男子短跑运动员髋、膝关节等速肌力的特征及其与竞技表现的相关性

王新娜，王泽峰，杨贤罡，何文捷，李建新

(1.河北体育学院，石家庄 050041； 2.国家体育总局体育科学研究所，北京 100061；3.河北省体育科学研究所，石家庄 050031； 4.国家体育总局体育信息中心，北京 100061)

短跑是典型的速度型项目，其运动成绩主要受腾空期下肢快速摆动的能力、支撑期承受地面反作用力冲击的能力以及股后肌群力量的影响[1-2]。近些年我国短跑项目飞速发展，最主要的原因来自于对短跑技术认识的转变。早期认为下肢后蹬所产生的支撑反作用力是短跑的动力来源，强调将下肢尤其是膝关节的充分蹬伸和蹬直作为要点[3]。20世纪80年代后以Carl Lewis、Maurice Greene为代表的美国短跑运动员，以髋为轴进行下肢的快速摆动，后蹬只作为摆动运动的继续[3-4]。不同技术强调的要点不同导致力量训练的侧重点也存在差异。早期技术将伸膝肌群的力量训练作为重点[3，5]，现代技术则注重髋关节屈、伸肌群的力量训练和协调发展，以及屈膝肌群在完成快速屈膝的同时还要积极参与伸髋过程[3，5]。

髋、膝关节是起跑阶段下肢蹬伸过程产生能量的主要关节[6-8]。膝关节屈、伸肌群的力量对短跑运动员成绩的提高具有重要影响[9]。同时屈髋肌群的力量与百米成绩存在较高相关性，屈髋肌力的显著下降可能是途中跑技术稳定的限制因素[10-11]。以往有研究采用等速肌力测试对各种水平的短跑运动员髋、膝关节的力量特征进行研究[12-16]，但缺乏不同水平短跑运动员间的比较研究，且以不同项目运动员之间的比较为主。本研究旨在通过比较不同水平短跑运动员之间髋、膝关节的等速肌力测试指标，揭示不同水平短跑运动员髋、膝关节力矩的特点及其与短跑成绩的关系，为短跑运动员的科学化训练提供理论依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

选取13名男子短跑运动员为研究对象，其中一级运动员6名，二级运动员7名。收集其100米项目个人最好成绩(personal best，PB)。

表1 研究对象基本情况

1.2 研究方法

采用德国D&R公司的ISOMED2000等速肌力系统测试短跑运动员髋、膝关节的肌力。测试流程严格按照ISOMED2000等速肌力系统的要求进行。测试时间为赛前专项训练阶段，运动员无明显疲劳和伤病情况。

运动员在测试前进行充分热身，正式测试时先进行2次练习来熟悉测试过程，随后分别以60°/s和180°/s两种速度，两侧髋、膝关节各进行全力屈伸5次，组间间隔为60 s。测试指标包括相对峰力矩(relative peak torque，PT/BM)、峰力矩对应角度(angle of peak torque，APT)和屈伸肌峰力矩的比值(flexors to extensors ratio，F/E)。

统计结果均采用平均数±标准差的形式表示。相同速度下左右侧之间和同侧不同速度之间的比较采用配对样本T检验，不同等级运动员之间采用Mann-Whitney U检验进行比较。相对峰力矩与PB之间的相关分析采用Person系数进行描述。显著性水平定为P<0.05。

2 研究结果

2.1 不同速度和不同水平下膝、髋关节屈伸肌的PT/BM

表2和表3显示，全体运动员左、右侧膝关节屈、伸肌的PT/BM在180°/s时均显著低于60°/s时(P<0.05)。髋关节屈、伸肌的PT/BM在两种收缩速度时的差异同膝关节。速度为60°/s时，仅髋关节屈肌的PT/BM右侧显著高于左侧(P<0.05)。一级运动员在60°/s和180°/s时双侧髋关节屈肌PT/BM均显著高于二级运动员(P<0.05)。

表2 运动员膝关节屈、伸肌的PT/BM Nm/kg

表3 运动员髋关节屈、伸肌的PT/BM Nm/kg

2.2 不同速度和不同水平下膝、髋关节屈、伸肌的APT

表4和表5显示，全体运动员左侧膝关节伸肌的APT在180°/s时显著小于60°/s时(P<0.05)，而右侧膝关节屈、伸肌的APT在180°/s时均显著小于60°/s时(P<0.05)。一级运动员左侧髋关节屈肌的APT在60°/s和180°/s时均显著小于二级运动员(P<0.05)。

表4 运动员膝关节屈、伸肌的APT (°)

表5 运动员髋关节屈、伸肌的APT (°)

2.3 不同速度和不同水平下膝、髋关节F/E值

表6和表7显示，全体运动员左、右侧膝关节的F/E值在180°/s时均显著高于60°/s时(P<0.05)。

表6 运动员膝关节的F/E值

表7 运动员髋关节的F/E值

2.4 膝、髋关节屈伸肌的PT/BM与PB的相关性

表8显示，所有运动员右侧髋关节屈肌在60°/s时的PT/BM与PB之间呈中等程度负相关(r=-0.615，P<0.05)，其余条件下的髋关节屈肌PT/BM与PB间均表现出显著相关趋势(P<0.1)。

表8 膝、髋关节屈伸肌PT/BM与PB间的相关系数

3 分析与讨论

3.1 短跑运动员膝、髋关节屈伸肌相对峰力矩的特征及其与运动成绩的相关性

峰力矩(peak torque，PT)是指关节运动过程中相应肌群收缩产生的最大力矩，代表肌群的最大肌力，是等速测试中的黄金指标之一。由于体重对肌肉力矩存在影响[17]，本研究选取相对峰力矩(PT/BM)进行分析。本研究中随着角速度的增加，双侧髋、膝关节的屈、伸肌PT/BM相应减少，反映出肌肉张力与肌肉收缩速度成反比[18-19]。

相同速度下膝关节屈、伸肌的PT/BM在左、右侧之间和不同等级运动员之间均不存在差异。选取既往研究中男子短跑运动员相同速度下的PT/BM进行对比，男子短跑运动员在60°/s时膝关节屈、伸肌的PT/BM分别为1.93 Nm/kg和3.19 Nm/kg，在180°/s时分别为1.58 Nm/kg和2.30 Nm/kg[20]。男子短跑运动员(包括1名国际健将和6名一级运动员)在60°/s时左侧膝关节屈、伸肌的PT/BM分别为2.43 Nm/kg和3.43 Nm/kg，右侧分别为2.74 Nm/kg和2.94 Nm/kg[16]。二级以上水平青少年男子短跑运动员在60°/s时左侧膝关节屈、伸肌的PT/BM分别为2.30 Nm/kg和3.31 Nm/kg，右侧分别为2.59 Nm/kg和2.93 Nm/kg[15]。本研究中膝关节的PT/BM低于既往研究数据，突出表现在屈肌，可能主要与成绩水平的差异有关，提示提高膝关节的力量水平可能有利于短跑运动成绩的提高，应着重加强腘绳肌的力量训练。

髋关节方面，男子短跑运动员(包括1名国际健将和6名一级运动员)在60°/s时左侧髋关节屈、伸肌的PT/BM分别为2.14 Nm/kg和2.16 Nm/kg，右侧分别为2.21 Nm/kg和2.79 Nm/kg[16]，优秀短跑、跨栏、三级跳运动员(包括男16人、女14人)在60°/s时髋关节屈、伸肌的PT/BM分别为2.94 Nm/kg和3.90 Nm/kg，在180°/s时分别为2.75 Nm/kg和3.71 Nm/kg[14]。本研究中的运动员主要表现为屈髋肌的快速力量较弱，同时一级运动员髋关节屈肌的PT/BM显著高于二级运动员。所有运动员，右髋屈肌慢速收缩时的PT/BM与PB之间呈中等程度负相关，表明右髋慢速收缩的肌力越大，成绩越差，与不同水平运动员之间髋关节屈肌峰力矩的差异现象相一致。双侧髋关节屈肌在快、慢速收缩时的力矩与运动成绩之间的相关性均具有显著趋势，这与和运动员成绩水平相对应的技术特点和用力方式有关。此外短跑成绩涉及诸多身体部位进行的多维运动[21]，单纯的快速屈髋力量可能对短跑成绩的贡献率较小。现代短跑技术突出髋关节屈肌群的力量，即屈髋摆腿的重要性。采用核磁共振技术对比牙买加短跑运动员Asafa Powell(前世界纪录保持者，PB为9.77 s)和日本短跑运动员Nobuharu Asahara(前日本纪录保持者，PB为10.02 s)，发现前者髂腰肌的横截面积近乎后者的2倍。髂腰肌是重要的屈髋肌群，发达的髂腰肌能够在起跑时快速有力地提拉大腿，形成爆发式的起跑技术。这种起跑技术既确保了落地时长，又能从地面获得较强的反作用力。本研究中的运动员同时存在屈髋肌群力量较差和两侧不平衡的问题，需要在训练实践中有意识地侧重发展，尤其是左侧的屈髋肌群。

3.2 短跑运动员膝、髋关节屈伸肌峰力矩对应角度的特征

APT对于日后训练中动作的纠正具有指导意义。本研究中运动员的起跑预备姿势均为左脚在前、右脚在后。短跑运动员在起跑时，前(左)腿膝关节的主要任务是伸膝进行后蹬，后(右)腿需要在起跑一刹那伸膝然后迅速转为屈膝进行前摆。因此起跑预备姿势时膝关节的角度应当包括膝关节屈、伸肌的APT，以便快速高效地发挥前腿伸膝和后腿由伸膝迅速转为屈膝的作用。Harland等研究认为在100米起跑预备姿势时，运动员前腿膝关节角度的合理范围为90—110°，后腿膝关节角度为115—135°[22]。我国优秀100米短跑运动员苏炳添在预备姿势时，前、后腿的膝关节角度分别为97.55±2.87°和119.60±5.39°[23]。由于膝关节的APT定义为小腿与大腿沿线之间的夹角，因此在60°/s时，屈、伸肌峰力矩对应的膝关节夹角(即大腿与小腿之间的夹角)分别为132—144°和108—121°，高于既往研究的水平。过大的膝关节角度会限制后蹬起跑器过程中膝关节的伸展幅度，缩短作用时间，减少运动冲量的产生。

在起跑中，前腿髋关节主要完成伸髋，后腿髋关节主要在起跑一刹那完成伸髋，然后迅速转变为屈髋进行前摆。为了快速高效地发挥前(左)腿伸髋和后(右)腿由伸髋迅速转为屈髋，起跑预备姿势时髋关节的角度应当包括屈、伸肌的APT，过大的髋关节角度会限制起跑瞬间髋关节的伸展幅度，缩短作用时间，减少冲量的产生[24]。PB分别为10.74±0.21 s和10.03±0.14 s的男子短跑运动员在预备姿势中，前腿的髋关节角度分别为44.9±3.3°和37.6±0.6°，后腿的髋关节角度分别为62.6±3.7°和71.2±5.6°[25]。苏炳添在预备姿势时，前、后腿的髋关节角度分别为46.1±2.1°和74.2±1.8°[23]。本研究中，一级运动员左侧屈髋肌群的APT均小于二级运动员，提示一级运动员在屈髋过程中左侧更快达到峰力矩，右侧也表现出相同趋势。结合相同收缩速度时不同水平运动员间相对峰力矩的显著差异，提示在伸髋后转变为屈髋前摆的过程中，高水平运动员能够以更大的力矩和更早的时间达到峰值，这一特点符合现代短跑以髋为轴进行快速摆动的技术要求。

3.3 不同速度和不同水平下膝、髋关节屈伸肌峰力矩的比值

F/E值是指等速运动测试中，屈、伸两组肌群峰力矩的比值。不同速度下的F/E值可以反映出肌肉力量分配的协调程度，以及运用专项技术动作过程中肌力分配的合理性[26]。合理的F/E值对于保持关节稳定性和预防损伤具有重要意义[27]。

由于膝关节的F/E值代表腘绳肌(hamstring)与股四头肌(quadriceps)峰力矩的比值，故常采用H/Q值进行表示。本研究中双侧膝关节的F/E(H/Q)值随收缩速度加快而增大。由于收缩速度与屈、伸肌的峰力矩同样均呈反比，反映出屈肌快速力量的下降幅度小于伸肌，提示了腘绳肌较股四头肌更适应快速向心收缩方式。国家和北京短跑运动员强、弱侧膝关节的H/Q值在60°/s时分别为0.59和0.61，在180°/s时分别为0.69和0.69[20]。男子短跨运动员的H/Q值在60°/s时为0.60[12]。二级以上水平青少年男子短跑运动员左、右侧膝关节的H/Q值在60°/s时分别为0.71和0.86[15]。世界优秀短跑运动员的H/Q值可以达到0.8—1.0[28]。本研究中短跑运动员膝关节的F/E(H/Q)值在60°/s时为0.60—0.61，在180°/s时为0.67—0.70，低速收缩时处于参考范围内而高速收缩时低于范围最低值，更远低于世界优秀水平[26]，该现象可能是制约短跑成绩提高的重要因素之一，同时易造成腘绳肌拉伤和膝关节损伤，原因可能与训练水平、训练方式与技术认知的差异有关。通过侧重发展腘绳肌的快速收缩力量，以提高快速收缩时的F/E(H/Q)值，可能是本研究中运动员提高成绩和预防伤病的关键点之一。

本研究中运动员髋关节的F/E值在60°/s时为0.50—0.52，在180°/s时为0.48—0.51，远低于膝关节的F/E值。优秀短跑、跨栏、三级跳远运动员髋关节的F/E值在60°/s和180°/s时分别为0.76和0.67[14]，高于本研究水平。虽然髋关节的F/E值在左、右侧之间无差异，但与膝关节的F/E值随速度加快而增大有所不同，不同速度之间没有显著性差异。由于髋关节屈、伸肌的PT同样随速度加快而减少，相比较膝关节，在进行快速收缩时屈髋肌群力量的下降幅度大于伸肌，提示本研究中的运动员屈髋肌群的快速力量尤其偏弱。在训练实践中，重点发展髋关节的意义可能要大于膝关节。

4 结论与建议

(1)本研究中的一级和二级短跑运动员，膝关节的力量左、右侧相对平衡，其中屈肌的力量水平一般。屈、伸肌的力量分配正常，在快速收缩时与更优秀的运动员存在较大差距。建议加强屈膝肌群，尤其是快速力量的训练，也有助于减少膝关节损伤的风险。

(2)本研究中的一级和二级短跑运动员，髋关节的力量左、右侧相对不平衡，整体水平较差，其中以屈肌的快速力量最为突出。屈、伸肌的力量分配处于低水平，快速收缩时最为明显。建议重点加强屈髋肌群快速力量的训练，侧重加强弱(左)侧髋关节。

(3)高水平运动员主要体现出髋关节更高水平的屈肌相对峰力矩和更小的屈肌峰力矩对应角度，这一特征有利于髋关节屈肌进行更加快速高效的屈髋前摆动作，有利于起跑过程中的充分加速。着重加强屈髋肌群的力量训练，可能是提高短跑运动成绩的有效途径。