下肢慣性質(zhì)量對短跑后續(xù)跑時生物力學(xué)的影響

下肢慣性質(zhì)量對短跑后續(xù)跑時生物力學(xué)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(xiàng)速度訓(xùn)練中，抗阻跑訓(xùn)練直接將公斤的負(fù)荷用于下肢的訓(xùn)練方法，深受運(yùn)動員和教練的喜愛。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,而對于下肢負(fù)重跑的研究鳳毛麟角綜上所述,為了探究下肢負(fù)重對于運(yùn)動員短跑時技術(shù)動作以及下肢動力學(xué)的改變,本研究從運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)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(xué)變化進(jìn)行分析,評價下肢負(fù)重抗阻跑訓(xùn)練的利弊,最終為指導(dǎo)運(yùn)動訓(xùn)練,預(yù)防運(yùn)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(shí)驗(yàn)選取18名男子短跑運(yùn)動員作為研究對象,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,健將級運(yùn)動員4人,國家一級運(yùn)動員3人,國家二級運(yùn)動員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24h內(nèi)未從事劇烈運(yùn)動,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)動能力良好。1.2實(shí)驗(yàn)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(shí)際樣品拍攝正式實(shí)驗(yàn)前,校準(zhǔn)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(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(xué)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(yùn)動員起跑位置大約距離測力臺40m。運(yùn)動員聽從實(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)荷的最大速度跑測試。每兩次采集間隔足夠長時間使得受試者充分恢復(fù),每名受試者每種負(fù)荷測試采集一個有效數(shù)據(jù)。1.2.3參數(shù)計(jì)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(yuǎn)端的環(huán)節(jié)重心及環(huán)節(jié)測量學(xué)參數(shù)計(jì)算獲得對各參數(shù)按步態(tài)周期時間進(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)逆動力學(xué)方法計(jì)算下肢凈關(guān)節(jié)力矩(netjointmoment,NJM),使用DarrenJStefanyshyn等人的方法NJM與關(guān)節(jié)角速度之積為關(guān)節(jié)功率P1.2.4生長影響因素的分析指標(biāo)結(jié)果用ue003±SD表示。本研究采用單因素重復(fù)測量方差分析(onewayANOVAwithrepeatedmeasure)對比不同下肢負(fù)荷下各因變參數(shù)的影響,事后檢驗(yàn)采用LSD檢驗(yàn)。所有數(shù)據(jù)資料用Excel2013和SPSS21軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,顯著性水平設(shè)為α=0.05,非常顯著性水平為α=0.01。2研究結(jié)果2.1運(yùn)動學(xué)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(fù)荷條件下的基礎(chǔ)時空參數(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,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(fù)重條件下,該差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。2.1.2最大踝蝽屈角度和活動度變化3種負(fù)荷條件下運(yùn)動員途中跑的下肢運(yùn)動學(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?；顒佣确矫?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動力學(xué)結(jié)果2.2.1力及功率變化力矩方面:負(fù)重增加之后,著地時刻的踝關(guān)節(jié)力矩出現(xiàn)了顯著下降。離地時刻的髖關(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。2.2.2能量產(chǎn)生的變化支撐期內(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。而在擺動期內(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負(fù)壓與能量貢獻(xiàn)度眾多短跑速度訓(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)練會給運(yùn)動員帶來的軀干前傾角增大本研究的結(jié)果顯示,當(dāng)小腿負(fù)重增加后,受試者步長、步頻、步速均降低,并且10%負(fù)重條件下的步長與步頻相較于無負(fù)重時具有顯著性差異(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(yùn)動學(xué)的角度來看(表3),小腿負(fù)重對矢狀面內(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(guān)節(jié),負(fù)重對于關(guān)節(jié)運(yùn)動學(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,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)束時刻屈髖幅度顯著減小?？傮w來說,負(fù)重對于關(guān)節(jié)角度的影響降低了擺動期內(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(fù)重方式與質(zhì)量不同造成的本研究使用關(guān)節(jié)力矩、關(guān)節(jié)功率來描述特殊時刻的下肢各關(guān)節(jié)動力學(xué)情況,填補(bǔ)了下肢負(fù)重抗阻跑時下肢關(guān)節(jié)動力學(xué)的空白。除此之外,還選擇了能量貢獻(xiàn)度來探討在一個步態(tài)周期之內(nèi)負(fù)重對于下肢動力學(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。動力學(xué)結(jié)果顯示,負(fù)重之后著地時刻的踝關(guān)節(jié)力矩、支撐期伸膝力矩第2峰值、離地時刻髖關(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關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動速度下降有關(guān)。在負(fù)重之后,復(fù)步時間變長,髖、踝關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍變小,大致可以推斷,關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動速度會有所下降。與此同時,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)心水平速度下降會導(dǎo)致下肢3關(guān)節(jié)力矩與功率的下降在本研究中,通過對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,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(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4負(fù)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(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動范圍的減小,提示這種負(fù)重訓(xùn)練方法有可能影響短跑運(yùn)動員的途中跑技術(shù)動作。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)動員一般擁有較為固定的適合該運(yùn)動員自身的技術(shù)動作。如若發(fā)生改變,有可能會對運(yùn)動表現(xiàn)造成不利影響。本研究對于運(yùn)動學(xué)的研究結(jié)果顯示,小腿負(fù)