优秀速滑运动员张虹下肢关节肌力特征研究

黄达武 吴瑛 朱星 王新宝 陈月亮

摘 要：目的：研究优秀女子短距离速滑运动员张虹下肢三关节等速肌力特征，为速滑运动员力量训练的检验和实施提供参考。方法：运用德国产Isomed 2000等速测试系统对张虹下肢三关节、屈伸两过程进行角速度为60°/s和180°/s的等速肌力测试。结果：1）相对于踝背屈肌群而言，张虹踝背伸肌群肌力发展更好;肌力比在30%左右，左右踝同名肌群肌力差异在10%以内，平均功率符合专项要求;2）伸膝肌群速度力量发展优异，肌力比在55%左右;左右膝同名肌群肌力差在10%以内，平均功率大，快速做功能力强;3）髋关节屈、伸肌速度力量发展均较好，肌力比在50%左右，左右髋同名肌群肌力差在10%以内;4）快速屈伸过程中，左右腿三关节峰力矩角对称，速度对峰力矩角影响较小;膝、踝关节峰力矩角符合专项特征;5）与同水平运动员相比，张虹下肢三关节速度力量优势明显，肌力比合理，左右腿肌力发展更均衡。

关键词：速度滑冰;峰力矩;平均功率;肌力比

中图分类号：G804.6 文献标识码：A文章编号：1006-2076（2019）01-0073-07

速度滑冰属于体能主导类竞速项目，运动员靠侧向爆发蹬冰获得动力来源，下肢在支撑滑跑过程中的对外做功和功率输出决定了其滑跑速度及运动成绩[1-2]。因此，运动员的下肢肌肉力量与运动成绩高度相关[3]。等速测试系统能测知关节整个屈伸范围内任一角度的最大力矩输出，兼具等长和等张收缩的优点，且安全有效、可靠稳定 [4]，已在疾病筛查、康复锻炼、肌力测试和运动训练等多个领域广泛应用[5-8]。作为冰上强国的加拿大和韩国早已将等速测力作为评定速滑运动员肌肉系统机能状态的一项客观指标[9]，虽然近年来国内也有学者运用等速测试系统对速滑运动员的肌肉力量进行了相关研究[10-11]，但因研究对象的代表性和指标的全面性不足制约了研究结果的实际应用价值。

速度滑冰女子短距离项目是我们的传统优势项目，是历届冬奥会最具竞争力的项目之一，也是平昌冬奥会和北京冬奥会的重点发展项目。张虹在夺得索契冬奥会女子速度滑冰1000米金牌后已成为该项目的领军人物。本研究以张虹为研究对象，从峰力矩、平均功率、肌力比及峰力矩角等多项指标对其下肢三关节、屈伸两过程的关节肌力特征进行全面研究，以期为其本人及后备力量的专项训练提供参考。

1 研究对象和方法

1.1 研究对象

现役国家速滑队队员张虹，索契冬奥会速度滑冰女子1000米金牌获得者。

1.2 研究方法

1.2.1 测试仪器

哈尔滨体科所Isomed 2000等速测试系统。

1.2.2 测试要求

测试前，运动员完成慢跑、拉伸和各关节屈伸等30分钟的准备活动。测试时，严格按照实验手册规定的方法进行固定，调整转动轴心与关节活动轴心一致并进行重力补偿。数据采集前，运动员在各测试角速度下进行3～5次亚极限强度的适应性练习，间隔2分钟后开始正式测试。

1.2.3 测试方法

采用Isomed 2000肌力测试系统，对运动员髋、膝、踝三关节进行等速测试。为防止运动员受伤，在参考预测试结果的基础上将测试角速度定为，低速60°/s，高速180°/s。慢速重复5次，快速重复7次，屈伸循环进行，时间间隔5分钟，不同速度屈伸阶段均取最高值进行记录。

1.2.4 角度定义

人体自然体位定为零度，向心方向为正，离心方向为负。其中，髋关节伸直为零度，测试范围为10°～100°;膝关节伸直为零度，测试范围为10°～90°;踝关节在脚与小腿垂直时为零度，测试范围为-20°～50°。

1.3 数据处理

为与运动实践中的蹬伸过程对应，对踝关节的屈伸测试数据进行了对换，即表中的屈代表背屈过程，伸代表背伸过程。本研究的力学指标主要有相对峰力矩、相对平均功率、肌力比（屈、伸肌峰力矩比值）和左右腿同名肌群峰力矩比值。峰力矩是等速测试分析中最常用的指标，代表运动过程中的最大力矩输出，通常用来表示肌群最大肌力，是其他指标的基础[12]。但峰力矩与运动员的体重有较大关系，为了使运动员间的峰力矩有较好的可比性，通常采用个体体重进行标准化得到相对峰力矩。平均功率为单位时间内的肌肉做功，它是一个物理学概念，在运动实践中常用它表示运动员的爆发力[4]，Koning Degroot G等认为单位体重的平均功率是衡量运动水平的精确指标[2]。因此，文中相关表格中的峰力矩和平均功率都是以运动员体重为基础进行相对化处理的结果。肌力比是关节屈伸肌峰力矩的比值，对判断关节稳定性和屈伸肌均衡性都有重要的参考价值。左/右是左右腿同名肌群峰力矩的比值，用于判断左右腿肌力是否平衡。

2 研究结果与分析

2.1 踝关节等速测试力学指标分析

Klap新式冰刀问世之初并没有引起广泛关注，因为大家普遍认为在侧向（额状面）蹬冰提供动力来源的专项技术条件下，膝关节伸展的幅度与速度决定了滑跑速度，新式冰刀仅在一定程度上解放了踝关节在矢状面的运动幅度，因而其对提高滑速并无太大价值，甚至会对蹬冰过程踝关节的稳定性造成不良影响进而影响蹬冰质量。然而，在1998年长野冬奥会上荷兰军团使用新式冰刀后却大获成功，从金牌榜的十几名一跃上升到第六名。4年后，在普遍使用新式冰刀的2002年盐湖城冬奥会上，速滑项目80%的世界纪录被打破。自此，新式冰刀的优势获得教练员和运动员的一致认可。

在长野冬奥会后，国内外大批科研人員、包括其研发者本人De Koning博士对Klap冰刀的蹬冰技术原理进行了深入研究。主要的观点是，因旧式冰刀的刀拖与冰鞋无法脱离，运动员为避免刀尖刨冰，在蹬伸过程中有意限制踝关节的背伸动作，但新冰刀的铰链可使运动员在踝背伸的情况下仍能全刃着冰且避免刀尖刨冰，能有效延长蹬冰时间、提高蹬冰效率且有利于膝关节充分伸展[14-16]相关专家的数学模拟研究也发现，同样耗氧量下新冰刀能做更多的功和产生更大的功率[17]。不论何种解释，作为末端效应的踝关节被解放后，运动成绩大幅提高是有目共睹的。因此，踝关节的力量训练逐渐引起大家的重视。

表1是张虹左右腿踝关节低、高速屈伸等速测试结果。从表1中可以看到，相对峰力矩随测试速度的增长而降低，与经典的力-速关系曲线相吻合，且与众多等速测试研究报道趋势相同。由于冬季项目的普及率较低，有关速滑运动员等速测试的研究报道较少，大都只有绝对指标且指标内容较少，能与张虹进行踝关节数据对比的只有陈新[18]的研究报道。稍嫌遗憾的是陈新文献中仅有两名研究对象，并只给出了绝对指标，但这两位运动员都是国际健将，具有较高运动水平和较好的代表性，文章介绍了她们的个体体重，只需对数据进行相对化处理即可（表2）。

对比表1和表2可发现，不论高速还是低速，也不论左腿还是右腿，张虹的踝背屈峰力矩都小于邢爱华和赛娜，但踝背伸峰力矩都大于她们。出现该结果的可能原因是张虹更加重视对滑速作用更大的踝背伸力量训练。因为，从专项技术过程而言，在重心转换、单支撑向双支撑过渡阶段，冰刀在踝背屈状态下从刀跟过渡到全刀着冰，该过程负责踝背屈的胫骨前肌以低强度的离心收缩为主;在支撑阶段胫骨前肌以等长收缩为主以维持踝关节稳定;蹬冰完成后，浮腿顺势后摆屈膝前收，胫骨前肌背屈收刀避免刀尖挂冰。因此，相对于膝、髋关节而言，踝关节屈肌并不需要大强度的快速向心收缩能力。此外，与短跑和跳跃等着地过程对踝关节产生强大冲击力的等项目不同，速度滑冰对踝关节的反应力量要求较低。所以，运动员无需担心踝关节肌力比不平衡而造成屈肌受伤，只需发展合适的屈肌力量以维持关节稳定即可。相关研究报道提出，踝关节屈伸肌力比范围在30%左右[19]，且肌力比会随测试速度的上升小幅增长。对照表1和表2可以看到，张虹肌力比较为合理，而邢爱华与赛娜稍显偏大。需要强调的是，尽管踝背屈力量对提高滑速没有直接的促进作用，但从专项特殊的支撑界面及运动器材来看，运动员通过狭窄的冰刀在光滑的冰面上高速滑行，且冰刀的高度使踝关节及重心离地更高，这都要求运动员必须拥有较强的踝关节稳定性。因此，日常训练中绝不能忽视踝背屈力量的发展，应根据专项技术强度低、负荷时间长、间歇时间短等特征设计相应的专项力量训练手段。

对比三位运动员左右腿同名肌群峰力矩比可发现，张虹左右腿峰力矩差异均在10%以内，符合专家推荐标准[20]。而邢爱华和赛娜在高速测试时的屈、伸肌肌力差异均超过10%，且邢爱华在低速测试时左右腿的伸肌峰力矩差异也在10%以上。左右腿同名肌群峰力矩差异在合理范围对径赛和滑冰等依靠下肢伸展获得动力来源的项目尤为重要，因为它可保证重心受到左右均衡的力以控制重心方向及速度。该方面张虹无疑表现更好，而邢爱华和赛娜则左右腿差异过大，尤其是高速测试时，差异在20%左右，存在安全隐患。

表1中除了峰力矩相关指标外，还有张虹左右腿屈伸阶段的相对平均功率。因有关速滑运动员踝关节平均功率的报道较少，无法直接与张虹的相对数据进行对比评价。但夏骄阳[11]等研究发现，速滑运动员膝关节的平均功率大于短道速滑运动员，本研究结果对比夏骄阳等[21]另一项针对短道速滑运动员踝关节平均功率的研究可发现，张虹踝关节的平均功率同样远大于短道速滑运动员，这也从侧面反映了张虹踝关节的平均功率符合专项特征。此外，平均功率随速度的增长而增长，且屈过程小于伸过程的趋势与相关研究一致。

2.2 膝关节等速测试力学指标分析

粗壮发达的股四头肌是速度滑冰运动员典型的形态特征。速度滑冰陆上专项力量训练手段大多借鉴同属体能类竞速项目、同样依靠下肢爆发蹬伸获得前进动力的径赛，加之其上体保持前倾、下肢蹲屈侧向蹬冰的技术特点在一定程度限制了髋关节和踝关节的伸展，因此教练员和运动员更加重视膝关节肌群力量的发展。相关研究也表明，相对踝关节而言，膝关节肌力的发展水平对滑冰运动员成绩影响更大[21]。

对比表3和表4可发现，赛娜在低速测试时表现较好，但高速测试时较差;张虹在低速测试时优势并不明显，但高速测试时表现优异，尤其是伸肌肌群。尽管三位运动员都是国际健将，但赛娜的竞技能力略低于张虹和邢爱华，这或许与其高速区膝关节肌力发展不足有关。因为，支撑滑跑过程中膝关节的爆发蹬冰时间较短[22]，蹬伸速度很快，需要强大的快速力量以满足专项技术的要求。赛娜的数据也提示，虽然基础力量是快速力量的基础，但基础力量的提高并不能同步有效地促进速度力量的自然增长，运动员在重视基础力量发展的同时应高度重视速度力量训练。

上述两表还显示，张虹左右腿的肌力比相对较小，而赛娜较大。与踝关节不同，如果膝关节肌力比不匹配将使屈肌受伤风险大幅增加。DAVIES GJ[23]曾推荐腘绳肌与股四头肌峰力矩比的标准是60°/s时在60%～69%间，180°/s时在70%～79%间。显然，若以该标准来评判，三位运动员的绝大多数数据都不在合理区间。然而，不同专项间的关节肌力比存在一定差异。从专项动作技术来看，尽管速度滑冰与径赛和跳跃等项目都对膝关节屈伸肌群肌力要求较高，但径赛和跳跃项目都要求运动员摆动腿在着地前快速下压鞭打式回摆着地（从运动学数据来看小腿仍然是前伸动作），支撑阶段快速展髋且蹬伸方向与跑进方向一致，离地后迅速折叠前摆，这都要求横跨膝、髋关节的腘绳肌和股二头肌具有高度发展的快速力量。而速度滑冰运动员的浮腿在着冰前无需下压回摆，支撑后是侧向蹬冰且髋关节的伸展受到一定限制，离冰后屈膝前摆的速度远小于径赛项目。所以，相对而言速度滑冰运动员对股后群肌的力量的要求略低，其肌力比略小也在情理之中。李秋萍等[10]对优秀女子速滑运动员膝关节肌力比的研究结果与张虹和邢爱华非常接近，因而可以推断张虹左右腿膝关节肌力比符合专项要求。

从同名肌群峰力矩比来看，不论高速还是低速测试，張虹左右腿膝关节屈、伸肌的差异均在10%以内，符合专家推荐要求。但邢爱华和赛娜各有两组数据的差异在10%以上。因此，张虹左右腿同名肌群肌力发展更平衡，更有利于维持滑跑过程中重心的稳定性。从表3中还能看到，平均功率随速度的增长而增长，与相关研究的对比可发现[11]，尽管其峰力矩并不占优，但平均功率优势明显。平均功率是单位时间内所做的功，可通过力矩曲线下的面积及时间换算得到，而峰力矩只是力矩曲线上的最高点，因此峰力矩大并不代表其做功能力一定强。张虹在峰力矩不占优的情况下平均功率更大，说明其快速做功能力或维持力矩在高位做功的能力更强。

2.3 髋关节等速测试力学指标分析

尽管伸膝肌群是滑跑阶段的主要动力来源，但处于人体核心部位、作为众多竞速项目主要动力来源的髋关节其肌力水平对速滑运动员而言极其重要。因为，一方面，Klap冰刀的蹬冰动作遵循大关节带动小关节、由上至下的髋、膝、踝发力顺序规律[22]，作为启动阶段的髋关节其肌力大小对后续动作影响较大，高度发展的髋肌伸可为膝、踝关节奠定良好的速度基础;另一方面，支撑阶段髋关节的伸展幅度高达60°左右，且相关研究表明髋关节的伸展速度与蹬冰功率呈显著正相关[24]。此外，de Koning [25]等曾运用逆向动力学方法计算速滑运动员蹬冰阶段下肢髋、膝、踝三关节的净力矩输出分别是6.30，5.59和4.80;黄达武（2016）等的研究也表明，支撑阶段腘绳肌是重要的做功肌群;吴新炎[26]的研究同样显示，臀大肌在左、右腿单支撑阶段有较强肌电活动。因此，相关研究已从运动学、动力学以及表面肌电等角度证实了髋关节肌群肌力对速度滑冰运动员的重要性。

对比表5和表6三位运动员髋关节屈伸肌的峰力矩可看到，低速测试时，张虹左髋屈肌小于邢爱华与赛娜，但伸肌都大于她们，右髋屈伸肌峰力矩介于邢爱华与赛娜之间;高速测试时，张虹左右髋屈伸肌峰力矩都大于邢爱华与赛娜，尤其相对于赛娜优势明显。三位运动员髋关节峰力矩的总体趋势与上述踝关节和膝关节类似，一是张虹的伸肌发展更好，二是张虹在高速测试时的表现更好。速度滑冰属于典型爆发式蹬伸动作技术[22]，高度发展的速度力量更符合专项要求，这或许也是张虹竞技水平更胜一筹的原因。

从髋关节屈伸肌峰力矩比来看，三位运动员左右髋屈伸肌峰力矩比较接近，说明就肌力比而言，三位运动员髋关节屈伸肌比例发展的均衡性一至。但结合上述峰力矩值来看，邢爱华与赛娜在高速区表现不够理想，该特点从肌力比与速度的关系也可以看出。相关研究表明[27]，屈伸肌比将随速度的增长而增长，因为伸肌峰力矩随速度的上升下降更快。邢爱华与赛娜髋关节肌力比没有体现该特征并不是她们伸肌在高速区表现更好，而是她们伸肌力量发展本身不足所导致，这从上述张虹左右腿伸肌峰力矩与她们的对比就可看出。虽然三位运动员髋关节肌力比均衡性一样，但它是否符合专项特征却因无相关研究可参考而无法直接判断。从专项动作技术来看，爆发蹬冰阶段髋关节的伸展速度与幅度较大，对伸髋肌群肌力要求较高;但离冰后，屈腿前摆过程较慢，且在上体保持水平屈曲的情况下，大腿利用重心惯性完成了大部分摆动幅度，这与短跑、跨栏等项目相差较大。所以，从理论而言，速滑运动员的髋关节肌力比应小于短、跨等径赛项目。将表5和表6研究结果与赵焕彬[27]对短跑、跨栏运动员髋关节肌力比的研究进行对比后发现，情况也确实如此，即速滑运动员髋关节肌力比小于短跨项目运动员。因此，从理论上而言，三位运动髋关节的肌力比符合专项要求。

从三位运动员左右腿同名肌群峰力矩的比值可以看到，除邢爱华高速测试时屈肌差异在10%以上外，三位运动员的其它数据都满足专家要求。表5还显示，低速测试时张虹屈髋肌相对平均功率在1.4～1.6之间，伸髋肌在3.4～3.6之间;高速测试时屈髋肌在3.3～3.5之间，伸髋肌在8.8～9.0之间，屈伸肌平均功率都随测试速度上升而增长。尽管无法对它的大小进行评价，但可以为将来类似研究提供参考标准。

2.4 下肢三关节峰力矩角分析

峰力矩角也是等速测试分析中的一个常用指标[20]，可以分析运动员最适宜的发力角度是否符合专项需要，还可以对比运动员左右腿的平衡性，两腿的峰力矩角相差太大同样会造成运动中的失衡。表7最明显的特征是高速测试时左右腿峰力矩角非常接近。相对于低速测试而言，高速测试无疑更接近运动实践，高速测试时左右腿峰力矩角高度一致说明张虹左右腿的发力习惯较接近。尽管低速测试时左右腿峰力矩角差异略大，但对比左、右腿屈伸肌峰力矩角可发现，除踝关节伸肌外，速度对关节峰力矩角的影响较小，即关节峰力矩角具有一定的稳定性。夏骄阳等[3]通过高速摄影分析发现，速滑运动员踝关节的爆发蹬冰范围在85°～105°之间，相当于本研究角度定义的-5°～15°之间;林嘉和陈小平[28]通过肌电、角度仪和足底压力的同步测量结果表明，我国优秀短距离速滑运动员膝关节的爆发蹬冰阶段在120°左右，相当于本研究角度定义的60°左右。通过与表7膝、踝关节峰力矩角的对比可发现，张虹膝、踝关节的伸肌峰力矩角穩定，左右对称且符合专项要求，遗憾的是有关髋关节的爆发蹬冰角度未见相关报道。

3 结论

3.1 相对于踝背屈肌群而言，张虹踝背伸肌群肌力发展更好;肌力比在30%左右，左右踝同名肌群肌力差异在10%以内，平均功率符合专项要求。

3.2 张虹伸膝肌群速度力量发展优异，肌力比在55%左右;左右膝同名肌群肌力差在10%以内，平均功率大，快速做功能力强。

3.3 张虹髋关节屈、伸肌速度力量发展均较好，肌力比在50%左右，左右髋同名肌群肌力差在10%以内。

3.4 快速屈伸过程中，张虹左右腿三关节峰力矩角对称，速度对峰力矩角影响较小;膝、踝关节峰力矩角符合专项特征。

3.5 与同水平运动员相比，张虹下肢三关节速度力量优势明显，肌力比合理，左右腿肌力发展更均衡。

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