運(yùn)動(dòng)性疲勞對(duì)跳深動(dòng)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(cè)力平臺(tái)、Panasonic攝像機(jī)和MONARK 834E型功率自行車對(duì)20名男學(xué)生疲勞前后跳深動(dòng)作進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明運(yùn)動(dòng)性疲勞引起跳深動(dòng)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(shí)間顯著性增加等特點(diǎn)；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(shí)增大了關(guān)節(jié)和肌肉損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)；運(yùn)動(dòng)性疲勞；跳深練習(xí)；增強(qiáng)式訓(xùn)練

中圖分類號(hào)：G808.14；G804.16

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-7116(2009)07-0089-04

運(yùn)動(dòng)性疲勞對(duì)骨骼肌活動(dòng)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(shí)也是運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究領(lǐng)域的重點(diǎn)課題。通常認(rèn)為，在運(yùn)動(dòng)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(lái)的負(fù)荷，必然導(dǎo)致動(dòng)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(xiǎn)?？梢?jiàn)運(yùn)動(dòng)性疲勞不但對(duì)運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)能力產(chǎn)生直接的影響，而且也是導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)性損傷的重要原因。因此，揭示運(yùn)動(dòng)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(jī)制的重要途徑之一。

以跳深為典型代表的plyometric(增強(qiáng)式)練習(xí)，其實(shí)質(zhì)是一種利用機(jī)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(dòng)，能夠有針對(duì)性地增強(qiáng)肌梭的長(zhǎng)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(fù)荷，又儲(chǔ)存了更多的彈性勢(shì)能，從而有效地促進(jìn)動(dòng)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(guó)內(nèi)對(duì)于跳深的研究主要集中在跳深高度、跳深負(fù)荷以及強(qiáng)度等方面，但是在運(yùn)動(dòng)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(xiǎn)等問(wèn)題上還不明確。所以，研究疲勞后跳深練習(xí)動(dòng)作結(jié)構(gòu)的改變及對(duì)下肢關(guān)節(jié)肌肉的影響，對(duì)于plyometric訓(xùn)練具有十分重要的意義。

1研究對(duì)象與方法

1.1研究對(duì)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(wú)運(yùn)動(dòng)性疾病，均接受一段時(shí)間的跳深訓(xùn)練，以保證動(dòng)作的準(zhǔn)確性。

1.2研究方法

每名受試者完成準(zhǔn)備活動(dòng)后，著裝緊身高彈長(zhǎng)褲，完成50 cm的跳深測(cè)試，要求所有測(cè)試動(dòng)作均為兩手叉腰，以減少手臂擺動(dòng)對(duì)動(dòng)作的影響。全部測(cè)試分2次進(jìn)行，首先，在非疲勞狀態(tài)下進(jìn)行一次跳深測(cè)試，然后在疲勞誘發(fā)后立刻進(jìn)行第2次跳深測(cè)試。

疲勞的誘發(fā)在MONARK 834E功率自行車上進(jìn)行。在5min的熱身練習(xí)之后，采取功率自行車逐級(jí)遞增負(fù)荷作為誘發(fā)肌肉疲勞的動(dòng)力性運(yùn)動(dòng)。開(kāi)始負(fù)荷的功率為50w，然后以50w負(fù)荷功率遞增，每級(jí)負(fù)荷運(yùn)動(dòng)時(shí)間為3min，保持其運(yùn)動(dòng)節(jié)奏為55r／min，直到受試者無(wú)法進(jìn)行時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。測(cè)試過(guò)程中，及時(shí)不斷地給予受試者鼓勵(lì)，當(dāng)受試者確實(shí)難于維持時(shí)，停止蹬踏自行車，再進(jìn)行跳深的測(cè)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(cè)力平臺(tái)，記錄足著臺(tái)過(guò)程中地面反作用力，門限值2kg，采樣時(shí)間1500ms。同時(shí)使用二臺(tái)日本Panasonic DP200攝像機(jī)同步進(jìn)行三維拍攝，攝像機(jī)鏡頭高度約1.2m，拍攝頻率為50Hz，采用美國(guó)艾里爾(Ariel Dynamics)公司生產(chǎn)的The APAS System錄像解析系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像進(jìn)行數(shù)字處理。應(yīng)用spss12.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，本研究采用的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)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(yùn)動(dòng)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(shí)間參數(shù)上，疲勞前后也有較大差異，疲勞后騰空時(shí)間明顯縮短(P<0.01)，而與地面接觸階段的緩沖時(shí)間與蹬伸時(shí)間均顯著性地增加(P<0.05)。

2.2下肢關(guān)節(jié)活動(dòng)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(méi)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(wú)顯著性。至最大緩沖時(shí)刻，明顯可見(jiàn)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(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表2)。

2.3動(dòng)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(méi)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(duì)其進(jìn)行，檢驗(yàn)，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(wú)統(tǒng)計(jì)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(dòng)作結(jié)構(gòu)的改變及其對(duì)下肢關(guān)節(jié)肌肉的影響。通常認(rèn)為，在進(jìn)行跳深一類的plyometric訓(xùn)練時(shí)要在其他力量訓(xùn)練前進(jìn)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(jī)體疲勞，神經(jīng)的適應(yīng)性可能減少，與地面接觸階段的時(shí)間增加，這樣有可能減少肌肉的工作效率。但實(shí)際上許多體育項(xiàng)目的功率輸出是在疲勞狀態(tài)下完成的，有學(xué)者認(rèn)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(jìn)行，以滿足專項(xiàng)的適應(yīng)。由于目前對(duì)疲勞狀態(tài)下的跳深訓(xùn)練的動(dòng)作結(jié)構(gòu)變化以及影響機(jī)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(yùn)動(dòng)性疲勞引起跳深動(dòng)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(shí)間顯著性增加(見(jiàn)表1)，這些運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的改變，說(shuō)明疲勞后受試者的運(yùn)動(dòng)能力已經(jīng)顯著下降。生理學(xué)研究認(rèn)為這是由于人體

在從事連續(xù)性的運(yùn)動(dòng)過(guò)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(yùn)動(dòng)中肌纖維募集的類型改變，從而減弱肌肉收縮活動(dòng)的能力，不能維持原有的練習(xí)強(qiáng)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(shuō)明動(dòng)作結(jié)構(gòu)的改變。在本研究中，要求運(yùn)動(dòng)員上肢相對(duì)固定，這就減少了上肢的擺動(dòng)對(duì)跳深練習(xí)動(dòng)作結(jié)構(gòu)的影響，動(dòng)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(lái)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(jìn)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(guò)積極的伸展下肢關(guān)節(jié)，釋放離心收縮時(shí)儲(chǔ)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(yùn)動(dòng)范圍、緩沖時(shí)間都顯著性增加。有研究認(rèn)為，這是下肢關(guān)節(jié)為降低地面垂直反作用力的一種補(bǔ)償策略，人主要依靠關(guān)節(jié)屈曲時(shí)活動(dòng)肌的伸長(zhǎng)和骨骼的變形來(lái)減小和傳遞觸地時(shí)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(xiǎn)。同時(shí)緩沖時(shí)間的增加，也會(huì)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(shí)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(shí)間也明顯延長(zhǎng)，造成輸出功率降低(見(jiàn)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(guò)檢驗(yàn)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(shuō)明疲勞后下肢關(guān)節(jié)受到?jīng)_擊作用后做負(fù)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?jiàn)，運(yùn)動(dòng)性疲勞導(dǎo)致跳深動(dòng)作的這些結(jié)構(gòu)性改變對(duì)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(yùn)動(dòng)員的機(jī)能狀況，選擇跳深適宜的負(fù)荷量與強(qiáng)度。

從跳深動(dòng)作前后沖擊力的變化情況來(lái)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(méi)有統(tǒng)計(jì)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(shí)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(shí)地通過(guò)更為豎直的腳姿觸地以減小最大反作用力時(shí)，則達(dá)到最大垂直作用力的時(shí)間將延遲。觸地時(shí)較為豎直的腳姿態(tài)，也能夠提供給運(yùn)動(dòng)員更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)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(shí)刻關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)與踝關(guān)節(jié)的內(nèi)翻或者外翻造成的，說(shuō)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(xiǎn)。由于跳深時(shí)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(huì)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(shí)，人體肌肉骨骼系統(tǒng)應(yīng)對(duì)足跟觸地振動(dòng)波的調(diào)節(jié)能力下降，強(qiáng)烈的沖擊和扭轉(zhuǎn)負(fù)荷將增加正常關(guān)節(jié)退化的危險(xiǎn)；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(shí)，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(dòng)作可能會(huì)造成除代謝疲勞之外的肌肉和關(guān)節(jié)損傷。

運(yùn)動(dòng)性疲勞引起跳深動(dòng)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(shí)間顯著性增加等特點(diǎn)，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(shí)增大了關(guān)節(jié)和肌肉損傷的風(fēng)險(xiǎn)。因此，教練員應(yīng)根據(jù)運(yùn)動(dòng)員的機(jī)能狀況、力量基礎(chǔ)和訓(xùn)練水平，選擇跳深適宜的負(fù)荷量與強(qiáng)度。

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