不同距离负重行军生物力学和生理上的变化特点及训法研究

马继政　张鑫鹏　王增刚　王哲　贾卫　冯煊　黄强年

摘 要：负重行军是现役人员的一项基本能力，距离从跨越20m的障碍物到穿过120km以上指定区域，地形通常较为复杂。负重量通常为7.5～50kg。这一巨大的距离上和负重量上的跨度，会对人体产生极大的影响。负重可增加人体的能耗、改变步态。就最佳负重能力而言，不同距离上人体姿势力学和能量代谢上是不同的：短距离负重跑，需要较高的地面垂直作用力，主要依赖无氧代谢；中距离负重跑是生物力学和生理方面的中介因素，其挑战是在维持高速的同时需要维持经济性的运动，需要无氧、有氧代谢；长距离负重行军和有氧能力、底物可利用性、抗疲劳有关，因此，其训练方法也发展相应的变化。当前，基于任务的不同和多样，选择特定距离范围进行训练是一般采用的训练策略。此外，日常进行非对称负重训练或负重静力性练习也是必要的。

关键词：负重 生物力学 生理

中图分类号：G808 文献标识码：A 文章编号：2095-2813（2018）10（a）-0046-06

Abstract： The occupational load carriage is the basic ability for military personnel. The distance ranges from navigating 20m obstacles to arriving at given region about 100 miles or more， which has a complex terrain. The carrying load is from 7.5～50kg. The comparatively large spectrum of distances and load carriages can cause stress for military personnel. These loads have been found to increase the physiological cost to the military personnel and alter their gait mechanics. With regard to the optimum performance of load carriage， the physiological and biomechanical mechanisms of different distances are diverse： the sprint occupational load carriage need high vertical ground reaction forces， which rely heavily on anaerobic metabolism； the middle distance is characterized by intermediates of biomechanical and physiological parameters， with the challenge being to run at high velocities while still maintaining economical movement， which rely on anaerobic and aerobic metabolism； the distance is related to aerobic capacity， fuel utilization， and fatigue resistance. Accordingly， the training needs adjustment. At present， base on the task physical demands， the basic training strategy is to select special distance to meet their need. In addition， it is necessary for carrying load on asymmetrical or static exercises.

Key Words： Occupational load carriage； Biomechanical； Physiological

負重行军是现役人员的一项基本能力，距离从跨越20m的障碍物到穿过120km以上指定区域，地形通常较为复杂[1]。负重通常为7.5～50kg[2]。这一巨大的距离上的跨度，会对人体产生极大的影响。就运动能力而言，从田径运动跑步的项目看，很少有运动员在两个不同距离上，同时获得成功。从生理和生物力学角度看，就能力而言，不同的距离表现出多样性[3]。

对于跑步运动项目，能力取决于通过一定距离所需的时间。跑速（V）取决于代谢率（Pmet）和跑动时能量的消耗（c）：V=。Pmet指的是整个持续范围内有氧和无氧消耗的总和[4]。从短距离到超长距离负重行军生理和生物力学上的变化和需求是不同的。c值取决于多种因素，例如加速、地形、负重量、风速、疲劳。一些生物力学上的因素，同样影响c值。因此，这一公式代表着生理、生物力学因素与跑速之间的关系。目前，运动联盟的规定的距离名称为：短跑（60～400m）、中跑（800～3000m）、长跑（5000m～马拉松）、超级马拉松（>马拉松）。

此外，鉴于负重量、地形不同，不同距离负重行军实质上生理、生物力学存在不同，并不能完全等同于无负重平跑。整体上看，负重时，人体的第一应答为躯干前倾。这一反应可保证负重量的重心靠近支撑（脚），尽可能保证稳定。相对水平面，背部6kg负重人体即可前倾，负重量大于40kg，躯干前倾可达11°。在负重状态下行走时，臀部的弯曲增加，骨盆和下背部的肌肉活性增加[5]，另外，负重量增加，髋关节屈角峰值、足底压力也就增加等[6]。此外，能耗也随之增加[7，8]，并对人体多系统施加影响[9，10]。尽管存在一定的差异，但不同距离上机械负荷和生理上的需求，可为负重训练提供一定依据。

1 不同距离负重行军人体生物力学和生理上的变化特点、训练方法

1.1 短距离跑

从奥运会竞技比赛看，短距离项目包括100m、200m和400m。短距离跑的持续时间通常为1min内。100m大约持续10s[3]。在研究中通常作為人类能力的一个极端。尽管通常认为60～400m较为相似，但实质上生理和生物力学方面存在差异，潜在影响运动能力。例如可观察到100m和200m都非常优秀的运动员，或者200m和400m，但到现在为止，尚未出现100m和400m同时非常优秀的运动员。

当前，大城市或城乡结合部作为作战区域的概率增加，因此，负重条件下，对快速移动能力要求增加：需要快速通过障碍物或无障碍物区域。

1.1.1 生物力学

无负重短距离跑的一个独特的因素是，由于距离短，加速阶段是一个重要的成分。特别是对于60～100m来说，高度依赖于加速能力，距离越长，起始阶段越不重要[11]。在整个100m跑，加速阶段为40～60m，速度维持10～30m，减速为10～20m[11]。对于60m跑来说，加速阶段尤为重要。100m和200m平均世界纪录的速度相似，但低于60m。由于无氧能力的局限，400m平均速度相对较低。

神经-运动单位一体化在加速阶段作用非常明显。目前，最快速起跑反应时间<200s，与技术不成熟运动员相比，起跑时，足底压力更大，水平速度更快[12]。此外，研究认为步长在100m赛事加速阶段起着重要的作用，主要体现在前10～20m[13]。保证维持高速，基本动力因素是高垂直的地面作用力（ground reaction forces，GRFs）。与非短跑运动员相比，短跑运动员表现出更高的垂直方向GRFs和较短垂直作用力[14]。力的应用技术，特别是GRFs矢量方向是决定运动成绩的最重要因素，水平方向GRFs可能是关键因素，研究发现净的水平力和运动成绩相关[15]。

就最大跑速上限来说，较短时间需要产生较高的力表明力-速度关系是肌肉收缩的一个重要的性能，较快的步态周期需要肌肉更快地收缩，因此，骨骼肌力-速度关系是最大跑速限制因素[16]。腓肠肌和比目鱼肌，很大程度上负责垂直方面GRFs，从力-速度关系上看，较短的接触时间意味着这些肌群必需增加收缩速度，导致峰值力下降[17]。但是，摆动阶段机械力学也是非常重要的，可迅速重置腿部的位置[18]。人体测量显示短跑运动员通常腿长，小腿围相对较小，据认为可能腿部摆动惯量降低有关。

1.1.2 生理方面

短距离跑速取决于机械性能，较短收缩时间，产生高负荷。在跑动中，一些生理因素影响力的生成。短跑运动主要依赖于无氧代谢系统来支持高输出功率。持续时间小于<15s，主要依赖于ATP-PCr系统提供肌肉收缩所需的ATP，距离增加无氧糖酵解的供能比例增加[19]。因此，个体具有高水平的无氧功能，其短跑能力相应较高。

跑动中，力的生成能力很可能取决于腿部的力量、爆发力和僵硬度，这些因素和运动成绩有关[20]。年龄相关肌肉萎缩、力量的丢失和长收缩时间，低GRFs有关，相应地跑速下降，可见腿部力量的重要性[21]。决定短跑运动能力，高负荷力需求，骨骼肌的特征涉及到肌肉质量、肌纤维的组成，以及肌纤维长度[22]。高机械输出功率和腿部伸肌II型肌纤维有关，而II型肌纤维通常和ACTN3 R577R、ACE I/D基因多态性有关[23]。另外，弹性势能也是决定短跑运动能力的一个重要因素[24]。

1.1.3 训练方法

负重量增加人体姿势力学发生调整，动用的肌群不同于平跑。基于训练学方面的考虑和特定的军事行动，负重量维持在较高的水平（见图1）[2]。研究表明在“伊拉克自由”和“持久自由”行动中，需要全副武装进行300m单兵运动战术（占参战人员经历的身体活动61%）[2]。负重条件下，定期进行多种快速移动能力训练是必须的，以激活和锻炼相应的肌群。另外，负重量增加，速度相应下降，但其能量供能上的特点应类似于平跑（1min内），因此，选择练习的强度应充分激活ATP-PCr系统和无氧代谢系统。此外，鉴于负重快速移动，机体高输出功率的特点，应对重要的肌群和关节进行基本能力训练，包括最大力量和爆发力等。

1.2 中距离负重行军

1.2.1 中距离跑

从奥运会项目看，中跑项目，由800m、1500m和3000m组成。对于3000m是否属于中跑，还是长跑存在争议。中跑项目持续时间<2～8min。在这一距离范围内，影响运动成绩的因素较多。中跑运动能力非常独特，是生物力学和生理方面的中介因素，其挑战是在维持高速的同时需要维持经济性的运动[3]。

中距离跑很可能会成为一个研究重点问题，不同生物力学和生理方面中介因素可能和高水平运动能力有关。在中距离跑项目中，不同距离其机械输出功率、能量的可利用方面存在不同。例如，与3000m相比，输出功率在800m项目很可能起到关键的作用。此外，研究认为800m赛事前部分平均输出功率起着主要的作用，后部分能量的利用起着主要的作用[25]。

1.2.2 生物力学

尽管中距离跑GRFs低于短距离，但速度相对较快，仍需要较高的机械输出功率。从机械方面看，中跑项目的跑动类似于短跑，但在最大跑速或次最大跑速时，不同于长跑。中距离和长距离跑的差异包括：步幅增加、接触时间降低、摆动时膝关节弯曲程度增加、人体重心震动幅度增加[26]。中跑距离增加，机械负荷发生改变，例如3000m跑，步幅减小，躯干前倾[27]。

1.2.3 生理方面

优秀运动员表现出局部骨骼肌的适应能力（毛细血管网略发达、肌细胞的代谢潜能增加），以及具有较高的无氧能力，从而产生项目所需的高机械输出功率[3]。机械输出功率对于中距离运动来说，较为关键。无氧阈值速度、通气阈和最大摄氧量（maximal oxygen uptake，VO2max）可预测运动能力[28]。中距离相对较高能力上的需求，已超出单纯依靠有氧供能，800m、1500m有着较高无氧供能需求[29]，而短距离主要依赖无氧供能。中距离跑有氧代谢的能力增加。有氧条件下最大速度和优秀运动员的运动能力有关[29]，并表现出较高的VO2max。与长距离跑相比，VO2max和中距离跑的运动能力更相关[30]。此外，乳酸变动，特别是乳酸阈以及乳酸堆积的起始和中距离跑的运动能力有关[31]。

1.2.4 训练方法

鉴于中距离机械负荷和能量供能的特点，在训练中，需要不断调和高速度、高经济性之间的矛盾。此外，需要有效地发展无氧和有氧代谢系统。选择训练方法常用于提高VO2max。

1.3 長距离负重行军

1.3.1 长距离跑

与短跑相似，长距离跑同样受到关注。长距离项目包括5000m、10000m和马拉松。持续时间从超过12min到超过2h。

1.3.2 生物力学

对长距离运动能力来说，有氧能力、跑步经济性是最基本的因素。跑步生物力学和经济性之间存在显而易见的联系。证据显示运动经济性来自于执行最佳机械方式，适宜幅度、方向、节奏使用力，没有多余的运动。运动学和动力学上的变量影响跑步的经济性[32]。

就运动学而言，研究认为步长可显著影响跑步的经济性，个体选择一定的步长、偏离，运动经济性会变差[33]。初始地面接触的峰值速度、垂直冲量下降和运动经济性有关[34]。相反，高的总垂直冲量、净垂直冲量、前后制动力增加和差的运动经济性有关[35]。

1.3.3 生理方面

通常，决定长跑运动成绩主要因素是有氧能力。优秀耐力运动员具有较高VO2max。影响VO2max因素有血容量、毛细血管密度、线粒体的密度增加，主要增加每搏输出量[36]。但是，VO2max与长跑运动成绩相关性仅为中等程度[3]。无氧阈时VO2和速度可较好地预测运动能力[37]。跑步的经济性（其定义为次最大跑速摄氧量）是决定长距离运动成绩的重要因素之一[38]。其与运动能力高度相关，并能够预测耐力成绩[39]。

在相同的稳态的速度下，运动经济性较好的运动员比运动经济性差的运动员可较少利用氧[40]。在具有相似VO2max运动员中，经济性变化范围可达30%[34]，可用来解释能力上的差异。经济性上的差异很可能和肌腱弹性能量储存和回归有关，一个预定的运动，肌腱弹性能量储存和回归主要取决于肌腱力矩臂，力矩臂减小，能量储存增加[41]。肌腱力矩臂和跑步经济性相关[42]。

1.3.4 训练方法

同样的，研究结果显示在“伊拉克自由”和“持久自由”行动中，需要在在极端的条件下携带全部作战装备行军10km，表明在特定的环境下，有氧能力仍旧非常重要[2]。鉴于此，负重条件下，人体姿势力学上的调整（与负重量有关），进行定期负重训练是最基本的，有助于提高参与肌群的适应能力。就影响因素看，有氧能力和跑步经济性可能对运动能力产生较大的影响，因此，选择训练方式，应能够发展这些能力指标，从而获得阳性上的适应能力[43]。

1.4 超长距离负重行军

1.4.1 超级马拉松

超级马拉松赛事距离从50～100km到多天的越野赛跑。超级马拉松最短距离为50km，优秀运动员的成绩大约3h，一些赛事可持续48h或更长。超级马拉松的赛事相对较新，对超级马拉松生物力学以及生理方面的研究相对较少。但是，可以推测这些项目主要依赖于有氧功能、底物的利用，以及抗疲劳能力。

1.4.2 生物力学

有限研究资料显示，优秀超级马拉松的步态发生改变，出于避免损伤或抵抗疲劳而发生改变[44]。这些步态的变化包括高步频和着地指数，以及腾空时间降低，而接触时间没有变化。另外，超级马拉松选手表现出较低最大垂直方向上的GRFs和负荷率[44]。此外，超级马拉松选手表现出较大的步态上的可变能力，可能和地形有关[45]。

1.4.3 生理方面

与长距离相似，跑步的经济性也是决定超级马拉松的一个决定的因素，一些可以预测超级马拉松成绩的变量包括VO2max、氧气的利用率、跑步的平均能耗[46]，最大运动测试时峰值跑台速度、乳酸阈拐点速度[47]。考虑到超长的距离，抗疲劳能力是决定运动能力的一个重要的因素[48]。

1.4.4 训练方法

同样的，研究结果显示在“伊拉克自由”和“持久自由”行动中，需要维持身体活动72h（占参战人员经历的身体活动61.2%）[2]。对于超长距离的负重行军，抗疲劳能力训练是其关键的因素。人体姿势力学和能量代谢上的适应是基本的训练形式。

2 非对称负重行军人体生物力学和生理上的变化特点、训练方法

此外，除了大量动力性活动外，无负重或负重站立（相当于静力性的力量练习，通常需要持续一定时间，例如在日常训练中或执勤需要静止站立，并时常在负重情况下进行。静力性活动可增加肌内压力，压力增加可传递至脉管系统，导致骨骼肌血流降低，从而引发一系生理反应[49-51]。除了上述的对称负重外，在实际行动和日常生活中，常常需要在负重条件下进行非对称的活动[52-54]，例如提弹药箱、抬担架等，非对称负重条件，人体姿势力学发生调整，进行相应的训练也是有必要的。

3 结语

不同距离上的负重行军，就运动效率而言，人体姿势力学和能量代谢方式不同。基于任务的不同和多样，选择特定距离范围进行训练是一般采用的训练策略。此外，负重训练，人体产生额外的应激，可导致神经肌肉损伤，日常训练进行监控是有必要的[55]。此外，影响负重能力是多因素的，精准医学发展，开始推动训练朝向精准能力发展[56]，尽管存在巨大的困难和挑战，但其带来的理论和实践应用也是巨大的。

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