力量測試的生物力學

戴伯頤，沙湛鑫

（1. 美國懷俄明大學 運動機能與健康系，美國 懷俄明州拉勒米市 82070；2.美國南密西西比大學運動機能學院，美國 密西西比州哈蒂斯堡市 39406）

力量測試的生物力學

戴伯頤1，沙湛鑫2

（1. 美國懷俄明大學 運動機能與健康系，美國 懷俄明州拉勒米市 82070；2.美國南密西西比大學運動機能學院，美國 密西西比州哈蒂斯堡市 39406）

力量測試被教練員和運動員廣泛使用，生物力學因素對于力量測試的結果和力量訓練的效果有重要影響。論述單關節和多關節力量測試中力臂與力矩之間的關系，肌肉長度、收縮速度、動作類型在力量測試中起到的作用，討論非傳統力量測試中用到的儀器和指標及其在不同領域的運用。教練員在力量測試和力量訓練中應考慮這些因素，保證力量測試的可靠性，以及力量訓練與運動效果之間的相關性。

運動人體科學；力量訓練；訓練效果；監測

肌肉力量是人體體育運動和日常活動的重要基礎，通常被定義為某個肌肉或肌肉群在某一特定動作中能夠產生的最大力或者最大力矩。反映肌肉力量的測試指標很多，如衡量下肢力量的測試指標有膝關節等動力矩、深蹲重量和縱跳高度等。本文重點介紹不同力量測試中所涉及到的生物力學因素。

1 單關節力量測試的生物力學

單關節力量測試中能夠比較明顯地區分力、力臂和力矩。以手用測力計測試伸膝力量為例（圖1），測試人員將測力計放在離踝關節較近的地方測試受試者產生的最大力。在這種情況下，所測得的力就是外力；而測力計到膝關節的距離則是外力臂。如果將外力乘以外力臂，得到的就是外力矩。由于小腿重心在膝關節之下，測試到的外力矩和內力矩大小一樣。假設這個內力矩都是股四頭肌產生，那么股四頭肌到膝關節的作用距離就是內力臂，而將內力矩除以內力臂就可以得到內力。在伸膝測試中，由于股四頭肌內力和內力臂相對恒定，因此，內力矩也相對恒定。最容易導致誤差的是測力計放置的位置。如果測力計放在較遠的位置，則外力臂較大，測試到的外力則會較小（圖1左）；而如果把測力計放在較近的位置，則外力臂較小，測試到的外力則會較大（圖1中）。相比于測試外力，測試外力矩的可靠性更高。常用來測試關節力量的Biodex 等動力量測試系統（圖1右）最后所給出的指標就是力矩。

2 多關節力量測試的生物力學

在多關節力量測試時，外力是多個內力矩的綜合體現，因此每個關節都對外力的產生起到作用。例如在縱跳中，伸踝、伸膝和伸髖肌群都產生了垂直于地面的力。相比于單關節測試，多關節測試的優點是更接近實際運動中的動作，但缺點是難以明確每個關節對最后力量的貢獻程度。比如2位縱跳高度一樣的運動員，其膝關節和髖關節力量可能很不一樣。多關節力量測試中也能區分力和力矩，例如在深蹲測試時，半深蹲負重往往比全深蹲大。由于深蹲時的負重是外力，當受試者往下移動時，膝關節和髖關節角度增加，而外力到膝關節和髖關節的作用距離增加。因此，當外力恒定時，外力臂隨著關節角度的增加而增加，進而導致對每個關節外力矩的增加（圖2）。與此同時，由于肌肉力和力臂相對恒定，運動員能夠產生的內力矩則相對恒定。所以當深蹲幅度增加時，能夠蹲起的最大重量隨外力臂的增加而減少[1]。此外，在多關節測試中，各個關節的相對位置也會影響關節之間的力矩分布。以臥推為例，當杠鈴重量不變，而兩手間距較小時，外力到肘關節是屈肘力臂，外力到肩的力臂較小，肘關節需要產生伸肘力矩，肩關節負荷較小（圖3上）；而當兩手之間距離增加，外力到肘關節是伸肘力臂，外力到肩的力臂較大，肘關節需要產生屈肘力矩，肩關節負荷較大（圖3下）。

圖1 伸膝力量測試的生物力學示意

3 肌肉力、長度和速度對力量測試的影響

肌肉在不同長度和速度下能夠產生的最大力不同。離心收縮時力最大，等長收縮時其次，向心收縮時力最小。此外，在向心收縮時，收縮速度越大，產生的力越小；在離心收縮時，收縮速度越大，產生的力越大。所以在測試關節力矩時，控制收縮方式和速度很重要。此外，肌肉在其最佳長度時產生的力最大，當肌肉偏離最佳長度（縮短或者拉長），其產生的最大力會下降。肌肉的長度往往與關節的角度相關，比如肱二頭肌的長度會隨肘關節的增加而變長。因此，不同的肘關節角度測到的最大屈肘關節力矩不一樣。此外，肌肉具有“牽拉—收縮周期”的特征，即肌肉在向心收縮前先進行離心收縮可以增加其力量輸出。這一個理論的最佳體現是有預擺的縱跳高度大于沒有預擺的縱跳高度。因此在力量測試中，關節角度、速度和有無預擺都會影響所測得的最大力或者力矩。

圖2 深蹲中關節角度與外力臂之間的關系

圖3 臥推時兩手間距與外力臂之間關系

4 動作類型對力量測試的影響

不同的動作類型即使使用同一肌群，其產生的力量也會不一樣。在開鏈動作中，遠端關節相對自由而近端關節相對固定（如踢足球）。在閉鏈動作中則相反，遠端關節相對固定而近端關節相對自由（如下蹲）。Biodex等動伸膝力矩測試屬于開鏈測試動作，而下蹲力量測試屬于閉鏈測試動作。有數據表明在開鏈和閉鏈動作中，大腿的肌電活動是不一樣的[2]。此外，研究顯示，深蹲訓練可以增加深蹲負重和縱跳高度，但并沒有顯著增加開鏈下等速伸膝力矩；臥推訓練可以增加臥推力量，但沒有顯著增加閉鏈下俯臥撐時的最大力輸出[3]。相比坐姿水平蹬腿，負重深蹲訓練對于縱跳高度的改善更為明顯[4]。這些發現都突顯出力量訓練和測試中動作類型和身體姿勢的重要性。動作類型與身體姿勢不僅影響內外力臂、力矩、肌肉力長和“力—速”關系，而且影響到神經肌肉的適應性和多關節的協調性。在力量測試及訓練中，教練員要盡量選擇與運動模式相似的動作類型。

5 傳統力量測試和非傳統力量測試比較

傳統的力量測試動作包括深蹲、臥推、硬拉等。在這些測試中，測試人員可以直接測得運動員完成這些動作時的最大負重，也可以通過較小負重推測最大負重。直接測試最大負重的不足之處在于：較高的受傷概率及較長的測試時間。因此，很多其他測試系統被用來測試力量相關指標，包括定時門、測力臺、應力測試儀器、縱跳毯、動作捕捉系統、加速度計等[5]。定時門可用于測試動作的速度。測力臺可以通過地面作用力來推算身體的速度、功率、起跳速度和高度[6]。應力測試儀器可以安裝在不同儀器上以測試不同動作中的最大力，比如等長深蹲和等長硬拉。縱跳毯通過受試者在空中的時間來測試起跳高度。動作捕捉系統可以計算出位置、速度、加速度。當測力臺和動作捕捉系統同時使用，關節力矩和功率也能被計算出來[7]。加速度器可以直接測量加速度。應用力可以通過加速度和質量來計算。加速度和單位時間也可以計算出速度。由于力量和肌肉含量的關系，身體肌肉成分也能從一定角度反映肌肉力量[6]。相比于傳統的最大力量測試，功能性動作力量測試不但在相關指標上更接近真實的運動情景，而且可以降低受傷概率和縮短測試時間。

6 力量測試的應用意義

力量測試不僅可用于檢測力量訓練的效果以及力量與運動成績的關系，還可用于對疲勞的診斷和對運動損傷的監測。簡潔快速的測試方法（如最大俯臥撐測試和縱跳測試中的最大力和功率）可用于監測澳式橄欖球運動員的疲勞[8]。此外，當身體左右兩側的最大力被2個不同測力臺測試的時候，兩側力量的不平衡也能反映出來。當運動員身體一側發生嚴重的運動損傷（如單側十字韌帶斷裂），往往會表現出身體兩側顯著的不平衡/對稱，而對力量不平衡的監測可以用于預防損傷[7]。

7 小 結

本文介紹了一些可以影響到力量測試結果的生物力學因素。教練員在力量測試和力量訓練中應考慮這些因素，進而保證力量測試的可重復和對比性，以及力量訓練與運動效果之間的相關性。簡潔實用的力量測試更應被廣泛使用，以達到監控訓練效果和訓練狀態，及時發現損傷風險，幫助傷后康復等目的。

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[4]Wirth K, Hartmann H, Sander A, et al. The impact of back squat and leg-press exercises on maximal strength and speed-strength parameters[J]. J Strength Cond Res, 2016,30(5)： 1205-1212

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[6]Stephenson M L, Smith D T, Heinbaugh E M, et al. Total and lower extremity lean mass percentage positively correlates with jump performance[J]. J Strength Cond Res, 2015,29(8)：2167-2175

[7]Dai B, Butler R J, Garrett W E, et al. Using groundreaction force to predict knee kinetic asymmetry following anterior cruciate ligament reconstruction[J]. Scand J Med Sci Sports, 2014, 24(6)： 974-981

[8]Roe G, Darrall-Jones J, Till K, et al. Between-days eliability and sensitivity of common fatigue measures in rugbyplayers [J].Int J Sports Physiol Perform, 2016,11(5)： 581- 586