力量测试的生物力学

戴伯颐，沙湛鑫

（1. 美国怀俄明大学 运动机能与健康系，美国 怀俄明州拉勒米市 82070；2.美国南密西西比大学运动机能学院，美国 密西西比州哈蒂斯堡市 39406）

力量测试的生物力学

戴伯颐1，沙湛鑫2

（1. 美国怀俄明大学 运动机能与健康系，美国 怀俄明州拉勒米市 82070；2.美国南密西西比大学运动机能学院，美国 密西西比州哈蒂斯堡市 39406）

力量测试被教练员和运动员广泛使用，生物力学因素对于力量测试的结果和力量训练的效果有重要影响。论述单关节和多关节力量测试中力臂与力矩之间的关系，肌肉长度、收缩速度、动作类型在力量测试中起到的作用，讨论非传统力量测试中用到的仪器和指标及其在不同领域的运用。教练员在力量测试和力量训练中应考虑这些因素，保证力量测试的可靠性，以及力量训练与运动效果之间的相关性。

运动人体科学；力量训练；训练效果；监测

肌肉力量是人体体育运动和日常活动的重要基础，通常被定义为某个肌肉或肌肉群在某一特定动作中能够产生的最大力或者最大力矩。反映肌肉力量的测试指标很多，如衡量下肢力量的测试指标有膝关节等动力矩、深蹲重量和纵跳高度等。本文重点介绍不同力量测试中所涉及到的生物力学因素。

1 单关节力量测试的生物力学

单关节力量测试中能够比较明显地区分力、力臂和力矩。以手用测力计测试伸膝力量为例（图1），测试人员将测力计放在离踝关节较近的地方测试受试者产生的最大力。在这种情况下，所测得的力就是外力；而测力计到膝关节的距离则是外力臂。如果将外力乘以外力臂，得到的就是外力矩。由于小腿重心在膝关节之下，测试到的外力矩和内力矩大小一样。假设这个内力矩都是股四头肌产生，那么股四头肌到膝关节的作用距离就是内力臂，而将内力矩除以内力臂就可以得到内力。在伸膝测试中，由于股四头肌内力和内力臂相对恒定，因此，内力矩也相对恒定。最容易导致误差的是测力计放置的位置。如果测力计放在较远的位置，则外力臂较大，测试到的外力则会较小（图1左）；而如果把测力计放在较近的位置，则外力臂较小，测试到的外力则会较大（图1中）。相比于测试外力，测试外力矩的可靠性更高。常用来测试关节力量的Biodex 等动力量测试系统（图1右）最后所给出的指标就是力矩。

2 多关节力量测试的生物力学

在多关节力量测试时，外力是多个内力矩的综合体现，因此每个关节都对外力的产生起到作用。例如在纵跳中，伸踝、伸膝和伸髋肌群都产生了垂直于地面的力。相比于单关节测试，多关节测试的优点是更接近实际运动中的动作，但缺点是难以明确每个关节对最后力量的贡献程度。比如2位纵跳高度一样的运动员，其膝关节和髋关节力量可能很不一样。多关节力量测试中也能区分力和力矩，例如在深蹲测试时，半深蹲负重往往比全深蹲大。由于深蹲时的负重是外力，当受试者往下移动时，膝关节和髋关节角度增加，而外力到膝关节和髋关节的作用距离增加。因此，当外力恒定时，外力臂随着关节角度的增加而增加，进而导致对每个关节外力矩的增加（图2）。与此同时，由于肌肉力和力臂相对恒定，运动员能够产生的内力矩则相对恒定。所以当深蹲幅度增加时，能够蹲起的最大重量随外力臂的增加而减少[1]。此外，在多关节测试中，各个关节的相对位置也会影响关节之间的力矩分布。以卧推为例，当杠铃重量不变，而两手间距较小时，外力到肘关节是屈肘力臂，外力到肩的力臂较小，肘关节需要产生伸肘力矩，肩关节负荷较小（图3上）；而当两手之间距离增加，外力到肘关节是伸肘力臂，外力到肩的力臂较大，肘关节需要产生屈肘力矩，肩关节负荷较大（图3下）。

图1 伸膝力量测试的生物力学示意

3 肌肉力、长度和速度对力量测试的影响

肌肉在不同长度和速度下能够产生的最大力不同。离心收缩时力最大，等长收缩时其次，向心收缩时力最小。此外，在向心收缩时，收缩速度越大，产生的力越小；在离心收缩时，收缩速度越大，产生的力越大。所以在测试关节力矩时，控制收缩方式和速度很重要。此外，肌肉在其最佳长度时产生的力最大，当肌肉偏离最佳长度（缩短或者拉长），其产生的最大力会下降。肌肉的长度往往与关节的角度相关，比如肱二头肌的长度会随肘关节的增加而变长。因此，不同的肘关节角度测到的最大屈肘关节力矩不一样。此外，肌肉具有“牵拉—收缩周期”的特征，即肌肉在向心收缩前先进行离心收缩可以增加其力量输出。这一个理论的最佳体现是有预摆的纵跳高度大于没有预摆的纵跳高度。因此在力量测试中，关节角度、速度和有无预摆都会影响所测得的最大力或者力矩。

图2 深蹲中关节角度与外力臂之间的关系

图3 卧推时两手间距与外力臂之间关系

4 动作类型对力量测试的影响

不同的动作类型即使使用同一肌群，其产生的力量也会不一样。在开链动作中，远端关节相对自由而近端关节相对固定（如踢足球）。在闭链动作中则相反，远端关节相对固定而近端关节相对自由（如下蹲）。Biodex等动伸膝力矩测试属于开链测试动作，而下蹲力量测试属于闭链测试动作。有数据表明在开链和闭链动作中，大腿的肌电活动是不一样的[2]。此外，研究显示，深蹲训练可以增加深蹲负重和纵跳高度，但并没有显著增加开链下等速伸膝力矩；卧推训练可以增加卧推力量，但没有显著增加闭链下俯卧撑时的最大力输出[3]。相比坐姿水平蹬腿，负重深蹲训练对于纵跳高度的改善更为明显[4]。这些发现都突显出力量训练和测试中动作类型和身体姿势的重要性。动作类型与身体姿势不仅影响内外力臂、力矩、肌肉力长和“力—速”关系，而且影响到神经肌肉的适应性和多关节的协调性。在力量测试及训练中，教练员要尽量选择与运动模式相似的动作类型。

5 传统力量测试和非传统力量测试比较

传统的力量测试动作包括深蹲、卧推、硬拉等。在这些测试中，测试人员可以直接测得运动员完成这些动作时的最大负重，也可以通过较小负重推测最大负重。直接测试最大负重的不足之处在于：较高的受伤概率及较长的测试时间。因此，很多其他测试系统被用来测试力量相关指标，包括定时门、测力台、应力测试仪器、纵跳毯、动作捕捉系统、加速度计等[5]。定时门可用于测试动作的速度。测力台可以通过地面作用力来推算身体的速度、功率、起跳速度和高度[6]。应力测试仪器可以安装在不同仪器上以测试不同动作中的最大力，比如等长深蹲和等长硬拉。纵跳毯通过受试者在空中的时间来测试起跳高度。动作捕捉系统可以计算出位置、速度、加速度。当测力台和动作捕捉系统同时使用，关节力矩和功率也能被计算出来[7]。加速度器可以直接测量加速度。应用力可以通过加速度和质量来计算。加速度和单位时间也可以计算出速度。由于力量和肌肉含量的关系，身体肌肉成分也能从一定角度反映肌肉力量[6]。相比于传统的最大力量测试，功能性动作力量测试不但在相关指标上更接近真实的运动情景，而且可以降低受伤概率和缩短测试时间。

6 力量测试的应用意义

力量测试不仅可用于检测力量训练的效果以及力量与运动成绩的关系，还可用于对疲劳的诊断和对运动损伤的监测。简洁快速的测试方法（如最大俯卧撑测试和纵跳测试中的最大力和功率）可用于监测澳式橄榄球运动员的疲劳[8]。此外，当身体左右两侧的最大力被2个不同测力台测试的时候，两侧力量的不平衡也能反映出来。当运动员身体一侧发生严重的运动损伤（如单侧十字韧带断裂），往往会表现出身体两侧显著的不平衡/对称，而对力量不平衡的监测可以用于预防损伤[7]。

7 小 结

本文介绍了一些可以影响到力量测试结果的生物力学因素。教练员在力量测试和力量训练中应考虑这些因素，进而保证力量测试的可重复和对比性，以及力量训练与运动效果之间的相关性。简洁实用的力量测试更应被广泛使用，以达到监控训练效果和训练状态，及时发现损伤风险，帮助伤后康复等目的。

[1]Fisher H, Stephenson M L, Graves K K, et al. The relationship between force production during isometric squats and knee flexion angles during landing[J]. J Strength Cond Res, 2016,30(6)：1670-1679

[2]Wilk K E, Escamilla R F, Fleisig G S, et al. A comparison of tibiofemoral joint forces and electromyographic activity during open and closed kinetic chain exercises[J]. Am J Sports Med, 1996, 24(4)： 518-527

[3]Wilson G J, Murphy A J, Walshe A. The specificity of strength training： the effect of posture[J]. Eur J Appl Physiol Occup Physiol, 1996,73(3-4)： 346-352

[4]Wirth K, Hartmann H, Sander A, et al. The impact of back squat and leg-press exercises on maximal strength and speed-strength parameters[J]. J Strength Cond Res, 2016,30(5)： 1205-1212

[5] McMaster D T, Gill N, Cronin J, et al. A brief review of strength and ballistic assessment methodologies in sport[J]. Sports Med, 2014, 44(5)： 603-623

[6]Stephenson M L, Smith D T, Heinbaugh E M, et al. Total and lower extremity lean mass percentage positively correlates with jump performance[J]. J Strength Cond Res, 2015,29(8)：2167-2175

[7]Dai B, Butler R J, Garrett W E, et al. Using groundreaction force to predict knee kinetic asymmetry following anterior cruciate ligament reconstruction[J]. Scand J Med Sci Sports, 2014, 24(6)： 974-981

[8]Roe G, Darrall-Jones J, Till K, et al. Between-days eliability and sensitivity of common fatigue measures in rugbyplayers [J].Int J Sports Physiol Perform, 2016,11(5)： 581- 586