影响跑步经济性的人体下肢肌肉做功研究

任占兵

影响跑步经济性的人体下肢肌肉做功研究

任占兵

探索人体下肢肌肉做功对跑步经济性的影响,选择受过良好训练且水平在一级左右的男子中长跑运动员15人。根据?VO2max相对值及800 m运动成绩,最终确定7人为研究对象。研究发现,在摆动和支撑阶段,臀大肌的做功排名与 RE呈负相关(r=-0.89,P< 0.01);表征摆动阶段的腓肠肌外侧和腓肠肌内侧以及支撑阶段的股直肌、股外侧肌、胫骨前肌和腓肠肌外侧等肌肉做功的主成分与RE呈负相关性(r=-0.80,P<0.05)。研究表明,提高运动员在拉长-缩短周期(SSC)的做功能力可以有效地改善运动员的跑步经济性。建议对中长跑运动员在训练过程中尝试穿插爆发性力量训练,从而通过改善SSC的做功效率来提高运动员的跑步经济性。

耗氧量;跑步经济性;肌电图;做功

在国际上,围绕动作与能量代谢之间关系的研究由来已久,其中,跑步经济性(Running Economy,用 RE表示)的动作表现研究就是其中之一。RE是决定耐力跑步运动成绩的关键生理学指标之一[25],对于体能水平相当的耐力跑步运动员来说,用RE指标来评价运动员的耐力水平要比?VO2max好[24,26,60]。影响 RE的因素是一个复杂的系统,而运动生物力学因素只是其中的一个子系统。跑步是全身大部分肌肉、骨骼和关节参与的位移动作模式,主要包括手臂的摆动和下肢交替迈步等多个局部动作。从运动生物力学角度探索跑步经济性与跑步动作之间的关系,对于构建最优化的跑步动作技术,深入了解跑步动作与能量代谢之间的关系,进一步提高耐力运动员体能的节省化程度,对耐力运动员更经济合理地动用自己有限的能量,具有现实意义。本研究主要探索人体下肢肌肉做功与RE之间的关系,先测量运动员的跑步经济性,同时测量运动员下肢肌肉的表面肌电,基于因变量RE,通过统计分析,寻找影响RE的人体下肢肌肉做功表现。

1 研究综述

1.1 跑步经济性的概念阐释

跑步经济性(RE)在国内被翻译成“跑的经济性”、“跑步效率”或者“跑节省化”等。RE通过跑步速度与能量消耗之间的关系来表征运动员的有氧代谢能力。在RE被正式提出之前,人们围绕跑速与耗氧量之间的关系进行了大量的研究。Hill和Luption(1922)[45]对稳定状态和非稳定状态的耗氧量变化进行了研究,他们认为,运动结束后所摄取的氧气(特别是指高出安静时水平的部分)主要是用作重新储备运动时消耗掉的能量物质及清除肌肉和血液内积累的乳酸,因此,跑步速度与需氧量之间的关系曲线表现出指数关系。Sargent(1926)[69]通过测试运动员在不同速度下的耗氧量,计算了每分钟耗氧量随速度的变化情况,研究结果支持跑步速度与耗氧量之间的非线性关系的假设。Furusawa等 (1924)[37]认为,当速度高于2 m/s时,走路比跑步消耗更多的能量。Dill等(1930)[31]报道了在标准跑步速度下运动员绝对耗氧量的差异在50%。他们的数据揭示,假如耗氧量用 ml/min/kg来表示,那么,在标准跑步速度下运动员绝对耗氧量仍然有超过30%的差异。Fenn(1930)[34]表述了他的观点,肢体跑步的动能构成了总能量需求的一部分,这表明,跑步者自身的变化或者不同跑步者之间在跑步技术和风格上的变化都可以影响能量消耗。Daniels(1985)[27]认为,早期关于耗氧量和跑步速度之间的关系的研究主要呈现出以下特点:1)关于次最大强度跑的耗氧量研究具有意义;2)个体间在一定速度下的耗氧量有本质区别;3)生物力学因素影响耗氧量与跑步速度之间的关系;4)疲劳影响跑步的需氧量;5)耗氧量与跑速之间呈现出非线性关系。根据Daniels等(1985)[27]的研究,自从1950年起,人们普遍支持跑速与耗氧量(ml/ min/kg)之间呈现出线性或者非常接近线性的关系。Henry(1951)[44]是支持线性关系的先驱,而且他相信不存在个体间差异。这种观念后来得到Balke(1963)[9]的证实。

在 20世纪 60年代,Margaria等[18,57,58]计算出每米或者每千米跑的能量消耗是固定的,而且不依赖于速度;跑步的净消耗是1 kcal/kg/km,他们进一步指出受过训练和未受过训练跑步者之间的效率差异非常小(5%～7%)。跑速与耗氧量之间的线性关系在次最大强度下似乎成立,因为这种情况下能量供应以有氧为主,跑速范围也受到限制。

Daniels等(1977)[28]指出,跑速与耗氧量之间的回归线在一组受试者间变化很大,取决于比较的速度(低速时曲线坡度较小,高速时曲线坡度较大),当跑步强度非常大时,相当大比例的能量通过无氧代谢提供,这并不能像稳定状态下有氧运动那样去定量计算,因此,上述关系在这种情况下变得不明朗了[27]。在不同的跑步强度下,血乳酸聚集变化[64]说明,即使耗氧量与跑速之间的关系呈现出线性,但是总的能量消耗 (强度至少要大于80%?VO2max)表现呈指数的增加。

在20世纪70年代末期,人们逐渐统一了认识,提出了跑步经济性(Running Economy)这个概念,并进一步定义为在次极限负荷的特定速度下跑步,耗氧量达到稳定状态时每单位体重的耗氧量[5,23,24,61]。如果考虑到体重的因素,那么,在规定的跑步速度下,耗氧量较少则说明RE较好,反之,耗氧量较多则RE较差,即RE好的运动员比RE差的运动员在稳定的速度下耗氧量少[76]。如图1所示,当跑步速度为3∶30 min/km时,受试者A的?VO2为50 ml/ kg/min,受试者B的?VO2为60 ml/kg/min,在相同的跑步速度下,受试者A的?VO2要小于B的?VO2。因此,受试者A的RE表现较好,B的RE表现较差。RE之间的差别也意味着当二者在相同的 ?VO2水平上,受试者A要比受试者B每千米快大约15 s。

图1 不同速度下的耗氧量示意图

1.2 跑步经济性的实验测量

在实验室,RE的测量主要通过控制跑台的速度,当运动员的耗氧量达到“稳定状态”时,利用气体分析仪来进行测量。关于已有研究对于RE的测量方法详见表1。Morgan等(1989)[62]指出,用间接的测量热量的方法精确计算运动过程中的代谢率,需要基于两种假设。第一条假设是ATP的供能全部来源于细胞的呼吸作用,而不是来源于磷酸原的分解作用或者无氧糖酵解。在非稳定状态下运动,无氧代谢功能占相当大一部分,尤其是在接近最大速度跑的强度下运动时,有氧代谢功能会被低估。采用间接的热量测量方法去评价跑步的能量需求时,也应该假设蛋白质和氨基酸的降解对能量的需要并不重要。关于这一点,研究证实[2,33,54,79],在以下3种情况下蛋白质代谢会增加:1)剧烈的运动;2)长时间疲劳的运动;3)肝糖元排空运动下。在持续时间较短的运动(6～10 min)和次最大强度跑的RE测试中,上述假设也许不会影响RE测试。达到“稳定状态”主要根据耗氧量动力。大量的研究表明[21,30,44],耗氧量反应的半衰期是30 s,更多的研究[39,78]表明,耗氧量动力随工作强度和身体水平而变化。在较低和中等的工作强度,Whipp等(1972)[78]发现,在3 min之内即可达到“稳定状态”。这些作者也指出,在高强度下,达到“稳定状态”的时间可能会持续,而且对于受过良好训练的受试者来说,在达到“稳定状态”之前的任何一点的 ?VO2都要比一般人高,这表明在次最大强度下跑步的有氧消耗来源取决于身体的功能。

室内测试有效排除了空气和风的阻力影响,在一定程度上克服了在室外场地获得代谢数据的困难(如在训练和比赛中)[60]。然而,将跑台测试数据如何转化为地上跑应该引起注意[27]。另外,在测试前,运动员尽量处于非疲劳状态,进行测试前6 h禁食;室温控制在22℃～25℃,相对湿度为40%～55%;对于不熟悉跑台的运动员在测试前要进行30～60 min的跑台适应练习。试验时,要求受试者在不同时间的测试时穿同一双鞋[61]。RE的测试强度应该控制在85%最大耗氧量以下等[70]。

另外,随着科学技术的发展,人们发明了更便携式的肺功能测试仪器,于是,RE的测量逐渐地开始摆脱实验室的局限。Hausswirth等(1997)[40]描述的 K4 Cosmed就是一个质量很轻,且可以精确遥感勘测的系统,它可以同时测量实验室和场地的最大或者次最大耗氧量。K4 Cosmed系统可以连续记录场地递增负荷中运动员的通气特征。最近许多研究采用 K4便携式氧气分析仪测量中等和高水平长跑运动员的耗氧量[10-12,68,72]。运动员在自然场地上的RE可以用 K4 Cosmed遥测系统测量。目前,类似的装置已经在国内某些体育科研所出现并应用。

表1 RE的跑台测量方法一览表

1.3 影响跑步经济性的肌肉力学表现

跑步阶段,下肢肌肉被预先激活后,迅速进行离心收缩,紧接着迅速转为向心收缩的工作方式被称为“拉长—缩短周期”收缩(Stretch-shortening cycle,简称 SSC)[47]。Cavangna等(1964)[18]估计,在跑步的过程中,如果没有弹性能量的储存和释放,大概要多消耗30%～40%的 ?VO2。跑步离心收缩阶段储存的弹性能对人体推进具有实际意义,弹性能力受到收缩幅度和频率、激活水平、肌腱单元的硬度、肌肉完全拉长的长度、完全拉长与开始收缩之间的时间延迟等的影响[6,7,17]。肌腱单元的硬度随跑速的增加而增加[17,63]。因此,在跑步过程中肌肉的重要作用是调节肌肉弹性的硬度,从而最大限度地发掘弹性能量[4,16,75]。

另外,收缩速度与向心和离心收缩之间的平衡对能量消耗和RE具有潜在的影响,因为在弹性能储存的离心收缩阶段要比弹性能释放的向心收缩阶段消耗的能量少[80]。关于向心和离心收缩阶段的平衡问题目前还没有明确的数据,也没有可以获得的数据反映这两种收缩的相对能量消耗,真正的离心收缩不能通过现代技术从肌腱的拉长中区别出来[8,19,53,55,80,82]。在高速跑的过程中 ,弹性能的恢复超过 了收 缩 结 构,占 做 功 的 大 部分[17,75]。KerRF (1987)[46]研究指出,中等跑速下,在人体动能、潜在的能量获得和释放中,跟腱和足弓肌腱可以分别存储35%和17%的能量。

Taylor(1994)[75]认为,肌肉在低速下产生力的能量消耗少,在肌肉等长收缩时,力达到最大,代谢率最小。但是,随着收缩速度的增加,产生力的能量消耗也显著增加。基于这种现象,他提出这样的假设——在跑步阶段,肌肉会产生经济性的力。该机制认为,肌肉收缩首先是等长收缩,通过在离心阶段调节肌腱单元的硬度产生同步的减速和弹性拉长,然后,产生等长冲量从而造成冲击式的收缩加速。这种机制提出通过发掘自由弹性能实现能量代谢最小化。这种优化模式很明显需要精确的控制时机,时间、运动学和动力学因素的整合与精炼,需要大量的实践和训练。Kyr¨ol¨ainen H等 (2001)[51]发现,预激活通过增加alpha-gamma的共同激活,增加牵张反射,进而增加肌肉纤维的灵敏性,同时也增加了肌纤维的硬度,因此RE提高。

在前期的研究中发现,RE好的运动员股四头肌肌腱力在较低的水平,小腿三头肌具有较高的硬度且产生很大的收缩力。为了探索这些特征对力产生的效率和能量恢复的影响,Albracht K等 (2006)[3]运用希尔肌肉模型模拟肌肉收缩,确定的肌肉参数作为输入变量。在8个不同的激活水平,在等速伸展前模拟等速向心收缩。对肌腱联合体施加的变化长度和收缩速度与跑步状态一致。仿真研究的结果表明:1)股四头肌肌腱在较低的力量水平上具有产生力的优势,主要因为CE的收缩速度减少;2)小腿三头肌较高的收缩长度和硬度导致在高激活状态下产生力比较困难,而造成在较低的的激活水平产生力比较容易。除此之外,RE较好的运动员,两个肌腱联合体在收缩阶段表现出较好的能量释放能力,股四头肌肌腱联合体产生较好能量释放能力主要是因为SEE的延长,小腿三头肌肌腱联合体产生较好能量释放能力主要是因为较高的收缩力量。尤其是在较低的激活水平,股四头肌和小腿三头肌肌腱联合体表现出在每次激活时产生力的优势,并且比那些RE差的运动员产生更好的能量释放能力。

Heise GD等 (1996)[42]研究了 RE与下肢肌肉活动肌电信号之间的关系,非参数检验获得的RE与 EMG之间的特征呈现出正相关和负相关。Heise GD等(2008)[43]研究了16名女性运动员的RE与IEMG之间的关系,该研究结果支持 Kram和 Taylor(1990)[49]提出的理论,即跑步能量主要取决于支撑体重的能量消耗和产生力的时间过程。

综上所述,关于跑步经济性的研究经历了相当长的一段历史,前人对 RE的初步研究取得了许多重要的突破。不但为我们开展后续研究提供了相对成熟的实验基础,也为我们开展后续研究提供了相当丰富的理论基础,同时,研究成果对教练员科学选材以及训练都有一定的帮助。Anderson(1996)[5]认为,RE是一个复杂的、多变量的指标,个体间RE的差异对运动成绩的差异具有重要影响,在运动员的成长阶段,这些因素可以帮助教练员挑选出拥有较好RE潜能的运动员,并指导他们进行长跑训练。上述研究明显表明,肌肉活动对 RE具有重要意义,而且在很大程度上可以解释RE的个体间差异,在探讨RE的动作表现过程中,人们越来越重视肌肉活动对RE的影响。

2 研究对象与方法

2.1 研究对象

北京体育大学竞技体育学院受过良好训练且水平在一级左右的男子中长跑运动员 15人。根据这 15人的?VO2max相对值及运动成绩,最终筛选7人的RE作为因变量(表2)。

表2 本研究被试运动员基本情况一览表 (n=7)

2.2 实验测试

2.2.1 最大耗氧量(?VO2max)测试

测试仪器:MAXII-运动肺功能测试系统、polar心率遥测系统、秒表等。要求在 ?VO2max测试前24 h停止运动,处于非疲劳状态,所有受试者到达实验室后,先依次在跑台上进行3 min的试跑,以适应跑台的运动方式,避免由于生疏和紧张造成测试结果的失真和不同时间测试条件的不一致。测试系统校对后,受试者戴上气体收集面罩、polar心率带和安全装置。准备好后,受试者上跑台,启动跑台。

第1 min坡度为1%,速度逐渐增加到8.0 km/h,保持1min;之后,保持坡度1%,以1 km/min的速度递增,直到速度增加到18 km/h后,坡度每分钟增加1%,速度均保持18 km/h,视个人能力坡度逐级递增,直至力竭。出现?VO2max水平确定停机后,跑台慢慢减速到开始准备活动时的强度,受试者进行慢跑至步行整理活动5 min(同时可摘下呼吸面罩或口嘴),然后停机并摘下呼吸面罩(或口嘴)及心率遥测仪。

VO2max的判定标准,用以下4种情况任何3种同时出现时来确定:1)相连两次间吸氧量的变化在5%以下或150 ml/min或2 ml/kg/min以下;2)R(呼吸商)>1.15;3) HR(心率)>180次/min;4)?VO2不再增加而出现平台。

2.2.2 跑步经济性(RE)测试

在VO2max测试后隔日,让受试者在跑台上以一个低于正式负荷标准的跑速热身3 min;然后,由专门人员贴表面肌电电极。电极发射盒固定在腰带上;紧接着安装心率遥测仪,佩戴呼吸面罩等,测定受试者坐位安静时心率和气体代谢各指标;达安静时指标后,令受试者上跑台,开始测试RE值(图2)。测试过程中,运动员分别在65%、75%和85%?VO2max 3个强度下分别持续跑5 min[15],同时,记录最后1 min的视频与EMG数据,每个5 min之间间隔5 min休息。

图2 RE测试模拟程序示意图

2.2.3 肌电测试

芬兰制造16导Megawin肌电仪,选择人体下肢8块肌肉(图3),取最后每个5 min最后1 min内连续3个周期的下肢肌电作为分析对象,表面肌电采集频率为1 020 Hz, RMS通过以下公式计算:

其中,I=RMS数据指数;i=原始数据指数;N=RMS计算过程的数据点数目;n=[1,N+1,2N+1…]。

每一导肌电的RMS值占八导肌电RMS值的百分比用来评价肌肉做功,计算过程在 Megawin软件中自动生成。RMS值在Matlab 7.0采用巴特沃斯低通滤波处理,截取频率为15 Hz,然后对数据进行插值及归一化处理,得到肌电线形图。

图3 肌电测试的下肢8块肌肉及编号示意图

2.3 数据统计

常规统计分析及相关性分析采用 SPSS 16.0软件包进行,统计结果以平均数±标准差表示。主成分分析运用SPSS 16.0、Excel 2003以及自编程序进行计算。

3 研究结果与分析

3.1 VO2max和RE测试结果

在测试RE之前,对15名一级水平的男子中长跑运动员用MAXII-运动肺功能测试系统进行测试,初步得出了VO2max、VCO2、VE、HR等指标。根据VO2max值、运动员的身体状况等因素,选择了 VO2max值较接近的7名受试者作为研究对象。7名受试者的代谢指标如表3所示。

本研究选择12 km/h、14 km/h和16 km/h 3个速度测试RE,得出7名运动员在3个不同速度下的RE值(表4)。

表3 本研究受试者VO2max等代谢指标峰值一览表

表4 本研究不同速度下RE的测试结果一览表(ml/kg/min)

7名受试者的 ?VO2max平均值为57.49±3.07 ml/ kg/min,RE12为 35.65±2.58 ml/kg/min,?VO2max与 RE数据离散程度均较小,另一方面,7名受试者的身高172.80 ±3.79 cm,体重63.66±3.82 kg,800 m运动成绩115.43 ±2.64 s,训练年限4.57±0.98年,说明7名受试者同质性较强,本研究对象的筛选比较合适。从数据的波动范围及离散程度上讲,本研究RE12测试结果与前人的研究基本一致[24,41]。通过对 800 m运动成绩与耗氧量关系进行Pearson相关分析,得出运动成绩与RE12、RE14和RE16之间相关系数分别为0.925(P=0.003)、0.769(P=0.043)和0.65(P=0.114),因此,本研究选择与800 m运动成绩高度显著性相关的RE12作为因变量,分析其与下肢肌肉做功自变量之间的关系。

3.2 下肢肌肉肌电信号整体表现特征

3.2.1 臀大肌功能分析

Mann等(1986)[56]认为,臀大肌在摆动的后期以及支撑阶段的前1/3阶段处于激活状态。Nilsson等(1985)[66]认为,在较慢的速度下,触地以后臀大肌才被激活,然而,随着速度的增加,臀大肌的激活模式与Mann等(1986)[56]的研究趋于一致,激活状态在摆动的后期已经开始出现。在摆动的后期,臀大肌很明显处于离心收缩,从而减慢大腿的速度。在触地早期阶段,当开始动员髋关节伸展时,臀大肌也扮演着维持大腿与骨盆的稳定作用。Gazendam等(2007)[38]发现,臀肌表现出2个峰值,第 1个峰值出现在触地到支撑阶段的前半期,第2个峰值出现在摆动阶段的中期。本研究发现,运动员臀大肌的肌电图出现2个峰值,峰值出现的时间与 Gazendam等(2007)[38]的研究类似。

图4 人体下肢8块肌肉表面肌电线形图

3.2.2 股二头肌(长头)功能分析

股二头肌在跑步的过程中扮演着伸髋和屈膝的角色[20]。Mann等(1986)[56]认为,从摆动的早期到中期,由于没有腘绳肌的激活,膝关节在大腿快速向前加速的情况下被动的处于屈曲状态。在摆动的后期,腘绳肌的工作目的是为了减慢髋的屈曲,以及在大腿减速且动量矩转移到小腿后,控制膝关节的伸展。当大腿完成前摆准备着地时,腘绳肌开始向心收缩进行伸髋和屈膝。在脚触地后,腘绳肌和股四头肌共同作用保证支撑阶段的身体稳定。Mann等(1986)[56]认为,在支撑阶段,当髋和膝关节开始同时伸展的时候,腘绳肌保持着等长收缩。Elliott等 (1979)[32]指出,从触地到整个支撑阶段,腘绳肌都始终保持激活,股二头肌在脚跟离地到脚尖离地的过程表现出最大激活水平。该研究的股二头肌激活水平也与本研究的结果基本类似。Gazendam等(2007)[38]研究发现,腘绳肌表现出两个峰值,一个在摆动后期的中段,一个在支撑阶段。本研究得出的股二头肌长头肌电波形与前人研究结果基本一致,股二头肌的第1峰值出现在离地后单腿周期的15%左右,第2峰值出现在单腿周期的70%左右。

3.2.3 股直肌、股内侧肌和股外侧肌功能分析

股四头肌在摆动的后期以及支撑的前期保持激活状态。Nilsson等(1985)[66]发现,股直肌在摆动的早期有一个激活状态,这与屈髋肌群的功能有关。Macintyre等(1987)[20]也发现,股直肌、股内侧肌(VM)和股外侧肌(VL)在摆动的早期有激活现象,由于股外侧肌和股内侧肌并没有通过髋关节,因此,没有屈髋功能,但是这些肌肉对控制膝关节的弯曲具有一定作用。Brandell(1973)[14]认为,由于大腿向前速度的减慢,转移到小腿的动量矩加快了小腿的前摆并使膝关节伸展,当膝关节开始屈曲准备着地时,股四头肌的激活状态与腘绳肌几乎保持一致。Elliot等(1979)[32]发现,股内侧肌、股外侧肌和股直肌在着地到离地之间都保持着较高的激活状态。Nilsson等(1985)[66]认为,主要的激活状态发生在支撑早期膝关节发生屈曲的离心阶段。Brandell(1973)[14]发现,股四头肌的激活水平在膝关节屈曲与伸展的转换阶段达到最大。另外,Gazendam等(2007)[38]发现,股四头肌在触地前被激活,在支撑中期结束。本研究得到的股内侧肌、股外侧肌和股直肌的肌电变化过程与前人研究的一致,即在摆动的后期和触地的前期肌电峰值达到最大,激活水平最高。

3.2.4 腓肠肌内侧和外侧功能分析

Mann等(1986)[56]报道指出,在较快的速度下,腓肠肌活性在跖屈前就停止了。这个阶段按理说腓肠肌应该表现出离心收缩。然而,Elliot等(1979)[32]认为,在高速跑时,腓肠肌的最大激活发生在脚离地时,他们认为是腓肠肌向心收缩的结果。根据 Brandell(1973)[14]和 Mann等(1986)[56]的研究,在较慢的速度下,腓肠肌激活状态仅仅发生在跖屈阶段的30%～50%。Gazendam等(2007)[38]发现,单腿周期内,腓肠肌表现出单峰状态,而且这种峰值与股四头肌类似,但是比股四头肌的相位要晚10%左右。本研究发现,腓肠肌内侧和腓肠肌外侧的激活时间顺序非常相似,并且该研究结果和前人的研究也比较一致,即认为腓肠肌在触地的前期处于激活状态,激活时间大于位于单腿周期的50%～90%之间。我们可以发现,人体下肢的“拉长-缩短周期”(SSC)主要发生在该过程,腓肠肌与股直肌、股内侧肌和股外侧肌协同参与了人体下肢的“拉长-缩短周期”。

3.2.5 胫骨前肌功能分析

Elliot等(1979)[32]研究认为,胫骨前肌的最大激活状态发生在当触地时,此时,胫骨前肌做离心运动。在脚触地后的支撑阶段,胫骨前肌表现出向心运动,从而使小腿向前运动。Nilsson等(1985)[66]发现,在脚触地后不久,胫骨前肌有一个平静期。Mann等(1986)[56]还发现,这个平静期也出现在支撑的晚期。Gazendam等(2007)[38]发现,胫骨前肌在整个跑步阶段几乎都处于激活状态,在触地前即刻达到峰值,在脚离地后最小。本研究也认为,胫骨前肌在跑步周期的大部分阶段都处于激活。

3.3 下肢肌肉做功与RE关系表现特征

由图5可知,跑步过程摆动阶段人体下肢肌肉做功的排名由大到小依次为臀大肌、胫骨前肌、股直肌、股二头肌、股内侧肌和股外侧肌、腓肠肌内侧和外侧等。通过Spearman秩相关分析发现,对于7名受试者来说,在摆动阶段惟有臀大肌的做功排名与RE负相关,且呈高度显著性。

表5 本研究受试者摆动阶段下肢肌肉做功表现一览表(n=7)

图5 跑步摆动阶段下肢8块肌肉做功表现示意图

表6 本研究受试者跑步支撑阶段下肢肌肉做功的表现一览表(n=7)

图6 跑步支撑阶段下肢8块肌肉做功表现示意图

从图6可知,在跑步支撑阶段,人体下肢8块肌肉做功顺序由大到小依次为腓肠肌外侧、股直肌、股内侧肌、腓肠肌内侧、臀大肌、股外侧肌、股二头肌、胫骨前肌。通过Spearman秩相关分析发现,对于7名受试者来说,在支撑阶段惟有臀大肌的做功排名与RE负相关,且呈高度显著性。

3.4 下肢肌肉做功主成分分析

在对下肢肌肉做功与RE的关系进行统计分析时,不难发现这些指标之间存在一定的内在联系和相关性。但是,指标在某种程度上反映的信息有重叠,对深入探索RE与这些指标间的关系的确定都将带来麻烦和复杂性,影响分析效果,但除去一些反映动作的生物力学指标又觉得情报不完全。在反映运动员运动生物力学表现指标尽可能不减少的前提下,利用较少的几个互不相关的变量来反映整个跑步动作的生物力学表现是较好的选择。主成分分析正是满足上述的要求。

下肢肌肉做功的主要变量包括:1)摆动阶段的8块肌肉:A1-股直肌、A2-股内侧肌、A3-股外侧肌、A4-胫骨前肌、A5-臀大肌、A6-股二头肌、A7-腓肠肌外侧、A8-腓肠肌内侧;2)支撑阶段的8块肌肉:B1-股直肌、B2-股内侧肌、B3-股外侧肌、B4-胫骨前肌、B5-臀大肌、B6-股二头肌、B7-腓肠肌外侧、B8-腓肠肌内侧。

依据表7,用特征值大于1作为纳入标准。取累计贡献率为89.946%,提取4个主成分,即m=4。用4个主成分来代替原有的16个肌肉做功变量指标,这4个主成分因子包含原来89.946%的信息量。为了对这4个主成分进行解释,就需要得到16个原始肌肉做功变量指标对这4个主成分因子的子载荷(即原始指标与主成分因子的相关系数)。

表7 肌肉做功变量方差分解主成分提取分析一览表

从表8因子载荷矩阵中可以得出如下结论:1)主成分F1代表A1-股直肌、A2-股内侧肌、A4-胫骨前肌、A5 -臀大肌、B1-股直肌、B2-股内侧肌、B5-臀大肌、B6-股二头肌、B8-腓肠肌内侧,因为这9个指标的因子载荷量远大于其他几个指标,因子载荷在0.55以上;2)主成分F2代表A7-腓肠肌外侧、A8-腓肠肌内侧、B1-股直肌、B3-股外侧肌、B4-胫骨前肌、B7-腓肠肌外侧,因为这6个指标的因子载荷量远大于其他几个指标,因子载荷在0.55以上;3)主成分 F3代表A3-股外侧肌和B7-腓肠肌外侧,因为这2个指标的因子载荷量远大于其他几个指标,因子载荷在0.55以上;4)主成分 F4代表A6-股二头肌,因为这个指标的因子载荷量远大于其他几个指标,因子载荷在0.55以上。

表8 肌肉做功变量主成分分析初始因子载荷矩阵一览表

用主成分载荷矩阵中的数据除以主成分相对应的特征值开平方根便得到两个主成分中每个指标所对应的系数。将得到的特征向量与标准化后的数据相乘,就可以得出主成分表达式,并计算出4个主成分及综合主成分得分值(F1、F2、F3、F4和综合;表9)。

本研究对7名中长跑运动员在支撑阶段和摆动阶段下肢肌肉做功变量各主成分得分与RE12进行相关分析,得到在α=0.05水平上,主成分 F2得分与RE12呈负相关性,且相关性表现出显著性(r=-0.80,P=0.03;表10)。

表9 本研究受试者下肢肌肉做功变量主成分得分值一览表

表10 RE12与下肢肌肉做功变量得分值相关性矩阵一览表

Kram(2000)[48]认为,跑步的代谢能量与人支撑体重以及在跑的过程中产生力有着一定的联系。Kram (1990)[49]对各种动物跑步速度的研究支持他的上述观点。运动生物力学领域的专家和学者开始逐渐关注RE与肌肉活性的关系。Umberger和 Martin(2007)[77]研究也认为,肌肉做功与走路的能量代谢具有很大的联系。DeVita (2007)[29]的研究认为,平地走和跑会导致下肢肌肉组织产生过多的正功从而去克服其他机体组织的能量消损,对于跑步者来说,他们报道指出,正功比负功多 8%。Kyr¨ol¨ainen(2001)[50]认为,有效的肌肉激活时机和支撑阶段的放松是人体与地面产生有效作用力的首要必备条件。肌肉激活的目的是为了做功,上述研究均支持肌肉做功与能量消耗之间具有一定的联系,但并没有涉及从做功的角度研讨跑步经济性与下肢肌肉做功之间的关系。

本研究发现,如果运动员 RE越低,经济性越好的话,主成分F2得分越高。而要想使运动员的主成分 F2得分越高,只能通过提高反映主成分2得分因素的相关变量的做功,而这又需要减少非 F2影响因素的变量。主成分 F2反应的人体下肢肌肉做功变量主要有:摆动阶段的腓肠肌外侧和腓肠肌内侧;支撑阶段的股直肌、股外侧肌、胫骨前肌和腓肠肌外侧等。进一步对这些指标进行研究发现,其中有4个指标在跑步的支撑阶段处于激活状态,尤其是股直肌、股外侧肌和腓肠肌外侧均属于支撑阶段下肢“拉长-缩短”周期 (SSC)处于激活的主要肌群。Abe等(2007)[1]研究指出,男性初级水平跑步者的 RE与支撑阶段股四头肌外侧向心-离心收缩的比值呈现出负相关,该研究说明,跑步者的跑步经济性越小,股四头肌在拉长缩短周期过程(SSC)向心-离心收缩的比值较高。Heise等(2008)[43]研究了16名女性受试者股直肌、腓肠肌和腘绳肌中和外侧与RE的关系,结果发现,RE与股直肌-腓肠肌共激活的时间与RE之间呈现负相关,而股直肌与腓肠肌共激活的状态主要集中在支撑阶段的拉长-缩短周期(SSC)。本研究进一步证实,肌肉在拉长 -缩短周期(SSC)做功与RE之间也存在着负相关,由于 RE的值越小,说明运动员的跑步经济性越好。因此,提高运动员在拉长-缩短周期(SSC)的做功能力对改善运动员的RE水平显得十分重要。Paavolainen L等(1999)[67]研究认为,与“耐力训练+普通力量训练”相比,“耐力训练+爆发力训练”可以提高5 000 m运动员的跑步经济性和肌肉功率,该结论主要归因于爆发性力量训练改善了运动员下肢的神经肌肉结构,从而提高了运动员的无氧代谢能力和跑步经济性。因此,对耐力运动员可以尝试在高原和低氧训练的过程中,适当穿插进行下肢爆发性力量的训练,通过改善其下肢的神经肌肉结构特点来提高“拉长-缩短周期”(SSC)的做功效率,进而提高运动员的跑步经济性。

4 结论

1.本研究发现,用12 km/h速度下的耗氧量来评价800 m运动员的跑步经济性水平比较适合。

2.当跑步速度为12 km/h时,摆动阶段人体下肢肌肉做功的排序由大到小依次为臀大肌、胫骨前肌、股直肌、股二头肌、股内侧肌和股外侧肌、腓肠肌内侧和腓肠肌外侧等;支撑阶段人体下肢肌肉做功的排序由大到小依次为腓肠肌外侧、股直肌、股内侧肌、腓肠肌内侧、臀大肌、股外侧肌、股二头肌和胫骨前肌等。

3.影响RE的人体下肢肌肉做功的主要肌肉有:摆动阶段的腓肠肌外侧和腓肠肌内侧;支撑阶段的股直肌、股外侧肌、胫骨前肌和腓肠肌外侧等。本研究认为,提高运动员在拉长-缩短周期(SSC)的做功能力可以有效地改善运动员的跑步经济性,建议对耐力运动员在耐力训练过程中尝试穿插爆发性力量训练,通过提高拉长-缩短周期的做功效率,进一步提高跑步经济性。

[1]ABE D,MURAKI S,YANAGAWA K,et al.Changes in EMG characteristics and metabolic energy cost during 90-min prolonged running[J].Gait Posture,2007,26(4):607-610.

[2]AHLBORG G,FELIG P,HAGENFELDT L,et al.Substrate turnover during prolonged exercise in man.Splanchnic and leg metabolism of glucose,free fatty acids,and amino acids[J].J Clin Invest,1974,53(4):1080-1090.

[3]ALBRACHT K,ARAMPATZIS A.Influence of the mechanical properties of the muscle-tendon unit on force generation in runners with different running economy[J].Biol Cybern,2006,95 (1):87-96.

[4]ALEXANDER R M.Energy-saving mechanisms in walking and running[J].J Exp Biol,1991,160:55-69.

[5]ANDERSON T.Biomechanics and running economy[J].Sports Med,1996,22(2):76-89.

[6]ARUIN A S,PRILUTSKII B I.Relationship of the biomechanical properties of muscles to their ability to utilize elastic deformation energy[J].Hum Physiol,1985,11(1):8-12.

[7]ARUIN A S,PRILUTSKII B I,RAITSIN L M,et al.Biomechanical properties of muscles and efficiency of movement[J]. Hum Physiol,1979,5(4):426-434.

[8]ASMUSSEN E,BONDE-PETERSEN F.Apparent efficiency and storage of elastic energy in human muscles during exercise[J]. Acta Physiol Scand,1974,92(4):537-545.

[9]BAL KE B.A simple field test for the assessment of physical fitness[J].CARI Report,1963,63:18.

[10]BILLAT V L,SLAWINSKI J,BOCQUET V,et al.Intermittent runs at the velocity associated with maximal oxygen uptake enables subjects to remain at maximal oxygen uptake for a longer time than intense but submaximal runs[J].Eur J Appl Physiol,2000,81(3):188-196.

[11]BILLAT V L,SLAWINSKI J,DANEL M,et al.Effect of free versus constant pace on performance and oxygen kinetics in running[J].Med Sci Sports Exe,2001,33(12):2082-2088.

[12]BILLAT V,DEMARLE A,PAIVA M,et al.Effect of trainingon the physiological factors of performance in elite marathon runners(males and females)[J].Int J Sports Med,2002,23 (5):336-341.

[13]BOSCO C,MONTANARI G,RIBACCHI R,et al.Relationship between the efficiency of muscular work during jumping and the energetics of running[J].Eur J Appl Physiol Occup Physiol,1987,56(2):138-143.

[14]BRANDELL B.An analysis of muscle coordination in walking and running gaits[J].Med Sport,1973,8:278-287.

[15]BRAUN W A,DUTTO D J.The effects of a single bout of downhill running and ensuing delayed onset of muscle soreness on running economy performed 48 h later[J].Eur J Appl Physiol,2003,90(1-2):29-34.

[16]CAVAGNA G A,FRANZETTI P,HEGLUND N C,et al.The determinants of the step frequency in running,trotting and hopping in man and other vertebrates[J].J Physiol,1988,399: 81-92.

[17]CAVAGNA G A,KANEKO M.Mechanical work and efficiency in level walking and running[J].J Physiol,1977,268(2): 467-81.

[18]CAVAGNA G A,SAIBENE F P,MARGARIA R.Mechanical work in running[J].J Appl Physiol,1964,19:249-256.

[19]CAVANAGH P R,KRAM R.The efficiency of human movement-a statement of the problem[J].Med Sci Sports Exe, 1985,17(3):304-308.

[20]CAVANAGH P R.Biomechanics of Distance Running[M]. Champaign:Human Kinetics Publishers,1990.

[21]CERRETELLI P,SIKAND R,FARHI L E.Readjustments in cardiac output and gas exchange during onset of exercise and recovery[J].J Appl Physiol,1966,21(4):1345-1350.

[22]CHEN T C,NOSAKA K,TU J H.Changes in running economy following downhill running[J].J Sports Sci,2007,25(1): 55-63.

[23]CONLEY D L,KRAHENBUHL G S,BURKETT LN E A. Following Steve Scott:physiological changes accompanying training[J].Phys Sports med,1984,12:103-106.

[24]CONLEY D L,KRAHENBUHL G S.Running economy and distance running performance of highly trained athletes[J]. Med Sci Sports Exe,1980,12(5):357-360.

[25]COSTILL D L,BRANAM G,EDDY D,et al.Determinants of Marathon running success[J].Int Z Angew Physiol,1971,29 (3):249-254.

[26]COSTILL D L,THOMASON H,ROBERTS E.Fractional utilization of the aerobic capacity during distance running[J].Med Sci Sports,1973,5(4):248-252.

[27]DANIELS J T.A physiologist’s view of running economy[J]. Med Sci Sports Exe,1985,17(3):332-338.

[28]DANIELS J,KRAHENBUHL G,FOSTER C,et al.Aerobic responses of female distance runners to submaximal and maximal exercise[J].Ann NY Acad Sci,1977,301:726-733.

[29]DEVITA P,HELSETH J,HORTOBAGYI T.Muscles do more positive than negative work in human locomotion[J].J Exp Biol,2007,210(Pt 19):3361-3373.

[30]DI P P,DAVIES C T,CERRETELLI P,et al.An analysis of O2debt contracted in submaximal exercise[J].J Appl Physiol, 1970,29(5):547-551.

[31]DILL D B,TALBOTT J H,EDWARDS H T.Studies in muscular activity:VI.Response of several individuals to a fixed task [J].J Physiol,1930,69(3):267-305.

[32]ELLIOTT B C,BLANKSBYB A.The synchronization of muscle activity and body segment movements during a running cycle[J].Med Sci Sports,1979,11(4):322-327.

[33]FELIG P,WAHREN J.Amino acid metabolism in exercising man[J].J Clin Invest,1971,50(12):2703-2714.

[34]FENN W O.Work against gravity and work due to velocity changes in running[J].American J Physiology,1930,93:433-462.

[35]FOLLAND J P,ROWLANDS D S,THORP R,et al.Leg heating and cooling influences running stride parameters but not running economy[J].Int J Sports Med,2006,27(10):771-779.

[36]FRANCH J,MADSEN K,DJURHUUS M S,et al.Improved running economy following intensified training correlates with reduced ventilatory demands[J].Med Sci Sports Exe,1998,30 (8):1250-1256.

[37]FURUSAWA K,HILL AV,LONG CNH L H.Muscular exercise and oxygen requirement[J].Roy Soc Pro(B),1924,97: 167-176.

[38]GAZENDAM M G,HOF A L.Averaged EMG profiles in jogging and running at different speeds[J].Gait Posture,2007,25 (4):604-614.

[39]HAGBERG J M,NAGLE F J,CARLSON J L.Transient O2uptake response at the onset of exercise[J].J Appl Physiol, 1978,44(1):90-92.

[40]HAUSSWIRTH C,BIGARD A X,LE C J.The Cosmed K4 telemetry system as an accurate device for oxygen uptake measurements during exercise[J].Int J Sports Med,1997,18(6): 449-453.

[41]HEISE G D,MARTIN P E.Are variations in running economy in humans associated with ground reaction force characteristics?[J].Eur J Appl Physiol,2001,84(5):438-442.

[42]HEISE G D,MORGAN D W,HOUGH H,et al.Relationships between running economy and temporal EMGcharacteristics of bi-articular leg muscles[J].Int J Sports Med,1996,17(2):128-133.

[43]HEISE G,SHINOHARA M,BINKS L.Biarticular leg muscles and links to running economy[J].Int J Sports Med,2008,29 (8):688-691.

[44]HENRY F M.Aerobic oxygen consumption and alactic debt in muscular work[J].J Appl Physiol,1951,3(7):427-438.

[45]HILL A V,LUPTON H.The oxygen consumption during run-ning[J].J Physiology,1922,56:429-446.

[46]KER R F,BENNETT M B,BIBBY S R,et al.The spring in the arch of the human foot[J].Nature,1987,325(7000):147-149.

[47]KOMI P V.Stretch-shortening cycle:a powerful model to study normal and fatigued muscle[J].J Biomech,2000,33(10):1197-1206.

[48]KRAM R.Muscular force or work:what determines the metabolic energy cost of running?[J].Exe Sport Sci Rev,2000,28 (3):138-143.

[49]KRAM R,TAYLOR C R.Energetics of running:a new perspective[J].Nature,1990,346(6281):265-267.

[50]KYR;L∋1NEN H,AVELA J,KOMI P V.Changes in muscle activity with increasing running speed[J].J Sports Sci,2005,23 (10):1101-1109.

[51]KYR;L∋1NEN H,BELLI A,KOMI P V.Biomechanical factors affecting running economy[J].Med Sci Sports Exe,2001, 33(8):1330-1337.

[52]KYR;L∋1NEN H,PULLINEN T,CANDAU R,et al.Effects of marathon running on running economy and kinematics[J]. Eur J Appl Physiol,2000,82(4):297-304.

[53]LEGER L,MERCIER D.Gross energy cost of horizontal treadmill and track running[J].Sports Med,1984,1(4):270-277.

[54]LEMON P W,MULLIN J P.Effect of initial muscle glycogen levels on protein catabolism during exercise[J].J Appl Physiol, 1980,48(4):624-629.

[55]LUHTANEN P,KOMI P V.Mechanical energy states during running[J].Eur J Appl Physiol Occup Physiol,1978,38(1):41-48.

[56]MANN R A,MORAN G T,DOUGHERTY S E.Comparative electromyography of the lower extremity in jogging,running, and sprinting[J].Am J Sports Med,1986,14(6):501-510.

[57]MARGARIA R.Biochemistry of muscular contraction and recovery[J].J Sports Med Phys Fitness,1963,168:145-156.

[58]MARGARIA R,CERRETELLI P,AGHEMO P,et al.Energy cost of running[J].J Appl Physiol,1963,18(2):367-370.

[59]MARTIN P E,HEISE GD,MORGAN D W.Interrelationships between mechanical power,energy transfers,and walking and running economy[J].Med Sci Sport Exe,1993,25(4):508-515.

[60]MORGAN D W,BALDINI F D,MARTIN P E,et al.Ten kilometer performance and predicted velocity at?VO2max among well-trained male runners[J].Med Sci Sport Exe,1989,21(1): 78-83.

[61]MORGAN D W,CRAIB M.Physiological aspects of running economy[J].Med Sci Sport Exe,1992,24(4):456-461.

[62]MORGAN D W,MARTIN P E,KRAHENBUHL G S.Factors affecting running economy[J].Sports Med,1989,7(5):310-330.

[63]MORGAN D,MARTIN P,CRAIB M,et al.Effect of step length optimization on the aerobic demand of running[J],J Appl Physiol.1994,77(1):245-251.

[64]NAGLE F,ROBINHOLD D,HOWLEY E,et al.Lactic acid accumulation during running at submaximal aerobic demands[J]. Med Sci Sports,1970,2(4):182-186.

[65]NELSON A G,KOKKONEN J,ELDREDGE C,et al.Chronic stretching and running economy[J].Scand J Med Sci Sports, 2001,11(5):260-265.

[66]NILSSON J,THORSTENSSON A,HALBERTSMA J.Changes in leg movements and muscle activity with speed of locomotion and mode of progression in humans[J].Acta Physiol Scand,1985,123(4):457-475.

[67]PAAVOLAINEN L,HAKKINEN K,HAMALAINEN I,et al. Explosive-strength training improves 5-km running time by improving running economy and muscle power[J].J Appl Physiol,1999,86(5):1527-1533.

[68]PINNINGTON H C,DAWSON B.Running economy of elite surf iron men and male runners,on soft dry beach sand and grass[J].Eur J Appl Physiol,2001,86(1):62-70.

[69]SARGENT R M.The Relation between Oxygen Requirement and Speed in Running[J].Proceedings of the Royal Society of London.Series B,Containing Papers of a Biological Character, 1926,100(700):10-22.

[70]SAUNDERS P U,PYNE D B,TELFORD R D,et al.Factors affecting running economy in trained distance runners[J]. Sports Med,2004,34(7):465-485.

[71]SAUNDERS P U,TELFORD R D,PYNE D B,et al.Improved running economy in elite runners after 20 days of simulated moderate-altitude exposure[J].J Appl Physiol,2004,96(3): 931-937.

[72]SLAWINSKI J,DEMARLE A,KORALSZTEIN J P,et al. Effect of supra-lactate threshold training on the relationship between mechanical stride descriptors and aerobic energy cost in trained runners[J].Arch Physiol Biochem,2001,109(2): 110-116.

[73]SPROULE J.Running economy deteriorates following 60 min of exercise at 80%?VO2max[J].Eur J Appl Physiol Occup Physiol,1998,77(4):366-371.

[74]SVEDENHAG J,SJODIN B.Body-mass-modified running economy and step length in elite male middle-and long-distance runners[J].Int J Sports Med,1994,15(6):305-310.

[75]TAYLOR C R.Relating mechanics and energetics during exercise[J].Adv Vet Sci Comp Med,1994,38A:181-215.

[76]THOMAS D Q,FERNHALL B,GRANAT H.Changes in running economy during a 5-km run in trained men and women runners[J].J Strength Conditioning Res,1999,13(2):162-167.

[77]UMBERGER B R,MARTIN P E.Mechanical power and efficiency of level walking with different stride rates[J].J Exp Biol,2007,210(Pt 18):3255-3265.

[78]WHIPP B J,WASSERMAN K.Oxygen uptake kinetics for various intensities of constant-load work[J].J Appl Physiol, 1972,33(3):351-356.

[79]WHITE T P,BROOKS G A.[U-14C]glucose,-alanine,andleucine oxidation in rats at rest and two intensities of running [J].Am J Physiol,1981,240(2):155-165.

[80]WILLIAMS K R.The relationship between mechanical and physiological energy estimates[J].Med Sci Sport Exe,1985,17 (3):317-325.

[81]WILLIAMS K R,CAVANAGH P R.Relationship between distance running mechanics,running economy,and performance [J].J Appl Physiol,1987,63(3):1236-1245.

[82]WINTER D A.Calculation and interpretation of mechanical energy of movement[J].Exe Sport Sci Rev,1978,6:183-201.

[83]XU F,MONTGOMERYD L.Effect of prolonged exercise at 65 and 80%of?VO2max on running economy[J].Int J Sports Med,1995,16(5):309-313.

[84]ZAVORSKY G S,MONTGOMERY D L,PEARSALL D J. Effect of intense interval workouts on running economy using three recovery durations[J].Eur J Appl Physiol Occup Physiol,1998,77(3):224-230.

The Impact of the Lower Limbs Muscle Work on Running Economy

REN Zhan-bing

The purpose of this study was to explore the impact of the lower limbs muscle work on running economy.Based on the 800m results and the?VO2max,this paper selects 7 highly homogeneous runners from the 15 highly trained runners as the subjects.The results showed that the correlation coefficient was highly significant between the running economy and the work done by the Gluteus maximus(r=-0.89,P<0.01).Furthermore,the correlation coefficient was significant between the running economy and the principle components which was influenced by the gastrocnemius in swing stage and the gastrocnemius,rectus femoris,vastus lateralis,and tibialis anterior in stance stage(r=-0.80,P<0.05).We concluded that the more efficient work done by the lower limbs during the stretch shortening cycle,the more economy the runner was.It suggested that the explosive strength training can be used in the middle and long distance running in order to promote the running economy by improving the SSC work efficiency.

oxygen uptake;running economy;electromyography;work

G804.6

A

1000-677X(2010)01-0086-12

2009-07-09;

2009-12-15

国家科技支撑计划课题(2006BAK37B03)。

任占兵(1979-),男,河南人,讲师,博士,研究方向为体育教育训练学,E-mail:rzb2008@yahoo.cn。

广州体育学院,广东广州510500

Guangzhou Institute of Physical Education,Guangzhou 510500,China.

论文说明:北京体育大学2009届博士学位论文,指导教师:郭元奇教授。