8 臺Qualisys 紅外高速攝像頭（型號A12）、QTM 三維運動捕捉系統及配套的直徑為14mm 的Mark反光球，采集受試者原地縱跳過程中下肢髖、膝、踝關節在矢狀面的運動學參數，采樣頻率200Hz。

動力學： 瑞士生產的 Kistler 三維測力臺 （9260AA6）2 塊（60cm*50cm*10cm），外置信號放大器。 采集受試者縱跳過程中產生的地面反作用力，采樣頻率1 200Hz。 另外通過數模轉換器與QTM 三維運動捕捉系統連接，實現運動學數據和動力學數據同步采集。

1.4 測試流程

8 周雙搖跳繩訓練前后，測試受試者原地縱跳過程中下肢動力學與運動學數據， 分析原地縱跳過程中產生的地面反作用力、下肢爆發力、下肢剛度。

正式測試時，每名受試者在跑臺上以2～3m/s 的速度進行熱身5min 并進行2min 靜態拉伸， 為避免運動裝備不同帶來的實驗數據偏差， 要求受試者更換實驗專用服裝 （緊身運動衣、運動鞋、襪子）。 而后，操作人員為其第7 頸椎棘突、肩峰、髂前上棘、髂脊上緣、髂后上棘、大轉子等全身39 個主要標記點粘貼Mark 反光球，采集受試者縱跳實驗前靜態模型。 待靜態模型建立完成，受試者站立于測力臺中間，為避免受試者手臂長短不一的慣性矩導致的誤差，要求受試者雙手叉腰，雙腳平行向前，雙腳間距與肩同寬，聽到開始指令后迅速下蹲并奮力跳起后落到測力臺中央。 動力學測試和運動學測試同步進行。

1.5 數據處理

三維測力臺所測得力學數據導入Excel 表格進行后期處理后獲得縱跳蹬地期、落地緩沖期地面反作用力數據。

由圖像分析系統對下肢關節標記點進行后期處理， 通過進一步計算獲得下肢運動學數據。 本研究以髂前上棘-大轉子-股骨外上踝為髖關節、 大轉子-股骨外上踝-外踝為膝關節角、股骨外上踝-外踝-足尖為踝關節角。 通過計算蹬地階段與落地緩沖階段下肢各關節最大角度與最小角度之差求得下肢各關節矢狀面內的活動范圍 （range of motion，ROM，°）。

所有參數均采用Excel 自編程序計算。 計算人體質心瞬時加速度以公式：a=F/m-g，其中 F（N）為瞬時力，m（kg）為受試者體重，g（m/s2）為重力加速度；人體質心瞬時速度計算方法：Vn=Vn-0.001+an×0.001，其中 Vn為第 n（s）時刻人體質心的瞬時速度（m/s），Vn-0.001為 n-0.001（s）時刻的瞬時速度（m/s），兩個相鄰數據之間間隔0.001s； 瞬時位置計算方法:Pn=Pn-0.001+Vn·t+0.5·an·t2n，瞬時位置以落地階段腳開始觸地時刻為“0”，質心位移向下時為“-”，以腳尖觸地至緩沖階段結束的質心位置的垂直變化為人體質心緩沖期的最大垂直位移△Z；計算下肢剛度公式為：FZ/△Z，其中FZ為落地緩沖期峰值VGRF。人體質心爆發力計算方法為：人體質心所受合外力與運動速度的乘積，即 F*Vn。 騰空高度計算方法為：h=1/2gt2。

2 數據統計

利用SPSS24.0 統計軟件對所得實驗結果進行雙因素重復測量方差（Two-Way Repeated Measures ANOVA）分析自變量（不同組別和干預時間）對因變量（下肢剛度、地面反作用力、爆發力及騰空高度）的影響。 經獨立樣本T 檢驗比較受試者組間基本信息數據的參數差異，數據統計結果以平均數±標準差（M±SD）表示，顯著水平為 0.05。

3 實驗結果

實驗組與對照組受試者跳繩訓練前后縱跳地面反作用力特征如圖1 所示。 經統計學分析，訓練前，訓練組與對照組受試者原地縱跳起跳蹬地期地面反作用力峰值無顯著性差異（p=0.061），落地緩沖期地面反作用力峰值對比無顯著性差異（p=0.075）。 訓練后，組內比較對照組組受試者原地縱跳蹬地期地面反作用力峰值對比訓練前無顯著差異（p=0.064），訓練后落地緩沖期地面反作用力峰值較訓練前具有非常顯著差異（p=0.000）；訓練組受試者訓練后原地縱跳落地期地面反作用力峰值較對照組具有非常顯著差異（p=0.000）。

圖1 訓練組與對照組受試者試驗前后縱跳地面反作用力變化

兩組受試者訓練前后原地縱跳地面反作用力峰值以跳繩訓練后訓練組受試者縱跳地面反作用力最大。 訓練前對照組、訓練組，訓練后對照組、訓練組原地縱跳地面反作用力（N）分別為 2 900.43±350.25、2 879.73±280、3 059.96±260.87、5 352.34±230.59。 其中，圖中第一個波峰為原地縱跳蹬伸期最大地面反作用力值，該階段加速度由下到上變化；第二個波峰為受試者縱跳落地緩沖期最大地面反作用力值， 此刻人體質心位于下蹲的最低點，該階段加速度向下。

圖2 為受試者訓練前后質心爆發力的變化特征。 訓練前，對照組與訓練組受試者質心爆發力無顯著性差異（p=0.068）。訓練后， 訓練組受試者質心爆發力較訓練前相比具有顯著性差異（p=0.033）；對照組受試者訓練前后質心爆發力對比無顯著差異（p=0.061）。 可見受試者原地縱跳過程中人體質心爆發力分別有向上和向下的兩個波峰， 原因為人體質心爆發力為人體質心所受合外力與運動速度的乘積， 當受試者縱跳蹬伸階段，該階段人體質心的運動速度向上，因此人體質心爆發力曲線也向上；受試者落地緩沖期，以落地時刻質心位置為“0”，向下為“—”，所以受試者落地緩沖期質心位置為“—”，質心運動速度向下，爆發力曲線為向下。

圖2 訓練組與對照組受試者試驗前后縱跳質心爆發力變化

雙搖跳繩訓練前后受試者下肢力量相關指標見表1。

表1 雙搖跳繩練習對受試者支撐期動力學參數的影響

實驗組與對照組受試者縱跳訓練前后下肢剛度（N·m）分別為：85.93±6.56、126.67±9.75、84.97±5.34、82.59±4.82。經統計學分析，雙搖跳繩訓練前，實驗組與對照組受試者下肢剛度無顯著差異（p=0.085）；訓練后，對照組受試者原地縱跳過程中下肢剛度與訓練前無顯著差異（p=0.067）；實驗組受試者下肢剛度與訓練前比較具有極顯著性差異（p=0.000）；比較訓練后實驗組與對照組受試者下肢剛度， 結果發現實驗組受試者下肢剛度遠高于對照組受試者（p=0.000）。

實驗組與對照組受試者縱跳蹬伸時間（s）分別為：經統計學分析，雙搖跳繩訓練前，實驗組與對照組受試者縱跳蹬伸時間無顯著差異（p=0.071）；訓練后，對照組受試者原地縱跳蹬伸時間較訓練前無顯著差異（p=0.085）；實驗組受試者原地縱跳蹬伸時間經8 周雙搖跳繩訓練明顯縮短（p=0.000）；訓練后實驗組受試者蹬伸時間明顯短于對照組受試者蹬伸時間 （p＜0.001）。

實驗組與對照組受試者訓練前后最大騰空高度（m）分別為 0.27±0.05、0.35±0.06、0.24±0.04、0.23±0.03。 訓練前，兩組受試者縱跳最大騰空高度無顯著差異；訓練后，實驗組受試者最大騰空高度較訓練前具有極顯著性差異； 對照組受試者訓練前后縱跳最大騰空高度無顯著差異； 比較訓練后對照組和實驗組受試者最大騰空高度發現， 實驗組受試者縱跳高度與對照組受試者縱跳高度具有顯著性差異（p=0.034）。

如表2 所示，兩組受試者縱跳過程中髖、膝、踝關節力矩峰值無顯著差異（p=0.059、p=0.067、p=0.059）；訓練后實驗組受試者髖、膝、踝關節力矩峰值明顯大于訓練前，尤其以膝、踝關節力矩提升最多（p=0.045、p=0.000、p=0.000），對照組受試者訓練前后髖、膝、踝、關節力矩峰值無顯著差異（p=0.068、p=0.085、p=0.073），訓練后實驗組受試者與對照組受試者髖、膝、踝關力矩差異顯著（p=0.036、p=0.000、p=0.001）。

表2 雙搖跳繩練習對受試者下肢關節力矩峰值（N·m）的影響

4 討論

以雙搖跳繩作練習手段， 通過對比訓練前后測試實驗組受試者縱跳過程動力學、運動學數據，各方面結果提示雙搖跳繩對大學生下肢力量練習具有一定的積極作用。

地面反作用力是受試者原地縱跳支撐期與地面接觸時，地面對身體產生的大小相等，方向相反的力，可用于衡量受試者縱跳蹬地期、落地緩沖期下肢對地面產生的力值，從而進一步計算下肢3 關節處產力能力。 本研究結果顯示，兩組受試者訓練前縱跳產生的地面反作用力無明顯差異，8 周跳繩訓練后，實驗組受試者縱跳產生的地面反作用力最大，且較訓練前有明顯增加。 剛度的定義為在彈性范圍內，其位移的變化與力之間的比值。 參照下肢剛度算法，下肢剛度值與緩沖期地面反作用力峰值和人體質心垂直位移相關［7］，本研究結果顯示，8 周跳繩訓練后實驗組受試者下肢剛度值較訓練前明顯提高。 關節剛度的增加更多表現在矢狀面的關節活動度的縮小，關節活動度的減小可使人體質心位移減小并增加地面反作用力，因此，我們認為可能是關節剛度的增加導致了下肢剛度整體的增加。 受試者訓練后地面反力的增加便可能是受試者下肢肌力增加和關節活動度減小導致的質心垂直位移減少的共同作用結果。 關節力矩的提高可以提高關節剛度，研究認為，下肢或關節剛度維持在一定的水平有助于關節穩定性的提高［8］，運動過程中剛度過低有幾率造成關節突然位移引起損傷，本研究中，雙搖跳繩訓練后實驗組受試者下肢剛度得到增加，這提示我們雙搖跳繩訓練增加了受試者下肢髖、膝、踝關節處肌肉力量，關節穩定性增加。

爆發力在形式上表現是速度與力量的結合［9］，即為在越短的時間發揮出更大的力， 其特點是在肌肉收縮之前先做離心式拉長，造成肌肉拉長預應力，使肌肉增大收縮幅度，再做向心式收縮。 本研究中，經8 周雙搖跳繩練習，受試者縱跳蹬伸發力、落地緩沖時間明顯較訓練前縮短，這說明雙搖跳繩練習對受試者爆發力有一定的促進作用。

受試者運動過程中肌肉收縮產生使關節發生角位移的關節力矩，落地緩沖階段初期，人體下肢著地時地面反作用力在膝關節處產生屈膝力矩，在踝關節處產生背屈力矩［10］。 因此，髖關節和膝關節需要被動的產生伸膝、 跖屈力矩來抵抗地面反作用力帶來的外力。 雙搖跳繩訓練后，受試者縱跳落地時，膝、踝關節處產生的關節力矩顯著增加，這表明，跳繩訓練后人體可動員更多的伸膝肌群和踝跖屈肌群以對抗著地時突然產生的地面反作用力。 研究認為在某種程度上關節力矩的大小決定縱跳的高度［11］，原因是縱跳的高度取決于人體離地時刻的質心垂直速度，而垂直速度則由受試者垂直沖量決定，運動員跳躍過程中離心、 向心收縮產生的關節力矩大小決定了垂直沖量的大小，最終決定縱跳的高度。 本研究結果與此論點相符，經訓練后受試髖、膝、踝關節力矩均明顯高于訓練前且縱跳高度也顯著高于訓練前。肌肉力量曾被Enoka［12］定義為最大隨意肌力矩，因此凈關節力矩值可以表示肌肉力量大小，根據實驗結果顯示， 雙搖跳繩練習對受試者下肢肌肉力量具有一定的促進作用。

5 結論

1）雙搖跳繩練習可以作為練習手段鍛煉低體力活動大學生下肢髖、膝、踝關節周圍肌肉力量，尤其以膝、踝關節力量增加為主，具有一定的健身功效。

2）雙跳繩訓練后受試者下肢、關節剛度增加，提示雙搖跳繩練習可提高受試者運動過程中下肢及髖、膝、踝關節的穩定性。

3）雙搖跳繩練習后受試者動作蹬伸時間減少，縱跳蹬伸階段的地面反作用力增大，短時間內能產生較大的力值，提示受試者下肢爆發力得到提高。