下肢慣性質(zhì)量對短跑后續(xù)跑時生物力學的影響

下肢慣性質(zhì)量對短跑后續(xù)跑時生物力學的影響

研究內(nèi)容與意義在大多數(shù)短期高速公路和專項速度訓練中，抗阻跑訓練直接將公斤的負荷用于下肢的訓練方法，深受運動員和教練的喜愛。查閱相關文獻可以發(fā)現(xiàn),抗阻跑訓練研究多集中在牽拉“降落傘”跑、牽拉重物跑、以及“負重背心”跑等方面,而對于下肢負重跑的研究鳳毛麟角綜上所述,為了探究下肢負重對于運動員短跑時技術動作以及下肢動力學的改變,本研究從運動學與動力學兩個角度對小腿慣性質(zhì)量增加時短跑途中跑階段下肢的生物力學變化進行分析,評價下肢負重抗阻跑訓練的利弊,最終為指導運動訓練,預防運動損傷提供理論建議。1研究對象和方法1.1阿斯塔納的5人自我調(diào)節(jié)時間6人本實驗選取18名男子短跑運動員作為研究對象,12人為上海體育學院短跑專項大學生,6人為清華大學短跑隊隊員。其中,健將級運動員4人,國家一級運動員3人,國家二級運動員11人。所有受試者于實驗前接受問卷調(diào)查,確認之前24h內(nèi)未從事劇烈運動,且下肢半年內(nèi)無明顯損傷,解剖結(jié)構(gòu)及機能正常,身體狀況以及運動能力良好。1.2實驗方法1.2.1單次使用營造單軸區(qū)域,使用載壓場及幾何模型Vicon紅外高速攝影系統(tǒng)(英國,Vicon公司),12臺MXT40攝像頭,采樣頻率為200Hz,軟件版本為ViconNexus1.7.1,所用反光Marker球直徑為14mm。Kistler三維測力臺(瑞士,Kistler公司),型號9287B,面積600×900mm1.2.2實際樣品拍攝正式實驗前,校準Vicon系統(tǒng)及測力臺,確保3塊測力臺之間保持5mm的空隙,測力臺表面塑膠墊不相互依靠,不會導致水平方向力變化。之后進行拍攝范圍三維空間的標定。同時根據(jù)受試者體重,基于鄭秀媛2007年發(fā)表的中國成年人人體測量學數(shù)據(jù),確定小腿質(zhì)量與轉(zhuǎn)動中心位置,根據(jù)小腿質(zhì)量確定個性化的沙袋質(zhì)量,將沙袋系于小腿矢狀面內(nèi)轉(zhuǎn)動中心高度運動員起跑位置大約距離測力臺40m。運動員聽從實驗人員的口令,全力奔跑,通過Vicon三維拍攝區(qū)域,同時使用實驗設備采集實驗數(shù)據(jù)。要求受試者首先進行0%小腿質(zhì)量負荷的最大速度跑,之后依次進行10%質(zhì)量負荷與15%質(zhì)量負荷的最大速度跑測試。每兩次采集間隔足夠長時間使得受試者充分恢復,每名受試者每種負荷測試采集一個有效數(shù)據(jù)。1.2.3參數(shù)計算方法的確定根據(jù)Visual3D軟件建立骨架模型的要求,身體分為15個環(huán)節(jié)。身體重心根據(jù)每個環(huán)節(jié)的相對近端與遠端的環(huán)節(jié)重心及環(huán)節(jié)測量學參數(shù)計算獲得對各參數(shù)按步態(tài)周期時間進行百分比標準化,關節(jié)力矩以人體質(zhì)量進行標準化,本研究采用標準逆動力學方法計算下肢凈關節(jié)力矩(netjointmoment,NJM),使用DarrenJStefanyshyn等人的方法NJM與關節(jié)角速度之積為關節(jié)功率P1.2.4生長影響因素的分析指標結(jié)果用ue003±SD表示。本研究采用單因素重復測量方差分析(onewayANOVAwithrepeatedmeasure)對比不同下肢負荷下各因變參數(shù)的影響,事后檢驗采用LSD檢驗。所有數(shù)據(jù)資料用Excel2013和SPSS21軟件進行統(tǒng)計學分析,顯著性水平設為α=0.05,非常顯著性水平為α=0.01。2研究結(jié)果2.1運動學的結(jié)果2.1.1兩組質(zhì)心水平方向的平均速度比較受試者在3種負荷條件下的基礎時空參數(shù)結(jié)果見表2。結(jié)果表明,增加負重后質(zhì)心水平方向的平均速度出現(xiàn)了顯著下降。10%負重條件下,受試者步長,步頻均出現(xiàn)顯著性下降,而15%條件下該差異不顯著。支撐期時間出現(xiàn)上升,并且15%小腿質(zhì)量負重條件下,該差異具有統(tǒng)計學意義。2.1.2最大踝蝽屈角度和活動度變化3種負荷條件下運動員途中跑的下肢運動學情況見表3。最大屈髖角度由于負重增加出現(xiàn)了顯著下降,并且0%負重與10%、15%負重皆出現(xiàn)了顯著性差異。最大踝跖屈角度由于負重增加也出現(xiàn)了下降,并且15%負重下與0%負重出現(xiàn)了顯著性差異?；顒佣确矫?髖關節(jié)屈伸范圍由于負重增加出現(xiàn)了下降,并且無負重與10%、15%負重皆出現(xiàn)顯著性差異。踝關節(jié)屈伸范圍也出現(xiàn)了下降,15%條件下與無負重、10%負重出現(xiàn)顯著性差異。2.2動力學結(jié)果2.2.1力及功率變化力矩方面:負重增加之后,著地時刻的踝關節(jié)力矩出現(xiàn)了顯著下降。離地時刻的髖關節(jié)力矩出現(xiàn)了顯著下降。此外,伸膝力矩的第2峰值在負荷增加之后出現(xiàn)了下降。功率方面:只有髖關節(jié)最大向心功率在負重增加至15%小腿質(zhì)量之后出現(xiàn)顯著下降。踝關節(jié)最大向心功率在10%與15%負重條件下出現(xiàn)差異,負重增加至15%出現(xiàn)顯著下降。2.2.2能量產(chǎn)生的變化支撐期內(nèi),隨著負重增加,髖關節(jié)吸收能量貢獻度減小,踝關節(jié)吸收能量貢獻度增大;而負重帶來的能量產(chǎn)生改變主要在膝關節(jié)處,支撐期內(nèi)膝關節(jié)釋放能量的貢獻度隨負荷增加,先大幅減小后小幅度回升,總體來看,還是比無負重減小。而在擺動期內(nèi),髖、膝關節(jié)的能量釋放的貢獻度由于負重增加發(fā)生了顯著改變。隨著小腿負重的增加,髖、膝關節(jié)釋放能量貢獻度都顯著增多。3負壓與能量貢獻度眾多短跑速度訓練方法中,抗阻跑訓練作為最廣泛被教練員與運動員接受與采取的訓練方法,一直以來都是體育科學與訓練科學領域里的研究熱點。相比拖雪橇以及降落傘抗阻跑訓練會給運動員帶來的軀干前傾角增大本研究的結(jié)果顯示,當小腿負重增加后,受試者步長、步頻、步速均降低,并且10%負重條件下的步長與步頻相較于無負重時具有顯著性差異(表2)。添加負重之后,質(zhì)心水平方向上的移動速度顯著下降。速度的下降是由步長的下降與支撐期時間的延長造成的。從下肢運動學的角度來看(表3),小腿負重對矢狀面內(nèi)3關節(jié)角度變化影響較大的是踝關節(jié)與髖關節(jié)。踝關節(jié)跖屈峰值角度在負重后減小,并且負重之后踝關節(jié)運動范圍變小。然而,我們通過觀察發(fā)現(xiàn),該峰值跖屈角度出現(xiàn)在擺動期內(nèi),并且該角度變化較小,因此,相比踝關節(jié),負重對于關節(jié)運動學更大的影響為髖關節(jié)角度。在髖關節(jié)處,腳尖離地之后髖關節(jié)伸展進行后擺。髖關節(jié)后擺達到伸髖角度峰值后,開始屈髖進行前擺,當屈髖角度達到峰值時,前擺結(jié)束。結(jié)果顯示,由于負重增加了小腿質(zhì)量,前擺結(jié)束時刻屈髖幅度顯著減小?？傮w來說,負重對于關節(jié)角度的影響降低了擺動期內(nèi)踝關節(jié)跖屈峰值角度與髖關節(jié)的屈髖峰值角度。由于這些峰值角度的變化,使得踝關節(jié)與髖關節(jié)的活動范圍都有所降低。這樣的結(jié)果與Bennett2009年的結(jié)果出現(xiàn)了差異,這有可能是由于兩個研究負重方式與質(zhì)量不同造成的本研究使用關節(jié)力矩、關節(jié)功率來描述特殊時刻的下肢各關節(jié)動力學情況,填補了下肢負重抗阻跑時下肢關節(jié)動力學的空白。除此之外,還選擇了能量貢獻度來探討在一個步態(tài)周期之內(nèi)負重對于下肢動力學的“合效應”以及能量分布的改變,以期更加準確地揭示該訓練方法的生物力學機制。動力學結(jié)果顯示,負重之后著地時刻的踝關節(jié)力矩、支撐期伸膝力矩第2峰值、離地時刻髖關節(jié)力矩以及髖關節(jié)向心功率峰值等全部出現(xiàn)顯著性下降(表4)。髖、踝關節(jié)的變化可能與這兩個關節(jié)的轉(zhuǎn)動速度下降有關。在負重之后,復步時間變長,髖、踝關節(jié)運動范圍變小,大致可以推斷,關節(jié)轉(zhuǎn)動速度會有所下降。與此同時,負重之后質(zhì)心水平速度下降,這應該也是導致髖、踝關節(jié)力矩與功率下降的原因。2014年李曉霖對于拖拉阻力抗阻跑的研究中發(fā)現(xiàn),負重之后質(zhì)心水平速度下降會導致下肢3關節(jié)力矩與功率的下降在本研究中,通過對3關節(jié)能量貢獻度的分析,可以發(fā)現(xiàn),支撐期最重要的能量吸收關節(jié)———踝關節(jié),在負重之后吸收能量的貢獻度上升,與此同時,髖關節(jié)吸收能量貢獻度下降(圖4)。說明了小腿的負重導致下肢3關節(jié)能量吸收分配發(fā)生變化,小腿處的負重使得踝關節(jié)在支撐期的緩沖階段需要多吸收大約下肢4%的能量。而擺動期最重要的能量釋放關節(jié)———髖關節(jié),在負重之后釋放能量的貢獻度下降,然而,膝關節(jié)則需要釋放更多能量來進行小腿負重之后的擺動(圖5)。使用能量貢獻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4負壓位置與質(zhì)量通過上述分析發(fā)現(xiàn),小腿慣性質(zhì)量的增加會引起短跑途中跑髖、踝關節(jié)屈伸運動范圍的減小,提示這種負重訓練方法有可能影響短跑運動員的途中跑技術動作。小腿質(zhì)量15%的負重引起了髖、膝、踝3關節(jié)力矩與功率下降,然而,離地時刻膝關節(jié)力矩升高,并且使得支撐期內(nèi)踝關節(jié)吸收更多能量,擺動期內(nèi)膝關節(jié)釋放更多能量。這樣的結(jié)果與負重位置有關,不同負重位置會導致不同關節(jié)力矩與功率的改變,從而改變所訓練的肌肉力量。優(yōu)秀短跑運動員一般擁有較為固定的適合該運動員自身的技術動作。如若發(fā)生改變,有可能會對運動表現(xiàn)造成不利影響。本研究對于運動學的研究結(jié)果顯示,小腿負