振动训练作用目标主要是肌肉中弹性成分的实验研究

刘北湘,龙小安,李昭洁

(成都体育学院,四川 成都 610041)

振动训练作用目标主要是肌肉中弹性成分的实验研究

刘北湘,龙小安,李昭洁

(成都体育学院,四川 成都 610041)

该研究将32名受试者分为三个实验组进行了为期8周的下肢肌肉力量振动训练实验研究,通过影像测量和动力学测量采集实验前、后30cm和50cm两种高度跳深的净冲量、反跳高度及反跳比数据。对实验数据分析表明,有附加振动刺激的动态性负重蹲练习方式其数据提高幅度优于静态力量练习方式和无附加振动练习方式。对比分析三个实验组的数据差异表明,有附加振动刺激的下肢肌肉力量训练主要是通过促进下肢肌肉中弹性成分的增强而获得肌肉力量的提高。对比分析两个不同跳深高度的数据表明,下肢肌肉对外力冲量的利用受下肢肌肉储能能力的影响,有附加振动刺激的实验组其下肢肌肉储能能力比无附加振动刺激的实验组要强。

振动训练;肌肉力量;负重蹲;跳深;运动生物力学;肌肉弹性成分

振动训练是一个通过外加机械振动波作用于肌肉使之产生响应的过程。对振动训练的研究,需要考虑机械振动波及其传播途径的力学特性和肌肉对机械振动波产生响应的特性。从生理学角度看肌肉,偏重的是肌肉的支配神经(运动单位)、激素、物质能量代谢等方面的问题[1-5];从生物力学角度看肌肉,必然要关注肌肉组成要素中的主动收缩成分、弹性成分等的力学特性问题[6]。目前在相关振动训练的研究文献中,大多偏重前者而忽略了后者。曾有学者提出研究振动训练应考虑振动的力学特点(产生交变应力等)以及肌肉的生物力学特性(粘弹性、弹簧振动传递效应等)[7]。本文运用实验研究的方法从运动生物力学的角度侧重对振动训练的作用目标进行深入探讨。

1 研究方法

1.1 实验对象及实验内容

体育专业男生33人,年龄18-22岁,下肢无伤病,随机分为三组,每组11人(注：其中第3组有1人中途因故退出实验)。选择负重蹲作为练习动作,以膝关节伸肌群为主要实验目标。

实验内容：实验组1：附加振动向心收缩。两脚站立在振动台上做负重深蹲。实验组2：不附加振动向心收缩。两脚站立在地面做负重深蹲。实验组3：附加振动等长收缩。两脚站立在振动台上屈膝90°保持肌肉紧张。

练习量：1、2两组每课10次×5组(每组20秒钟内完成);3组静力蹲每次持续20秒×5组。

练习要求：振动方向为纵向,振动频率30Hz,振动幅度3mm。负重深蹲动作要求保持躯干垂直,深蹲到最大限度,站起时要求全力、全速,下肢完全伸直并提踵。训练时间8周,每周5次。外加负荷重量选择个人最大载荷的80%重量(10RM)。该载荷可发展最大肌力和爆发力[8];该载荷还可使下肢有较大的紧张度,接近人体大腿固有频率的理论值以便产生较好的振动训练效果[9-10]。

训练用设备：震动训练器(全能型PowerPIate Pr05 AIR)2台。

1.2 测试动作、测量方法及数据指标

(1)测试动作。跳深：受试者分别从30cm、50cm高度自由下落,两脚同时落在测力台上,然后全力、全速向上跳起。采用动力学测量与三维影像测量同时进行。说明：下肢在跳深工作条件限制下,下肢伸肌(股四头肌、小腿三头肌等)伸展肌群做超等长收缩,在下落重力的作用下这些肌群被拉长,肌肉组织中的弹性成分存储能量,这些能量在回跳时被释放,回跳过程主要是肌肉的弹性成分在发挥作用。测量该动作相关指标可了解肌肉弹性成分工作能力的改变情况[11-12]。

(2)测量方法。采用动力学测量与三维影像测量同步进行。

①动力学数据测量：使用美国BERTEC三维测力台。②三维影像测量：用2台摄像机拍摄影像资料,拍摄方法按三维影像测量基本要求进行(两台摄像机主光轴夹角为120度,采用外光源两步,拍摄频率50帧/秒,三维坐标采用8个控制点的立方体框架等)。用美国APAS_2000三维影像测量系统解析运动学数据。

(3)数据指标。两个高度的跳深动作在实验前、后各测量一次。测量指标包括：动力曲线、冲量等动力学数据;以及人体重心运动轨迹、反跳高度等运动学数据。本文根据研究内容的需要,主要选择分析讨论其中冲量、人体重心反跳高度及反跳比等数据指标所反映的问题。

数据采用统计分析软件(PASW Statistics 18.0)进行处理。分析各组间数据差异时采用单因素方差分析(One-Way ANOVA),各组数据间经过方差齐次性检验(显著性概率均为P＞0.05),符合进行均数多重比较的条件。分析同组实验前、后数据差异采用独立样本T检验(independent-Sample T test)。差异显著性标准为P＜0.05和P＜0.01。数据表达方式为“平均数±标准差”。

2 实验结果

经过对跳深实验数据的分析,筛选出“净冲量、反跳高度、反跳比”三个对本文有重要意义的数据进行统计处理和分析,数据结果在表1和表2中列出。

表1 30cm跳深实验数据(n1=11;n2=11;n3=10)

跳深净冲量：人体落台后对测力台产生纵向压力,这个压力包括两部分,一部分来源于人体下落形成的冲撞力和下肢蹬伸时产生的蹬地力;另一部分是人体自身的重力。在作用时间范围内纵向压力形成总冲量。总冲量减去人体重力形成的冲量即所谓的“净冲量”,跳深净冲量的大小与人体向上反跳高度有密切关系。

反跳高度：通过影像测量获得人体落台后向上反跳时重心上升的最大高度。计算方法为“重心最高点”减去“重心初始高度”再加上“跳深高度”即所谓“反跳高度”(参阅图4所示)。

反跳比：根据动力学原理(动量定理)可以由净冲量换算得到一个理论上的反跳高度。由于净冲量中包含了人体下落时的冲撞力和蹬伸力两部分形成的冲量,在实际测量时很难精确的对二者进行分割,而且冲撞力又是决定人体肌肉在离心收缩过程中弹性成分存储能量的因素,因此将二者合并计算。这就使得由净冲量换算得到的反跳高度要大于实际的反跳高度。将实际反跳高度除以由净冲量换算的理论反跳高度即所谓“反跳比”。反跳比恰好反映了人体下肢肌肉对跳深过程形成的冲量的利用情况,即肌肉中的弹性成分存储和利用能量的能力。

表2 50cm跳深实验数据(n1=11;n2=11;n3=10)

3 分析讨论

参加实验的对象均处于身体素质可塑性很强的年龄阶段,其身体素质在某个方面受到特定的训练后,必然会有所改变。从表1、表2及图1、图2所反映的数据变化基本趋势来看,实验后的数据较实验前均有不同程度的提高,这是符合运动训练学基本原理的现象。以下需要讨论“量”变中所包含“质”的差异。

3.1 跳深的净冲量与反跳高度数据分析

净冲量及反跳高度数据如表1、表2和图1、图2所示。

组间比较：在30cm高度跳深和50cm高度跳深中,实验前3个组的净冲量及反跳高度数据并无明显差异。实验后的净冲量比较：在30cm高度跳深中1组要高于2、3组,并且数据呈现出差异具有非常显著意义(P＜0.01);但是在50cm高度跳深中净冲量数据1组和2、3组之间虽然平均值有差异,但是差异没有显著意义。2组和3组之间实验后净冲量数据比较,虽然在平均数上有一定差异,但是不论是30cm还是50cm高度跳深,净冲量的差异都不具有显著意义。实验后的反跳高度数据比较：1组明显要高于2、3组,并且数据呈现出差异具有显著意义或非常显著意义(P＜0.05或P＜0.01)。2组和3组实验后反跳高度数据比较,虽然在平均数上有一定差异,但是差异不具有显著意义。

各组实验前、后比较：1组的净冲量及反跳高度数据的差异在30cm、50cm高度跳深时具有非常显著意义或显著意义(P＜0.01或P＜0.05);2组和3组的净冲量数据虽然在平均数上有一定差异,但差异都不具有显著意义;2组反跳高度数据只在30cm高度跳深中差异具有显著意义(P＜0.05);3组反跳高度数据在30cm和50cm高度跳深中差异具有显著意义(P＜0.05)。

图1 30cm跳深各平均数示意图

图2 50cm跳深各平均数示意图

在动力测量时事先测量受试者的重力,通过仪器调试重力线归零屏蔽了重力的影响,因此从测量得到的动力曲线所获得的冲量即为去除了人体重力冲量的净冲量(即动力曲线下面积的大小)。净冲量包括两部分：其一为落地缓冲产生撞击力形成的冲量;其二为蹬伸过程产生的蹬地力冲量。撞击力冲量的大小主要受下落高度影响,同一个人在同一种高度时其冲量的大小相差不会很大。在下落撞击过程中下肢伸肌群被动拉伸,肌肉中的弹性成分存储冲击力带来的能量,能量存储的效率受弹性成分优劣的影响。蹬地力冲量是由下肢伸肌群主动收缩成分产生的主动收缩力和肌肉弹性成分释放所存储的弹性力共同实现,蹬地力冲量越大越能使人体重心腾空后反跳的高度越大。图3所示范例是同一个受试者在同一个跳深高度时实验前、后的动力曲线。图中显示：实验前、后动力曲线主要变化表现在蹬伸阶段部分,不论是曲线的高度(力值的大小)和曲线下的面积(冲量),实验后都要明显大于实验前。因此,由表1、表2和图1、图2所反映的净冲量平均数差异表明：实验组1在净冲量上的提高情况优于其它两组,这种提高幅度除了因振动训练使下肢伸肌群主动收缩能力得到提高以外,还要归功于振动刺激促进了肌肉弹性成分存储能量能力的提高。

图3 跳深动力曲线范例图

图4 跳深人体重心轨迹、速度范例图

在跳深过程中人体重心位置及速度变化如图4所示。人体从跳深台上开始动作,经过下落、缓冲及蹬伸形成与测力台之间的跳深冲量(即表1、表2中的净冲量),在离地瞬间重心达到最大速度,这个速度越大,人体重心腾空后达到的反跳高度也会越大。反跳高度数据直接反映了跳深过程中对跳深冲量的利用情况。在30cm和50cm跳深之间各数据进行比较,30cm跳深的净冲量数据要明显小于50cm,差异具有显著性。其原因是50cm跳深高度下落的高度大,在重力加速度的作用下使人体与测力台之间产生了更大的撞击力,因而形成了更大的跳深冲量。但是,这些跳深冲量在反跳时不一定能够被充分的利用,直接的证据是30cm和50cm跳深的反跳高度数据之间并无明显差异。这种现象说明,人体下肢利用跳深冲量的能力受下肢肌肉弹性成分存储能量的能力影响,当这种能力达到其极限后,多余的跳深冲量就不会被利用,而是在反跳过程中通过动作延迟被消耗掉。这也从另一个侧面说明,肌肉中弹性成分的强弱对于肌肉发挥其作用效能具有重要的作用。

3.2 跳深反跳比数据分析

反跳比数据如表1、表2和图1、图2所示。

组间比较：在30cm高度跳深和50cm高度跳深中。实验前3个组的反跳比数据并无明显差异;实验后的反跳比数据比较,1组明显要高于2、3组,并且数据呈现出差异具有非常显著意义(P＜0.01)。此外在30cm高度跳深中。2组和3组实验后反跳比数据比较,3组要高于2组,数据差异也具有显著意义(P＜0.05)。但2组和3组之间这种差异的显著性在50cm高度跳深中没有出现。

各组前、后比较：在30cm和50cm高度跳深中。1组实验前、后数据的差异具有非常显著意义(P＜0.01);3组实验前、后数据的差异具有显著意义(P＜0.05)。2组实验前、后反跳比数据比较,只在30cm高度跳深中的差异具有显著意义(P＜0.05),而在50cm高度跳深中平均数虽然具有差异,但是差异没有显著意义。

肌纤维的力学模型(如图5所示)显示：肌力主要由主动收缩成分产生的主动收缩力(该力也需要通过串联弹性成分传递)和并联弹性成分产生的被动收缩力二者共同构成。这两者中任何一种能力的提高都会使整个肌力得到提高。肌肉中的弹性成分在肌肉力量中起到两个重要的作用：其一,并联弹性成分产生的弹性力可以单独构成肌力的一部分,而且它在肌肉被动拉伸过程中起到存储能量的作用,它的能力越强存储的能量越多;其二,串联弹性成分的作用是传递肌纤维主动收缩力,它的能力越强就越能很好的传递肌纤维收缩力,反之就会造成肌纤维主动收缩力的耗损,不能将肌纤维主动收缩力完全的表现在肌力中。

图5 肌肉力学模型

实验1组和2组采用的训练内容完全一样,不同的只是1组在训练中附加了全身振动刺激。如果说相同的训练应该获得相同的训练效果的话,那么1、2两组之间出现反跳比的显著差异就应该归功于附加的振动刺激,而反跳比的大小又反映的是肌肉弹性能力的状况。由此可以推断：振动刺激的作用目标应该是肌肉中的弹性成分。

实验1组与3组虽然在训练中都受到附加振动的刺激,但是3组进行的是肌肉等长练习(静力练习),虽然3组实验对象的肌纤维中弹性成分也得到了较好的训练,但是在进行跳深这样动态性很强的测试内容时,其反跳比数据必然会表现出不同,两组之间反跳比存在显著差异只能说明1组的训练对弹性成分作用要比3组更好一些而已。此外再比较2组和3组的反跳比,在30cm跳深中3组高于2组且差异具有显著性,这也说明3组由于在训练中受到了振动刺激训练,其肌肉中的弹性成分能力的增强要高于2组。这也说明：振动刺激作用的目标是肌肉中的弹性成分。

比较30cm跳深和50cm跳深的反跳比数据变化趋势,50cm跳深的反跳比总体要比30cm低,其原因应该是由于受试者在50cm高度下落时,产生的冲撞力较大,由此形成的净冲量也会较大(如表1、表2净冲量数据所示),净冲的增加会降低反跳比。同时肌肉中的弹性成分因不能很好的存储和利用这种过大的撞击能量而导致能量的耗损,因而不会表现出反跳高度的明显增大(如表1、表2反跳高度数据所示)。这种能量损耗的存在会掩盖组与组之间原本差异不强的现象,因此也说明在50cm跳深中2组和3组反跳比的差异出现不显著的原因。这与前述“下肢肌肉在跳深过程中对跳深冲量的利用受其弹性成分强弱的影响,当超过其极限时增加跳深高度并不能增大反跳高度”的讨论是一致的。

4 结论

(1)在下肢肌肉力量训练中,附加全身振动刺激的方式比无附加振动刺激的方式能使受试者在跳深测试中表现出更好的跳深净冲量、反跳高度及反跳比。其中有附加振动刺激的动态性负重蹲练习实验组其数据的提高幅度更大。

(2)通过对三个实验组跳深净冲量、反跳高度及反跳比数据的对比分析表明：有附加振动刺激的下肢肌肉力量训练主要是通过促进下肢肌肉中弹性成分的增强而获得肌肉力量的提高。

(3)通过对两个不同高度跳深净冲量、反跳高度及反跳比数据的对比分析表明：下肢肌肉对外力冲量的利用受下肢肌肉储能能力的影响。有附加振动刺激的实验组其下肢肌肉储能能力比无附加振动刺激的实验组要强,其中有附加振动刺激的动态性负重蹲练习实验组表现的更为突出。

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Experimental Research on M uscle Elastic Com ponents of the Effects of Vibration Training

LIU Bei-Xiang,et al
(Chengdu Sport University,Chengdu,China 610041)

The research divides 32 subjects into three experimental groups to conduct an 8-week experiment of muscle strength of lower limbs through vibration training.The research uses imagemeasurement and dynamic measurement to collects data of net impulse,rebound heightand rebound ratio before and after the experiment in 30cm and 50cm -depth jumping.The results show that the group ofweight deep squat vibration increasesmost,the group of halfweight squat static vibration follows and the group of squat vibration ranks last.The analysis shows that vibration training is mainly to promote the elastic component lower limbmuscles to improve themuscle strength.Comparative analysis of the two kinds of data indicates that the ability of energy storage of lower limbmuscle affects the use of force.The capacity of energy storage in vibration experiment group of lower extremity muscle ismuch better than non vibration experimental group.

vibration training;muscular strength;squattingwith weight;depth jumping;sportbiomechanics;muscle elastic component

G804.2

：A

：1001-9154(2014)06-0046-05

G804.2

：A

：1001-9154(2014)06-0046-05

国家自然科学基金项目(11272068)。

刘北湘(1954-),男,湖南人,教授,硕士生导师。研究方向：运动生物力学。

2014-02-26