拖拉阻力下短跑运动中下肢关节动力学分析

所属栏目:运动生物力学论文 论文作者:/
论文摘要

  短跑是周期性的速度力量项目,其成绩很大程度上取决于专项技术的优化与专项力量的有效发展。在短跑专项力量练习中,拖拉阻力跑是针对性发展速度力量的常用手段之一。目前,对拖拉阻力训练的相关研究主要集中在技术的运动学改变、负荷影响以及训练效果等方面。然而,这些研究均未对施加阻力情况下运动员短跑过程中的下肢关节动力学进行过分析,从而也就无法明确这种训练手段对相关肌群所造成的动力学改变。值得注意的是,近年来采用拖拉阻力训练方式的干预性研究指出,拖拉阻力训练并不能有效提高短跑运动员途中跑的速度,如果成立的话,那么造成这个结果的机制解释又是什么?为此,笔者运用运动学与动力学同步考察的方法,对拖拉阻力途中跑支撑阶段的下肢关节动力学及相应的运动学变化进行分析,以期为拖拉阻力跑训练的生物力学机制提供更深入的解释,从而起到指导运动训练的作用。

  1、研究方法

  1.1研究对象

  体育院校运动训练专业男子短跑二级运动员8名,年龄(21±1)岁,身高(1.77±0.02)m,体质量(72.9±3.3)kg,运动年限均为5~6年,无下肢损伤史。

  1.2仪器设备与实验流程

  研究采用自主研发的多功能阻力/助力训练器对运动员进行施加可调定量负荷的拖拉阻力,训练器上安装有测力与测速仪器,作为力与速度的标定与记录装置。根据课题的前期研究结果及相关文献,并考虑到受试对象在身体质量方面较为接近,故并未采用按对象身体质量百分比的形式给出个性化的负荷方案,而直接采用统一的阻力负荷,分别为50N、80N和110N(分别约相当于7%BW,11%BW和15%BW),训练器数据采样频率为200Hz。

  途中跑运动捕捉采用1台高速摄像机(Motion-ProXTM,200Hz,拍摄距离30m,机高1.2m,主光轴垂直于运动平面)与1台Kistler三维测力台(Kis-tler9287B,1000Hz,埋放于塑胶跑道中央,表面粘覆与跑道相同的PU材料,离开起跑点50m处),同步记录运动员途中跑支撑阶段的运动学与地面反作用力(见图1)。在常规热身结束后,受试者以站姿起跑,以最大能力依次完成无负荷(0N)与50N、80N和110N共4种负荷条件的短跑测试。成功跑次的判定标准是受试者以左腿为支撑腿落在测力台的中央区域。在正式实验的前一周内每位受试者均接受了足够的指导性练习,以保证实验的成功率。同时为减少由于受试者疲劳而对结果数据产生的影响,4种负荷条件下,均只取成功的1次数据。

  论文摘要

  1.3数据处理

  采用SBCAS运动分析系统对运动学与动力学数据进行处理计算,数据平滑采用Butter worth4阶低通滤波,运动学截止频率为10Hz,动力学截止频率为100Hz。支撑过程各指标的时间历程表达均按支撑时间(即从足着地到足离地)进行百分比标准化,关节力矩以人体质量进行标准化,各关节均采用伸力矩为正、屈力矩为负的表达规则,相应的关节正功率即表示向心功率,负功率表示离心功率。下肢三关节角度均以相邻环节绝对夹角表示,躯干角以躯干与跑动方向水平线夹角表示。

  1.4统计方法

  数据统计采用统SPSS17.0软件,指标结果以x±s表示,统计学方法采用单因素重复测量方差分析(Repeated Measure ANOVA),事后检验采用Bon-ferroni检验,显著性水平为0.05。

  2、研究结果

  施加或不施加拖拉阻力负荷,人体在支撑阶段的运动姿态及地面反作用力表现见图2。图2仅作示意,其姿态与力值数据来自其中一名受试对象在0N(无拖拉)与80N条件下的结果。

  2.1基本运动学结果

  4种负荷条件下,运动员途中跑的基本运动学指标结果见表1。结果表明,施加拖拉阻力(50N,80N,110N)与不施加拖拉阻力(0N)相比,支撑阶段人体重心最大水平速度、步长、着地躯干角、髋角与膝角均呈显著性下降,步频与着地踝角在各阻力负荷条件之间不存在显著性差异。不同拖拉阻力负荷(50N,80N,110N)之间的显著性差异,主要表现在110N与50N、80N之间,而50N与80N负荷只在着地膝角上有显著性差异。

  

  论文摘要
论文摘要

  2.2关节动力学结果

  4种负荷条件下,运动员途中跑支撑阶段的地面反作用力及支撑侧下肢的髋、膝、踝关节肌力矩及关节功率的结果见图3~图10,这些变量在不同负荷条件下的一些主要特征值比较见表2。

论文摘要
论文摘要
论文摘要
论文摘要

  由表2可知,除向前水平力峰值、伸膝力矩第2峰值与踝关节功率外,其余动力学指标在施加拖拉负荷与无拖拉负荷(0N)之间都表现有不完全显著性差异(即并非所有拖拉负荷都与0N负荷存在显著性差异)。从变化趋势上看,除蹬伸阶段产生的向前推进力有增大趋势外,其余各指标均表现有减小趋势。不同负荷之间(50N、80N、110N)的动力学结果基本不存在显著性差异,只在向后水平力峰值、垂直力峰值和最大伸踝力矩指标上表现为50N与110N的显著性差异。

 论文摘要

  3、分析与讨论

  在短跑专项力量练习中,阻力跑是一种常用于发展专项力量的训练手段,阻力的施加方式通常有拖拉阻力(橇)、负重背心及阻力伞等。对于拖拉阻力跑训练的研究,考察施加阻力负荷后的短跑技术参数变化是一个重要的研究视角。然而,施加拖拉阻力负荷后下肢关节动力学的变化如何则迄今未见报道。作为发展专项力量的手段,了解其对于主要工作关节肌群的作用显然是非常重要的。

  从结果看,施加阻力负荷后途中跑运动学基本技术参数的变化与前人的研究结果是一致的,即:随拖拉负荷增大,水平速度及步长将下降,而步频变化不大;着地时刻的躯干角及下肢三关节角均出现显著或不显著的减小。这种由于拖拉阻力而导致技术上的变化结果是可以理解的,由于被施加了额外的水平阻力,运动员跑进速度受到了限制,主要体现在腾空距离的减小而造成步长的缩短。运动员在抵抗外部阻力时采用前倾躯干姿态以及更大的着地关节屈角,将导致支撑点更靠近重心,在策略上强调了蹬伸技术(见图2)。

  除基本的运动学变化外,研究的考察重点主要是拖拉阻力对支撑阶段下肢关节的动力学影响。虽然,表2中的动力学指标特征值在不同负荷之间的统计学差异性结果呈现多样性,这可能与负荷设定及受试样本量都存在关系,但这些指标随拖拉负荷的增大而表现出的整体趋势性变化仍是比较明确的。从地面反作用力来看,随着拖拉负荷的增大,着地缓冲初期所形成的水平冲击力峰值明显下降,但后续的蹬伸阶段则出现水平向前推进力上升的现象,而垂直地面反作用力分量则随负荷上升呈整体下降趋势。结合运动学结果,不难推断这是由于施加拖拉阻力后,重心水平速度的显著下降而造成着地冲击力的下降,而运动员前倾的躯干姿态则导致蹬伸阶段被提前了(见图3,随负荷增大,水平力方向转化的时间点提前),同时地面力矢量在水平方向的分量也因此有所提高。然而,从关节力矩的结果看(见图5、图7、图9及表2),随拖拉负荷的提升,髋、膝、踝三关节在整个支撑期的力矩输出整体上均表现为减小趋势。从逆向动力学的理论可知,这与地面反作用力的下降有着直接的关系,即使在蹬伸阶段水平推进力随负荷有上升趋势,但由于垂直地面反作用力的下降使得合外力对关节的力矩总体上仍处于相对较低水平。当然,关节力矩的计算还受其它运动学变量影响,但可以看出施加拖拉阻力负荷后,导致关节力矩下降的主导因素还是水平速度下降所引起的地面反作用力减小,使得着地时下肢所承受的冲击载荷降低,各关节肌群不能被最大程度地激活,从而影响了其在整个支撑期的工作能力。从关节功率的结果看(见图6、图8、图10及表2),随拖拉负荷增大,踝关节功率变化很小,但蹬伸阶段的膝关节向心功率及髋关节离心功率峰值则明显下降。关节功率是一个反映关节肌群快速力量的重要指标,其大小取决于关节力矩与关节角速度(乘积),随拖拉负荷的增大,不仅关节力矩减小,髋、膝关节角速度在蹬伸阶段的峰值及平均值均趋下降,这就进一步造成各关节功率的下降。

  虽然,抗阻训练总体上能提高肌肉工作能力及运动表现,但具体到特定运动项目的训练手段,其有效程度及适用范围的确定对于训练实践的指导是至关重要的。近年来,采用拖拉阻力训练方式的干预性研究指出,拖拉阻力训练并不能有效提高短跑运动员途中跑的速度。本研究从考察施加拖拉阻力后关节动力学表现的角度支持了这一观点。值得注意的是,拖拉阻力跑对于提高运动员加速跑阶段的速度是有效的。笔者认为,这可能是因为加速跑阶段人体水平速度相对较低,技术运用上侧重于后蹬加速,适宜的拖拉阻力可激发下肢的蹬伸能力,而在途中跑中,拖拉阻力造成水平速度的损失使得运动员在着地缓冲阶段下肢的离心工作能力不能得到很好地训练,从而影响了训练效果。

  4、结论与建议

  (1)拖拉阻力跑时,运动员途中跑阶段下肢各关节的力矩及功率输出明显降低,这与阻力条件下重心水平速度的下降有直接关系。

  (2)制定拖拉阻力训练方案时,应结合训练目标来确定具体的负荷及拖拉距离。

  参考文献:
  [1]王志强.短跑途中跑支撑摆动技术生物力学机制研究[J].体育科学,2005,25(7):88-95.
  [2]李双成.短跑的助力训练和阻力训练[J].北京体育大学学报,2003,26(1):130-131.
  [3]朱春.拖不同重物跑对短跑途中跑技术和专项力量的影响研究[D].武汉:武汉体育大学,2008.
  [4]张冬斌.施加阻力条件下运动员短跑技术的生物力学变化[D].上海:上海体育学院,2011.

'); })();