生物力学视角下 “Plyometric” 与肌肉“拉长—缩短周期”运动理论的研究述评

2021-05-19车同同

南京体育学院学报 2021年4期

车同同

（首都体育学院，北京100191）

“跑”“跳”“投”等人类最基本动作的共同点是一定要通过反向动作完成（如图1）。反向动作是受重力影响的人体在脚触地瞬间下肢关节弯曲，参与活动的肌肉和肌腱部分受到强制性拉长后，立即进行向心缩短的运动过程。许多运动项目中，伴随着较高的身体速度和运动能量，反向动作在短时间内产生极高的负荷，如跳跃类项目的踏跳动作一般在0.1～0.15 s完成，所受到的地面反作用力值可高达1 t左右。因此，构筑和开发针对高负荷反向动作的专项力量训练的方法和手段尤为重要。

图1 跑、跳、投和反向动作、Plyometrics的关系Figure 1 The relationship between running，jumping，shooting and reverse action，Plyometrics

高负荷反向动作过程中，肌肉先做离心式拉长，紧接着进行向心式收缩，利用肌腱复合体在离心阶段贮存的弹性势能在向心阶段释放以及神经的反射性调节，在短时间内产生更大的力量和更高的功率，这种肌肉收缩形式为拉长—缩短周期（stretch-shorten⁃ing cycle，SSC）运动。 “Plyometrics” 则是一种针对提高运动员肌肉SSC运动能力，将力量与速度有机结合以增强肌肉爆发力的训练方法。一般将SSC运动过程分为四个运动时相：预激活时期、离心收缩期、离心—向心的耦联期和向心收缩期。此过程不是单纯离心收缩与向心收缩机械性的累加，而是形成一种自然类型的肌肉功能［1-3］，它是由离心向向心收缩进行快速平稳衔接的一个有机整体，其产生的力量要远大于单纯的向心收缩。因此，SSC运动一直是运动训练界的研究热点，被广泛运用于各专项爆发力训练实践促进在拉伸—缩短周期（SSC）中肌肉力量的增加。然而，引起SSC中肌肉力量增加的机制仍不是很清楚，残余力增强（residual force enhancement，RFE）和延伸率对SSC中力量增强起着重要作用。

基于此，本研究旨在通过文献资料法、逻辑分析法，以下肢为例从生物力学视角下对SSC运动理论进行探讨与分析，归纳、梳理及追溯 “Plyometrics” 一词在我国力量训练研究领域的翻译历程，阐明SSC过程中四个时期的力学特征，以及导入快速伸缩复合训练（plyometrics training，PT）必须遵循的生物力学原则，加强教练员、运动员以及广大体育工作者对SSC理论的认识，为各专项运动员肌肉爆发力训练实践提供一定的理论依据和实际参考。

1 反向动作与SSC运动

图2列举出3种跳跃练习的形态，半蹲跳（squat jump，SJ）为无反向动作的练习，下蹲跳（counter move⁃ment jump，CMJ）为伴随较轻反向动作的练习，而跳深（drop jump，DJ）则为高强度反向动作的练习。与SJ不同，进行CMJ和DJ练习时下肢肌肉强制性被拉长，在离心阶段贮存的弹性势能迅速在向心阶段向身体移动的方向投射，这两种肌肉收缩类型结合形成的连锁状态，称为SSC运动。至今为止有关SSC运动有效性相关机制的研究，主要涉及肌肉或肌腱弹性势能的贮存和再利用、肌肉拉长后的增强效果、牵张反射等反射机能的效果等方面［2，4-5］。从实现神经肌肉潜能的角度来看，DJ是发展SSC运动能力最重要的训练方法［6-8］。

图2 跳深（DJ）、下蹲跳（CMJ）和半蹲跳（SJ）的运动形态Figure 2 Movement forms of deep jump（DJ），squat jump（CMJ）and half squat jump（SJ）

2 SSC运动过程的时相特征

Schmidtbleicher［64］将SSC分成两类，快速和慢速。慢速SSC动作特征是髋、膝、踝关节角位移大，收缩时间长，支撑时间＞0.25 s者。快速SSC动作特征是小的角位移和短的耦联时间，支撑时间＜0.25 s者。SSC运动过程与“刚度（stiffness）”密不可分。刚度是一个物理学概念，为“胡克定律的一部分”，用于研究物质的弹性，又可以理解为抵抗形变的能力，有其物理起源。经典力学中引用的刚度概念只适用于被动物体（如肌腱与韧带）。

2.1 预激活时期（pre-activity phase）

SSC运动过程的预激活时期，是离心收缩期之前的肌腱复合体预拉长时期。该时期发生在脚接触地面之前，叫做“脚接触地面前肌肉力量的持续累积”［9-11］，累计顺序：（1）形成收缩构件的初始刚度，使肌腱复合体结构的弹性机能与肌肉收缩特性相结合；（2）在动态活动中提供足够的关节旋转减速，可能是一种保护韧带和关节免受损伤的机制。

Komi等［12］采用活体测量技术，将传感器在局部麻醉的情况下植入跟腱部，直接记录人的跟腱力，经过适当的校准程序后，受试者可进行正常运动，包括以不同的速度步行、跑步、单足跳、双足跳及骑自行车。图3显示为进行中速跑时胫骨前肌、腓肠肌和比目鱼肌表面肌电图和跟腱力的变化曲线。在脚接触地面之前，小腿肌腱复合体被拉长，胫骨前肌、腓肠肌和比目鱼肌预先激活。研究得出，在脚接触地前150 ms，大多数小腿肌群出现肌电信号［13-14］。下图3显示胫骨前肌与腓肠肌的预激活程度大于比目鱼肌。

图3 脚接触地面时小腿相关肌肉的SSC运动过程中表面肌电图以及跟腱力变化（根据Komi等［15］）Figure 3 Surface EMG and achilles tendon force changes during the SSC movement of the calf related muscles when the foot touches the ground（according to Komi，et al.［15］）

前人研究表明，预激活是通过增强α-γ共激活来增加肌肉纺锤体的敏感性，从而导致牵张反射的增强［16］。在跑步缓冲阶段，肌肉主轴灵敏度的变化增加了Ia型传入神经的活性，进而促进肌钙蛋白的产生，导致膝关节伸肌和足底屈肌的活动随跑步速度增加而增加。因此，预激活增强了肌腱复合体接触地面时克服和吸收高冲击负荷的刚度［17-18］，刚度增强使肌腱储存一定的弹性能量，并在随后的向心收缩阶段释放，使力量获得增强。Aura等［19］认为，正功的机械效率与预拉长强度间成正相关关系，预拉长负荷增加时，拉长—缩短周期运动中正功功率会提高。

2.2 离心收缩期（eccentric phase）

离心收缩是SSC过程的初始时期，该时期肌腱复合体在负荷的作用下被动拉长，拉长的长度以及速度至关重要。在一定范围内，离心期所产生的弹性势能与肌腱复合体被拉长的长度和速度成正比。肌腱复合体离心期产生较大的张力主要来源于两个方面：一是离心收缩时肌肉的弹性成分被拉长而产生阻力，同时肌肉中的可收缩成分拉长过程中也可以产生阻力；二是牵张反射，肌肉在离心阶段受到外力牵拉时会反射性地引起肌肉的强烈收缩。

2.2.1 离心收缩期弹性能量的产生、贮存与释放

通常，肌肉SSC运动时在离心拉长阶段，肌腱复合体会产生的“弹性能量”并贮存在弹性组织中，在随后的向心收缩阶段被贮存的弹性能量以动能的形式释放，由此增加了肌肉收缩过程中能量生成的总和，促进肌肉力量的产生。弹性能量的生成、贮存和再利用与肌肉的组织结构有关。从生物力学的角度可以把肌肉分为收缩（肌纤维）和弹性（结缔组织）两个部分，弹性部分又根据与肌肉收缩部分不同的连接方式被分为串联和并联两种结构。Alexander等人［20］的研究认为，串联结构可达10%，而并联仅为1%～4%，所以弹性能量的产生和贮存主要取决于肌肉的串联弹性成分（如肌腱等）。Rack等人［21］对串联弹性组织的微细结构在肌肉快速伸缩中的作用做出了进一步分析，认为无论是位于肌节之间的弹性键盘，还是位于肌肉两端的肌健均对弹性能量的贮存起着重要作用。如图4所示，有弹性能量和无弹性能量的差距很大，Bob⁃bert等［22］通过大量实验，把小腿三头肌（即比目鱼肌和腓肠肌）的肌腱复合体通过模型简化为肌纤维和肌腱的结合，该模型没有任何弹性。实线表示经过试验得出的小腿三头肌的功率，虚线表示无任何弹性能的肌肉模型的功率。虚线与实线之间阴影部分只能用弹性能量来表示。

图4 跳跃起跳过程中，小腿三头肌的功率与时间的关系（根据Bobbert等［22］修改）Figure 4 The relationship between the power of the calf triceps and time during the jump take-off process（modified according to Bobbert，et al.［22］）

2.2.2 牵张反射在SSC运动中的作用

在一个SSC运动的拉长阶段中传出神经对肌肉放电受到两种反射的调整：来自牵拉反射促进作用和来自高尔基氏腱器的抑制作用。当肌肉受到外力牵拉时，肌梭感受器发动牵张反射，使受牵拉的肌肉收缩回弹。当牵拉进一步加大时，肌肉不能再被拉长而产生只有张力变化的等长收缩，可兴奋腱器官，使强烈收缩的肌肉舒张以避免被牵拉的肌肉受到损伤，这一反射过程被称为腱反射或高尔基氏腱反射。

跑步取决于肌肉和关节刚度以及阶段性牵张反射［23］。牵张反射分为短潜伏期成分（short latency stretch reflex，SLC）和中潜伏期成分（medium latency stretch reflex，MLC）。在跳跃和奔跑中，很容易观察到小腿肌群，特别是比目鱼肌的SLC。SLC出现在脚接触地面后约40 ms，牵拉肌腱系统会改变肌肉纺锤体的敏感度，导致Ia型传入活动增加，随后由于肌电活动增强而促进力的增长。这一发现与Dietz等人的研究结果一致。Dietz等人观察到跑步过程中，腓肠肌与地面接触后的肌电活动在40 ms左右急剧增加。肌腱复合体刚度不仅取决于运动范围［24］，还取决于牵张反射系统的有效性［25-26］。牵张反射在肌肉的刚度调节中发挥着重要的作用，通过调节肌腱的刚度，增加力量输出［27］。并且已被证实在肌电延迟13～15 ms后力量显著增强［28］。Stein［29］和Nichols［30］的研究得出，牵张反射系统与肌肉刚度成高度线性关系，肌肉的力量净增加量比上肌肉长度变化量为肌肉系统的刚度（肌肉和肌腱的弹性）。因此，在SSC运动中，牵张反射在触地过程中显著地促进了力的产生。

2.3 离心—向心收缩的耦联时期（coupling phase）

离心—向心收缩期之间存在一个等距收缩阶段［52］（过渡期），称之为耦联时期。研究表明，SSC运动中有两个非常重要的时间概念：耦联时间与接触时间（见图5）。离心—向心收缩的耦联时期是指工作肌在练习中从离心收缩转换至向心收缩所需的时间，是动作的过渡阶段［31］。肌肉的弹性能量的释放具有明显的时间效应，离心收缩时产生的弹性能量贮存在被快速拉长的肌肉中，若耦联时间增加，贮存的弹性能量会损耗，使向心收缩时可利用的部分减少，肌张力下降。Cavagna［32］和Komi［33］也提到，肌肉离心收缩贮存的弹性势能在向心收缩时释放，离心—向心转换过程中时间过长，弹性能量将会减弱甚至消失，相反此时期越短弹性能量利用率越高，肌肉输出功率越大。因此，肌肉的SSC运动中耦联时间越短，肌肉从离心到向心的抑制停留的时间也就越短，肌肉所贮存的弹性能量会更有效地发挥。

图5 拉长—缩短周期中重要的耦联时间和接触时间两个时间段Figure 5 Lengthen-shorten the two important time periods of coupling time and contact time in the cycle

接触时间是指在下肢SSC运动过程中测力板记录的数据中地面反作用力的周期，即脚接触地面的时间，表现为是落地的缓冲时间与蹬伸时间。Albert等人［34-35］指出，接触时间的长短会影响到向心收缩的速度。国际训练学领域极重视“接触时间”，认为SSC运动能力的提高在很大程度上就是为了尽可能缩短接触时间。Boscod等人［36］让两组受试者分别穿着普通跑鞋和特制的软鞋在跑台上进行各种跑速的练习，结果在各种跑速中软鞋组的接触时间均较普通组长，并且观察到了接触时间每增加1 ms，由预先拉长所増加的力效应相应地下降20 N。

Kobsar等［37］得出，耦联时间与接触时间成显著正相关，接触时间可以解释耦联时间方差的81.3%，在慢速跳跃条件下，接触时间可以准确预测耦联时间。慢速跳跃在关节离心阶段表现出明显的膝关节峰值减速，在关节反转附近的向心阶段表现出膝关节峰值加速，其表示耦联时间。

2.4 向心收缩期（concentric phase）

SSC运动的向心收缩期是整个过程的最后加速阶段，此过程早期肌腱额外的伸长，直到骨骼肌力峰值和肌腱达到峰值长度［53］。之后，肌腱开始收缩并释放弹性能。此阶段肌肉收缩长度变短，将离心收缩阶段贮存起来的弹性能量平稳快速地释放，进而迸发出更大的力量，输出更高地功率。SSC运动过程中力量、功率、速度和加速度的增强引发向心收缩期，其中，功率和速度除了向心阶段末期均在增加，而力量和加速度的增加只发生向心阶段的前期［51］。如图6所示。此过程不是单纯离心收缩和向心收缩所产生能量机械性的累加，而是由离心向向心收缩进行快速平稳衔接的一个有机整体，其产生的力量要远大于单纯的向心收缩。

图6 SSC运动中向心阶段力量、功率、速度和加速度的发展关系（根据McCarthy J.P.等［51］修改）Figure 6 The development relationship of force，power，speed and acceleration in the centripetal phase of SSC movement（modified according to McCarthy J.P.，et al.［51］）

3 残余力量增加（RFE）和残余力量抑制（RFD）与SSC运动

单个肌节、肌原纤维和单个肌纤维到整个肌肉都可以观察到一种现象，即主动肌肉拉伸后观察到的稳态等距力的长期增强，通常称为残余力增强（RFE）；主动肌肉收缩后观察到的稳态等距力的长期下降，通常称为残余力抑制（RFD）［54-55］，此现象亦存在于SSC运动中。

前人［56-61］研究表明，拉伸诱导的RFE有助于增加SSC过程中的力量和功率，阻碍RFD的发展。SSC过程后的稳态等距肌肉-肌腱力取决于拉伸阶段中建立的RFE的数量，并独立于拉伸阶段时所获得的力而存在［62］。还有研究表明，残余力的增强和横桥中储存的弹性能量是SSC增强的相关因素［63］。

4 “Plyometrics”一词的释义和来源

Plyometrics是指在极短时间的运动过程中提高SSC运动能力的训练方法，主要应用于田径的跳跃、短跑和投掷项目，以及球类项目中的跑、跳、投动作和步伐移动、打击动作等。Plyometrics一词最早出现于1968年的前苏联［38-39］，由前苏联生物学家Verkhoshan⁃ski首次提出［40］。国内学者通过大量的文献争论表明，Hill在20世纪50年代就较为系统地论述过肌肉与预拉长能加大肌肉张力的现象［41］。国外学者经过考证后提出，Plyometrics起源于跳跃式训练［39，42］。但是跳跃式训练能够追溯到18世纪50年代的爱尔兰，还有可能更早，但是无从考证。1975年被美国田径教练弗雷德·维尔特所命名，基于拉丁语词源，被翻译为“可测量的长度”。之后，在国内Plyometrics一直被翻译成“超等长”［43］。直到2011年，由于“等长”的概念容易被误解成静力性的动作，所以经多名学科体育专家、学者的反复讨论和斟酌，最终被翻译为“快速伸缩复合训练”［43］。具体翻译情况如表1所示。

表1 力量训练领域中各类书籍、文献对“Plyometrics”一词的翻译历程Table 1 Translation history of the term “Plyometrics” in various books and documents in the field of strength training

5 快速伸缩复合训练导入的生物力学原则

5.1 技术性和过度负荷原则

超等长阻力训练能显著降低SSC支撑时间，缩短耦联时长，提高肌肉-肌腱复合体由离心收缩至向心收缩能量转换能力，增加下肢肌肉爆发力［65］。无负重超等长练习优先发展膝关节肌肉快速力量；较低负重超等长练习可有多种效果，髋关节肌肉起主要作用，有利于发展下肢肌肉绝对力量和爆发力；而大负重时主要动用髋关节，有利于具有较大贡献度的髋关节肌肉绝对力量的发展［66］。快速伸缩复合训练。（plyomet⁃ric training，PT）中经常采用伴随着高负荷反向动作的跳深练习为手段。因此，作为PT的基本原则，应进行在尽可能短时间内的反弹性动作。采取深蹲跳动作时，一旦动作停止后再向上蹬伸，所受到的地面反作用力就会减小，进而不能形成高负荷的反向动作。意识到动作迅速转换，防止中途间断，实施反弹性的技术动作结构至关重要。PT中要以一定水平的技术性为基础，才能取得理想的训练效果。

5.2 运动构造性

PT的运动构造中存在内在的时间序列因果关系，图7显示为跳深的运动构造时间序列。由于触地时间非常短，在下落到着地的准备阶段中，主动肌要进行适度的预紧张，可以为触地阶段爆发出较高的力值做准备。同时，为了抵抗较大的地面反作用力，整个身体要形成一个系统，变成一个强力弹性体。然而，为了满足上述条件，必须进行预先动作和紧接着的落下动作。在准备阶段结束后进入着地缓冲阶段，主动肌群和肌腱单位被动拉长，全身像弹簧一样摆动的同时贮存弹性能，在蹬伸时期释放能量，爆发式完成弹射动作［48］。然而，在准备期预备动作过度紧张或没有预备紧张的情况下，准备动作不当则不会形成动力位置，进而不会发生一系列的连锁动作。另外，下肢各关节有关肌群在离心期产生肌力或核心肌群较弱，以及在蹬伸期过度强调踏射动作时，连锁动作也不会发生。

图7 跳深过程时间序列因果关系的运动结构模型Figure 7 The movement structure model of the time series causality of the depth jump process

因此，PT过程中从时序动作构造上理解并掌握技术非常重要，PT不是“难度练习”而是“技巧练习”，技术性优先于负荷量，是要将技术性与各项目专项性高度结合的训练。

5.3 训练手段的导入顺序

作为PT导入顺序的基本原则，重视时序性运动构造，首先将准备动作和着地技术分开进行练习。为此，将“台阶跳下和着地缓冲”作为一个整体进行练习，如果让其进行较大声音的着地或受到较高冲击时，提示其进行预备紧张、准备动作和着地动作，即便在较小的可动范围内，为抵抗重力，高质量地完成缓冲动作至关重要。其次，流畅地完成落地缓冲和蹬伸动作，实施让其有效地前后结合的连锁练习。

在掌握基本技术基础上，可以在进行各种跳跃练习的同时提高负荷强度。一般而言，可以从以单纯垂直高度为目标的练习到有身体前旋的练习，从双脚到单脚的练习，从有手臂或腿部限制的练习到自由练习，从一次单独跳跃到多次连续跳跃练习，遵循以上原则，应按照各自顺序导入各种练习［49］。每次都从技术简单、容易掌握的动作练习过渡到复杂、熟练的动作练习。另外，在负荷强度上遵循递增性原则，一般从低台阶到高台阶、无助跑到有助跑，轻负荷到重负荷负重、制动性到反弹性动作，应按照以上顺序选取、导入练习。

另外，训练对象是青少年或竞技水平较低的运动员时，上述的导入顺序应进行重新组合，略加调整在训练计划中的位置，在注重基本技术练习的同时，提高其反向动作的完成能力，在安全、无受伤风险的基础上掌握练习动作，逐渐提高负荷强度。而当训练对象为高水平运动员时，由于具有较高的技术，有必要导入高强度负荷的练习内容，如在1 m以上的台阶上进行跳深练习，在台阶上进行助跑进行跳深跳远练习、负重蹲跳练习等。高水平运动员训练计划中导入以上高强度PT，可以显著提高其竞技水平［50］。同时，为了防止受伤，探求每个运动员的极限负荷的同时，导入各自适当强度的练习也是非常重要的。