三级跳远运动员神经肌肉功能和负荷机制的研究

李继东，耿海军，杨金田

（河北体育学院，河北 石家庄050041）

运动人体科学

三级跳远运动员神经肌肉功能和负荷机制的研究

李继东，耿海军，杨金田

（河北体育学院，河北 石家庄050041）

通过实验法和数理统计法，对河北体育学院7名三级跳远运动员的三跳进行了动力学分析，探讨了三级跳远神经肌肉的功能和腿部着地时的冲击负荷特征，特别是对地面反作用力、足底压力和肌电图活动之间的相互作用及三者之间的相互联系。研究表明：三跳最大的地面冲击力是在第二跳；两脚前脚掌的足底压力与三级跳的成绩呈高度相关，最大压力峰值出现在脚后跟和前脚掌下面；肌肉预活动时后腿伸张肌呈现高速率活化特征。

肌电图；地面反作用力；足底压力

影响三级跳远成绩的因素，很大程度上依赖于助跑水平速度发挥的程度、控制能力和速度在单足跳、跨步跳和跳跃阶段的分配情况等［1］。由于运动员身体特征的差异导致起跳技术存在明显的不同，研究发现，在水平速度尽可能保持的情况下，良好的起跳技术需要肌肉动作在适宜方向产生最大的力及发力时机与节奏的有效结合，这就要求运动员在承受较大冲击力的同时，尽量减少水平速度的损失［2］。在三级跳远项目上，目前对地面反作用力和足底压力进行的研究非常有限，有研究认为：在垂直方向的力值上有两个峰值，即在触地时制动阶段的垂直力（约为身体重量的7.0倍～14.2倍）和起跳阶段垂直力（约是身体重量的 3.3～5.0倍［3］）。Nicol、Milani和Hennig，将压力转换器安置在鞋内，测得了单足跳和跨步跳阶段足跟、大脚趾和趾骨下的压力最高峰值，研究还发现，三级跳中要想降低小腿损伤的高发病率，可适当增大足底不同区域的压力峰值［4］。

在三级跳远中，所测得较大的力值和足底压力，对神经肌肉的控制和神经肌肉的活动都提出了很高要求。因此笔者力图探讨三级跳远神经肌肉的功能和腿部着地时的冲击负荷，特别是对地面反作用力、足底压力和肌电图活动之间的相互作用及三者之间的相互联系。

1 研究对象和方法

1.1 研究对象

河北体育学院7名三级跳远运动员，其中男子4名，女子3名。4名男子队员的基本情况为：年龄（21±2）岁，身高（180±4）cm，体重（76.7±3.8）kg，平均成绩为（15.32±0.45）m；3名女子队员的基本情况为：年龄（20±3）岁，身高（172±2）cm，体重（63.6±4.9）kg，平均成绩为（11.90±0.28）m。

1.2 测试程序

实验在一个训练周期结束后进行测试，每名运动员试跳6次，选取每人3次试跳进行分析，助跑最后5米用日本产JVC数码摄像机摄拍，用三台测力平台测试负荷（对于专业运动员来讲，三跳落地点在一个很小范围内变化，因此通过多次试跳，取其中3次准确踏板试跳做为研究使用），采用瑞士产Kistler测力台，频率±50Hz，测试2个方向的地面反作用力，运动员首先在测力台以正常速度行走3次，作为分析的参照运动。

用便携式压力数据采集系统，测试足底压力分布，并同步测量两侧肌电活动，传感鞋垫和肌电图导线连接到自动记录器上，记录器用皮带固定在运动员的背部，足底压力采样频率为200Hz，肌电仪记录频率为800Hz，用表面电极记录臀大肌、股外肌、腓肠肌的肌电图，电极沿肌丝方向纵向固定在位于肌梭分布区中心和肌腱远端之间的肌肉部位，电极之间距离38mm。

肌电图和足底压力数据都保存在一个可以互相转换的智能卡上，并进一步转化到处理器上，而后对资料进行收集、处理、分析数据，并与测得地面反作用力进行同步分析。为方便分析，将三跳分别称作单足跳、跨步跳和跳跃三个阶段。

1.3 数理统计法

根据水平地面反作用力方向，将着地时间分为制动和蹬伸两个阶段，从合力和合力方向来分析最大力值和平均力值。对肌电信号全波进行收集，并且将标准肌电图4个阶段计算：着地前预收缩阶段（50～100ms），着地前阶段（0～50ms），制动阶段和蹬伸阶段，将放大的肌电图制成一般活动图，并与运动员以常速走状态下的记录图形相比较。

所得数据用SPSS 10.0软件包进行处理分析，数据表达用平均值和标准差。

2 实验结果

男子和女子最好成绩的平均值分别为（15.32±0.45）m和（11.90±0.28）m，它们之间的总体平均值为（13.25±1.32）m。助跑速度为（8.56±0.63）m／s，与成绩呈高度相关（r＝0.90，p＜0.001），不同阶段的着地时间各不相同（p＜0.001），单足跳为（0.129±0.007）s，跨步跳为（0.157±0.009）s，跳跃为（0.177±0.010）s。三个阶段中制动时间分别为（0.079±0.008）s、（0.087±0.009）s和（0.113±0.012）s，与之相联系的蹬伸阶段分别为（0.50±0.006）s、（0.070±0.003）s和（0.064±0.007）s。

经测试表明，垂直方向和水平方向的地面反作用力在跨步跳阶段最大。对于所有着地阶段来说，制动阶段的地面反作用力要比蹬伸阶段大（表1）。制动阶段垂直方向的最大地面反作用力，在三跳中分别为身体重量的11.3±3.6、15.2±3.3和12.9±3.1倍，而在水平方向分别为身体重量的4.8±1.4、7.0±3.9和 6.7±1.1倍。为了研究地面反作用力对三级跳远成绩的影响，将单足跳、跨步跳和跳跃阶段的力量曲线进行平分，经多元回归分析显示，在制动阶段的最大垂直力和蹬伸阶段最大水平力，对于预测成绩来说是最佳的地面反作用力，二者的比重分别为58.9%和27.1%。

表1 在三个阶段的作用力力量各阶段的合力方向值

在三级跳中，所测得最高压力峰值在脚后跟和前脚掌位置，最低压力在脚中间位置。在几次试跳中，脚后跟部的压力较大，导致采集信号超出了转换器采集量程（图1传感器1.2），图2所示，测得压力峰值超过正常走动状态下的4倍多。三级跳中，脚后跟部和前脚掌传感器同时工作，即表示脚掌水平着地。研究表明，在三个阶段，脚后半部分区域和大脚趾区域的最大压力又有显著差异（p＜0.05），且最小压力值出现在单足跳阶段。

图1 1名男子运动员三跳不同传感器和正常走状态下的压力示意图图

图2 三级跳前脚掌后部压力（传感器 6.9.12）与成绩的关系示意图

图2显示三跳前脚掌的后部压力与传感器的压力示意图，前脚掌后部的压力峰值（传感器6、9、12）与三级跳的成绩正相关（p＜0.001）。三个传感器部位所采集的压力峰值与三级跳成绩的相关系数分别为：r＝0.71、r＝0.87、r＝0.90，从而显示前脚掌压力对成绩的影响至关重要。制动阶段股外侧肌群肌电平均值大于蹬伸阶段（p＜0.001）（图3）。图4显示单足跳、跨步跳和跳跃阶段两侧肌肉活动的图形，研究表明，三个阶段大腿伸肌群具有高度预活动和制动能力。

图3 在三跳中股外侧肌群的肌电活动示意图

3 结果与分析

研究结果不仅证实了三级跳运动员必须承受非常大的地面反作用力，而且对运动员的技术动作提供了详细的数据资料，同时也获得了着地参量即最大地面反作用力、足底压力峰值与行走时身体重量的关系。研究表明，在三级跳远中，着地冲击阶段最大垂直力量峰值和压力峰值分别是行走时身体重量的10倍和4倍多。此外，三个阶段平均水平力量也比行走时高4倍左右。

从呈独立散点分布的前脚掌后部压力和三级跳成绩关系图2可以看出，由于性别差异，男女运动员之间也有差异，女子运动员由于跳跃距离较短，所以以上关系图中女子运动员都处于接近“0”点数据轴上。为了验证这种关系的可能性，在研究中又选用了其中一名男子运动员的10次三级跳远成绩进行研究，这10次跳的成绩范围在13.00～14.92m之间，如图5所示，研究结果表明与上面的结果非常接近。

制动阶段合力和合力方向变化及着地时间的逐渐延长，进一步说明水平速度从单足跳到跳跃阶段呈下降趋势（表1），表明在三个阶段中跳跃阶段所用支撑时间最长。不过为了在三跳过程中保持较高的水平速度，平均合力制动角的倾斜度应该接近于90°，这意味着肌肉活动及肌肉活动的节奏会更好相互协调起来。

图4 臀大肌、股外肌、两侧腓肠肌活动肌电图（垂直的虚线表示两次活动衔接处）

图5 男子三级跳远运动员在一次试跳中前脚掌后部压力与成绩的关系（传感器6.9.12）

研究中提到的较高冲击负荷，需要更好的发展着地前肌肉运动原的控制能力，即多进行其它类似冲击力较大的拉伸收缩练习［5］。图3表明，在着地阶段前和制动阶段的肌电图的变化情况。图6表明，大腿伸肌群保持较高水平的预活动能力和制动动作，可以有效防止制动阶段腿部不必要的弯曲，为高质量完成技术动作创造良好的条件。肌肉的这种预先活动，为增大制动阶段肌电活动和着地阶段肌肉活动的节奏提供了必要条件。肌肉着地前的预活动能力过程，进一步表明了它对调整着地时腿部动作的僵硬和对局部肌肉力量衰竭的补偿有重要作用。而且，肌肉的预活动提高了α－γ神经元的相互作用，可以增大纺锤肌的灵敏性，有效地提高肌肉伸张的灵活性，同时增大肌腱的坚硬程度，最终提高三级跳成绩。

图6 臀大肌在三跳着地前50ms肌电活动与成绩的关系

运动员过度屈膝的原因，可能是髋部伸肌群的无效活动。臀大肌的作用是伸展髋关节，同时防止髋关节过分向下移动［6］。研究认为，运动员以较低的身体重心姿势来减少臀大肌的活动是可行的。在制动阶段由于屈髋原因，造成了膝关节和踝关节移位，为了防止这种多余动作，在制动阶段需要膝部伸肌和趾部屈肌必须有较高的肌肉活性。

神经肌肉的保护机制有时也会出现偏差，如在三级跳远中，当肌肉受伤的时候，会发生神经肌肉不正确的协调活动。有研究表明，与较多的低力量峰值进行训练相比，在三级跳远中以较大的张力和力量峰值进行训练能自身增强骨质排列阵式［7］。

4 结论

1）最大的地面反作用力出现在跨步跳阶段。

2）通过对运动员制动阶段最大垂直力值和起跳阶段的最大水平力值的测试，可以预测三级跳远运动员的发展潜力。

3）两脚前脚掌的足底压力与三级跳的成绩呈高度相关，最大压力峰值出现在脚后跟和前脚掌。

4）肌电图显示表明，双脚的着地部位对神经肌肉系统工作提出了很高的要求，肌肉预活动时呈现高速率活化特征，即随后腿部伸肌高度的离心收缩。

［1］刘 超．速度平跳技术——三级跳远发展的趋势［J］．田径，1998（3）：13－14．

［2］James G．Hay．Effort Distribution and Performance of Olympic triple jumpers［J］．Journal of applied biomechanics，1999，15：36－51．

［3］金宗强，穆洪新，程 科．对“最佳三跳比例”的理论思辩［J］．体育与科学，2003，24（1）：49－52．

［4］黄志刚，周 里．电刺激方法对肌肉力量与柔韧性的影响［J］．西安体育学院学报，1999（2）：31－37．

［5］郭元奇，李明生．浅谈三级跳远的训练［J］．青少年田径训练，1996，12（2）：17－18．

［6］曾红辉．国内外优秀女子三级跳远运动员某些运动学指标的研究［J］．体育学刊，1997（1）：24－27．

［7］布吕格曼．第六届世锦赛生物力学研究报告——三级跳远［J］．田径，1998（8）：19－24．

Research on Neuromuscular Function and Load Mechanism in the Triple Jumper

LI Jidong，GENG Haijun，YANG Jintian
（Hebei Institute of Physical Education，Shijiazhuang 050041，Hebei，China）

By the method of experiment and statistics，the authors of this paper make a dynamics analysis to the three jumps for the 7 triple jumpers of Hebei Institute of Physical Education，and discuss the neuromuscular function and the ground im pact load characteristics to legs in the triple jump，especially discuss the interactions and relations of the ground impact forces，plantar pressure and electromyography．The results show that the largest ground impact forces is produced on the sec ond jump；the plantar pressure and achievement of triple jumps are highly relevant，and the highest peak pressures is recorded under the heel and forefoot；the back leg extensor is characterized by the high rate of activation in the pre activity phase．

electromyography；ground reaction force；plantar pressure

G804.63

A

1004－0560（2010）02－0077－03

2009-12-25；

2010-03-26

2007年河北省科学技术研究与发展计划资助项目部分研究成果，课题编号为07277110D。

李继东（1966－），男，副教授，硕士，主要研究方向为体育教学与训练。

责任编辑：乔艳春