楊 晨，于佳彬，孫宇亮，殷可意，王東海，莊 薇，劉 宇

?

小腿慣性質(zhì)量對(duì)短跑途中跑時(shí)下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的影響

楊 晨1，于佳彬1，孫宇亮2，殷可意1，王東海1，莊 薇1，劉 宇1

目的：從運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)角度，考察小腿慣性質(zhì)量的增加，即下肢負(fù)重對(duì)于短跑途中跑的改變，探索該訓(xùn)練方法對(duì)短跑生物力學(xué)特性的影響，從而為運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練實(shí)踐提供理論指導(dǎo)。方法：選取18名高水平男子短跑運(yùn)動(dòng)員作為研究對(duì)象，通過運(yùn)用紅外高速捕捉系統(tǒng)與測(cè)力系統(tǒng)對(duì)不同下肢負(fù)重(0%、10%、15%小腿質(zhì)量)條件下的短跑途中跑動(dòng)作進(jìn)行測(cè)試與分析。結(jié)果：負(fù)重后的途中跑階段，髖、踝關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)范圍減小。小腿質(zhì)量15%的負(fù)重引起下肢3關(guān)節(jié)力矩與功率下降，離地時(shí)膝關(guān)節(jié)力矩升高，并且使得支撐期內(nèi)踝關(guān)節(jié)吸收更多能量，擺動(dòng)期內(nèi)膝關(guān)節(jié)釋放更多能量。結(jié)論：1)該種負(fù)重訓(xùn)練方法可能引發(fā)運(yùn)動(dòng)員技術(shù)動(dòng)作特征的改變。2)下肢關(guān)節(jié)力矩、能量變化與負(fù)重位置有關(guān)，改變負(fù)重位置會(huì)導(dǎo)致不同關(guān)節(jié)力矩與功率的變化。應(yīng)根據(jù)訓(xùn)練目的制定具體負(fù)重位置與質(zhì)量的方案。

短跑；運(yùn)動(dòng)學(xué)；動(dòng)力學(xué)；生物力學(xué)；關(guān)節(jié)能量貢獻(xiàn)度

前言

在眾多短跑的專項(xiàng)速度與力量訓(xùn)練中，抗阻跑訓(xùn)練將阻力負(fù)荷直接作用在肢體上的訓(xùn)練方法，得到了運(yùn)動(dòng)員與教練員的更多青睞[7,19]。近年來，已有大量研究證實(shí)，抗阻跑訓(xùn)練(resisted sprint training)對(duì)于提高運(yùn)動(dòng)員速度具有很大幫助[10,11,17,25,26]：Zafeiridis使用5 kg雪橇(towing a weighted sled)對(duì)11名男性受試者進(jìn)行為期6周，每周3次的抗阻跑訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)6周后受試者0～10 m，0～20 m速度都出現(xiàn)顯著提升[4]。Harrison和Bourke的研究也得到了類似的結(jié)論[14]。Clark的研究將大學(xué)曲棍球運(yùn)動(dòng)員分為3組：普通訓(xùn)練組、拖雪橇(towing a weighted sled)抗阻跑組以及負(fù)重背心抗阻跑組(weighted vest)，3組都進(jìn)行每周2次，為期7周的訓(xùn)練，拖雪橇組重量為10%體重，負(fù)重背心組重量為18.5%體重。7周之后對(duì)比所有受試者18～55 m區(qū)間跑速，發(fā)現(xiàn)所有受試者跑速均有顯著提高，然而組間的跑速并無差異[6]。但是，我們同樣不能忽視這種訓(xùn)練方法可能存在的負(fù)面影響。短跑的途中跑階段運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的變化可能影響運(yùn)動(dòng)員的專項(xiàng)技術(shù)特征，甚至誘發(fā)運(yùn)動(dòng)損傷[11,22]。就此問題，2009年Bennett分析了8名運(yùn)動(dòng)員下肢負(fù)重短跑時(shí)髖、膝、踝3關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍，結(jié)果顯示負(fù)重之后并未出現(xiàn)顯著性差異。因此他認(rèn)為，這種下肢外加負(fù)荷的訓(xùn)練方法不會(huì)改變高水平短跑運(yùn)動(dòng)員技術(shù)動(dòng)作。然而，受試者較少、數(shù)據(jù)指標(biāo)離散程度很高等原因使得該研究還有較大提高空間[5]。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，抗阻跑訓(xùn)練研究多集中在牽拉“降落傘”跑、牽拉重物跑、以及“負(fù)重背心”跑等方面，而對(duì)于下肢負(fù)重跑的研究鳳毛麟角[8,13,23,24]。與此同時(shí)，國(guó)際上對(duì)于下肢負(fù)重動(dòng)力學(xué)的研究多集中于能量消耗方面，并且大多是對(duì)下肢負(fù)重條件下走路的研究[18]。時(shí)至今日對(duì)于運(yùn)動(dòng)員下肢負(fù)重條件下短跑的動(dòng)力學(xué)研究還從未有人進(jìn)行分析，因此，該種訓(xùn)練方法對(duì)于運(yùn)動(dòng)員下肢動(dòng)力學(xué)的改變我們無從知曉。

綜上所述，為了探究下肢負(fù)重對(duì)于運(yùn)動(dòng)員短跑時(shí)技術(shù)動(dòng)作以及下肢動(dòng)力學(xué)的改變，本研究從運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)兩個(gè)角度對(duì)小腿慣性質(zhì)量增加時(shí)短跑途中跑階段下肢的生物力學(xué)變化進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)下肢負(fù)重抗阻跑訓(xùn)練的利弊，最終為指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，預(yù)防運(yùn)動(dòng)損傷提供理論建議。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

本實(shí)驗(yàn)選取18名男子短跑運(yùn)動(dòng)員作為研究對(duì)象，12人為上海體育學(xué)院短跑專項(xiàng)大學(xué)生，6人為清華大學(xué)短跑隊(duì)隊(duì)員。其中，健將級(jí)運(yùn)動(dòng)員4人，國(guó)家一級(jí)運(yùn)動(dòng)員3人，國(guó)家二級(jí)運(yùn)動(dòng)員11人。所有受試者于實(shí)驗(yàn)前接受問卷調(diào)查，確認(rèn)之前24 h內(nèi)未從事劇烈運(yùn)動(dòng)，且下肢半年內(nèi)無明顯損傷，解剖結(jié)構(gòu)及機(jī)能正常，身體狀況以及運(yùn)動(dòng)能力良好。

表1 本研究受試者基本情況一覽表Table 1 Anthropometric Characteristics of Subjects

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與場(chǎng)地設(shè)置

Vicon紅外高速攝影系統(tǒng)(英國(guó)，Vicon公司)，12臺(tái)MXT40攝像頭，采樣頻率為200 Hz，軟件版本為Vicon Nexus1.7.1，所用反光Marker球直徑為14 mm。Kistler三維測(cè)力臺(tái)(瑞士，Kistler公司)，型號(hào)9287B，面積600×900 mm2，最大側(cè)向力和垂直力分別可達(dá)10 kN和20 kN，采樣頻率為1 000 Hz。通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器與Vicon系統(tǒng)連接并同步。測(cè)力臺(tái)表面牢固地粘貼與跑道材質(zhì)相同的塑膠墊，并安放于跑道測(cè)力臺(tái)坑內(nèi)。外加負(fù)荷為自制負(fù)重沙袋，沙袋使用韌性足夠大的特制松緊帶制成(圖1)，沙袋外皮有拉鏈開口，內(nèi)部使用小鋼珠進(jìn)行填充負(fù)荷，通過改變小鋼珠的填充數(shù)量控制沙袋質(zhì)量。使用膠布黏貼固定沙袋，通過多次預(yù)實(shí)驗(yàn)確保沙袋在運(yùn)動(dòng)員短跑時(shí)牢固可靠。在室內(nèi)田徑館100 m跑道上為本次實(shí)驗(yàn)埋放3塊Kistler測(cè)力臺(tái)，第1塊測(cè)力臺(tái)起點(diǎn)處距離短跑起跑點(diǎn)40 m，確保運(yùn)動(dòng)員跑至測(cè)力臺(tái)處已達(dá)到最大速度[2]。12臺(tái)Vicon紅外高速攝像鏡頭(型號(hào)MXT40)以測(cè)力臺(tái)為中心圍置在跑道兩側(cè)(圖2)，標(biāo)定空間大約10×2×2 m，確保能夠采集運(yùn)動(dòng)員左腿支撐期與擺動(dòng)期的完整步態(tài)周期，設(shè)定空間坐標(biāo)原點(diǎn)位于第1塊測(cè)力臺(tái)角處。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)流程

正式實(shí)驗(yàn)前，校準(zhǔn)Vicon系統(tǒng)及測(cè)力臺(tái)，確保3塊測(cè)力臺(tái)之間保持5 mm的空隙，測(cè)力臺(tái)表面塑膠墊不相互依靠，不會(huì)導(dǎo)致水平方向力變化。之后進(jìn)行拍攝范圍三維空間的標(biāo)定。同時(shí)根據(jù)受試者體重，基于鄭秀媛2007年發(fā)表的中國(guó)成年人人體測(cè)量學(xué)數(shù)據(jù)，確定小腿質(zhì)量與轉(zhuǎn)動(dòng)中心位置，根據(jù)小腿質(zhì)量確定個(gè)性化的沙袋質(zhì)量，將沙袋系于小腿矢狀面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)中心高度[3]。運(yùn)動(dòng)員充分熱身之后安放marker球，位置如圖3所示。

圖1 自制負(fù)重沙袋圖示Figure 1. Self-made Lower Extremity Loadings

圖2 測(cè)試場(chǎng)地示意圖Figure 2. The Setup Schematic of Testing Field

運(yùn)動(dòng)員起跑位置大約距離測(cè)力臺(tái)40 m。運(yùn)動(dòng)員聽從實(shí)驗(yàn)人員的口令，全力奔跑，通過Vicon三維拍攝區(qū)域，同時(shí)使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。要求受試者首先進(jìn)行0%小腿質(zhì)量負(fù)荷的最大速度跑，之后依次進(jìn)行10%質(zhì)量負(fù)荷與15%質(zhì)量負(fù)荷的最大速度跑測(cè)試。每?jī)纱尾杉g隔足夠長(zhǎng)時(shí)間使得受試者充分恢復(fù)，每名受試者每種負(fù)荷測(cè)試采集一個(gè)有效數(shù)據(jù)。

1.2.3 數(shù)據(jù)采集與處理

根據(jù)Visual 3D軟件建立骨架模型的要求，身體分為15個(gè)環(huán)節(jié)。身體重心根據(jù)每個(gè)環(huán)節(jié)的相對(duì)近端與遠(yuǎn)端的環(huán)節(jié)重心及環(huán)節(jié)測(cè)量學(xué)參數(shù)計(jì)算獲得[15-16]。根據(jù)人體測(cè)量學(xué)數(shù)據(jù)髖關(guān)節(jié)的半徑定義為 0.089 m，骨盆的深度定義為 0.144 m。運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)使用Butterworth數(shù)字濾波器進(jìn)行低通濾波，截止頻率設(shè)為13 Hz。地面反作用力使用Butterworth數(shù)字濾波器進(jìn)行低通濾波，截止頻率為72 Hz[20-21]。對(duì)于10%與15%負(fù)重條件下的數(shù)據(jù)，在Visual 3D中使用Segment Properties選項(xiàng)中的CUSTOM_SEG命令對(duì)模型進(jìn)行小腿環(huán)節(jié)質(zhì)量與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)的修改，之后再進(jìn)行計(jì)算。以左腳腳尖觸地至左腳腳尖再次觸地為一個(gè)完整的步態(tài)周期。支撐期為左腳腳尖接觸測(cè)力臺(tái)至該腳離開測(cè)力臺(tái)，擺動(dòng)期為左腳尖離開測(cè)力臺(tái)至該腳再次著地。本實(shí)驗(yàn)選取左側(cè)下肢一個(gè)完整步態(tài)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與分析。選取的基本時(shí)空參數(shù)為：質(zhì)心水平方向平均速度、步頻、步長(zhǎng)、復(fù)步時(shí)間、支撐期時(shí)間、擺動(dòng)期時(shí)間。選取的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)為：下肢3關(guān)節(jié)屈伸角度峰值、3關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)范圍。選取的動(dòng)力學(xué)參數(shù)為：著地時(shí)刻3關(guān)節(jié)屈伸力矩、離地時(shí)刻3關(guān)節(jié)屈伸力矩、3關(guān)節(jié)屈伸力矩峰值、3關(guān)節(jié)能量吸收與釋放貢獻(xiàn)度。

對(duì)各參數(shù)按步態(tài)周期時(shí)間進(jìn)行百分比標(biāo)準(zhǔn)化，關(guān)節(jié)力矩以人體質(zhì)量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，本研究采用標(biāo)準(zhǔn)逆動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算下肢凈關(guān)節(jié)力矩(net joint moment，NJM)，使用Darren J Stefanyshyn等人的方法[9]計(jì)算關(guān)節(jié)能量吸收與釋放貢獻(xiàn)度：

NJM與關(guān)節(jié)角速度之積為關(guān)節(jié)功率PH(t)=MH(t)·ωH(t)，關(guān)節(jié)功率的時(shí)間積分等于關(guān)節(jié)做功(WH)，分別對(duì)正功率與負(fù)功率階段進(jìn)行時(shí)間積分得到該階段該關(guān)節(jié)處做正功總和與做負(fù)功總和。做正功即為該關(guān)節(jié)處釋放能量，做負(fù)功即為該關(guān)節(jié)處吸收能量。某一階段內(nèi)，關(guān)節(jié)H所做的正功所占該階段內(nèi)髖、膝、踝所做正功之和的比例即為關(guān)節(jié)H釋放能量的貢獻(xiàn)度，關(guān)節(jié)H所做的負(fù)功所占該階段內(nèi)髖、膝、踝所做負(fù)功之和的比例即為關(guān)節(jié)H吸收能量的貢獻(xiàn)度。下肢3關(guān)節(jié)屈伸角度的定義如圖3所示：

圖3 下肢3關(guān)節(jié)角度示意圖Figure 3. Visualization of the Joint Angle Conventions Used for Data Analysis

1.2.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

2 研究結(jié)果

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)果

2.1.1 基礎(chǔ)時(shí)空參數(shù)結(jié)果

受試者在3種負(fù)荷條件下的基礎(chǔ)時(shí)空參數(shù)結(jié)果見表2。結(jié)果表明，增加負(fù)重后質(zhì)心水平方向的平均速度出現(xiàn)了顯著下降。10%負(fù)重條件下，受試者步長(zhǎng)，步頻均出現(xiàn)顯著性下降，而15%條件下該差異不顯著。支撐期時(shí)間出現(xiàn)上升，并且15%小腿質(zhì)量負(fù)重條件下，該差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表2 3種負(fù)荷條件下基本時(shí)空參數(shù)結(jié)果一覽表Table 2 Spatial Temporal Parameters of the Subjects under Three Loading Conditions

2.1.2 下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)果

3種負(fù)荷條件下運(yùn)動(dòng)員途中跑的下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)情況見表3。最大屈髖角度由于負(fù)重增加出現(xiàn)了顯著下降，并且0%負(fù)重與10%、15%負(fù)重皆出現(xiàn)了顯著性差異。最大踝跖屈角度由于負(fù)重增加也出現(xiàn)了下降，并且15%負(fù)重下與0%負(fù)重出現(xiàn)了顯著性差異。活動(dòng)度方面，髖關(guān)節(jié)屈伸范圍由于負(fù)重增加出現(xiàn)了下降，并且無負(fù)重與10%、15%負(fù)重皆出現(xiàn)顯著性差異。踝關(guān)節(jié)屈伸范圍也出現(xiàn)了下降，15%條件下與無負(fù)重、10%負(fù)重出現(xiàn)顯著性差異。

2.2 動(dòng)力學(xué)結(jié)果

2.2.1 下肢3關(guān)節(jié)力矩與功率結(jié)果

力矩方面：負(fù)重增加之后，著地時(shí)刻的踝關(guān)節(jié)力矩出現(xiàn)了顯著下降。離地時(shí)刻的髖關(guān)節(jié)力矩出現(xiàn)了顯著下降。此外，伸膝力矩的第2峰值在負(fù)荷增加之后出現(xiàn)了下降。功率方面：只有髖關(guān)節(jié)最大向心功率在負(fù)重增加至15%小腿質(zhì)量之后出現(xiàn)顯著下降。踝關(guān)節(jié)最大向心功率在10%與15%負(fù)重條件下出現(xiàn)差異，負(fù)重增加至15%出現(xiàn)顯著下降。

表3 3種負(fù)荷條件下下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)果一覽表Table 3 Lower Extremity Kinematics Variables of Three Loading Conditions

表4 3種負(fù)荷條件下的動(dòng)力學(xué)結(jié)果一覽表Table 4 Lower Extremity Kinetics Variables of Three Loading Conditions

2.2.2 下肢3關(guān)節(jié)能量貢獻(xiàn)度結(jié)果

表5 支撐期3種負(fù)荷條件下的3關(guān)節(jié)能量吸收與釋放貢獻(xiàn)度結(jié)果一覽表Table 5 Stance Phase Relative Energy Absorbed and Generated Contribution of the Hip,Knee,Ankle Joint under Three Loading Conditions

圖4 支撐期3關(guān)節(jié)能量吸收與釋放貢獻(xiàn)度示意圖Figure 4. Stance Phase Relative Energy Absorbed and Generated Contribution under Three Loading Conditions

支撐期內(nèi)，隨著負(fù)重增加，髖關(guān)節(jié)吸收能量貢獻(xiàn)度減小，踝關(guān)節(jié)吸收能量貢獻(xiàn)度增大；而負(fù)重帶來的能量產(chǎn)生改變主要在膝關(guān)節(jié)處，支撐期內(nèi)膝關(guān)節(jié)釋放能量的貢獻(xiàn)度隨負(fù)荷增加，先大幅減小后小幅度回升，總體來看，還是比無負(fù)重減小。

表6 擺動(dòng)期3種負(fù)荷條件下的3關(guān)節(jié)能量吸收與釋放貢獻(xiàn)度結(jié)果一覽表Table 6 Swing Phase Relative Energy Absorbed and Generated Contribution of the Hip,Knee,Ankle Joint under Three Loading Conditions

圖5 擺動(dòng)期3關(guān)節(jié)能量吸收與釋放貢獻(xiàn)度示意圖Figure 5. Swing Phase Relative Energy Absorbed and Generated Contribution under Three Loading Conditions

而在擺動(dòng)期內(nèi)，髖、膝關(guān)節(jié)的能量釋放的貢獻(xiàn)度由于負(fù)重增加發(fā)生了顯著改變。隨著小腿負(fù)重的增加，髖、膝關(guān)節(jié)釋放能量貢獻(xiàn)度都顯著增多。

3 討論

眾多短跑速度訓(xùn)練方法中，抗阻跑訓(xùn)練作為最廣泛被教練員與運(yùn)動(dòng)員接受與采取的訓(xùn)練方法，一直以來都是體育科學(xué)與訓(xùn)練科學(xué)領(lǐng)域里的研究熱點(diǎn)。相比拖雪橇以及降落傘抗阻跑訓(xùn)練會(huì)給運(yùn)動(dòng)員帶來的軀干前傾角增大[4]，下肢外加負(fù)荷這種抗阻跑訓(xùn)練依照“相同動(dòng)作，相同運(yùn)動(dòng)程序，輕微增加重量”的訓(xùn)練原則，其支持者認(rèn)為，這種訓(xùn)練方法能夠更加有針對(duì)性地提高運(yùn)動(dòng)員的下肢專項(xiàng)力量，從而提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)。然而，該訓(xùn)練方法有效性的科學(xué)理論支撐一直較為缺乏，肢體負(fù)重對(duì)于運(yùn)動(dòng)員下肢動(dòng)力學(xué)的影響不得而知。因此，作為發(fā)展短跑運(yùn)動(dòng)員專項(xiàng)力量的常用訓(xùn)練方法，了解其對(duì)于下肢3大關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)影響顯得尤其重要。

本研究的結(jié)果顯示，當(dāng)小腿負(fù)重增加后，受試者步長(zhǎng)、步頻、步速均降低，并且10%負(fù)重條件下的步長(zhǎng)與步頻相較于無負(fù)重時(shí)具有顯著性差異(表2)。添加負(fù)重之后，質(zhì)心水平方向上的移動(dòng)速度顯著下降。速度的下降是由步長(zhǎng)的下降與支撐期時(shí)間的延長(zhǎng)造成的。從下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度來看(表3)，小腿負(fù)重對(duì)矢狀面內(nèi)3關(guān)節(jié)角度變化影響較大的是踝關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)。踝關(guān)節(jié)跖屈峰值角度在負(fù)重后減小，并且負(fù)重之后踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍變小。然而，我們通過觀察發(fā)現(xiàn)，該峰值跖屈角度出現(xiàn)在擺動(dòng)期內(nèi)，并且該角度變化較小，因此，相比踝關(guān)節(jié)，負(fù)重對(duì)于關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)更大的影響為髖關(guān)節(jié)角度。在髖關(guān)節(jié)處，腳尖離地之后髖關(guān)節(jié)伸展進(jìn)行后擺。髖關(guān)節(jié)后擺達(dá)到伸髖角度峰值后，開始屈髖進(jìn)行前擺，當(dāng)屈髖角度達(dá)到峰值時(shí)，前擺結(jié)束。結(jié)果顯示,由于負(fù)重增加了小腿質(zhì)量，前擺結(jié)束時(shí)刻屈髖幅度顯著減小?？傮w來說，負(fù)重對(duì)于關(guān)節(jié)角度的影響降低了擺動(dòng)期內(nèi)踝關(guān)節(jié)跖屈峰值角度與髖關(guān)節(jié)的屈髖峰值角度。由于這些峰值角度的變化，使得踝關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍都有所降低。這樣的結(jié)果與Bennett 2009年的結(jié)果出現(xiàn)了差異，這有可能是由于兩個(gè)研究負(fù)重方式與質(zhì)量不同造成的[5]。

本研究使用關(guān)節(jié)力矩、關(guān)節(jié)功率來描述特殊時(shí)刻的下肢各關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)情況，填補(bǔ)了下肢負(fù)重抗阻跑時(shí)下肢關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)的空白。除此之外，還選擇了能量貢獻(xiàn)度來探討在一個(gè)步態(tài)周期之內(nèi)負(fù)重對(duì)于下肢動(dòng)力學(xué)的“合效應(yīng)”以及能量分布的改變，以期更加準(zhǔn)確地揭示該訓(xùn)練方法的生物力學(xué)機(jī)制。動(dòng)力學(xué)結(jié)果顯示，負(fù)重之后著地時(shí)刻的踝關(guān)節(jié)力矩、支撐期伸膝力矩第2峰值、離地時(shí)刻髖關(guān)節(jié)力矩以及髖關(guān)節(jié)向心功率峰值等全部出現(xiàn)顯著性下降(表4)。髖、踝關(guān)節(jié)的變化可能與這兩個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度下降有關(guān)。在負(fù)重之后，復(fù)步時(shí)間變長(zhǎng)，髖、踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍變小，大致可以推斷，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)速度會(huì)有所下降。與此同時(shí)，負(fù)重之后質(zhì)心水平速度下降，這應(yīng)該也是導(dǎo)致髖、踝關(guān)節(jié)力矩與功率下降的原因。2014年李曉霖對(duì)于拖拉阻力抗阻跑的研究中發(fā)現(xiàn)，負(fù)重之后質(zhì)心水平速度下降會(huì)導(dǎo)致下肢3關(guān)節(jié)力矩與功率的下降[1]。這也證明了作者的推測(cè)。然而，在離地時(shí)刻，負(fù)重之后的膝關(guān)節(jié)力矩顯著增大，作者推測(cè)，這應(yīng)該與負(fù)重的位置有關(guān)。離地時(shí)刻膝關(guān)節(jié)處于屈膝狀態(tài)，屈膝力矩使得膝關(guān)節(jié)在擺動(dòng)初期進(jìn)一步屈曲，“折疊”大腿與小腿。如果“折疊”幅度不夠，會(huì)增大擺動(dòng)半徑。小腿負(fù)重之后，負(fù)重重力的作用使得“小腿”質(zhì)量增大，為了達(dá)到同樣的“折疊”效果，膝關(guān)節(jié)處需要產(chǎn)生更大力矩進(jìn)行屈膝。

在本研究中，通過對(duì)3關(guān)節(jié)能量貢獻(xiàn)度的分析，可以發(fā)現(xiàn)，支撐期最重要的能量吸收關(guān)節(jié)——踝關(guān)節(jié)，在負(fù)重之后吸收能量的貢獻(xiàn)度上升，與此同時(shí)，髖關(guān)節(jié)吸收能量貢獻(xiàn)度下降(圖4)。說明了小腿的負(fù)重導(dǎo)致下肢3關(guān)節(jié)能量吸收分配發(fā)生變化，小腿處的負(fù)重使得踝關(guān)節(jié)在支撐期的緩沖階段需要多吸收大約下肢4%的能量。而擺動(dòng)期最重要的能量釋放關(guān)節(jié)——髖關(guān)節(jié)，在負(fù)重之后釋放能量的貢獻(xiàn)度下降，然而，膝關(guān)節(jié)則需要釋放更多能量來進(jìn)行小腿負(fù)重之后的擺動(dòng)(圖5)。使用能量貢獻(xiàn)度的方法能夠讓我們清楚分辨能量吸收與釋放的位置與幅值[9]，同時(shí)也反映了一種訓(xùn)練對(duì)于關(guān)節(jié)周圍肌肉力量的需求程度，關(guān)節(jié)貢獻(xiàn)度大者即是訓(xùn)練的目標(biāo)肌[12]。小腿的負(fù)重帶來能量貢獻(xiàn)度增加的關(guān)節(jié)，分別是支撐期內(nèi)的踝關(guān)節(jié)與擺動(dòng)期內(nèi)的膝關(guān)節(jié)。這也提示，這種小腿負(fù)重的訓(xùn)練方法能夠提高支撐期緩沖階段踝關(guān)節(jié)肌肉力量與擺動(dòng)期膝關(guān)節(jié)處肌肉力量。不難發(fā)現(xiàn)，是由于負(fù)重位置導(dǎo)致這樣的結(jié)果，小腿處的負(fù)重主要效果作用于小腿兩端的關(guān)節(jié)——踝關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)。這也說明了不同的負(fù)重位置直接決定了訓(xùn)練效果，如若負(fù)重改為系于大腿上，也許會(huì)帶來不同的生物力學(xué)改變與訓(xùn)練效果，這也需要我們進(jìn)一步研究。此外，需要說明的是，當(dāng)負(fù)重增加時(shí)，支撐期踝關(guān)節(jié)能量吸收貢獻(xiàn)度出現(xiàn)了先增高后小幅下降的情況，可是15%負(fù)重下該指標(biāo)相比0%負(fù)重仍然出現(xiàn)增高，并且10%負(fù)重與15%負(fù)重之間并不存在顯著性差異，說明負(fù)重增加之后，該指標(biāo)整體趨勢(shì)為增高。同時(shí)，這也說明了我們負(fù)重的選擇仍然較小，如若選擇更大的負(fù)重，也許會(huì)有差異更加顯著的結(jié)果。

4 結(jié)論與建議

通過上述分析發(fā)現(xiàn),小腿慣性質(zhì)量的增加會(huì)引起短跑途中跑髖、踝關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)范圍的減小，提示這種負(fù)重訓(xùn)練方法有可能影響短跑運(yùn)動(dòng)員的途中跑技術(shù)動(dòng)作。小腿質(zhì)量15%的負(fù)重引起了髖、膝、踝3關(guān)節(jié)力矩與功率下降，然而，離地時(shí)刻膝關(guān)節(jié)力矩升高，并且使得支撐期內(nèi)踝關(guān)節(jié)吸收更多能量，擺動(dòng)期內(nèi)膝關(guān)節(jié)釋放更多能量。這樣的結(jié)果與負(fù)重位置有關(guān)，不同負(fù)重位置會(huì)導(dǎo)致不同關(guān)節(jié)力矩與功率的改變，從而改變所訓(xùn)練的肌肉力量。

優(yōu)秀短跑運(yùn)動(dòng)員一般擁有較為固定的適合該運(yùn)動(dòng)員自身的技術(shù)動(dòng)作。如若發(fā)生改變，有可能會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)造成不利影響。本研究對(duì)于運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究結(jié)果顯示，小腿負(fù)重有可能會(huì)影響運(yùn)動(dòng)員途中跑階段技術(shù)動(dòng)作。因此，針對(duì)高水平短跑運(yùn)動(dòng)員，應(yīng)謹(jǐn)慎選取該抗阻訓(xùn)練方法。小腿負(fù)重相比其他抗阻跑訓(xùn)練方法，負(fù)重直接位于下肢，與運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)相一致，更能針對(duì)性提高專項(xiàng)力量。但是，本研究結(jié)果顯示，改變下肢負(fù)重位置與質(zhì)量可能會(huì)帶來不同的訓(xùn)練效果。在制定具體訓(xùn)練方案時(shí)，應(yīng)結(jié)合訓(xùn)練目的來確定負(fù)重所在位置與外加負(fù)荷，從而更加貼切訓(xùn)練需要，提高運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。

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Effect of Leg Inertia Mass on Kinematics and Kinetics of Lower Limb Joint in Sprint

YANG Chen1,YU Jia-bin1,SUN Yu-liang2,YIN Ke-yi1, WANG Dong-hai1,ZHUANG Wei1,LIU Yu1

Objective:From the perspective of kinematics and dynamics,this paper investigates the increasing of leg inertia mass,namely weight-loading of lower limb on changing of sprint,explores the influence of training method on biomechanical characteristics of sprint,and provides theoretical guidance for sports training practice.Method:18 male sprinters were recruited and required to sprint with different lower extremities loading conditions (0%,10%,15% of the leg mass).The data was collected using high speed infrared motion capture system and force plates.Results:There were significant decreases in the ranges of motion of hip and ankle joints when the loads increased.15% of the leg mass loading made the joints torque and power decrease significantly,while the torque of knee significantly increased at the toe-off moment.In addition,the ankle absorbed more energy during the stance phase as well as the knee generated more energy during the swing phase.Conclusions:1) This training method might cause changes of elite sprinters’ techniques.2) The changes of the joints torque and power attribute to the location of the loadings.The changes might happen to other joints if we change the location of the loadings.Training programs should be based on personal training purposes.

sprint;kinematics;kinetics;biomechanics;jointenergycontribution

2016-01-21；

2016-04-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(30871210,11372194)；上海體育學(xué)院研究生國(guó)境外訪學(xué)項(xiàng)目(stfx20150201)。

楊晨(1991-)，男，河南洛陽人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)生物力學(xué)； E-mail：7252yca@gmail.com ；劉宇(1959-)，男，河北張家口人，教授，博士，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)生物力學(xué)理論與方法、體育工程，E-mail：yuliu@sus.edu.cn。

1.上海體育學(xué)院 運(yùn)動(dòng)健身科技省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200438； 2.陜西師范大學(xué)，陜西 西安 710119 1.Shanghai University of Sport,Shanghai 200438,China;2.Shaanxi Normal University,Xi’an 710119,China.

G804.6

A

10.16469/j.css.201605006