水下海豚腿最大推进力功率与最大速度的关系

沈宇鹏 温宇红

摘 要：对不同性别或不同身体姿势的水下海豚腿（UDK）的最大推进力功率（Pmax）与最大速度（vmax）进行差异性检验;探索性别或身体姿势因素是否会影响UDK的Pmax-vmax的相关关系。49名高水平运动员（其中男29人，年龄（20.7±3.2）岁;身高（1.83±0.05） m，体重（78.1±8.6） kg;女20人，年龄（19.6±1.7）岁，身高（1.71±0.04） m，体重（61.6±6.2） kg）参加测试。对实验对象进行不同身体姿势（俯卧、仰卧）的UDK的vmax和Pmax测试。采用混合线性模型评估性别或身体姿势效应对UDK的Pmax与vmax相关关系的影响。研究结果：男运动员UDK的vmax和Pmax均明显高于女运动员（vmax：P<0.01，ES=0.93;Pmax：P<0.01，ES=1.40）;仰卧和俯卧姿势在vmax无差异（P=0.448，ES=0.05），但仰卧姿势的Pmax大于俯卧姿势（P<0.01，ES=0.25）。不同性别和不同身体姿势（俯卧、仰卧）不会影响UDK的Pmax-vmax的关系。结论：UDK的Pmax和vmax在性别或身体姿势的差异不会改变UDK的Pmax与vmax的关系，教练员和运动员不需要单独制定不同性别或不同身体姿势的UDK训练计划。

关 键 词：运动生物力学;水下海豚腿;最大速度;最大功率

中图分类号：G804.6 文献标志码：A 文章编号：1006-7116（2021）04-0131-06

Abstract： The purpose of this study was to examine the difference of maximum power （Pmax） or maximum velocity （vmax） in underwater dolphin kick （UDK） between sex or body position， and investigate the relationship between Pmax and vmax for UDK as well as exploring whether these two factors moderated the relationship between Pmax - vmax in UDK. Forty-night elite swimmers voluntarily participated in the research （29 male swimmers， age： 20.7±3.2 year; height： 1.83±0.05 m， weight： 78.1±8.6kg; 20 female swimmers， age： 19.6±1.7year; height： 1.71±0.04 m， weight： 61.6±6.2 kg）. The subjects were required to participate in testing for Pmax and vmax in two kinds of body position including prone and supine， respectively. Using multiple linear mixed-effect models to evaluate the moderation of sex or body position on the relationship between Pmax and vmax for UDK. The results showed that： Males vmax and Pmax were significantly higher than females （vmax： P<0.01， ES=0.93; Pmax： P<0.01， ES=1.40）; no significant difference found in body position（P=0.448， ES=0.05） between the prone and supine， but UDKs Pmax in the supine was significantly higher than in the prone （P<0.01， ES=0.25）. The association between Pmax and vmax for UDK was not adjusted by the effect of sex or the effect of body position. The conclusion was that the difference of Pmax and vmax of UDK in gender or body position may not moderate the relationship between Pmax and vmax for UDK， and the coaches and the athletes do not need to make a training program for UDK based on sex or body position when these two factors was not moderated the relationship between Pmax and vmax for UDK.

Key words： sports biomechanics;underwater dolphin kick;maximum velocity;maximum power

水下海豚腿（underwater dolphin kick，UDK）是運动员在游泳比赛中，出发或转身后采用的重要水下游进技术。优化UDK可以缩短运动员出发或转身后的时间，进而提高整体游泳成绩[1]。

推进力是影响最大游泳速度（maximum swimming velocity，vmax）的决定性因素之一[2]，在其他条件不变的情况下，推进力越大，游泳速度也就越快。因此，发展推进力是提高UDK的vmax的重要训练方法。在水中测量推进力是非常困难的，采用牵引游泳方式测量最大推进力功率（maximum swimming power，Pmax）被认为是评估游泳推进力的理想指标[3-5]。现有研究表明：Pmax是预测短距离自由泳成绩的重要因子[6-7]，与短距离游泳成绩高度正相关[8-9]。

在游泳比赛中，男女运动员均需要使用UDK技术，在混合泳比赛中，运动员还需要根据游泳规则要求采用不同的身体姿势（俯卧和仰卧）的UDK技术游进。前人研究报告了性别和游泳姿势是影响竞技游泳姿势Pmax或vmax变化的重要因素[3，10-11]。不同性别的运动员在4种竞技游泳姿势的Pmax和vmax均具有显著性差异，男运动员比女运动员有更大的Pmax和更快的vmax[3]。在游泳姿势方面，爬泳与仰泳有相似的动作结构，但与仰泳相比，爬泳划水和打腿动作振幅更小[12]，产生的Pmax更小，但vmax更快[4]。在游泳时，4种竞技游泳姿势主要依靠手臂划水产生推进力在水面游进，UDK主要依靠打腿驱动身体在水面下游进。不同性别或不同身体姿势变化对水下游泳技术的Pmax或vmax的影响还不清楚。

虽然在竞技游泳姿势上Pmax与vmax具有较强的相关关系，但水中阻力和推进效率的变化会使Pmax与vmax的相关关系发生动态变化。例如：在相同的Pmax输出条件下，水中阻力更低或推进效率更高的运动员有更快的vmax，反之亦然。很大程度上水中阻力或推进效率的变化导致了Pmax或vmax在性别或身体姿势条件下具有差异，但不同性别或不同身体姿势对Pmax与vmax相关关系的影响还缺乏研究评估。因此，探索性别或身体姿势在UDK的Pmax-vmax相关关系中的角色对理解水下游泳技术的推进力、游泳速度与推进效率的关系是非常必要的。另一方面，如果Pmax-vmax的相关关系因性别或姿势因素的影响而发生变化的话，那教练员和运动员就需要根據性别或身体姿势因素制定不同的Pmax训练策略来促进vmax的提高。因此，本研究设立2个研究目的：（1）比较不同性别或不同身体姿势条件下，UDK的vmax或Pmax是否具有差异;（2）检验性别或身体姿势因素是否会调节UDK的Pmax-vmax的相关关系变化。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

49名高水平游泳运动员，其中男29人，年龄（20.7±3.2）岁，身高（1.83±0.05） m，体重（78.1±8.6） kg，国际泳联积分（702±113）分;女20人，年龄（19.6±1.7）岁，身高（1.71±0.04） m，体重（61.6±6.2） kg，国际泳联积分（723±90）分。自愿参加测试，身体健康，在实验前所有实验对象均被告知实验详细流程及步骤并填写知情同意书。

1.2研究方法

对运动员进行UDK的vmax和Pmax测试。所有测试均在运动员常规训练期开始后的2周内进行，期间运动员的训练量和训练强度均相同。测试开始前1周，要求运动员熟悉设施器材及场地环境，并进行相关练习。每名运动员需要参加4次测试，每次测试随机指定运动员采用俯卧或仰卧姿势的UDK进行vmax或Pmax测试。每次测试至少间隔24 h，以避免运动员出现疲劳。

1）最大速度（vmax）测试。

测试时，运动员被要求在听到出发信号后，迅速蹬离池壁，潜至水下约1 m处做15 m全力水下海豚腿，15 m池底标志线提示运动员游进距离。在5和15 m池面设置标记，邀请两名有丰富经验的教练员使用人工秒表记取运动员头到达5和15 m处的时间，以避免出发和滑行对速度测试的影响。要求每名运动员进行2次俯卧或仰卧姿势的UDK测试，取测试最好成绩用来计算最大速度。

2）最大推进力功率（Pmax）测试。

参考Dominguez方法[11]使用改良版水中牵引设备（Total Performance，美国）进行多组15 m水下海豚腿渐增半牵引（semi-tethered swimming，STS）负重测试以计算Pmax。仰卧或俯卧姿势的UDK测试要求同vmax测试。测试前进行标准热身活动。每组测试间歇时间为5 min。测试时，运动员最初负重重量为5 kg，每次增加5 kg直至测试停止。每次测试时，将运动员自水中牵引设备所承担的额外负重重量乘于完成该组测试的游泳速度用于计算功率（P）。将多组测试所得到的功率值绘制成功率-负重重量的抛物线曲线，抛物线峰值（Y轴）即为Pmax。测试次数由自制Excel表格绘制抛物线曲线模型决定。

3）计时成绩信度和水中牵引设备的效度检验。

采用ICC系数评估人工计时的信度，在vmax和Pmax测试中，2名教练员计时成绩的平均ICC=0.98，表明计时成绩具有高度一致性。在本研究中，采用数字测力计（山度，中国，误差率0.1%，敏感度0.01N）对牵引负重重量进行测量和校对。分别采集6个点的负重重量（5、10、15、20、30和40 kg）。负重重量与测力计显示重量（N）进行线性回归拟合结果表明，测力计显示重量与负重重量为线性关系（y=2.278x+2.254，R2=0.996，P<0.01），具有较好的效度。在研究中，推进力功率由水中牵引负重重量×游泳速度的乘积所决定，而牵引设备具有所测量的负重重量具有良好效度与计时成绩（用于计算游泳速度）具有良好信度表明：游泳速度与推进力功率的计算结果具有用于研究可以接受的信度与效度水平。

4）统计分析。

使用独立样本T-test和配对T-test分别对不同性别和不同身体姿势的vmax和Pmax进行组间和组内差异检验。考虑到运动员测试2种身体姿势的UDK具有重复数据特征，且为非独立数据，受UDK技术具有随机效应（运动员个体差异性）和固定效应（性别和身体位置）的影响，传统线性模型（Linear Model，LM）无法处理混合效应（Mixed effects）分析[13]。因此，采用混合线性模型（Linear Mixed-Effect Model，LMM）来建立回归模型，将vmax设为因变量，将Pmax设为自变量并作对数转换，以满足线性回归分析需要。参考温忠麟等[14]对调节变量评估方法建立多个分层回归模型来检验性别和身体姿势是否对UDK的vmax与Pmax关系具有调节效应。将性别和身体姿势变量逐步纳入4个模型进行回归分析如下：（1）建立仅具有Pmax效应的朴素模型（M1）;（2）将性别效应纳入M1建立基于性别效应的模型（M2）;（3）将身体姿势效应纳入M1建立基于身体姿势效应的模型（M3）;（4）建立基于性别×身体姿势交互效应的模型（M4）。根据回归模型中，性别、身体姿势等回归参数显著性水平和R2变化情况来评估性别或身体姿势效应对UDK的Pmax-vmax关系的影响。以条件决定系数（Conditional r-squared，Rc2）与边际决定系数（Marginal r-squared，Rm2）的差值来评估随机效应对模型的影响。所有数据用平均数±标准差来描述，显著性水平设为P<0.05。数据的统计与绘图均使用在R studio 3.5的lmer4、performance、ggplot函数包来完成。

2 结果与分析

UDK的vmax和Pmax在不同性别和不同身体姿势条件下数据的分布情况见图1。独立样本T-test结果显示（图1a和1c）：男运动员UDK的vmax（（1.55±0.20） m·s-1）明显高于女运动员（（1.38±0.10） m·s-1），比女运动员平均快11%（0.16 m·s-1），差异具有统计学意义（P<0.01，ES=0.93）。女运动员的Pmax（（0.70±0.15） W·kg-1）明显低于男运动员（1.05±0.32） W·kg-1），比男运动员平均低33%（0.35 W·kg-1），差异具有统计学意义（P<0.01，ES=1.40）。配对T-test结果表明（图1b和1d）：采用仰卧姿势（（0.95±0.34） W·kg-1）的UDK比俯卧姿势（（0.87±0.29） W·kg-1）有更高的Pmax输出，二者差异具有统计学意义（P<0.01，ES=0.25），但仰卧姿势（（1.49±0.18） m·s-1）与俯卧姿势（（1.48±0.19） m·s-1）UDK的vmax的差异无统计学意义（P=0.448，ES=0.05）。

在控制Pmax变量后（M1），依次将性别效应（M2）、姿势效应（M3）和性别×姿势效应（M4）纳入回归模型后表明（见表1）：性别效应（b=0.04，P>0.05）、姿势效应（b=0.02，P>0.05）和性别×姿势交互效应（b=0.01，P>0.05）的回归系数均对vmax没有预测作用。仅包含Pmax效应的朴素模型（M1）可以解释因变量（vmax）变化的80%，在分别纳入性别效应（M2），姿势效应（M2）和性别×姿势交互效应（M4）后，M2（83%）、M3（80%）和M4（81%）的解释效力并没有显著性的增加。这表明性别效应、身体姿势效应或二者的交互效应均不会影响UDK的Pmax与vmax的相关关系。研究进一步通过简单斜率分析和图形分析来检验在不同性别和不同身体姿势条件下，Pmax对vmax的预测效应。结果发现：在不同性别或身体姿势条件下，Pmax对vmax均产生显著性的正向影响（男：b=0.31，P<0.01;女：b=0.25，P<0.01;仰卧：b=0.28，P<0.01;俯卧：b=0.30，P<0.01）。虽然回归模型的斜率略有不同，但回归模型的解释效力较为一致（男：R2=0.56;女：R2=0.51;仰卧：R2=0.62;俯卧：R2=0.65）。图形化分析也表明（见图2）：在不考虑其他因素的条件下，UDK的Pmax与vmax表现出较强的正相关关系（图2a）。而不同性别（图2b）、不同身体姿势（图2c）或性别×姿势交互（图2d）条件下，UDK的Pmax与vmax的相关关系及回归线均未发生明显变化。这表明：性别和身体姿势因素不会影响UDK的Pmax与vmax的关系。考虑到性别或身体姿势效应对UDK的Pmax-vmax关系的变化不具备调节作用，遵循模型精简原则，认为不包含性别或身体姿势效应的朴素模型（M1）可较好地描述UDK的Pmax-vmax的高度正相关关系（lnvmax=0.42+0.23lnPmax，R=0.90，P<0.01），即Pmax越大，vmax越快。

3 讨论

本研究主要目的是检验运动员性别或身体姿势效应是否会影响UDK的Pmax与vmax的相关关系。结果发现：虽然男女在UDK的Pmax和vmax方面均具有差异，Pmax在仰卧或俯卧身体姿势条件下具有差异，但不同性别或不同身体姿势不会影响UDK的Pmax与vmax的相关关系。

不同性别运动员在UDK的vmax和Pmax均具有差异。男运动员比女运动员有更快的速度（11%）和更高的功率输出（33%）。这与前人对自由泳姿势的研究结果相似。Sharp等[15]研究报告了高水平大学生男运动员在25 m自由泳速度上比女运动员快12%，陆上自由泳上肢功率峰值高43%。Barbosa等[6]测试发现年龄组男子运动员100 m自由泳速度比女运动员快10%，自由泳功率输出高30%。很显然，男女在身体形态[16]、肌肉重量[17]、肌纤维横截面积[18]的差异是导致UDK的vmax和Pmax差異的重要原因。

值得注意的一个结果是：男女运动员在UDK的vmax和Pmax具有差异，但性别差异并不会影响UDK的Pmax与vmax的相关关系。虽然男女在肌肉力量和功率输出方面的差异，使教练员和运动员常依据性别制定不同的游泳训练策略，但这种训练策略并不适用于发展UDK的Pmax能力。这一点，可以用水中阻力与游泳速度之间的关系来解释研究结果。研究表明：水中阻力与游泳速度的立方成正比，即游速越快，阻力越大[19]。因此，更快的UDK速度需要更大的推进力来克服随着游速的提高而增大的水中阻力。男运动员有更快的UDK速度，但需要输出更大的Pmax来克服随之增大的水中阻力。与之相应的是女运动员UDK速度相对较慢，也仅需要较小的Pmax来推动身体向前游进。Barbosa等[6]的研究也支持了本研究结果：在控制了100 m游泳速度后，男女年龄组运动员在推进效率和阻力系数上无显著性差异。

研究中发现改变身体姿势对UDK的vmax没有影响，不同身体姿势的UDK在vmax没有差异，这与Robinson等[20]研究结果相一致。仰卧姿势的Pmax比俯卧姿势平均高9%（0.08W·kg-1），具有显著性差异。这与仰卧姿势的UDK比俯卧姿势有更大的下肢关节（髋关节、膝关节）垂直振幅有关[2]：更大的动作振幅能增大打腿时的推进力面积，进而产生更大的推进力[20]。虽然还没有研究报道过UDK的Pmax在不同身体姿势上的差异，但前人研究表明：运动员在仰泳中所产生的推进力大于自由泳[3， 11]，这在很大程度上支持了本研究的结果。

前人研究表明：膝关节运动是影响UDK的速度变化和产生推进力的运动关节[21]。在采用俯卧和仰卧姿势时，身体姿势变化并没有引起身体动作结构的变化，特别是膝关节动作均以屈伸动作完成打腿动作。不同身体姿势并没有导致动作结构出现差异，仰卧或俯卧的UDK均能获得相似的游泳速度。这可能是解释UDK的Pmax-vmax关系不受身体姿势因素限制的主要原因。仰卧和俯卧姿势在vmax没有显著性差异，这说明无论采用仰卧还是俯卧姿势进行UDK的训练均可以提高UDK的成绩。而仰卧姿势比俯卧姿势能产生更大的Pmax，这暗示着在UDK的Pmax训练中，采用仰卧姿势比俯卧姿势可能获得更大的推进力收益。

在采用M1模型描述UDK的Pmax与vmax关系时，Pmax可以解释vmax变化的80%，但当排除随机效应后，模型的解释效力下降30%（Rc2-Rm2：0.80-0.50=0.30）。这说明，运動员UDK技术的个体差异性对Pmax与vmax之间的关系变化有重要影响作用。Connaboy等[21]发现：运动员采用不同的打腿频率和幅度的组合方式均能获得相似的UDK游进速度。计算机模拟分析发现：较大的打腿幅度在提高推进力的同时也会增大阻力。而较小幅度的打腿会产生较低的推进力和较低的阻力。但不同打腿频率和打腿幅度（快频率低幅度vs低频率高幅度）均可以获得理想游速的UDK打腿技术[22]。很显然，阻力和推进力决定了游泳速度的变化。增大推进力或减小阻力均可以提高游泳速度[19]。因此，提高UDK的速度可能存在多种打腿频率和打腿幅度的组合方式。不同的打腿组合方式必然使UDK的技术具有个体差异性并影响UDK的Pmax-vmax的关系变化。研究结果提示UDK的Pmax-vmax相关关系很大程度上受运动员技术的个体差异性影响，不受性别和身体姿势因素的影响。教练员和运动员在发展Pmax来提高UDK的vmax时，应着重考虑不同打腿幅度和打腿频率所带来的技术个体差异性来制定不同的UDK训练策略。

与成年高水平运动员相比较，提高UDK速度对青少年游泳运动员提高成绩同样重要。但本研究对象为成年高水平游泳运动员，考虑到青少年运动员在身体形态、肌肉力量、技术等方面与成年运动员具有差异[23]，研究结论对青少年游泳运动员的外推效力在一定程度上受到限制。另一方面，虽然最新的游泳规则限制了侧向UDK技术的使用，但还有部分运动员在仰泳或自由泳比赛中采用侧向UDK打腿技术。因此，在今后研究中应纳入侧向姿势来讨论不同身体姿势UDK技术条件下Pmax-vmax关系的变化情况。

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