“旋转式技术”神经肌肉活动的内在规律——以冯杰为例

尹华跟，张葆欣，黄 艺，叶萃蓬，马 屹

(1.上饶师范学院体育学院，江西 上饶 334001；2.西安体育学院健康科学系，陕西 西安 710068；

3.贵州健康职业学院人文基础部，贵州 铜仁 554300；4.岭南师范学院体育科学学院，广东 湛江 524048)

旋转式推铅球技术自1972年首次出现在奥运赛场上，至今已有40余年的发展史。当前，该项目的世界记录是由美国著名旋转式推铅球运动员巴恩斯在1990年以23.12米的成绩创造并保持至今的[1]。近几年，在世界田径赛场上采用旋转式推铅球技术的运动员不断增多且屡创佳绩。根据国外科学家推测，今后采用旋转式推铅球技术可将铅球记录在原有最高水平的基础上提高2～3米，这说明该技术具有巨大的发展潜力。反观我国，旋转式推铅球技术却没有像背向滑步技术那样在国内田径界产生较大的影响，很多教练员和运动员对此技术还将不太认可的态度。但随着科学技术的进步，业内人士开始逐步认识到旋转式推铅球技术具有其独特的优势并代表着今后推铅球技术的发展趋势，所以该技术逐渐被教练员和运动员所关注。尤其是在近期的第十三届全运会上，铅球运动员冯杰采用旋转式推铅球技术夺得铜牌，超额完成了赛前预定的目标，实现了陕西省在全运会中该项目奖牌的零突破，同时也让其他竞争对手及教练员眼前一亮。冯杰在2014年之前还是采用背向滑步推铅球技术，并在上届全运会中仅以一公分之差未能进入前八；之后由于考虑到个人年龄和伤病等问题，同时结合美国著名铅球教练员唐·巴比特对其身体形态的评估，冯杰三次赴美进行技术动作的更换(滑步改为旋转)。经过三年的技术沉淀后，冯杰在国内规格最高的赛事中获奖，这是我国铅球史上首例，所以具有重要的研究意义。

表面肌电(Surface Electromyogram,sEMG)信号是从皮肤表面通过电极引导记录下来的神经肌肉系统活动时的生物电信号，其与肌肉的活动状态和功能状态之间存在不同程度的关联性，能在一定程度上反映神经肌肉的活动[2,3]。目前，运用该测试系统进行的肌电学研究已广泛应用到各个研究领域，在跑跳类、球类、投掷类、武术等项目中均有应用[4]。但对于铅球项目研究的应用则更多地局限于背向滑步推铅球技术。关于女子铅球运动员研究较多，但研究方式多为运动学原理。关于旋转式推铅球技术的研究少之又少，通过文献检索发现，只在孙有平[5]、曹杰[6]、孙威[7]等研究人员近几年的研究中有所涉及，且他们的研究多是关于单个关节和单个技术动作而非完整的投掷技术环节。

基于此，本研究运用无线遥测肌电测试系统和高速摄像机对优秀旋转式推铅球运动员冯杰采用的三种不同重量铅球训练的整个技术环节进行同步测试，以获取(各技术阶段)同一时间标准和时序下的相关肌电学参数，进而揭示三种不同重量的铅球在完整投掷过程中对神经肌肉活动内在规律及机理变化特征的影响，为今后冯杰技术动作的改进和专项力量训练的合理安排提供一定的理论参考。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

笔者以西安体育学院竞技体校优秀铅球运动员冯杰为研究对象(表1)，该运动员在2017年赛季中获得全国田径室内锦标赛(第三站)和全国田径投掷项群赛(第二站)亚军以及第十三届全运会季军等奖项。本研究选取的是2017年7月运动员赛前训练中实验测试的相关肌电学数据。

表1 研究对象基本情况一览表

1.2 研究方法

1.2.1 文献资料法

笔者通过万方数据库、中国知网等网络资源平台检索了近10年有关投掷铁饼和旋转式推铅球技术的运动学及肌电学方面研究的文献资料，并对部分文献资料进行整理、归纳，为本论文的撰写提供了有力的理论参考依据。

1.2.2 专家访谈法

笔者在课题研究过程中，访问了国家队投掷组在西安冬季集训期间的领队及部分铅球资深教练，进一步深化了对旋转式推铅球技术动作特点的理解。同时，对运动员主管教练马屹以及西安体院运动生物力学、田径等专业学科领域的专家就本次实验方案设计的可行性进行了咨询，同时也征求了运动员的意见。这为本研究实验测试方案的确定与完善提供了有力的指导和帮助。

1.2.3 实验法

(1)测试仪器与方法。本实验所使用的测试仪器均源于西安体育学院国家体育总局重点实验室。本次实验运用芬兰生产的(Megawin6000-16)16导无线遥测肌电仪，对运动员(冯杰)的10块肌肉进行测试，记录下运动员在投掷铅球过程中受试肌肉的表面肌电图(sEMG)。同时，采用两台美国PULNIX高速摄像机从投掷圈的正后面和右侧面同步拍摄并记录下动作的视频。其表面肌电图(sEMG)的采样频率为1 000 Hz,摄像机的拍摄频率为50 Hz，每台摄像机距离投掷圈约10 m左右，镜头距离地面1.1 m左右。

(2)测试肌肉的选取与电极的粘贴。根据旋转式推铅球和掷铁饼技术动作结构特点以及运动生理学、运动解剖学知识，结合对以往学者在相关研究中选取肌肉的方法和教练员、运动员在运动实践中的认识，选取了10块测试肌肉，分别为左侧2块(左股二头肌、左股四头肌)、右侧8块(右腓肠肌后段、右股二头肌、右股四头肌、右臀大肌、右竖脊肌、右腹外斜肌、右胸大肌、右腕关节屈肌)。本次实验的电极使用的是一次性心电电极片(Ag/AgCI,上海申风医疗保健用品公司生产)，在电极片安放前先用砂纸轻轻打磨皮肤，去掉角质皮和汗毛，再用医用酒精棉球清除皮肤表面的油脂等以提高电极的导电性。在贴放电极片时，顺着肌纤维的走向将两个记录电极平行贴在肌肉的肌腹处，两个电极相距2 cm，零电极则贴在肌肉的末端，并通过A/D转换器与电脑连接。最后用弹力绷带固定好电极，以减少噪声对信号的干扰。具体见图1所示。

图1 选取测试肌肉电极片安置示意图

(3)同步的设置。关于同步的问题，我们采用外同步方法使肌电仪和摄像机进行同步连接，在每个摄像机前面放置一个通过串联连接的闪光点。当开始信号在肌电仪里面发出时，在摄像机里可以记录到一个很亮的光源(称作“mark点”)，从而完成技术动作在肌电和摄像中的同步工作。在数据解析的时候，根据mark点设置在采集段的两端，截取两个mark点间的肌电和影像数据进行同步处理。

(4)实验方案的操作。在实验方案确立之前，我们先咨询了运动员、教练员及相关专家的建议，以确保实验的准确性。在正式实验前，先让运动员做10～15 min的热身活动，以确保运动员身体各关节都活动开；然后对不同重量的铅球进行试投，以提高技术的稳定性；最后进入正式测试，运动员对不同重量的铅球均投3～4次左右，并为每一次成绩做记录(具体操作见表2)。

表2 运动员投掷不同重量铅球实验操作情况一览表

实验测试时间为2017年7月8日上午，实验测试地点为西安体育学院综合田径馆。

1.2.4 数理统计法

采用芬兰生产的Megawin肌电分析软件对选定的肌电仪中的原始数据进行计算、处理，以此获得运动过程中肌肉的放电时间顺序、RMS值和iEMG值等数据。运用SPSS Statistics17.0统计软件对实验数据进行常规统计学处理，对投掷三种不同重量铅球的动作中肌肉的放电值进行方差分析，并在Excel表格中制作图表运用到文中进行研究分析。

2 研究结果与分析

为了更好地认识和分析旋转式推铅球技术动作的特征，根据山东体育学院毛永[8]教授的研究结果，笔者将完整的旋转式推铅球技术划分为五个技术阶段，即双支撑起转阶段(预摆开始—右脚离地R↑)、单支撑阶段(右脚离地R↑—左脚离地L↑)、腾空阶段(左脚离地L↑—右脚着地R↓)、过渡阶段(右脚着地R↓—左脚着地L↓)、最后用力阶段(左脚着地L↓—铅球出手♂)。

2.1 冯杰投掷过程动作时间特征的分析

旋转式推铅球作为快速力量爆发型运动项目，其影响旋转速度的主要因素是加速的节奏，从其节奏变化可以判断运动员身体加速的合理性。通过表1可知，冯杰在投掷三个不同重量的铅球时，完成动作的时间分别为3.107 s、3.03 s和3.138 s。相比之下，投掷7.26 kg铅球完成动作时间相对较短，主要是因为双支撑起转阶段动作结束时间较早，所以后续动作阶段铅球越转越快。双支撑起转阶段是整个旋转动作的开始阶段，同时也是产生旋转动量的重要时刻，运动员应在该阶段使整个身体处于充分扭紧的准备状态，以储备足够的旋转动力。但通过数据并结合影像视频来看，7.26 kg铅球的投掷并非如此，冯杰双支撑起转阶段准备时间不充足，投掷结果不佳，这说明技术阶段完成动作时间短也并不能代表技术动作的娴熟、稳定以及肌肉间的发力协调。预摆开始的准备时间充足才更有利于投掷技术的稳定发挥，这在学者们对李厚林[9]、董海军[10]和王卓识[11]的研究中都有所体现。在单支撑阶段，冯杰投掷7.26 kg铅球与其他两种不同重量的铅球相比用时较长，为0.528 s，占该投总时间的17.43 %。这与学者董海军[10]在对我国优秀旋转式铅球运动员张俊的研究结果存在一定的差异，在该研究中张俊的单支撑阶段完成时间为0.4 s。相比较，冯杰投掷三种不同重量的铅球在单支撑阶段均存在用时较长的现象，这表明冯杰在单支撑阶段存在右腿的摆扣及左腿的蹬转不够积极主动的问题。腾空阶段的时间是人体在无支撑状态下的运行时长，冯杰在相应的投次中完成腾空阶段的时间相对较短，但与张俊在该阶段技术的完成时间(0.08 s)相比则显得用时尤为长。这说明冯杰在旋转中，外力矩消失的情况下，重心上下起伏较大，不利于右腿带动右髋快速扣转下压，这使之左腿离地后不能迅速屈膝积极地向右腿靠拢，导致旋转速度降低，耗时较长。这些问题在冯杰投掷三种不同重量的铅球中均存在。在过渡阶段，用时长短一直是学者们争论的焦点，有的学者认为过渡阶段时间越短越好；但学者董海军[10]对张俊的研究以及笔者自身对运动员技术动作解析的结果认为过渡阶段并不是越短越好，因为用时短虽有利于左脚快速着地，但不利于增加两脚之间的着地距离，这将会影响最后用力对器械的加速距离。从投掷三种不同重量铅球的效果来看，冯杰投掷8 kg铅球在过渡阶段的完成时间与张俊在该阶段的时间(0.24 s)更为吻合。但是投掷其他两种不同重量的铅球在过渡阶段的用时长短并不能由此判定该投掷技术的好坏，只有符合运动员自身发力的合理范围及满足肌肉间的协调合作才能发挥最大的输出功率。最后用力在推铅球技术的最后加速阶段，冯杰投掷三种不同重量铅球时的最后用力阶段用时大体一致，差异不显著，且与张俊在该技术阶段用时(0.24 s)相接近。这说明冯杰在投掷铅球时，整个下肢的蹬伸速度较快，对铅球出手速度及投掷角度的把控较好。

从整体上看，相比投掷6 kg和7.26 kg铅球，投掷8 kg铅球在开始的旋转阶段，耗时相对较短；但在腾空转过渡阶段旋转速度降低，耗时增加明显。而在最后用力阶段，完成时间上则与投掷6 kg和7.26 kg铅球无差异。这体现了在旋转过程中人体动能向铅球充分的转移，使“人体—器械”于旋转中积蓄的“能量”在最后用力的动作中得到充分的“释放”[12]，从而在一定程度上弥补了腾空转过渡阶段降速较多的不足。

2.2 冯杰投掷三种不同重量铅球肌肉活动的sEMG总体描述

图2—图4是冯杰在投掷三种不同重量的铅球动作过程的原始sEMG数据。笔者通过对原始sEMG中各技术阶段及动作的划分来对所测的10块肌肉活动的强弱进行定性描述。

2.2.1 投掷6 kg铅球

图2为冯杰投掷6 kg铅球的动作时相与肌肉的原始sEMG测试所对应的结果。根据图2显示，冯杰在该投掷过程中的旋转阶段(双支撑起转阶段，单支撑阶段、腾空阶段、过渡阶段)下肢肌群是主要参与活动的肌肉，躯干及上肢肌群在旋转阶段放电效果不明显，有的肌肉甚至未被激活，在整个过程中只有右竖脊肌保持一定的持续用力。肌肉的原始sEMG放电信号最强的阶段是最后用力阶段，该阶段是决定投掷成绩的关键技术阶段。在这一技术环节中，除左股二头肌外，其他肌肉均表现出较强的肌肉活力，其中左、右股四头肌的振幅及棘波频率最为强烈，肌肉活动强度相对较弱的是右腹外斜肌、右胸大肌。左股二头肌是该阶段放电最弱的肌肉，这与李延军[13]学者对张俊在该技术阶段的研究结果相悖，其研究认为左股二头肌是最后用力阶段的主要发力肌肉。所以，冯杰今后应加强左股二头肌及相关联肌肉的专项训练，以弥补在该技术阶段主要发力肌肉的放电不足。

表3 投掷三种不同重量铅球时各技术阶段完成动作时间分配统计表 单位：s

图2 冯杰投掷6 kg(20.87 m)铅球原始sEMG图

2.2.2 投掷7.26 kg铅球

图3为冯杰投掷7.26 kg铅球时，相与肌肉的原始sEMG测试结果。根据图3所示，冯杰在该投掷练习中右竖脊肌在旋转阶段均一定的持续用力，但在最后用力阶段则出现放电不明显的迹象。这与上述冯杰投掷6 kg铅球的原始sEMG在该阶段存在显著差异，同时与王琨[14]学者在其研究中认为右竖脊肌在整个投掷过程中应保持一定的持续收缩能力来固定竖直躯干以保证旋转的稳定性的结论不一致。从而进一步说明了冯杰在旋转过程中，右竖脊肌固定竖直躯干稳定性不足的问题。另外，左股二头肌、右腹外斜肌、右胸大肌在最后用力阶段肌肉活动强度较弱，尤其是右胸大肌在整个技术环节中存在未被激活的问题。右腕关节屈肌则在最后用力铅球出手瞬间出现一次最大的放电信号，这说明冯杰在该阶段积极伸臂促使铅球急速有力地向前推出。

2.2.3 投掷8 kg铅球

图4为冯杰投掷8 kg铅球的动作时相与肌肉的原始sEMG测试结果。根据图4所示，冯杰在该投掷过程中右竖脊肌保持着一定的持续用力，其放电强度在最后用力阶段要明显好于7.26 kg铅球。左股二头肌在之前投掷6 kg、7.26 kg铅球的最后用力阶段，原始sEMG中存在未被激活的迹象，但在该投掷的技术环节中出现一次最强的放电。另外，右腹外斜肌和右胸大肌在该阶段放电效果相对明显，其他肌肉也在该阶段出现了一种“爆发式”肌肉活动。从整体上看，该投掷阶段各块肌肉放电效果呈现出由下往上、从右至左再右的传递过程，肌肉收缩与放松效果明显，富有节奏感，呈现出“一张一弛”的状态。

图3 冯杰投掷7.26 kg(18.58 m)铅球原始sEMG图

图4 冯杰投掷8 kg(16.79 m)铅球原始sEMG图

2.3 冯杰投掷三种不同重量铅球肌肉活动的RMS特征分析

表4 投掷三种不同重量铅球时各技术阶段肌肉活动的RMS统计表 单位：uV

2.4 冯杰投掷三种不同量铅球肌肉活动的iEMG特征分析

积分肌电(iEMG)是指在一定时间内肌肉参与活动的运动单位的放电总量，即在时间不变的前提下，其值大小在一定程度上反映了参加工作的运动单位的数量多少和运动单位的放电大小，这是评定肌纤维参与多少的重要指标[2,15,16]。肌肉做功贡献率是指在完成某一工作时，在一定时间内某一块肌肉的积分肌电值占参与该动作全部肌肉积分肌电总值的百分比，这在一定程度上可以反映一块肌肉在完成一个动作中的比重或重要性[17]。两者主要是通过对不同骨骼肌的积分肌电值进行比较来评价不同骨骼肌的贡献程度，从而有针对性地设计专项力量训练手段，提高训练效果。

表5 投掷三种不同重量铅球时完整技术动作肌肉活动的iEMG统计表 单位：uV.s

表6 投掷三种不同重量铅球时完整技术动作肌肉做功贡献率(%)统计表

图5 投掷三种不同重量铅球时肌肉活动的积分肌电、贡献率平均值示意图

3 结论

(1)双支撑起转阶段(R↑)准备时间充分，更有利于投掷技术的稳定。

(2)左股四头肌和右股二头肌在整个动作过程中是主要用力肌肉，今后应该注意加强训练，特别是股后肌肉群的训练。

(3)右竖脊肌除在投掷7.26 kg铅球的最后用力阶段(♂)放电不足外，但在投掷6 kg和8 kg铅球的整个技术阶段中均表现出较好的放电水平。

(4)投掷6 kg和8 kg铅球的肌肉激活效果要好于7.26 kg铅球，尤其是投掷8 kg铅球效果最为明显。在今后的专项技术练习中可以多采用6 kg和8 kg铅球训练来巩固并提高投掷技术的稳定性。

(5)肌肉活动与主动用力大小的顺序是右竖脊肌、右臀大肌、左股四头肌、右股二头肌、左股二头肌、右腓肠肌后段、右股四头肌、右腹外斜肌、右腕关节屈肌、右胸大肌。在整个投掷过程中右竖脊肌、右臀大肌、左股四头肌、右股二头肌作用较大，值得深入研究并加强锻炼。