振动频率影响肌肉力量振动训练效果的实验研究

刘北湘，刘晓亚，戴 玮



振动频率影响肌肉力量振动训练效果的实验研究

刘北湘1，刘晓亚2，戴 玮1

目的：通过对受试者采用不同振动频率进行附加振动的负重蹲训练，探讨振动频率对肌肉力量振动训练效果的影响及其机理。方法：以大学男生30人为受试者，在振动台上进行不同振动频率的负重蹲训练。使用三维影像测量和测力台同步采集50cm跳深和负重蹲的运动学及动力学数据；使用瑞士多关节等速肌力测试系统采集膝关节向心和离心收缩时的肌力指标。对实验前后两次采集的数据进行统计学分析。结果：高频组在跳深的净冲量、反跳时间和反跳高度等方面明显优于低频组；高频组在负重蹲的最大力值、蹬伸时间、冲量的改变幅度要优于低频组；高频组在肌力数据的力矩峰值和最大功率的增大幅度上也明显高于低频组。结论：较高振动频率(35-45Hz)更有利于促进下肢肌群超等长运动能力的提高，有利于促进下肢伸肌群的向心工作能力以及能力储备，能够提高膝关节在离心和向心两种工作状态下的力矩峰值以及最大工作效率。

振动训练；振动频率；肌肉力量；运动生物力学

肌肉力量的振动训练是近年来的研究热点，许多专家学者对此进行了多角度多层次的研究工作，虽然取得了许多有意义的成果，仍然存在许多不足。有学者在考察近年来的研究进展后指出，在最佳训练强度、振动频率和振幅等方面，需要在理论和实践中形成一套科学完整的体系[1-2]。有研究通过对下肢肌群进行振动训练实验发现，不同振动频率对振动训练效果产生影响，随着频率增加对肌力的训练效果有逐步增加的趋势[3]。但也有文献分析指出，振动训练对频率大小的选择存在不同观点，有认为低频振动效果好于高频，也有认为高频振动效果好于低频[4]。因此，对频率的选择及其依据、限制条件以及作用机理等仍然有待深入探讨。对振动幅度的选择，现有文献资料基本是在1-10mm范围内，适宜振动幅度尚无定论。单纯的改变振动幅度对振动训练效果的影响并不明显，通过改变振动频率达到增大振动幅度，即振动频率与振动幅度间的关系问题有待深入研究[5]。

1 研究方法

1.1 实验对象及分组

受试者为运动人体及运动康复保健专业男生30人，年龄18-22岁，下肢无伤病。以膝关节伸肌群为实验目标，在振动台上进行负重蹲训练8周，每周5课，每课练习5组×10次。负重载荷量80%，该载荷可发展最大肌力和爆发力[6]。纵向振动，振幅3mm。受试者随机分为A、B、C三组(每组10人)，振动频率分别为25Hz、35Hz、45Hz。

1.2 测量内容及数据指标

1.2.1 运动学和动力学同步测量内容

(1)测量动作：①跳深。受试者从50cm高度自由下落，两脚同时落在测力台上，然后全力向上跳起。②负重蹲。受试者两脚站在测力台上，深蹲后全力站起，下肢完全伸直并提踵。载荷量与练习时相同。

(2)测量方法：使用2台摄像机按三维影像测量基本要求进行(主光轴夹角为120度，外光源同步，拍摄频率50帧/秒，8个控制点立方体框架等)。用美国APAS_2000三维影像测量系统采集运动学数据。动力学数据测量使用瑞士KILTLER三维测力台。

(3)采集数据：人体重心运动轨迹、反跳高度、动力曲线、冲量等。

1.2.2 等速肌力测量内容

(1)测量动作：受试者取坐位，固定上身、大腿及上肢，阻力垫固定在小腿外踝上3cm处。

(2)测量方法：使用瑞士多关节等速肌力测试。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，动作幅度100°。测量膝关节伸肌群在向心收缩和离心收缩工作状态的肌力指标。

(3)采集数据：膝关节力矩峰值，最大功率等。

1.2.3 数据处理

对两类测试前、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(independent-Sample T test)。差异显著性标准P<0.05和P<0.01。数据表达方式“平均数±标准差”。

2 实验结果与分析

2.1 跳深和负重蹲实验数据分析

表1 50cm 跳深实验结果Table 1 Experimental data of 50cm deep jump

跳深是肌肉超等长运动的典型方式，主要反映下肢伸肌群在缓冲动作中通过离心收缩抗冲击能力和弹性能的储备能力；在蹬伸动作中向心收缩能力和对弹性能的利用能力；以及离心-向心收缩的快速转换能力。对表1实验数据分析：总冲量表示人体对测力台总的作用力效果，虽然实验后都具有一定的提高，但由于其大小受试者的体重和下落高度的影响较大，使得这种提高被大数据掩盖了，导致各组在实验前后差异不具有显著意义是合理的。净冲量是排除人体重力因素以后下肢蹬地力的作用效果，它反映受试者下肢蹬伸能力；反跳时间反映下肢伸肌离心-向心收缩的转换能力。后两项实验数据表明，通过负重蹲进行的下肢力量训练，促使各组实验前后下肢蹬伸能力和离心-向心收缩的转换能力都有所提高，这是符合常理的。其中实验后C组与A组之间提高的幅度具有质的差异，在其它实验因素相同而唯有频率不同的情况下，差异来源只能归因于振动频率的不同所致。反跳高度反映受试者对净冲量的利用效果，一般而言它与净冲量有较大的相关关系，同时也受跳深技术动作因素的影响。三个组实验前后反跳高度平均值都有一定的提高，其中A组的提高幅度要小一些，各组实验前后的比较没有与净冲量的情况保持完全一致，这应该是受跳深技术动作的影响。三个组实验后数据的相互比较，B、C组与A组之间具有了质的差异。这种现象同样要归因于B、C两组采用了较高的振动频率。

按照运动训练学的观点，任何训练对于人体而言都是一种刺激，其作用是对人体造成一定的不适应，人体在不断适应这种刺激的过程中达到新的平衡，获得机能能力的提高(即超量恢复)。在一定范围内人体机能能力的提高幅度与刺激强度等因素具有相关关系。通过振动训练增强肌肉力量亦是如此，肌肉力量增强的程度取决于外加刺激的强度。由于振动刺激的强度由振动频率、幅度等因素构成，因此对振动强度的考虑实际上就是具体考虑振动的频率和幅度。有文献指出，由于肌纤维存在相对较大的剪切弹性模量，来自于外部振动源的振动幅度会被很快的衰减掉，因此不太可能通过直接提高外加振动源的振幅来提高肌肉内部的振幅[5]。在振动训练的文献报道或实际应用中，很少存在刻意通过加大振幅的方式去提高振动强度的情况。而是通过另外一条途径，即通过采取提高振动频率来间接的提高振动幅度，从而达到振动强度的提高。其原理为：任何物体都有自身的固有频率。固有频率是由物体的密度、外形等物理因素决定的一个振动频率。而施加外力使它振动的频率叫策动频率。当策动频率和系统的固有频率相等(或接近)时，系统受迫振动的振幅会达到最大，这种现象叫共振。有文献资料表明，人体各部位具有不同的固有频率，如眼球约为60Hz，颅骨约为200 Hz，大腿部位约为45～50Hz，人体整体在竖直方向约为48 Hz等[7-8]。德国物理学家海森堡最早提出“测不准原理(或不确定性原理)”，认为测量某事物的行为将不可避免地扰乱那个事物，从而改变它的状态，使精确的确定其状态存在限制。该原理移植应用于运动人体科学领域后，认为人体的许多极限指标是不能精确测定的。根据这个原理，受试者在完成负重下蹲的过程中，下肢的紧张度(刚度)及动作形状是变化的，会对下肢的固有频率产生影响，从而导致其固有频率数据不可准确测量。但根据以上资料可以判断大腿的固有频率大约处在以50Hz为上限的一个动态区间内。因此本实验对大腿施加竖直方向振动刺激时，振动频率分别选择为25Hz、35Hz、45Hz。其中B、C两组使用的振动频率比较接近人体下肢在竖直方向和运动状态时的固有频率，能够使B、C两组获得较大的振动幅度，从而受到较大振动强度的刺激。本实验结果出现较高的振动频率(35-45Hz)相对于较低振动频率能够更有利于促进下肢肌群超等长运动能力的提高。其原因就是35-45Hz的振动频率接近人体下肢自身的固有频率，在接近共振条件下使得下肢的振动幅度得到增大，从而使振动强度较大，最终导致下肢肌群中的收缩成分和弹性成分都受到了更充分的刺激。由于人体软组织具有较高的粘滞性和肌肉自身调谐能力，加之动作时间短，因此不必担心高频振动会对人体形成有害的共振[4]。

表2 负重蹲实验结果Table 2 Experimental data of weight-bearing squat

负重蹲是下肢伸肌群抗外加载荷做向心收缩的典型运动方式，主要反映下肢伸肌群向心工作能力。表2数据分析：最大力平均值主要反映下肢伸肌群瞬间最大向心收缩能力；蹬伸时间主要反映下肢伸肌群的收缩速度。这两项数据与下肢肌肉的爆发力有关。三个组实验前后差异的显著意义说明不论何种频率的附加振动负重蹲训练对于下肢爆发力都具有促进作用。三个组实验后数据比较：对最大力值的促进，高频振动的C组相对于低频振动的A组具有质的变化；而对蹬伸时间的缩短，B、C两组相对于A组具有质的改变。综合这两项数据在实验后的变化程度说明，采用频率较高的振动有利于改变下肢伸肌群的爆发力。蹬伸总冲量反映的是下肢伸肌群的基础能力，由于训练后受试者下肢能力的增强，提高了80%外加载荷的总量，因此三个组实验前后比较均具有质的提高，这是符合运动训练超量恢复基本规律的现象。蹬伸净冲量是排除外加载荷重力(包括体重)冲量后的净剩值，它反映受试者下肢伸肌群对抗外加载荷的能力储备。三个组实验前后比较都具有质的提高，但在提高的幅度上B、C组均高于A组，而且C组与A组之间在改变量上具有质的差异。综合这两项数据的改变情况，说明较高的振动频率有利于促进下肢伸肌群的向心工作能力以及能力储备。

按照运动生理学关于骨骼肌的理论，任何刺激最终都是通过“反射”影响骨骼肌活动的，绝大部分骨骼肌的神经调节都是反射性的。在一条反射链中至少包括传入神经元(感受器)和传出神经元(效应器)，肌梭就是肌肉中能够感受肌肉长度变化并对牵拉刺激敏感的感受装置。α-神经元分布在骨骼肌(肌梭外纤维)，每条运动神经元和它所支配的肌纤维构成一个运动单位，是反射链中的效应器。γ-神经元分布在肌梭上(肌梭内纤维)，当γ-纤维被激活，其传入纤维可以引起α-神经元产生两种反应：使主动肌和协同肌产生兴奋作用；使对抗肌产生抑制作用。振动训练基于肌梭激活理论的研究资料表明，振动刺激能够激活和增强肌梭及其传入神经纤维的兴奋性，反射性的引起梭外肌纤维的收缩。振动刺激能够同时激活Ⅰ型和Ⅱ型肌纤维，最大限度的募集运动单位参与活动[9-11]。本实验数据表明，较高的振动频率(35-45Hz)能够更有效的刺激人体肌梭感受器，引起较强烈的骨骼肌反射活动，促使下肢肌群在向心工作时能够动员更多运动单位参与工作，从而获得较大的向心收缩力以及能力储备。

2.2 膝关节屈伸实验数据分析

膝关节力矩峰值反映膝关节伸肌群在向心和离心两种工作状态下的最大工作能力。表3数据显示：在60°/s和120°/s两种工作速度条件下，三个组在实验后都比实验前有质的提高，这一现象说明不论何种频率的附加振动负重蹲训练都能在不同程度上促进膝关节伸肌群向心和离心的最大工作能力。三个组实验后数据比较表明：在两种速度的向心工作中，B、C组与A组相比在提高的幅度上具有质的差异；而在离心工作中只有C组与A组之间具有质的差异。数据结果说明两个问题：其一，振动频率较高的附加振动负重蹲练习，对于促进膝关节伸肌群向心和离心最大工作能力具有更明显的效果；其二，较高频率的附加振动负重蹲练习对于促进膝关节最大向心工作能力要强于最大离心工作能力。前一个问题显示的结果与前述跳深及负重蹲的数据结果基本一致，两种数据构成了相互印证的关系，其结果产生的机理也基本一致；后一个问题显示的结果与实验采用的负重蹲训练动作特点有关。因为负重蹲的动作结构决定了其发展的主要目标是下肢伸肌群的向心能力，而附加的振动只是一个辅助性的刺激，这种辅助性的刺激又主要针对的是下肢肌肉中的弹性成份[12]。因此，主要发展目标与辅助发展目标在提高程度上出现差异是合理的。上述两种情况都说明，较高的振动频率(35-45Hz)能够提高下肢膝关节在向心和离心两种工作状态下的力矩峰值。向心工作力矩峰值的提高主要与动员了较多的肌肉运动单位参加工作有关；离心工作力矩峰值的提高主要与肌肉中弹性成分的提高有关。

表3 力矩峰值均数(单位：N.m)Table 3 Peak torque mean(unit: N.m)

肌肉的构成元素主要包括两部分：主动收缩成分和串联、并联弹性成分。前者主要由肌原纤维中的可收缩肌丝(粗、细肌丝等)组成，按照肌纤维收缩的滑行学说，这些肌丝在神经冲动的操控下可以主动缩短，形成肌肉的主动收缩力；后者主要由肌纤维中的弹性成分(肌纤维中的附属组织如各层肌膜、连接组织、肌腱等)组成，按照生物材料的弹性理论，这些弹性成分在受到牵拉后形成肌肉的弹性回缩力。因此，肌肉力量的提高必然是这两部分共同增强的结果。目前在解释振动训练能够提高肌肉力量的原因时有两种说法：其一是神经肌肉学的观点，认为振动刺激能够同时激活Ⅰ型和Ⅱ型肌纤维，最大限度的募集运动单位，从而使肌肉力量获得提高；其二是弹性力学观点，认为振动刺激能够促进肌纤维中弹性成分的增强，从而使肌肉力量提到提高。对本实验数据的分析表明：这两种观点其实并不矛盾，二者相辅相成是同一个问题而侧重点不同的两个方面。肌肉做向心工作是从拉长状态逐渐缩短的过程，对肌力的贡献是收缩成分逐渐大于弹性成分；而肌肉做离心工作时则反之，对肌力的贡献是弹性成分逐渐大于收缩成分。当肌肉做向心收缩时，更多的依靠神经冲动的加强，使肌纤维中的主动收缩成分产生更大的主动收缩力，而主动收缩力的表现又依靠串联弹性成分对力传递作用。当肌肉做离心收缩时，更多的依靠弹性成分产生的弹性回缩力，而弹性回缩力的发挥又依靠主动收缩成分的持续工作进行维持。振动训练引起肌肉力量的提高，无疑是这两类力量共同增强的结果。

膝关节最大功率值反映膝关节伸肌在向心和离心两种工作状态下的最大工作效率。表4数据显示：在60°/s和120°/s两种工作速度条件下，附加振动的负重蹲练习都能在不同程度提高受试者膝关节最大工作效率。但实验后三个组的数据在提高幅度上存在一定的差异，具体表现为：在60°/s工作速度下，向心和离心工作只有C组与A组之间具有质的差异；而在120°/s工作速度下，向心工作时B、C两个组与A组之间都有质的差异，而在离心工作时仍然只有C组与A组具有质的差异。这种现象说明两个问题：其一，较高频率的附加振动负重蹲练习较之低频振动能够更明显的促进膝关节伸肌群的向心和离心工作效率；其二，在膝关节伸肌群工作效率提高的幅度方面，120°/s速度条件下的向心工作效率要表现的更明显。结合负重蹲练习的运动学数据进一步分析发现，受试者在进行负重蹲练习时，其蹬伸站起时膝关节的伸展速度基本是在100°/s至160°/s之间，按照运动训练学和运动生理学关于肌肉能力提高的理论，肌肉能力的提高与受到刺激的性质具有很大的相关性。如果长期采用某个速度区间进行的伸膝练习，那么必然会对这个速度区间的肌肉工作能力产生较大的影响。本项实验表明，较高的振动频率(35-45Hz)能够促进膝关节在离心和向心两种工作状态下的最大工作效率。其中在120°/s速度条件下的提高幅度要高于60°/s，其原因与负重蹲练习时膝关节运动速度有关。

表4 最大功率均数(单位：瓦特)Table 4 Maximum power mean(unit：watt)

研究肌肉对振动刺激的反应主要分两类：一类是研究其瞬间效应；另一类是研究其累积效应。前一类主要通过适时采集表面肌电信息等数据作为分析评价指标；后一类主要通过采集振动实验前、后的肌力学、动力学和运动学等多项数据作为分析评价指标。前一类有两项研究具有代表性：这两项研究都是以男性大学生为研究对象。第一项是分别在垂直、多维振动和不同振动频率(6Hz、8Hz、10Hz、12Hz)条件下做“静止半蹲”动作；第二项是在垂直振动和不同振动频率(30Hz、40Hz、50Hz)条件下做负重半蹲动作。两项研究都是通过适时测量大腿前、后群肌肉肌电数据分析判断振动刺激对肌肉的作用(神经肌肉激活特征)。这两项研究的结果都发现，在设定的振动频率范围内，神经肌肉的激活程度会随频率的增加而呈现加大的趋势[9-10]。前一类实验一般只能说明肌肉对振动刺激的瞬间反应情况，并不能说明人体肌肉在振动刺激条件下的累积效应。而累积效应的证明仍然需要对人体在一定时间期限内进行实验，并对实验前后实测的肌力、动力和运动学数据进行对比研究。本项实验就属于后一类研究范畴。本实验设定了25Hz、35Hz、45Hz三个跨度较大的振动频率，实验前、后的数据分析说明，膝关节伸肌群对振动刺激产生的累积效应也会随振动频率的增加而呈现加大的趋势。上述两类实验虽然方法不同，但其实验结果在很大程度上具有相互印证的作用。

3 结论

(1)较高的振动频率(35-45Hz)相对于较低振动频率能够更有利于促进下肢肌群超等长运动能力的提高。有利于促进下肢肌群的向心工作能力以及能力储备。

(2)较高的振动频率(35-45Hz)能够提高膝关节在离心和向心两种工作状态下的力矩峰值。较高的振动频率能够促进膝关节在离心和向心两种工作状态下的最大工作效率。

[1] 宋佩成，李玉章.振动训练法研究进展[J].体育科研,2010,31(2):78-81.

[2] 吕晓梅,王海英.全身振动训练的功能与应用现状[J].赤峰学院学报(自然科学版)2012,28(5):140-142.

[3] 任满迎,潘磊,魏永旺.不同频率全身振动刺激对运动员下肢肌群力量训练效果的对比研究[J].体育科学,2008,28(12):39-44.

[4] 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.

[5] 刘北湘.振动波方向、频率对振动训练的影响[J]，武汉体育学院学报，2011年第45卷(6期)：83-87。

[6] 王瑞元,孙学川,熊开宇，等.运动生理学[M].第1版.北京：人民体育出版社，2002:286.

[7] 王贤坤.一种建立人体振动生物力学模型的新方法[J].振动工程学报，1996，9(2)：209-212.

[8] 张向东,高捷,闫维明.环境振动对人体健康的影响[J].环境与健康杂志，2008，25(1)：74-76.

[9] 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,2010:14-26.

[10] 袁艳,吴贻刚,苏彦炬，等.振动频率和负荷重量对半蹲起大腿肌群表面肌电活动的影响[J].体育科学，2012,32(10):64-68.

[11] 李勇.振动刺激对下肢肌肉工作和即时效应的影响研究[D]. 石家庄：河北师范大学，2011.

[12] 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.

(编辑 孙君志)

Experimental Research on the Effect of Vibration Frequency on Vibration Training of Muscle Strength

LIU Beixiang1, LIU Xiaoya2, DAI Wei1

Objective: to study the effect of vibration frequency on the vibration training of muscle strength and its mechanism through subjects’ weight-bearing squat training at different vibration frequencies. Methods: Thirty male college students were chosen as subjects to do weight-bearing squat training at different vibration frequencies on the vibration table. A three-dimensional image measuring instrument and a force platform were used to collect the kinematical and dynamic data of 50cm deep jump and weight-bearing squat synchronously. The Swiss multi-joint isokinetic muscle strength testing system was used to collect muscle strength indicators of knee joint centripetal and centrifugal contraction. The data collected before and after the experiment were statistically analyzed. Results: In terms of deep jump-related impulse, rebound time and rebound height, the high-frequency group is obviously superior to the low-frequency group. In terms of weight-bearing squat-related maximum force, stretching time and changing range of impulse, the high-frequency group is superior to the low-frequency group too. The high-frequency group presents a better performance than the low-frequency group in terms of peak torque of muscle strength and the increasing range of maximum power. Conclusion: higher vibration frequency (35-45Hz) is more conducive to improving the plyometric exercise capacity of lower extremity muscles, both the centripetal ability and energy reservation of leg extensor muscle group and both the peak torque and the maximum working efficiency of knee joint in centrifugal and centripetal movements.

VibrationTraining;VibrationFrequency;MuscularStrength;SportBiomechanics

G804.23 Document code：A Article ID：1001-9154(2016)03-0116-06

国家自然科学基金项目“振动波在振动训练中对肌肉作用效果的生物力学机理研究”(11272068)。

刘北湘，教授，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；2.四川师范大学，四川 成都 610068 1.Chengdu Sport University,Chengdu Sichuan 610041; 2.Sichuan Normal University, Chengdu Sichuan 610068

2015-11-23

2016-04-12

G804.23

A

1001-9154(2016)03-0111-05