跑步生物力學(xué)轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度與無(wú)氧閾值速度(VAT)的關(guān)聯(lián)

中圖分類號(hào)：G806

DOI：10.16655/j.cnki.2095-2813.2024.17.000

備注：不添加牟善文作者信息，為注冊(cè)號(hào)

作者簡(jiǎn)介：呼慶（1998—），男，碩士研究生，無(wú)職稱; 研究方向?yàn)轶w育教育訓(xùn)練學(xué)。

普通作者：牟善文（1989—），男，碩士研究生，中級(jí)-無(wú); 研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)生理生化。

作者簡(jiǎn)介： 呼慶（1998- ），男，碩士研究生，無(wú)職稱，研究方向：體育教育訓(xùn)練學(xué)。

摘要： 本研究探討了15名業(yè)余跑者的生物力學(xué)參數(shù)與無(wú)氧閾值速度（VAT）之間的關(guān)系。通過跑步機(jī)測(cè)試和慣性感測(cè)技術(shù)，分析如胸椎旋轉(zhuǎn)角速度步頻、步長(zhǎng)等參數(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VBDP）。結(jié)果顯示大部分轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VBDP）與無(wú)氧閾值速度（VAT） 呈中度相關(guān)，特定模型顯著提高無(wú)氧閾值速度（VAT）預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。研究表明生物力學(xué)參數(shù)能有效預(yù)測(cè)長(zhǎng)跑表現(xiàn)，為訓(xùn)練提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：跑步；生物學(xué)；無(wú)氧閾值速度（VAT）；關(guān)聯(lián)

CorrelATion Between the Turning Point Speed of Running Biomechanics and the Anaerobic Threshold Speed

HU Qing

（Inner Mongolia Normal University， Ulanqab， Inner Mongolia， 010028 China）

Abstract： This study explores the relationship between biomechanical parameters and the anaerobic threshold speed （VAT） of 15 amateur runners. Through treadmill tests and inertial sensing technology， the turning point speed （VBDP） such as the angular velocity of thoracic rotation， step frequency， and step length were analyzed. The results show that most of the turning point speeds （VBDP） are moderately correlated with the anaerobic threshold speed （VAT）， and specific models significantly improve the predictive accuracy of the anaerobic threshold speed （VAT）. The study shows that biomechanical parameters can effectively predict long-distance running performance and provide a scientific basis for training.

Key words： Running; Biology; Anaerobic Threshold Speed （VAT）; Correlation

長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)是一項(xiàng)對(duì)耐力和體能要求極高的體育活動(dòng)，其中無(wú)氧閾值速度（VAT）是評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)員耐力和競(jìng)賽表現(xiàn)的一個(gè)重要參數(shù)。無(wú)氧閾值是指運(yùn)動(dòng)員在不積累大量乳酸的條件下能夠持續(xù)運(yùn)動(dòng)的最高速度，與長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)有著密切關(guān)系[1]。然而，目前大部分研究主要集中在生理學(xué)參數(shù)上，如心率、乳酸濃度等，對(duì)于運(yùn)動(dòng)過程中的生物力學(xué)特征探討不足，尤其是從生物力學(xué)角度解析無(wú)氧閾值與跑步表現(xiàn)之間的關(guān)系。

生物力學(xué)參數(shù)，如步頻、觸地時(shí)間、脛骨加速度等，能夠反映運(yùn)動(dòng)員在跑步過程中的動(dòng)作質(zhì)量和能量效率[2]。然而，目前關(guān)于如何利用這些生物力學(xué)參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)和改善無(wú)氧閾值速度（VAT） 的研究仍然不足[3]。了解這些生物力學(xué)參數(shù)如何隨著運(yùn)動(dòng)速度的變化而變化，以及它們與無(wú)氧閾值速度（VAT）之間的關(guān)系，對(duì)于深入理解長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)的生理和機(jī)械機(jī)制、優(yōu)化訓(xùn)練計(jì)劃以及提高運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)具有重要意義。

1研究對(duì)象和方法

1.1研究對(duì)象

本實(shí)驗(yàn)招募了15名男性業(yè)余跑者，均具有至少一年的規(guī)律訓(xùn)練歷史，每周訓(xùn)練量不少于15公里，參與者在參加實(shí)驗(yàn)前簽署了知情同意書，并被充分告知可能的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2研究方法

1.2.1實(shí)驗(yàn)步驟

熱身：受試者首先進(jìn)行自主熱身，持續(xù)3至5分鐘，隨后在跑步機(jī)上以6km/h速度進(jìn)行3分鐘的標(biāo)準(zhǔn)熱身。

漸增負(fù)荷測(cè)試：完成熱身后，受試者在hp（cosmos Quasar）型號(hào)跑步機(jī)上進(jìn)行漸增負(fù)荷測(cè)試。測(cè)試開始時(shí)，速度設(shè)置為8km/h，每分鐘增速1.6km/h，超過17.6km/h后，增速改為每分鐘0.8km/h，直至受試者感到力竭。

1.2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備與指標(biāo)

跑步機(jī)：使用德國(guó)產(chǎn)Hp（cosmos Quasar）型跑步機(jī)，具有準(zhǔn)確的速度控制功能。

氣體分析：通過Cortex METALYZER? 3B氣體分析儀測(cè)定受試者的呼吸氣體成分，計(jì)算最大攝氧量和無(wú)氧閾值速度（VAT）。

慣性傳感器：使用四個(gè)Blue Triden IMU傳感器收集運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，包括步頻、步長(zhǎng)等，傳感器分別固定在雙腿的腓骨上方、腰部和胸部。

1.2.3數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)通過描述性統(tǒng)計(jì)分析呈現(xiàn)平均值與標(biāo)準(zhǔn)差。運(yùn)用皮爾遜積差相關(guān)分析探索生物力學(xué)參數(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VBDP））與無(wú)氧閾值速度（VAT））之間的相關(guān)性。所有統(tǒng)計(jì)分析均使用IBM SPSS 23軟件分析，顯著性水平設(shè)定為α= 0.05。

2研究結(jié)果與分析

2.1 生物力學(xué)轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度與無(wú)氧閾值速度（VAT）的相關(guān)性

表1展示了 無(wú)氧閾值速度（VAT） 與各項(xiàng)生物力學(xué)轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VBDP）之間的相關(guān)性。從表中可以看出，除了質(zhì)心垂直加速度轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VTVA-DP） 之外，其他運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度都與 無(wú)氧閾值速度（VAT） 顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均處于中度（r=0.54～0.66）。此外，部分生物力學(xué)轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VBDP）之間也存在顯著相關(guān)性，具體為騰空時(shí)間轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VFT-DP）與觸地時(shí)間轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VCT-DP） 高度相關(guān)（r=0.71），騰空時(shí)間轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VFT-DP） 與 質(zhì)心垂直加速度轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VTRAV-DP） 中度相關(guān)（r=0.54），脛骨峰值加速度轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VPTA-DP） 與步頻轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VCAD-DP） 高度相關(guān)（r=0.75），質(zhì)心垂直加速度轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VTRAV-DP） 與步頻轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VCAD-DP） 中度相關(guān)（r=0.52），步頻轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VCAD-DP） 與質(zhì)心垂直加速度轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VTVA-DP） 中度相關(guān)（r=0.53）。

2.2 各運(yùn)動(dòng)學(xué)轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度與無(wú)氧閾值速度（VAT）的差異與誤差

在探討運(yùn)動(dòng)員體能表現(xiàn)時(shí)，無(wú)氧閾值速度（VAT）和生物力學(xué)轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VBDP）是兩個(gè)非常重要的參數(shù)。而生物力學(xué)轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度則是通過DMAX模型計(jì)算得出的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。DMAX模型是一種基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的統(tǒng)計(jì)模型，它能夠根據(jù)運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的力量、速度和加速度等數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)員在不同速度下的表現(xiàn)。轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VBDP）就是DMAX模型中一個(gè)重要的生物力學(xué)指標(biāo)，它代表了運(yùn)動(dòng)員在跑動(dòng)過程中從一種生物力學(xué)模式轉(zhuǎn)向另一種生物力學(xué)模式的速度點(diǎn)。

從表2可以看出，無(wú)論是無(wú)氧閾值速度（VAT），還是各項(xiàng)轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VBDP），其轉(zhuǎn)折點(diǎn)發(fā)生的時(shí)間都在整段跑動(dòng)過程的 70%左右，這個(gè)落點(diǎn)與過去無(wú)氧閾值發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)相符。在事后成對(duì)比較中，無(wú)氧閾值速度（VAT） 與所有轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VBDP）之間沒有差異，主要差異來(lái)自于 轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VBDP）之間，步頻轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VCAD-DP）顯著大于騰空時(shí)間轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VFT-DP）（p=.035）、脛骨峰值加速度轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VPTA-DP）（p=.003）以及質(zhì)心垂直加速度轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VTRAV-DP）（p=.01），如表3 所示。

3討論

3.1 生物力學(xué)參數(shù)隨速度變化的非線性特征

在跑步速度的遞增過程中，跑者的生物力學(xué)參數(shù)表現(xiàn)出明顯的非線性變化，通過D-max數(shù)學(xué)模型，識(shí)別了跑者在特定速度下的生物力學(xué)轉(zhuǎn)折點(diǎn)（VBDP），這些轉(zhuǎn)折點(diǎn)大多出現(xiàn)在速度遞增測(cè)試的中段。這表明，與生理指標(biāo)如攝氧量、心率和血乳酸濃度類似，跑者的生物力學(xué)參數(shù)也隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的增加而呈現(xiàn)出明顯的非線性變化。然而，不同于以往研究中的明顯四種趨勢(shì)變化（如陡緩升坡、緩陡升坡等）[4]。研究發(fā)現(xiàn)跑步生物力學(xué)參數(shù)與跑速之間的變化關(guān)系雖然明顯但個(gè)體差異較大，這可能是由于個(gè)體間跑姿穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)習(xí)慣的差異。

3.2 生物力學(xué)轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VBDP）與無(wú)氧閾值速度（VAT）的相關(guān)性

本研究中，大部分生物力學(xué)轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度與無(wú)氧閾值速度（VAT）呈現(xiàn)中度相關(guān)性（r=0.54～0.66），這一結(jié)果指出除軀干垂直加速度外，其他參數(shù)（如騰空時(shí)間、觸地時(shí)間、胸椎旋轉(zhuǎn)角速度等）的轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VBDP）都與跑者的耐力性能密切相關(guān)。我們將每個(gè)階段設(shè)定為一分鐘，以確保足夠的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和跑姿調(diào)整，從而捕捉到更準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)學(xué)變化，不同于傳統(tǒng)的研究要求步長(zhǎng)和步頻都有很大的主導(dǎo)性[4]。這表明，轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VBDP）可以作為預(yù)測(cè)跑者無(wú)氧閾值速度（VAT）能力的有效生物力學(xué)指標(biāo)。

3.3 轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VBDP）與無(wú)氧閾值速度（VAT）的差異及其應(yīng)用

盡管轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VBDP）與無(wú)氧閾值速度（VAT） 呈現(xiàn)中度相關(guān)性，但在具體值上存在一定差異，這種差異可能來(lái)源于兩者的生理基礎(chǔ)不同[5]。值得注意的是，在無(wú)氧閾值速度（VAT） 較低的跑者中，某些生物力學(xué)參數(shù)（如脛骨峰值加速度轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VPTA-DP）、質(zhì)心垂直加速度轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VTVA-DP）和步頻轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VCAD-DP））的轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VBDP）通常高于無(wú)氧閾值速度（VAT）；而在無(wú)氧閾值速度（VAT）較高的跑者中，這些參數(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VBDP）則相對(duì)較低。通過調(diào)整個(gè)別參數(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度（VBDP），可能能進(jìn)一步提升對(duì)無(wú)氧閾值速度（VAT）的預(yù)測(cè)精度，尤其是在個(gè)別跑者的性能評(píng)估和訓(xùn)練優(yōu)化中[6]。

4結(jié)語(yǔ)

通過本研究，我們發(fā)現(xiàn)跑者在不同速度下的生物力學(xué)參數(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)（VBDP）能夠有效反映出無(wú)氧閾值速度（VAT）的高低，從而為評(píng)估跑者的耐力水平提供了新的生物力學(xué)視角。我們的研究不僅揭示了無(wú)氧閾值速度（VAT）與多項(xiàng)生物力學(xué)參數(shù)之間存在中度相關(guān)性，而且還通過逐步回歸分析建立了一個(gè)預(yù)測(cè)無(wú)氧閾值速度（VAT）的數(shù)學(xué)模型，該模型相較于單一生物力學(xué)參數(shù)，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)無(wú)氧閾值速度（VAT）。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)特性及其對(duì)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的影響具有重要意義。

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