场地短距离自行车大强度骑行中的疲劳定量分析

乔春安

场地自行车短距离最大强度运动（如场地自行车俯冲200 m计时骑行）中功率与踏频、力矩与踏频均呈曲线关系[1]，曲线顶点功率最大，踏频一般在110～130 rpm之间[2]，被认为是短距离自行车最大强度骑行的最佳频率。了解功率、频率间的这种线性关系对在自行车实际训练和实验室测试中分析、评价运动员疲劳程度十分重要。俯冲200 m或Wingate实验起动段功率最大，不仅是因为运动员没有疲劳，还因为踏蹬频率接近最佳频率[3]。运动员出现疲劳、功率下降可能是神经肌肉疲劳和非最佳踏蹬频率双重影响的结果[4]。

近年来有研究使用“疲劳指数”来描述最大运动中输出功率的改变[5]。虽然疲劳指数可以反映疲劳的不同层面，但并未说明频率对功率的影响。因此需要一种量化疲劳的方法来比较在相同频率下力竭试验和非疲劳功率，使用非传统的方法量化疲劳程度，进一步研究频率与功率关系，明确疲劳带来的频率变化对功率的影响。本文通过对场地自行车不同传动比下大强度骑行过程中功率、频率变化进行分析，探讨传统疲劳指数、频率指数和净疲劳指数在疲劳评价中的应用价值，为明确骑行频率对功率的影响、选择相对合适的传动比提供依据。

1 研究方法

1.1 对象

国家队及上海队自行车男子短距离运动员10名，均为国际健将，所有运动员均参加过国际比赛，行进200 m成绩10.5 s左右。

1.2 研究方法

1.2.1 200m场地俯冲实验

使用SRM自行车专用功率记录仪（场地版，德国）记录场地大坡俯冲200 m计时骑行全程的运动学参数。场地俯冲200 m计时是指记录运动员在250 m场地进行3圈（750 m距离）骑行过程中的最后200 m运动成绩。第1圈运动员一般会以小于150 W的功率慢速骑行，然后逐渐增加速度，约在最后300 m左右全力加速，力争在最后200 m阶段达到最高速度。

运动员分别使用50:12和50:13两种传动比进行两次200 m俯冲骑行测试，两次测试间隔30 min，运动员场地车上安装SRM功率采集设备，采集骑行过程中的频率（C）和功率（P）变化过程，应用与频率和功率相关的疲劳公式计算疲劳指数。

1.2.2 功率—频率相关性

根据以上实验，自行车运动员在最后300 m左右全力加速，这一阶段的力矩与频率被发现有线性的相关性[6]。力矩计算根据SRM记录的功率和频率，通过公式（1）计算。

力矩= 功率 /(频率×π/30)，即T= P/(C×π/30) （1）

（功率单位W，力矩单位N/M，频率单位rpm）。

对每位运动员加速段力矩—频率进行线性回归分析。检验系数r2≥0.97作为非疲劳的数据截取部分，并确定最大力矩和最高频率。最终利用公式（2）计算每位运动员的“非疲劳”理想状态下的功率—频率关系。

P = (Tmax-C(Tmax/Cmax))(C×π/30) （2）

（P：功率，Tmax：最大力矩，C：频率，Cmax：最高频率）

1.2.3 疲劳量化公式

传统疲劳指数：F1（%）=100（Ppeak- Pfinal）/ Ppeak （3）

（Ppeak 表示实验记录的最大功率，Pfinal 表示记录的运动最后功率，也是最低功率。）

频率指数：F2（%）=100（Ppeak.f – P fi nal.f）/ Ppeak.f （4）

（Ppeak.f 表示运动最大功率时频率对应的非疲劳功率值，P fi nal.f 表示运动结束频率对应的非疲劳功率值。）

净疲劳指数：F3(%）= F1（%）- F2（%） （5）

1.2.4 数据处理

采用SPSS17.0软件，录入SRM系统采集的频率与功率，使用线性回归分析，得出各运动员P-C线性回归方程。其他数据均采用平均值±标准差表示，应用单因素方差分析，比较不同传动比下频率、输出功率及各疲劳指数差异，P＜0.05认为有显著性差异。

2 研究结果

图1描述运动员到达终点前30 s的做功过程。前7 s逐渐加速，8～11 s功率增加但速度（频率）维持原来水平，这是因为运动场地是椭圆形弧形，部分呈高低起伏。在12～15 s左右达到最大。一旦达到最大功率，频率约130 rpm左右时，功率与频率发生分离。大约在20～25 s间频率仍在增加，但功率逐步降低。

图1 200m俯冲骑行功率—频率曲线示意图Figure 1 Curve Diagram of the Power-Cadence in Flying 200m Track Riding

表1列举了运动员分别采用50:13和50:12传动比进行200 m俯冲骑行测试中功率、频率和计算得到的3项疲劳指数。与采用较大的50:12传动比相比，50:13传动比骑行最后200 m内的平均功率较高（P＜0.05），达到（1333±202）W；而两种不同传动比骑行测试最后200 m的平均频率未见显著差异（P＞0.05）。

表1 不同传动比200 m俯冲疲劳指数比较Table Ⅰ Comparison between the Fatigue Indexes of Flying 200m Riding with Different Gear Ratio

通过计算得到的3个疲劳指数，两实验组的变化趋势明显不同。50:13传动比组的传统疲劳指数达到(56.3±4.4)%，高于50:12组的(52.6±5.8)%；频率指数两组间差异不大，50:12组稍高于50:13组；而与传统疲劳指数相反，净疲劳指数则是传动比较大的50:12组高于50:13组，（43.6±8.4）%＞（41.3±6.3）%；同时在去掉频率降低带来的疲劳因素后，净疲劳指数显著低于传统疲劳指数，差异具有统计学意义（P＜0.05）。

3 分析讨论

短时间大强度运动的疲劳可能是代谢因素和中枢机制的联合作用。在外周疲劳机制中，目前比较支持肌肉横桥受损伤，并在疲劳状态时力和力—速度相关性降低。另外，疲劳相关的损失导致的肌肉松弛（如钙离子消耗过大）可能会限制工作肌肉反复周期性收缩，特别是高频率的收缩。在中枢疲劳方面，中枢信号产生减少或无法传递至肌肉，导致肌肉兴奋性下降。另一方面，肌肉兴奋性下降还有可能是无法募集具有更高募集阈值的颤型运动单元。在最大强度自行车运动中这些疲劳机制可能是比较明显的。例如，在疲劳状态下，力矩频率的线性曲线左移或下移，说明当最初频率较高时疲劳更容易产生，而对比实验显示增加频率，疲劳程度增加。因此，频率不仅影响最大功率也影响疲劳的产生。

目前的研究中，因为超过最佳频率导致功率下降，200 m的频率在（153±6） rpm,远远高于110 rpm的最佳频率41%。若通过力矩—频率的线性关系来计算，这种高频率的功率下降率大约为18.3%。这种降低以频率降低为特征。公式计算值18.3%远大于实际测量参数14.3%，原因是运动员在频率（124±4）rpm时达到最大功率,已经开始进入下坡，相同频率下功率减少1.6%。并且，结束时频率（149±5）rpm，这意味着，最后10 s频率减慢，反而接近最佳频率，使得200 m计时中的频率参数出现相反的现象。在频率变化的条件下，传统参数由于没有考虑频率因素，可能过高的估计了疲劳程度。另外，在Wingate 实验中，测试开始阶段接近最佳频率随后降低。Normative Values报道的价值标准是最大功率频率为119 rpm，最小降低到79 rpm。假设实验中最佳频率接近125 rpm，功率可能降低大约11.7%。Wooles 的实验中频率对功率减低产生的影响为34%～22%[7]。 因此，功率—频率相关性也是准确评价疲劳的重要因素。

研究中发现传统指数较净指数对疲劳程度评价数值明显偏大。这种区别主要是因为没有考虑频率的影响因素。特别是200 m俯冲时，最大功率发生在加速段接近最佳频率阶段，频率进一步增加，即使运动员没有疲劳，功率也有可能降低。本文的频率指数结果是14.3%左右。这一数值的功率下降完全是因为频率的原因，由此可以说明优秀运动员在比赛中传动比的正确选择产生最佳频率的重要性。

本文的3种计算结果对疲劳的评价是不同的，用这些方法量化疲劳使研究者对运动肌肉内部结构（如力量、速度）得到直接信息。为了说明该技术是有根据的，可以符合几种假设：首先，由Sargeant等人提出的自行车运动员力矩—频率是线性关系，在以前的相关研究和本实验过程中的数据均得到线性图形；其次，量化最大功率和最佳频率的方法可靠。

之前的对比实验显示，频率越高，对最大功率的影响越大，也影响疲劳的发生速度。同时，在疲劳实验中超过最佳频率的踏蹬也将影响平均功率。这两方面的影响在实验室和比赛中均可被证实。比赛时运动员可以通过选择传动比使频率在最佳范围，也就是说，选择合适传动比刺激产生最大平均功率和最小疲劳程度，通过最大化作功能力来提高运动成绩。但在Wingate测试中，疲劳在实验前阶段由于最大频率的快速出现而产生，最后由于频率的降低，疲劳反而缓解。

本研究中，线性回归分析方法可能更接近实际场地运动的过程。尽管我们也认同应用已知安静力矩—频率斜率和测量的频率力矩来解释频率最大力矩是有价值的，用该方法，疲劳被量化为疲劳最大力矩和安静最大力矩的比值。但Macintosh 等认为，力矩—频率斜率关系也随着疲劳而变化[3]。所以线性回归分析方法更符合实际运动过程。

我们计算的“频率指数”和“净疲劳指数”区别于传统疲劳指数和单纯的踏蹬频率。频率指数计算应用非疲劳功率—频率回归提示功率改变与频率直接相关。总之，频率指数反映的是频率对功率的影响，而净指数提示的是疲劳产生的功率变化并且独立于功率—频率关系之外，更能体现机体疲劳的程度。

4 小结

4.1 净疲劳指数较传统疲劳指数更好地反映了功率—频率关系，并能描述不同速度下的疲劳程度。

4.2 本研究中运动员可以通过适度增加传动比、降低频率来提高200m 计时赛运动成绩。

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