男子篮球运动员不同负荷负重蹲跳的力学特征和肌电图表现

田石榴 刘宇 井兰香 吴贻刚

1 上海体育学院运动健身科技教育部重点实验室（上海200438）

2 沧州医学高等专科学校

3 上海体育学院研究生部

竞技运动追求更快、更高、更强。从运动学角度认识，这些目标是由速度决定的，从动力学角度认识，这些目标是由最大力量和爆发力决定的［1］。爆发力称为快速力量，Hollmann提出，爆发力是单位时间内最大限度发挥的力量［2］。也有人认为，爆发力是指神经肌肉系统在最短时间内产生力量的能力［3］。从运动训练学角度，爆发力的训练方法是发展最大力量、发力率、弹震式动作（ballistic）、超等长动作（Plyometrics）和技术练习［4］。 其它还有发力率、动态力量（弹震式动作）和超等长动作的训练等［5］。故运动员若要获得良好的爆发力，必须同时增加肌肉最大力量和动作速度，以达到提高爆发力与竞技表现的双重目的。

力量训练提高绝对力量，但限制肌肉收缩速度［6］。无负重的弹震式动作（ballistic training）的加速、高速和抛射动作能提高动作速度和爆发力［7］。 Adams等［8］研究认为，负重超等长训练结合了超等长训练提高动作速度和爆发力、力量训练提高最大力量和爆发力的双重优点，既增加最大力量，又增加动作速度和爆发力。目前，负重超等长训练最佳负荷的选择和神经肌肉系统的力学特征并不清楚。故本实验分析不同负荷的负重超等长动作——负重蹲跳（WCMJ）的动力学数据和肌电信号，研究WCMJ动力学特征和神经支配特点。

1 对象与方法

1.1 研究对象

上海体育学院院男子篮球队运动员8名，年龄（17.3±1.0）岁，身高（193.3±5.8）cm，体重（87.9±10.3）kg，运动年限均为5年以上，国家二级运动员。所有受试者均熟练蹲举与负重蹲跳动作，并具有良好的力量基础，能准确理解实验意图，无心脏病史及神经肌肉病史，无下肢疾病。实验前清楚告知每位受试者本实验目的与过程，并签署自愿参加实验的书面同意书。本实验得到上海体育学院运动科学学院道德伦理会评审许可，在上海体育学院运动科学学院运动技能研究中心完成。

1.2 实验方法

1.2.1 下肢最大等长力量 （maximum voluntary contraction，MVC）测试方法

受试者热身，双脚站立于KISTLER测力台（瑞士9287B，采样频率为1000Hz）上。上身保持挺直，屈膝约100度，将杠铃杆调整至合适高度，用肩部顶住杠铃杆。测试开始后，受试者以最快速度、最大力量蹲举固定不动的杠铃（辅以垫肩护套以减轻疼痛）约5秒。从测力台软件上读取地面反作用力最大值，记为下肢最大等长力量（MVC）。

1.2.2 无负重半蹲跳（SJ）和蹲跳（CMJ）测试方法

受试者站立于测力台上，进行无负重SJ和CMJ各3次。取有效动作中腾空时间最长一次的数据进行分析。腾空时间由测力台直接读取。

1.2.3 不同负荷WCMJ测试方法

受试者扛负不同重量杠铃 （分别为10%、20%、30%、40%、50%MVC） 完成WCMJ。 各取3次有效动作，取腾空时间最长的一次进行分析。动力学数据以受试者体重进行标准化。进行下一个负荷测试时，受试者休息至心率基本恢复到安静水平。

同时采用Biovision16导联肌电图仪（Biovision公司，德国）记录表面肌电（sEMG）信号。电极固定于受试者优势腿侧股外侧肌、股二头肌皮肤表面的肌腹最隆起处［9］。采样频率为1000 Hz。表面肌电专用双极Ag/AgCl圆盘电极由上海仁和医疗设备有限公司生产，电极间距 <2 cm，噪声水平 <5 μV。

1.3 测试指标

1.3.1 动作时间判断

WCMJ动作的离心阶段为开始下蹲时刻至髋关节最低点时刻。离心阶段的起始时间为测力台力量信号起动的瞬间，结束时间为测力台力量信号起动后、正负冲量（力量—时间曲线的积分值）之和为0时，该点代表速度值为0、蹲至最低点的瞬时。

WCMJ动作的向心阶段为髋关节最低点时刻到脚尖离地时刻。向心阶段的起始时间为测力台力量信号起动后、正负冲量之和为0的瞬间，结束时间为测力台力量信号为0、腾空开始的时间点。

腾空时间为受试者身体腾空的时间，即力量值为0的水平线区间对应的时间段。根据腾空时间计算位移。

1.3.2 最大力量和相对爆发力

以即时地面反作用力和时间推算加速度和速度。最大力量为即时地面反作用力最大值。本研究将下肢爆发力定义为地面反作用力与身体（加上重物）的重心速度的乘积：P=F×V。最大爆发力指起跳过程中爆发力曲线的最大值。相对最大爆发力=最大爆发力/体重。

1.3.3 肌电图参数选择与计算方法资料数据处理

依据Winter的方法［10］处理原始肌电信号。运用Dasylab软件读取原始肌电信号，10 Hz高通滤波，1000 Hz低通滤波，全波整流，积分，利用Dasylab软件的数学公式，读取离心阶段和向心阶段的积分肌电为积分时间。将SJ测试中各肌群的向心IEMG定义为100%，以WCMJ动作中各肌群IEMG除以SJ向心IEMG进行标准化。

1.4 统计学分析

2 结果

2.1 WBMJ的力学参数

2.1.1 离心阶段

如表1所示，增加负荷后WCMJ动作离心时间均大于0负荷，其中30%、40%、50%MVC负荷与0负荷相比差异具有统计学意义。增加负荷后WCMJ动作离心位移与0负荷比较差异均具有统计学意义。离心阶段最大速度在10%MVC负荷时显著高于0负荷，其他负荷与0负荷比较差异无统计学意义。10%MVC负荷时离心阶段相对最大力量显著低于0负荷，其他负荷与0负荷比较差异无统计学意义。相对爆发力随负荷增加而增加，10%～50%MVC负荷与0负荷相比均具有统计学意义。

表1 WCMJ离心阶段力学参数变化

2.1.2 向心阶段

如表2所示，向心蹬伸时间随着负荷增加而增加，10%、20%、30%MVC负荷与0负荷比较差异无统计学意义，40%、50%MVC负荷与0负荷比较差异有统计学意义。随着负荷增加，向心蹬伸速度下降，10%～50%MVC负荷与0负荷相比差异均具有统计学意义。相对最大力量随着负荷增加而增加，20%～50%MVC负荷与0负荷相比均具有统计学意义。相对最大爆发力在30%MVC负荷时达到峰值，随后下降，30%MVC负荷与0负荷相比差异具有统计学意义。腾空位移随着负荷增加而降低，10%～50%MVC负荷与0负荷相比均具有统计学意义。

表2 WCMJ向心阶段力学参数变化

2.2 WCMJ的积分肌电特征

2.2.1 离心阶段

不同负荷WCMJ离心阶段标准化积分肌电见图1。10%～50%MVC负荷时股外侧肌和股二头肌的标准化积分肌电值与0负荷相比均具有显著性差异。

图1 WCMJ离心阶段标准化积分肌电

2.2.2 向心阶段

不同负荷WCMJ向心阶段标准化积分肌电见图2。股外侧肌各负荷之间比较差异无统计学意义。10%、20%、30%、40%MVC负荷时股二头肌积分肌电值与0负荷相比上升，差异有统计学意义。50%MVC负荷积分肌电下降，与各负荷之间差异存在统计学意义。

图2 WCMJ向心阶段标准化积分肌电

3 讨论

学者针对发展爆发力的阻力训练负荷和速度进行了大量的实验。Kaneko等［11］认为，大阻力及慢收缩速率动作进行训练并不能有效地增加受试者的爆发力，认为小负荷高速度的负重训练发展爆发力。Hakkinen和Komi测量了不同负荷下的垂直跳高度，结果显示，高阻力训练组的无负荷垂直跳成绩只提高了7%，小负荷爆发力训练组无负荷垂直跳成绩进步了21%，且最大伸膝角速度提高达到显著水平［12］。Schmidtbleicher等采用三种不同训练负荷 （90%、45%、70%1RM）进行负重练习，分析训练前后最大发力率和肌肉激活作用，结果显示，爆发力提高最多的是90%1RM训练组［13］。

在超等长训练中，如何施加适当负荷是十分重要的问题。Newton等［14］以优秀排球运动员为对象，研究负重超等长训练对上肢爆发力的影响。结果发现，施加30%负荷后，优秀女子排球运动员上肢爆发力明显增加。刘北湘等［15］通过负重半蹲跳动作训练下肢伸肌群爆发力时，提出了“最大输出冲量法”。 Li等［16］认为，使用传统方法计算最大功率会使运动员负荷过大，利用力量—速度曲线计算最大功率可能更有效，力量以垂直地面的反作用力计算，速度以受试者及其身上的杠铃的共同速度计算，这样计算出的最大功率可能更符合实际训练和运动表现。

本研究考虑到外加负荷和自身体重，将杠铃和人体作为一个整体，计算不同负重后的相对即时爆发力。研究结果显示，在30%MVC负荷时最大相对爆发力达到最大，但相对最大速度并未达到最大，其结果与Li等的结果类似。

单信海等［17］对三名不同弹跳能力的运动员的原地纵跳能力进行研究，结果发现，优秀运动员表现为肩、膝、踝关节处极强的协调发力能力。单信海［18］研究连续纵跳时发现，随着节奏的加快，支撑时间显著缩短；人体腾空的高度与上升的最大速度下降；Bobbert等［19］指出肌肉力量是纵跳能力的决定性因素，但纵跳效果更取决于肌肉性能控制的协调性。Patel等［20］研究纵跳时躯干、大腿、小腿三环节的角速度关系，认为协调性十分重要。井兰香等［25］研究认为，无负重的超等长练习优先发展膝关节肌快速力量，低负重超等长练习主要发展髋关节肌肉绝对力量和爆发力，较大负重超等长练习主要发展髋关节绝对力量。

肌电信号反映神经肌肉系统运动单位募集和激发频率的变化［21］。肌电图可以记录不同负荷下的肌电振幅、肌肉放电的开始与结束时间、不同肌肉参与活动的先后次序、频率、肌肉的收缩强度等，用以说明不同负荷与不同训练动作在神经肌肉功能的支配特点与差异。评价肌电图的常用参数时域指标是积分肌电 （IEMG），IEMG反映运动单位募集的数量及激活频率高低［21］。

本研究结果表明，不同负荷WCMJ动作离心阶段股外侧肌积分肌电值随负荷增加而增加，表明负荷增加可引起机体在WCMJ离心阶段募集更多的运动单位参与收缩。从拮抗肌的活化效果看，股二头肌积分肌电随负荷增加而增加，与主动肌有相同的募集趋势。本实验采用的WCMJ动作利用了肌肉的两个生理特性：牵张反射和弹性能。从神经支配肌肉的生理学观点看，CMJ快速下蹲至髋关节最低点这一过程中，下肢肌肉快速离心收缩，有利于肌肉弹性能的储存与释放［22］，激发了牵张反射的神经效应，诱发高频运动单位参与收缩，增加神经肌肉的激活程度［23］。Svantesson等［24］研究认为，与单纯的向心收缩活性相比，先离心后向心收缩的拉长―缩短周期（Stretch-Shortening Cycle，SSC）动作肌肉的肌电信号强度降低或保持不变，提示肌肉激活程度不是引起SSC成绩提高的主要原因。本实验结果显示，增加下肢肌肉力量，机体才能克服不同负荷阻力做功，肌肉力量增加伴随肌肉激活程度提高。

拮抗肌力量小，不足以与主动肌抗衡，可能是运动中肌肉拉伤的主要原因［25］。本研究结果表明，加载不同负荷的WCMJ向心期与0负荷相比，均表现为最大力量与最大速度蹬伸增强，运动单位募集达到高水平。此与Komi［26］研究结果一致：肌肉最大用力时，募集了所有可动用的运动单位或/及活化频率。虽然负重不同，但在向心阶段每一负荷均用最大力量，因此，向心阶段股外侧肌积分肌电并未表现出差异性。

本研究结果发现，股二头肌积分肌电值随着负荷增加而增加，50%MVC负荷时肌电值则迅速下降，可能是50%MVC负荷时肌肉产生自我保护性抑制，不利于产生爆发力。

结合相对爆发力指标看，30%MVC负荷时，肌肉力量最高，速度较高，与肌电图的积分肌电结果一致。因此，30%MVC水平募集的运动单位和激活频率达到了较高水平。继续增加负荷，运动单位募集增加量不明显，肌肉力量增加也不明显，说明了肌电与力量和爆发力之间的对应关系，也提示30%MVC负荷较适应WCMJ训练。

4 总结

随着负荷增加，机体通过提高运动单位募集增加相对最大爆发力，负荷过高则募集运动单位能力下降。提高下肢肌肉爆发力，可采用低于30%MVC负荷的WBMJ训练。

［1］Fatouros IG，Jamurtas AZ，Leontsini D，et al.Evaluation of plyometric exercise training，weight training，and their combination on vertical jumping performance and leg strength.J Strength Cond Res，2000，14（4）：470-476.

［2］Hollmann W＆Hettinger TH.Sportmedizin-Arbeits-und Trainingsgrundlagen.Stuttgart，New York： Schattauer，1990：384-390.

［3］Zatsiorsky VM&Kraemer WJ.Science&Practice of Strength Training （2nd ed）.Human Kinetics Publishers：Champaign IL，2006：161-165.

［4］Kraemer WJ，Newton RU.Training for Improved Vertical Jump.Sports Sci Exc，1994，7（6）：1-12.

［5］Bompa OT.Periodization training for sports：Programs for peak strength in 35 sports.USA.Human Kinetics Publishers：Champaign IL，1999：83-120.

［6］Bloomfield J，Blanksby BA，Ackland TR，et al.The influence of strength training on overhead throwing velocity of elite water polo players.AU J Sci Med Sport，1990，22（3）：63-67.

［7］Kritpet TT.The effects of six weeks of squat andplyometric training on power production.Unpublished master’s thesis,Oregon State University.Oregon，1989：20-30.

［8］Adams K，O’Shea JP，O’Shea KL，et al.The effect of six weeks of squat，plyometric and squat-plyometric training on power production.J Appl Sport Sci Res，1992，6 （1）：36-41.

［9］Konrad P.The ABC of EMG：a practical introduction to kinesiological electromyography.Scottsdale，AZ，2005：16-20.

［10］Winter DA.Biomechanics and motor control of human movement （2nd ed）.New York：John Wiley&Sons Inc，1990：36-43.

［11］Kaneko M&Sue K.Training effect of different load on the force-velocity relationship and mechanical power output in human muscle.Scand J Sport Sci，1983，5 （2）：50-55.

［13］Schmidtbleicher D&Buehrle M.Neuronal adaptations and increase of cross-sectional area studying different strength training methods.In Johnson G （ed.） Biomechanics X-B.USA： Human Kinetics Publishers：Champaign IL，1987，6-B：615-620.

［14］Nimphius S，McGuigan MR，Newton RU.Relationship between strength，power，speed，and change of direction performance of female softball players.J Strength Cond Res，2010，24：885-895.

［15］刘北湘，石玉琴，李晓峰，等.发展肌肉爆发力的“最大动量训练法” 研究.成都体育学院学报，1994，20 （1）：78-80.

［16］Li L，Michael W，Olson，et al.A proposed method for determining peak power in the jump squat exercise.J Strength Cond Res，2008，22（2）：327-331.

［17］单信海，戴玉生，蔡国钧，等.不同弹跳能力的3名运动员其原地纵跳的运动生物力学指标的比较.体育与科学，1997，18（4）：22-26.

［18］单信海.不同快慢节奏对连续性原地纵跳影响的实验研究.天津体育学院学报，2007，22（3）：228-280.

［19］Bobbert MF，de Graaf WW，Jonk JN，et al.Explanation of the bilateral deficit in human vertical squat jumpinging.J Appl Physiol，2006，100：493-499.

［20］Patel H，Hoffman-Goetz L.Effects of oestrogen and exercise on caspase ac tivity in primary and secondary lymphoid compartments in ovariectomized mice.Acta Physiol Scand，2002，176（3）：177-184.

［21］Arendt-Nielsen L，Forster A and Mills KR.The relationship between muscle fiber conduction velocity and force in the human vastus lateralis.J Physiol，1984，6：353.

［22］Kubo K.In vivo elastic properties of human tendon structures in lower limb.Int J Sports Health Sci，2005，3：143-151.

［23］Bobbert MF，Casius LJ.Is the effect of a countermovement on jump height due to active state development?Med Sci Sports Exerc，2005，37（3）：440-446.

［24］Svantesson U，Grimby G.Stretch–shortening cycle during plantar flexion in young and elderly women and men.Eur J Appl Physiol，1995，71：381-385.

［25］井兰香，刘宇.篮球运动员8周负重超等长训练后下肢及髋、膝、踝关节动力学和刚度研究.中国运动医学杂志，2010，29（4）：417-420.

［26］Komi PV.Stretch-Schortening Cycle.In Komi PV （ed.）Strength and Power in Sport.USA：Oxford：Blackwell Publishing，2003：184-202.