振动波方向影响肌肉振动训练效果的实验研究

刘北湘,周 瑾,刘晓亚,李家发,戴 玮

刘北湘1,周 瑾2,刘晓亚3,李家发4,戴 玮1

文章主要研究在不同振动波条件下对肌肉力量训练效果的影响。以33名大学男生为研究对象,在不同方向振动波的条件下进行负重蹲实验。以三维影像与三维测力台同步测量系统采集跳深和负重蹲动作的运动学及动力学数据;以瑞士等速肌力测试系统采集膝关节在不同速度时向心、离心运动的肌力学数据。分析结果认为,振动波方向影响肌肉振动训练的效果。振动波方向与肌纤维纵轴之间趋向于垂直状态或形成较大角度时,振动波能够对肌肉产生较大的刺激。振动波与肌纤维的角度过小或成平行状态时,振动波对肌肉的刺激作用便相对较小。肌纤维受到与其呈大角度的振动波的作用时间越长,便越能对肌肉能力的增强产生较大的影响。

振动训练;肌肉力量;负重蹲;跳深;运动生物力学

肌肉振动训练主要依靠振动训练器提供振动波对肌肉施加刺激。目前在实际应用中大多使用的是垂直方向的单维振动器。有文献将近年来开始出现的翘板式正弦波振动器称为多维振动台,其依据是通过测量其振动波形状论证了该振动台不仅能够提供垂直振动波,同时还能够提供水平方向振动波[1]。文献还介绍了能够随机产生各种不同方向振动波的德国产SRT多维组合振动台[1],但这种振动台目前在国内还很少见。而且其振动波是随机的,不利于用其对振动波方向的作用特征进行专门研究。由于受振动训练仪器硬件条件以及对这些仪器认识的限制,使得目前对于肌肉振动训练的相关研究大多集中在单维垂直振动波基础上对振动频率、振幅以及训练负荷等方面的问题上[2-4]。曾有文献报道“组合振动利用振动方向的随机变化,在刺激强度梯度和改进肌肉间的协调激活方面优于单维的垂直振动”[5]。但不同振动方向(单维水平振动波、单维垂直振动波以及复合振动波等)对训练效果的影响特征及其作用机理尚不清楚。

1 研究方法

1.1 实验对象及实验内容

实验对象:运动人体、运动康复与保健专业男生33人,年龄18-22岁,下肢无伤病,随机分为A、B、C 3组,每组11人。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:两脚站立在振动台上做负重深蹲。振动频率30Hz,振动幅度3mm。动作要求躯干垂直,深蹲到最大限度后全力、全速站起并提踵。训练时间8周,每周5课。每课10次×5组(每组30秒钟内完成)。外加负荷重量选择个人最大载荷的80%重量(10RM)。3个组练习动作相同,外加振动波不同:(1)水平振动组(A组)站在滑板式振动训练器上练习(以水平方向振动波刺激为主);(2)垂直振动组(B组)站在全能型PowerPIate Pr05 AIR震动训练器上练习(以单纯垂直方向振动波刺激为主);(3)复合振动组(C组)站在德国SVG公司wellengang谐振系统上练习(接受的是水平和垂直方向的复合型振动波刺激)。

1.2 测试动作、测量方法及数据指标

(1)三维影像与三维测力台同步测量内容。测量方法:用2台摄像机拍摄影像资料,2台摄像机主光轴夹角为120度,采用外光源同步,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采集运动学数据。同时使用瑞士KILTLER三维测力台。测量动作:(1)跳深。受试者从30cm高度自由下落,两脚同时落在测力台后全力、全速向上跳起。(2)负重蹲。受试者两脚站在测力台上,深蹲到最大后,全力、全速站起并提踵,载荷量与练习时的载荷量相同。

(2)等速肌力测量内容。测量方法:使用瑞士多关节等速肌力测试与训练系统(CONTREX-MJ +TP1000)。分别测量股四头肌在向心收缩和离心收缩工作状态的肌力指标。测量动作:测试时受试者取坐位,按测量要求固定大腿及上肢,阻力垫固定在小腿外踝上3cm处。测量时仪器设定运动速度分别为60°/s、120°/s。采用膝关节“向心 -离心”循环测量方法,每个速度循环3次。不同速度测试间隔60秒钟。

(3)数据处理。上述两类测试在实验前、后各测量一次。对前后两次采集的数据使用统计分析软件(PASW Statistics 18.0)进行处理。各组间数据差异时采用单因素方差分析(One-Way ANOVA);同组实验前、后数据差异采用独立样本T检验。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

本文根据研究目标的需要,影像及动力学测量主要选择净冲量、总冲量及人体重心高度等数据进行分析讨论[6];等速肌力测量主要选择60°/s和120°/s 2个运动速度中的峰值力矩和平均功率数据进行分析讨论。筛选出的数据经过统计学处理,结果在表1、2、3中列出。

表1 动力学及运动学实验数据

动力学及运动学实验数据如表1所示。实验前、后A、B、C各组数据进行独立样本T检验:4项数据在实验前后的差异水平均具有显著意义或非常显著意义。说明3种不同的振动训练均能在不同程度提高受试者30cm跳深和负重蹲的能力。

实验后A、B、C组间数据单因素ANOVA比较: 30cm净冲量和反跳高度差异的显著性水平分别为0.002,0.011,均小于0.05。进一步分析差异来源为C组与B组引起,其P＜0.01,差异具有非常显著意义;负重蹲总冲量和净冲量差异的显著性水平分别为0.032,0.026,均小于0.05。进一步分析差异来源为C组与B组引起,其P＜0.05及P＜0.01,差异具有显著意义和非常显著意义。

膝关节60°/s和120°/s屈伸等速肌力实验数据如表2、3所示。对A、B、C各组在两种运动速度下所测实验前、后数据进行独立样本T检验:4项数据(向心和离心工作状态中的峰力矩及平均功率)在实验前后的差异水平都具有显著意义或非常显著意义。数据结果说明3种不同的振动训练均能在不同程度提高受试者向心和离心工作的峰力矩及平均功率。

表2 膝关节60°/s屈伸等速肌力实验数据

实验后A、B、C组间数据单因素ANOVA比较: (1)峰值力矩数据。在60°/s运动速度时,A、B、C 3组之间不论是向心或离心其数据只有增量大小的差异,差异均不存在显著意义。但在120°/s运动速度时,在离心收缩过程C组与A、B组之间的差异都存在显著性意义。(2)平均功率数据。在60°/s运动速度时,向心收缩过程中C组与B组之间存在显著性差异,离心收缩过程中C组与A组之间存在显著性差异。在120°/s运动速度时,离心收缩过程中C组与A、B组之间都存在显著差异或非常显著差异。

2种运动速度所测数据的变化趋势:峰值力矩在60°/s运动速度时要比120°/s运动速度时大。平均功率在60°/s运动速度时要比120°/s运动速度时小。这表明相对较慢的膝关节屈、伸运动有利于产生较大的峰值力矩;而相对较快的膝关节屈、伸运动能够产生较大的功率。

3 分析讨论

3.1 水平方向振动波来源分析

本项研究所用主要实验设备(德国SVG公司wellengang谐振系统)属于翘板振动方式,不同于其它两类单一振动方向的振动器,对其振动波性质进行深入分析,有助于认识振动训练的真实属性。

翘板式振动如图1所示。设翘板一侧的宽度为c(以右侧为例)。翘板式振动实际上是翘板c绕其中点O做圆周运动,此时位于翘板上的物体也跟随其一同做圆周运动。以翘板右侧端点A向上运动为例。当翘板上右侧端点A运动到A'处时,位于翘板垂直上方某物体的B点会运动到B',如果翘板端点A从A到A′产生了a的垂直方向位移,那么B点便从B到B′便产生了a的水平方向位移。同样,当翘板左侧端点向上做同样运动时,那么B点便从B到B"便也产生了a的水平方向位移。因此,翘板的一次往复便会使B点产生2a长度的水平方向移动(即水平方向振动幅度)。位于翘板上物体产生水平位移的大小主要受到以下两个因素的影响:其一,翘板上物体的观测点B与O点的距离,距离越大,产生的水平位移越大,反之越小(如图1所示,即有a"＞a＞a′);其二,翘板上物体的观测点B与O点垂直轴的位置关系,观测点偏离垂直轴越远,产生水平位移越小,反之越靠近垂直轴的位置其产生的水平位移越大(例如,A点从A运动到A′时产生的水平移动距离为X,要远小于B点从B运动到B′的水平移动距离a。如图1所示,即有a＞x)。

图1 翘板式振动产生水平方向振动幅度示意图

图2 肌肉“力-速曲线”及功率示意图

基于上述分析可知:其一,翘板式振动能使翘板上的物体产生水平位移,即产生水平方向的振幅,说明具有水平方向振动波的存在;其二,水平方向振幅大小受两脚站立宽度影响,宽度越大振动幅度越大。同时还受人体各部分位置的影响。其三,翘板式振动是一种复合型振动方式,即有水平方向的振动波,也有垂直方向的振动波。以上论证与相关资料实测振动波的结论基本一致[1]。

3.2 动力学及运动学数据分析

在跳深中,人体落台后对测力台产生的纵向力总冲量包括人体自身重力冲量、重力加速度形成的冲量、以及下肢蹬地力冲量。总冲量减去人体重力冲量即本文所说的“跳深净冲量”[6]。跳深净冲量的大小与人体向上反跳高度有密切关系。3个组实验前、后数据自身比较说明,不论是哪一种振动训练方式,对提高受试者的反跳能力都具有较好的影响。3个组实验后数据相互比较说明,各组的提高幅度具有差异。C组相对于B组而言,其数据差异的显著性说明C组的提高量具有质的区别,但相对于A组而言,其提高量没有达到质的差异。

在负重蹲中,纵向力包括杠铃重力、人体自身重力和人体下肢蹬伸时产生的惯性力,在动作时间范围内形成的冲量即所谓的“总冲量”。由于前后2次测量所用的杠铃重量不一样(因为实验后受试者负重能力得到大幅提高,按实验要求采用“个人最大载荷的80%重量”必然较实验前有所增加)。因此,三个组实验前、后总冲量数据的自身比较形成较大差异便是顺理成章的事情,它反映了不论哪种振动训练方式,对于提高受试者下肢对抗外力的能力都具有良好的影响。但是这种影响的程度会因振动训练的方式不同而有差异,这一点可以从3个组实验后总冲量数据的相互比较中看到,C组与B组间的差异具有显著性,而C组与A组,B组与A组之间的差异则不具有显著性。

总冲量减去杠铃和人体重力形成的冲量即所谓“净冲量”。负重蹲的净冲量反映了人体下肢在克服外加负荷的基础上肌肉能力的储备,也是形成“人/杠”系统向上产生加速度的原因,该值越大产生向上运动速度越大,体育运动中常用该值分析下肢肌肉的爆发力。在实验前(或后)的同一批次测试中,由于受试者采用的负重量相同,下肢肌肉能力越强的受试者,其多余的肌肉能力就表现为迫使外加载荷产生更大的加速度。加速度大小与净冲量大小密切相关,净冲量的差异也是引起总冲量差异主要原因。实验后C组的净冲量与B组具有非常显著意义,从而导致二者之间总冲量的差异也具有显著意义。再由于A组实验后的净冲量相对实验前也有了显著提高,使得实验后C组与A组间的净冲量比较不存在显著差异。净冲量的差异反映了C组在实验后其肌肉在抗载荷过程中能力储备相对于B组有了质的提高。这种提高是由于实验中采用的振动训练方式不同而引起。

3.3 肌力学数据分析

3.3.1 峰值力矩数据

骨骼肌力学基础理论Hill方程表达式为:(a+ T)(v+b)=b(T0+a)。方程的总体变化趋势是一条由肌肉张力变量T和肌肉收缩速度变量v代表的双曲线(如图2所示)[7],其意义可以描述为:肌肉收缩时产生的张力愈大,收缩的速度愈小,反之亦然。本项实验的峰值力矩数据(见表2、3)显示,在60°/s运动速度时产生的峰值力矩要比120°/s运动速度时的峰值力矩大,即相对慢速的膝关节屈、伸运动有利于产生较大的峰值力矩。这种现象与Hill方程所描述的情况基本一致。

我们曾经论证过振动训练主要作用的目标是肌肉中的弹性成分[6]。而肌肉中弹性成分表现出肌力的前提条件是其被快速拉伸。因此,在离心收缩过程中能够最大限度的利用到肌肉的弹性成分。肌肉的弹性成分是生物力学中所说的粘弹性成分,具有松弛性,即拉伸过程产生的弹性回缩力受时间影响,只有在速度比较快的情况下弹性回缩力才能得到充分发挥。这是肌肉在活体状态下所表现出的特性。

表2所示峰值力矩在60°/s运动速度时C组与A、B组之间呈现一种不规则的表现,即在向心收缩过程中C组与B组之间差异具有显著性;而在离心收缩过程C组与A组之间差异具有显著性。这要归因于在60°/s运动速度时,由于其不利于肌肉弹性成分力量的发挥,向心收缩主要靠肌纤维主动收缩成分的能力,离心收缩时弹性成分又不能很好的发挥作用,因此表现出C组与A、B组之间在向心收缩和离心收缩时数据差异的不一致性。数据在统计学意义上的不一致性正好说明肌肉材料作为一种生物材料其力学特性的复杂性。但是有一点是肯定的,那就是C组不论是向心收缩或离心收缩,其肌力峰值都要比A、B两组的提高要大一些。

表3所示峰值力矩在120°/s运动速度时,在向心收缩过程中3个组实验后的数据之间无显著性差异,而在离心收缩过程C组与A、B组之间都存在显著性差异。这是由于肌肉弹性成分的力量在120°/ s运动速度时比60°/s能够得到更充分的表现,使得在120°/s运动速度时C组产生的离心收缩峰值力矩与A、B组之间出现明显差异。这个现象说明C组在振动训练过程肌肉获得的离心收缩能力要远高于A组和B组。同时也进一步论证了振动训练主要的作用目标是肌肉中的弹性成分。

3.3.2 平均功率数据

平均功率在60°/s运动速度时A、B、C 3组之间没有表现出统计学意义上的差异,这是因为在这种运动速度情况下不利于功率的表现,三者都处于一种低水平的表现状况,低水平的表现不利于反映各组间的本质差异,因此数据没有显示出其统计学上差异的显著性。这样的解释是比较合理的。

而当平均功率在120°/s运动速度时,在离心收缩过程C组与A、B组之间都存在显著差异或非常显著差异。这是由于在相对较快的运动速度以及离心收缩使肌肉中弹性成分得到较好发挥的情况下,有利于膝关节产生较大的输出功率。受试者膝关节输出功率能够得到充分的发挥,使得3个组之间在功率数据方面得到了充分的展现,因而表现在统计学上就是数据差异的显著性。

3.4 引起C组与A、B两组实验后数据差异的基本原因分析

上述对两类测试数据的分析表明,无论是下肢肌肉的运动能力(跳深、负重蹲),还是膝关节屈、伸时的肌力矩和平均功率。复合振动组(C组)在实验后都要比水平振动组(A组)和垂直振动组(B组)有更明显的提高。要了解3个组实验后数据差异的原因,需要分析在整个负重蹲练习过程中振动波(包括水平波和垂直波)方向与肌纤维之间的方向关系。人体下肢肌肉的肌纤维排列与下肢骨骼纵轴方向基本一致,因此了解振动波与肌纤维之间的方向关系可以直观的通过振动波与下肢骨骼纵轴之间的关系进行。

受试者完成一组10次的负重下蹲持续时间大约30秒左右,平均每次动作持续时间约为3秒,在这个过程中大、小腿纵轴与水平方向的夹角是在变化的。由影像测量数据得到受试者大、小腿纵轴角度的变化情况典型图例如图3所示,图3中数据的意义如图4左图所示。设大腿或小腿纵轴为1个单位长度,当水平夹角为45°时,它们在垂直轴和水平轴上的投影均为个单位。当水平角大于45°时,在垂直轴上的投影大于水平轴,反之小于水平轴。因此本文以45°作为一个分界线,大、小腿纵轴水平夹角大于45°时可认为偏向于垂直状态,此时水平振动波与肌纤维之间具有较大的角度;而水平夹角小于45°时则认为偏向于水平状态,此时垂直振动波与肌纤维之间会形成较大的角度。

图3 大、小腿纵轴与水平方向夹角典型图例

图4 负重蹲大、小腿与水平面夹角示意图

受试者在负重蹲过程中。小腿纵轴与水平面的夹角均在45°以上(最小值为65°±12°),小腿在负重下蹲过程中基本偏向于垂直状态。因此小腿部位的肌肉与水平振动波之间形成的角度要远大于垂直振动波。而大腿纵轴与水平方向夹角的变化幅度比小腿要大。对33名受试者在负重下蹲过程5个阶段的数据进行统计处理,其分段时间数据为:动作前过渡0.35±0.06秒、下蹲阶段45度线上0.72±0.13秒、45度线下1.15±0.32秒、站起阶段45度线上0.57±0.07秒、动作后过渡0.25±0.05秒。将这组数据按45度线上、下分别进行划分,其数据为:45度线上部分1.89±0.31秒,占总时间的62.2%;45度线下部分1.15±0.32秒,占总时间的37.8%(如图4右图所示)。这组数据说明:水平振动组(A组)在这个过程中有62.2%的时间水平方向振动波与大腿肌纤维之间具有较大的角度。垂直振动组(B组)在这个过程中只有37.8%的时间能够使垂直振动波与大腿肌纤维之间形成较大的角度。但是在其它时段,这2个组便分别进入振动波与大腿肌纤维之间小于45度的区间。由于水平振动组(A组)大腿肌纤维与振动波方向之间呈现大角度的时间要多于垂直振动组(B组),这应该是实验后水平振动组(A组)肌肉能力的提高约强于垂直振动组(B组)的主要原因。与前两组不同的是,复合振动组在负重蹲过程中,有62.2%的时间大腿肌纤维与水平振动波形成较大的角度,而在其它37.8%的时间大腿肌纤维又与垂直振动波形成较大的角度。由于复合振动组采用的是水平波和垂直波构成的复合刺激,因此在整个负重蹲过程中都能够有效的保持振动波(水平波或垂直波)与大腿肌纤维之间具有大于45度的角度。这应该是复合振动组(C组)在实验后肌肉能力的增强远高于其它两个组的主要原因。

综合上述分析,形成3个组实验数据差异的原因是在负重蹲练习过程中,复合振动组下肢受到振动波与肌肉纤维之间大角度刺激的时间要远大于单纯的水平振动组和垂直振动组。3个组在训练内容相同,只有振动波方向不同的实验条件下,对上述实验结果有充分理由认为:振动波方向与肌纤维纵轴之间趋向于垂直状态(或形成较大角度)时,振动波能够对肌肉产生较大的刺激。如果振动波与肌纤维的角度过小或成平行状态,振动波对肌肉的刺激作用便相对较小;同时,肌纤维受到与其呈大角度振动波的作用时间越长,便越能对肌肉能力的增强产生较大的影响。

4 结论

(1)翘板式振动训练器能够产生水平方向的振动效果。水平方向的振动幅度受人体两脚站立宽度影响,宽度越大,水平振动幅度越大。翘板式振动训练器产生由垂直方向和水平方向构成的复合型振动波。

(2)人体膝关节屈、伸运动产生的力矩峰值和功率值受运动速度影响。相对慢速的膝关节屈、伸运动有利于产生较大的峰值力矩;而较大的肌肉功率值则要在适宜的运动速度时才能表现。

(3)振动波的方向影响肌肉振动训练的效果。振动波方向与肌纤维纵轴之间趋向于垂直状态(或形成较大角度)时,振动波能够对肌肉产生较大的刺激。如果振动波与肌纤维的角度过小或成平行状态,振动波对肌肉的刺激作用便相对较小。肌纤维受到与其呈大角度振动波的作用时间越长,便越能对肌肉能力的增强产生较大的影响。

[1] 李玉章.全身振动训练的理论与实践[M].第1版.上海:第二军医大学出版社,2010:44-47.

[2] 王兴泽.振动负荷训练研究进展[J].中国运动医学杂志, 2012,31(7):648-653.

[3] 刘卉,凤翔云.不同频率振动训练对下肢爆发力和柔韧性的即时影响研究[J].体育科学,2010,30(12):71-75.

[4] 张卫红.振动训练对肌肉力量和爆发力短期效应的研究[J].吉林体育学院学报,2010,26(4):65-66.

[5] 李玉章.不同振动模式中小腿肌肉的诱发激活特征比较研究[J].天津体育学院学报,2010,25(4):336-339.

[6] 刘北湘,龙小安,李昭洁.振动训练作用目标主要是肌肉中弹性成分的实验研究[J].成都体育学院学报,2014,40(6):46 -50.

[7] 冯元桢.生物力学[M].第1版.北京:科学出版社,1983:199 -203.

[8] 李良标,吕秋平.运动生物力学[M].第1版.北京:北京体育学院出版社,1991:302-306.

振动波方向影响肌肉振动训练效果的实验研究

Experimental Research on M uscle Elastic Com ponents in Vibration Training

LIU Beixiang1,ZHOU Jin2,LIU Xiaoya3,LI Jiafa4,DAIWei1

32 subjects are divided into three groups to receive an 8-week experimental research on their lower limbs'vibration training.Imagemeasurement and dynamic measurement are adopted in the research to collect the data of net impulse,rebound heightand rebound rate of30cm and 50cm in-depth jumping before and after the experiment.The results show that data of the dynamic deep squatweight trainingwith vibration increasesmore than either that of static strength training or static vibration training.The analysis shows that vibration training ismainly to promote the elastic component of lower limb muscles by improving themuscle strength.Comparative analysis of 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 limb muscle ismuch better than that in the non vibration experimental group.

vibration training;muscular strength;squatwith weight;depth jumping;sport biomechanics

G804.23

A

1001-9154(2015)02-0100-06

G804.23

A

1001-9154(2015)02-0100-06

10.15942/j.jcsu.2015.02.019

国家自然科学基金项目(11272068)。

刘北湘,教授,硕士生导师,研究方向:运动生物力学,E-mail:lbxlbx_028@163.com。

1.成都体育学院,四川 成都610041;2.重庆大学,重庆400044;3.四川师范大学,四川 成都610068;4.四川阿坝师范高等专科学校,四川汶川623002

1.Chengdu Sport University,Chengdu,China 610041;2. Chongqing University Chongqing 400044;3.Sichuan Normal University,Chengdu Sichuan 610068;4.Aba Teachers College,Wenchuan Sichuan 623002

2014-10-26