平均速度确定最佳功率负荷的可行性研究

2021-06-21梁美富李铁录郭文霞金银日

成都体育学院学报 2021年3期

梁美富，李铁录，郭文霞，金银日

运动员最大输出功率能力往往是赛场上制胜的关键，许多运动项目技术、战术的充分发挥都构建在运动员最大输出功率能力基础之上，输出功率与专项运动成绩密切相关[1]。此外，功率力量训练能有效降低力量训练的疲劳感[2]，促进运动员训练效应向比赛效应等训练效益转移[3]，故发展运动员的最大输出功率能力备受教练员和科研人员青睐。

最佳功率负荷(Optimal Power Load，OPL)是指骨骼肌收缩过程中，产生最大输出功率时所对应外界负荷[4]。OPL是完成动作过程中速度与力的最佳结合，其可测量、可量化的特点打破了传统经验主义安排力量训练负荷的模式，利于实现力量训练中“经验主义”和“理性主义”中双向调控。尤其是在世界高水平运动员竞技博弈之中，技艺水平已高度自动化，比赛胜负往往就在伯仲之间，输出功率自然成为运动员的本源之争。通常，确定OPL 首先需要测试运动员的最大力量(1 Repetition Maximum，1 RM)，然后在不同负荷下(0%1 RM～90%1 RM)进行多组输出功率测试来确定最大输出功率[5-7]，且还需要随着运动员的力量变化对OPL 进行及时更新，整个过程耗时、费力，还存在一定的运动损伤风险。鉴于此，本研究拟测试大学生运动员卧推抛和半蹲起的OPL，剖析OPL 时各动力学指标之间的关系，探寻简易、高效、稳定的方法来确定个体OPL，为推进OPL 力量训练数字化和精细化提供科技支撑。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

北京某大学男性大学生运动员46 名，有负重半蹲和卧推练习经历。所有受试者无各种内脏疾病，肝、肾功能正常。要求受试者测试前3 h 内无咖啡因摄入，24 h 内未进行大强度力量训练，近3 个月内无下肢关节损伤、无心血管疾病、无皮肤过敏、无疝气等禁忌症状。所有受试者均提前告知参与实验潜在风险，并签署知情同意书。

1.2 研究方法

1.2.1 文献资料法

通过中国知网和万方数字资源数据库对相关中文文献进行检索，以“力量训练”“功率”“负荷”等为关键词进行检索，检索到中文类核心期刊论文79 篇，纳入9 篇文献进行重点研读。通过PubMed、Google Scholar 和EBSCO 数据库对英文文献进行检索，以“strength training”“optimal power load”“power output”为关键词进行组合式混合检索，检索到英文期刊论文2 782 篇，纳入137 篇文献进行重点研读。

1.2.2 实验法

(1)实验器材。

九轴蓝牙姿态传感器Wit-Motion(BWT901CL)1 个；笔记本电脑1 台；史密斯架2 套(包括标准杠铃杆、杠铃片、固定弹簧夹)；秒表1 块；透明胶带1 卷；外置摄像头1 个；备用电源1 块。

表1 受试者基本情况一览表()Table1 Basic information of the subjects()

(2)实验流程。

实验包括两个测试，分别是卧推和半蹲起1 RM测试、卧推抛和半蹲起最大输出功率测试。1 RM测试和最大输出功率测试均在史密斯架上进行，两侧均有保护人员，两次测试至少间隔48 h。实验开始前，采集受试者身高和体重，带领受试者了解测试流程，练习测试动作。

1 RM测试:采用NSCA 测试方案[8]，热身活动采用5～10 次重复的重量，依次预估并完成3～5、2～3、1 次重复的重量试举，每次加重方式为上肢4～9 kg，下肢14～18 kg。无论1 RM试举成功或失败，均以上肢2～4 kg，下肢7～9 kg，继续加重或者减重，直到可用正确动作完成一次重复，运动员最好能5 次内测出1 RM重量。每次试举间歇时间为2～4 min。

最大输出功率测试:测试前，受试者进行15 min 常规热身活动，包括10 min 中等强度慢跑，5 min 上下肢动态拉伸。将传感器固定于杠铃杆上，受试者分别在10%、30%、50%、70%和90%1 RM负荷下进行半蹲起和卧推抛测试，每一级负荷采集1 次有效数据，组间间歇时间为3～5 min。

测试动作要求:半蹲要求受试者双脚开立与肩同宽，身体直立，杠铃至于双肩，双手握住杠铃，负重下蹲至90°，停顿1～2 s 后，然后最快速度蹬伸至站立姿势，杠铃杆不得离开肩部、双脚不得离开地面[9]。卧推抛要求受试者平躺，头部、上背部以及臀部触及平板，脚掌与地面平行接触，双手正握杠铃，杠铃下降至胸部，停顿1～2 s 后，爆发式向上推起，肩胛骨与平板不分离[10]。

为减少测试误差，测试前明确告知并熟悉实验动作标准；每次试举均要求受试者尽全力完成；每次重复动作均给予受试者口头提示与鼓励；根据受试者的身高和体重预估其1 RM 值。

(3)数据采集流程。

采用MiniIMU(版本号:4.3.14)软件进行数据采集，波特率设置为115 200 bit/s，回传速率为100 Hz，加速度量程为0～8 G 的重力加速度，计算加速度零偏值，并写入参数，输出内容选择时间和加速度。设置好测试负荷后，向受试者下达“准备”的口令，受试者上史密斯架后，打开传感器，软件回归零设置。受试者准备好后，实验操作人员在电脑采集窗口触发采集，发出“3，2，1，开始”指示口令，采样结束后，受试者离开史密斯架，保存数据。

(4)数据处理。

根据时间、加速度和训练负荷值对输出功率、速度和力值进行计算，计算公式如下:Vi=Vi-1+ai × ti，Fi=mi ×(ai+g)，Pi=Fi ×Vi。其中，a 为垂直方向加速度，V 为瞬时速度，P 为输出功率，m 为训练负荷，g 为重力加速度(10 m/s2)，初速度V0=0 m/s。

1.2.3 数理统计法

采用EXCEL 2019 对数据进行汇总和计算，将所获数据导入SPSS 22.0 进行缺失值、异常值和一致性检验，运用GraphPad Prism Software 7.0 软件进行图形绘制。采用重复测量方差分析对各组别不同负荷间输出功率的差异性进行检验，采用单因素方差分析对投掷组、短跑组、篮球组和体操组OPL、身高、体重、1 RM、最大速度、平均速度、最大力和平均力进行差异性检验，并汇报效果量(ES)。所有数据采用均值(¯x)、标准差(s)等描述统计量进行表述，显著水平为P<0.05，非常显著水平为P<0.01。

2 研究结果

2.1 不同力量训练手段OPL 的确定

2.1.1 卧推抛不同组别OPL 的确定

如图1 所示，各组别卧推抛平均输出功率曲线呈单波峰形状，波峰所对应输出功率为最大平均输出功率，波峰所对应负荷即为各组的OPL。其中，投掷组、短跑组和篮球组的卧推抛OPL 为70%1 RM，体操组卧推抛OPL 为50%1 RM。

图1 不同组别卧推抛输出功率特征Figure 1 The power output characteristics of different groups of bench press throw

2.1.2 半蹲起不同组别OPL 的确定

如图2 所示，短跑组、篮球组和功率组的功率曲线呈单波峰形状，投掷组呈斜线。其中，投掷组半蹲起OPL 为90%1 RM，短跑组、篮球组和体操组的半蹲起OPL 为70%1 RM。

图2 不同组别半蹲起输出功率特征Figure 2 The power output characteristics of different groups of half squat

2.2 不同力量训练手段OPL 的平均速度特征

2.2.1 卧推抛不同组别OPL 的平均速度特征如表2 所示，不同组别的卧推抛OPL 时，除平均速度和最大速度指标间无显著性，各组别其余指标间均具有一定的。OPL 指标，与投掷组、短跑组、篮球组相比，体操组最小(ES分别为1.79，1.59，1.23，P<0.01)。1 RM指标，投掷组显著大于短跑组、体操组(ES分别为1.33，1.79，P<0.01)。最大力指标，体操组显著小于投掷组、短跑组、篮球组(ES分别为1.79，1.75，1.49，P<0.01)。平均力指标，体操组显著小于投掷组、短跑组、篮球组(ES分别为1.69，1.62，1.20，P<0.01)。最大功率指标，体操组显著小于投掷组(ES分别为1.50，P<0.01)。平均功率指标，体操组显著小于投掷组(ES分别为1.40，P<0.01)。

表2 不同组别卧推抛OPL 的平均速度方差分析结果()Table 2 Analysis results of variance of average velocity in different groups of bench press throw ()

2.2.2 半蹲起不同组别OPL 的平均速度特征

如表3 所示，不同组别的半蹲起OPL，除平均速度和最大速度指标间无显著性差异性，各组别其余指标间均具有一定的差异性。OPL 指标差异性，投掷组显著高于短跑组、篮球组、体操组(ES分别为2.96，1.78，1.74，P<0.01)，篮球组、体操组显著高于短跑组(ES分别为1.39，0.81，P<0.05)。1 RM指标，投掷组显著大于短跑组、篮球组、体操组(ES分别为1.99，1.54，1.85，P<0.05)。最大力量指标差异性，投掷组、篮球组显著高于短跑组(ES分别为1.52，2.01，P<0.05)。平均力量指标，投掷组、篮球组显著高于短跑组(ES分别为1.51，1.62，P<0.05)。最大功率指标，投掷组、篮球组、体操组显著高于短跑组(ES分别为1.62，2.53，1.63，P<0.05)。平均功率指标，投掷组、篮球组显著高于短跑组(ES分别为1.43，2.02，P<0.01)。

表3 不同组别半蹲起OPL 的平均速度方差分析结果一览表()Table 3 Analysis results of variance of average velocity in different groups of half squat ()

2.3 不同力量训练手段功率与速度变化特征

如图3 所示，卧推抛的平均输出功率低于半蹲起的平均输出功率，但其平均速度高于半蹲起的平均速度。其中，半蹲起和卧推抛OPL 均为70%1 RM，但卧推抛OPL 对应的平均速度为1.03 ±0.24 m/s，半蹲起OPL 对应的平均速度为0.86 ±0.19 m/s。

图3 不同负荷下半蹲起和卧推抛的功率-速度曲线Figure 3 Power-velocity curve of half squat and bench press throw under different loads

3 讨论

3.1 OPL 力量训练理论基础

OPL 力量训练的生物力学基础可追溯至1938 年Hill 经典研究，即Hill 方程所描述的骨骼肌收缩力-速曲线。在力量训练中，随着训练负荷逐渐增大，骨骼肌收缩速度逐渐降低，当外界负荷达到某一点时，骨骼肌被充分激活且输出功率达到最大[11]。力量训练的核心是负荷的配给，运动员在不同力量负荷下进行力量训练，会产生不同的力-速曲线关系，并最终形成3 种不同的负荷方式，即:最大功率负荷方式、低阻高速负荷方式、高阻低速负荷方式[12]。不同力量训练负荷产生不同的力-速曲线关系，产生不同的骨骼肌神经适应[13]和训练效益[14-15]。OPL 力量训练能有效增大运动员的输出功率[16]，提高其专项竞技能力所需的短跑能力[5]、跳跃能力[17]、投掷能力[18]以及变向能力[19]等。有关不同力量训练手段OPL 的研究表明，半蹲跳OPL 为0%1 RM[20]，半蹲起OPL 为60%1 RM[21]，高翻OPL 为90%1 RM[6]，卧推抛OPL 为50%1 RM[22]，卧拉OPL 为50%1 RM[23]。同时，OPL 的影响因素因时、因项、因人而异，如性别[24]、年龄[25]、运动水平[19]、训练经历[26]、激素水平[27]等。时至今日，确定不同力量训练手段OPL 进行精细化力量训练，增大运动员的功率输出已成为学者和体能教练关注的焦点问题[28]。

3.2 不同力量训练手段OPL

就不同力量训练手段OPL 而言，卧推抛力量训练时，投掷组OPL 为70%1 RM，最佳训练负荷范围为50%～90%1 RM；短跑组OPL 为70%1 RM，最佳训练负荷范围为50%～70%1 RM；篮球组OPL 为70%1 RM；体操组OPL 为50%1 RM，最佳训练负荷范围为30%～70%1 RM。Smilios 等[29]对11 名男性青年排球运动员卧推抛力量训练发现，卧推抛的输出功率在30%1 RM时显著大于其他负荷(P<0.05)。Sarabia 等[2]对25 名大学生运动员在30%～50%1 RM下进行卧推抛力量训练发现，大学生运动员卧推抛OPL 为40%1 RM。Silva 等[30]将28 名运动员分为高水平组和一般水平组并进行OPL 测试，结果显示，高水平组卧推抛OPL 为50%1 RM，一般水平组为40%1 RM。本研究结果显示，半蹲起力量训练时，投掷组OPL 为90%1 RM，最佳训练负荷范围为50%～90%1 RM；短跑组OPL 为70%1 RM，最佳训练负荷范围为30%～90%1 RM；篮球组OPL 为70%1 RM，最佳训练负荷范围为70%～90%1 RM，体操组OPL 为70%1 RM，最佳训练负荷范围为50%～90% 1 RM。Alcaraz等[21]对10 名高水平短跑运动员在30%～80%1 RM负荷下，进行半蹲起最大输出功率测试，结果认为，短跑运动员半蹲起OPL 为60%1 RM。该研究结果与McBride 等[31]的研究结果一致。郭仲亚[32]对11 名男性大学生半蹲起的研究表明，半蹲起的OPL 为65%～70%1 RM。另外，Thomas[24]对性别不同的33 名大学足球运动员在不同负荷下进行半蹲起OPL 测试发现，男子半蹲起OPL 为30%～40%1 RM，女子OPL 为30%～50%1 RM。综上，不同项目运动员卧推抛和半蹲起的OPL 具有一定的差异性，通常认为以爆发式用力为主的运动员OPL 相对较大，高水平运动员OPL 高于一般水平运动员，不同性别也可能造成OPL 具有一定的差异性。另外，使用史密斯架进行力量训练时，不同力量训练手段OPL 普遍大于自由重量器械。

3.3 平均速度确定OPL 可行性

传统力量训练负荷的安排需测试1 RM，再根据1 RM百分比(%1 RM)确定训练负荷，1 RM测试过程不仅费时费力，且存在较大运动损伤风险[33]。此外，1 RM受力量水平、恢复能力、睡眠、营养、压力等因素的影响较大，具有较大的变异性，若一味的选择同一1 RM作为力量训练负荷标准有所欠缺，多次测试1 RM又不切实际。研究发现，动作完成速度与训练负荷密切相关，在力量训练实践中监控和安排训练负荷具有重要的意义[34]。

就不同力量训练手段OPL 的各项指标而言，无论运动员1 RM最大(投掷组，P<0.01)或是最小(体操组，P<0.05)，或者不同力量训练手段OPL 所对应的负荷是多少，运动员在达到最大平均输出功率时刻，各组别间的最大速度和平均速度均无显著性差异。这一研究结果与Samozino[35]和Loturco[36]的研究较为一致，他们认为不同专项的运动员在其输出功率达最大时，仅平均速度指标无显著性差异性。因此，速度指标确定不同力量训练手段OPL 具有一定的可行性。就最大速度与平均速度指标的取舍而言，运动员尽全力完成卧推抛和半蹲起力量训练的情况下，最大速度与平均速度均可用来确定OPL，但最大速度具有较大的变异性(表2 和表3)，而平均速度相对更具有稳定性，这一结果与García-Ramos 等[37]的研究结果一致。因此，平均速度指标确定不同力量训练手段OPL 具有一定的稳定性。就功率与速度的变化特征而言，随着外界负荷的增大，速度呈下降趋势，输出功率呈抛物线状，卧推抛平均速度为约1.03 m/s时，半蹲起平均速度约为0.86 m/s时，两种力量训练手段均达到最大平均输出功率。

在OPL 力量训练实践应用中，以平均速度为负荷评价标准进行OPL 力量训练时，具有省时省力、可信度、安全性以及可行性较高的训练效果。从省时省力来看，要找到力量-速度曲线中的最佳结合点进行最大输出功率力量训练时，需要测试运动员的1 RM，然后需要具备专门测试设备，并在不同负荷下进行输出功率测试，这一过程相对耗时耗力，以速度为负荷评价标准，无需测试1 RM，免于传统功率测试和负荷安排[38]，快速进行OPL 负荷安排。从可信度来看，OPL、1 RM、力和功率指标在各组别中均具有一定的变异性和显著的差异性，仅有速度指标不具有差异性，在力量训练实践中具备一定的可信度和稳定性。从安全性来看，运动员免于测试1 RM，很大程度上降低了潜在运动损伤风险。从可行性来看，测试力量训练动作完成的平均速度，仅需一个加速计，甚至是手机测速相关的应用程序[39]，方便携带和采集数据，操作简单，设备成本较低，易于教练员安排特异性的力量训练计划，具备较强的可行性。