不同距離負重行軍生物力學和生理上的變化特點及訓法研究

馬繼政　張鑫鵬　王增剛　王哲　賈衛　馮煊　黃強年

摘 要：負重行軍是現役人員的一項基本能力，距離從跨越20m的障礙物到穿過120km以上指定區域，地形通常較為復雜。負重量通常為7.5～50kg。這一巨大的距離上和負重量上的跨度，會對人體產生極大的影響。負重可增加人體的能耗、改變步態。就最佳負重能力而言，不同距離上人體姿勢力學和能量代謝上是不同的：短距離負重跑，需要較高的地面垂直作用力，主要依賴無氧代謝；中距離負重跑是生物力學和生理方面的中介因素，其挑戰是在維持高速的同時需要維持經濟性的運動，需要無氧、有氧代謝；長距離負重行軍和有氧能力、底物可利用性、抗疲勞有關，因此，其訓練方法也發展相應的變化。當前，基于任務的不同和多樣，選擇特定距離范圍進行訓練是一般采用的訓練策略。此外，日常進行非對稱負重訓練或負重靜力性練習也是必要的。

關鍵詞：負重 生物力學 生理

中圖分類號：G808 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2813（2018）10（a）-0046-06

Abstract： The occupational load carriage is the basic ability for military personnel. The distance ranges from navigating 20m obstacles to arriving at given region about 100 miles or more， which has a complex terrain. The carrying load is from 7.5～50kg. The comparatively large spectrum of distances and load carriages can cause stress for military personnel. These loads have been found to increase the physiological cost to the military personnel and alter their gait mechanics. With regard to the optimum performance of load carriage， the physiological and biomechanical mechanisms of different distances are diverse： the sprint occupational load carriage need high vertical ground reaction forces， which rely heavily on anaerobic metabolism； the middle distance is characterized by intermediates of biomechanical and physiological parameters， with the challenge being to run at high velocities while still maintaining economical movement， which rely on anaerobic and aerobic metabolism； the distance is related to aerobic capacity， fuel utilization， and fatigue resistance. Accordingly， the training needs adjustment. At present， base on the task physical demands， the basic training strategy is to select special distance to meet their need. In addition， it is necessary for carrying load on asymmetrical or static exercises.

Key Words： Occupational load carriage； Biomechanical； Physiological

負重行軍是現役人員的一項基本能力，距離從跨越20m的障礙物到穿過120km以上指定區域，地形通常較為復雜[1]。負重通常為7.5～50kg[2]。這一巨大的距離上的跨度，會對人體產生極大的影響。就運動能力而言，從田徑運動跑步的項目看，很少有運動員在兩個不同距離上，同時獲得成功。從生理和生物力學角度看，就能力而言，不同的距離表現出多樣性[3]。

對于跑步運動項目，能力取決于通過一定距離所需的時間。跑速（V）取決于代謝率（Pmet）和跑動時能量的消耗（c）：V=。Pmet指的是整個持續范圍內有氧和無氧消耗的總和[4]。從短距離到超長距離負重行軍生理和生物力學上的變化和需求是不同的。c值取決于多種因素，例如加速、地形、負重量、風速、疲勞。一些生物力學上的因素，同樣影響c值。因此，這一公式代表著生理、生物力學因素與跑速之間的關系。目前，運動聯盟的規定的距離名稱為：短跑（60～400m）、中跑（800～3000m）、長跑（5000m～馬拉松）、超級馬拉松（>馬拉松）。

此外，鑒于負重量、地形不同，不同距離負重行軍實質上生理、生物力學存在不同，并不能完全等同于無負重平跑。整體上看，負重時，人體的第一應答為軀干前傾。這一反應可保證負重量的重心靠近支撐（腳），盡可能保證穩定。相對水平面，背部6kg負重人體即可前傾，負重量大于40kg，軀干前傾可達11°。在負重狀態下行走時，臀部的彎曲增加，骨盆和下背部的肌肉活性增加[5]，另外，負重量增加，髖關節屈角峰值、足底壓力也就增加等[6]。此外，能耗也隨之增加[7，8]，并對人體多系統施加影響[9，10]。盡管存在一定的差異，但不同距離上機械負荷和生理上的需求，可為負重訓練提供一定依據。

1 不同距離負重行軍人體生物力學和生理上的變化特點、訓練方法

1.1 短距離跑

從奧運會競技比賽看，短距離項目包括100m、200m和400m。短距離跑的持續時間通常為1min內。100m大約持續10s[3]。在研究中通常作為人類能力的一個極端。盡管通常認為60～400m較為相似，但實質上生理和生物力學方面存在差異，潛在影響運動能力。例如可觀察到100m和200m都非常優秀的運動員，或者200m和400m，但到現在為止，尚未出現100m和400m同時非常優秀的運動員。

當前，大城市或城鄉結合部作為作戰區域的概率增加，因此，負重條件下，對快速移動能力要求增加：需要快速通過障礙物或無障礙物區域。

1.1.1 生物力學

無負重短距離跑的一個獨特的因素是，由于距離短，加速階段是一個重要的成分。特別是對于60～100m來說，高度依賴于加速能力，距離越長，起始階段越不重要[11]。在整個100m跑，加速階段為40～60m，速度維持10～30m，減速為10～20m[11]。對于60m跑來說，加速階段尤為重要。100m和200m平均世界紀錄的速度相似，但低于60m。由于無氧能力的局限，400m平均速度相對較低。

神經-運動單位一體化在加速階段作用非常明顯。目前，最快速起跑反應時間<200s，與技術不成熟運動員相比，起跑時，足底壓力更大，水平速度更快[12]。此外，研究認為步長在100m賽事加速階段起著重要的作用，主要體現在前10～20m[13]。保證維持高速，基本動力因素是高垂直的地面作用力（ground reaction forces，GRFs）。與非短跑運動員相比，短跑運動員表現出更高的垂直方向GRFs和較短垂直作用力[14]。力的應用技術，特別是GRFs矢量方向是決定運動成績的最重要因素，水平方向GRFs可能是關鍵因素，研究發現凈的水平力和運動成績相關[15]。

就最大跑速上限來說，較短時間需要產生較高的力表明力-速度關系是肌肉收縮的一個重要的性能，較快的步態周期需要肌肉更快地收縮，因此，骨骼肌力-速度關系是最大跑速限制因素[16]。腓腸肌和比目魚肌，很大程度上負責垂直方面GRFs，從力-速度關系上看，較短的接觸時間意味著這些肌群必需增加收縮速度，導致峰值力下降[17]。但是，擺動階段機械力學也是非常重要的，可迅速重置腿部的位置[18]。人體測量顯示短跑運動員通常腿長，小腿圍相對較小，據認為可能腿部擺動慣量降低有關。

1.1.2 生理方面

短距離跑速取決于機械性能，較短收縮時間，產生高負荷。在跑動中，一些生理因素影響力的生成。短跑運動主要依賴于無氧代謝系統來支持高輸出功率。持續時間小于<15s，主要依賴于ATP-PCr系統提供肌肉收縮所需的ATP，距離增加無氧糖酵解的供能比例增加[19]。因此，個體具有高水平的無氧功能，其短跑能力相應較高。

跑動中，力的生成能力很可能取決于腿部的力量、爆發力和僵硬度，這些因素和運動成績有關[20]。年齡相關肌肉萎縮、力量的丟失和長收縮時間，低GRFs有關，相應地跑速下降，可見腿部力量的重要性[21]。決定短跑運動能力，高負荷力需求，骨骼肌的特征涉及到肌肉質量、肌纖維的組成，以及肌纖維長度[22]。高機械輸出功率和腿部伸肌II型肌纖維有關，而II型肌纖維通常和ACTN3 R577R、ACE I/D基因多態性有關[23]。另外，彈性勢能也是決定短跑運動能力的一個重要因素[24]。

1.1.3 訓練方法

負重量增加人體姿勢力學發生調整，動用的肌群不同于平跑。基于訓練學方面的考慮和特定的軍事行動，負重量維持在較高的水平（見圖1）[2]。研究表明在“伊拉克自由”和“持久自由”行動中，需要全副武裝進行300m單兵運動戰術（占參戰人員經歷的身體活動61%）[2]。負重條件下，定期進行多種快速移動能力訓練是必須的，以激活和鍛煉相應的肌群。另外，負重量增加，速度相應下降，但其能量供能上的特點應類似于平跑（1min內），因此，選擇練習的強度應充分激活ATP-PCr系統和無氧代謝系統。此外，鑒于負重快速移動，機體高輸出功率的特點，應對重要的肌群和關節進行基本能力訓練，包括最大力量和爆發力等。

1.2 中距離負重行軍

1.2.1 中距離跑

從奧運會項目看，中跑項目，由800m、1500m和3000m組成。對于3000m是否屬于中跑，還是長跑存在爭議。中跑項目持續時間<2～8min。在這一距離范圍內，影響運動成績的因素較多。中跑運動能力非常獨特，是生物力學和生理方面的中介因素，其挑戰是在維持高速的同時需要維持經濟性的運動[3]。

中距離跑很可能會成為一個研究重點問題，不同生物力學和生理方面中介因素可能和高水平運動能力有關。在中距離跑項目中，不同距離其機械輸出功率、能量的可利用方面存在不同。例如，與3000m相比，輸出功率在800m項目很可能起到關鍵的作用。此外，研究認為800m賽事前部分平均輸出功率起著主要的作用，后部分能量的利用起著主要的作用[25]。

1.2.2 生物力學

盡管中距離跑GRFs低于短距離，但速度相對較快，仍需要較高的機械輸出功率。從機械方面看，中跑項目的跑動類似于短跑，但在最大跑速或次最大跑速時，不同于長跑。中距離和長距離跑的差異包括：步幅增加、接觸時間降低、擺動時膝關節彎曲程度增加、人體重心震動幅度增加[26]。中跑距離增加，機械負荷發生改變，例如3000m跑，步幅減小，軀干前傾[27]。

1.2.3 生理方面

優秀運動員表現出局部骨骼肌的適應能力（毛細血管網略發達、肌細胞的代謝潛能增加），以及具有較高的無氧能力，從而產生項目所需的高機械輸出功率[3]。機械輸出功率對于中距離運動來說，較為關鍵。無氧閾值速度、通氣閾和最大攝氧量（maximal oxygen uptake，VO2max）可預測運動能力[28]。中距離相對較高能力上的需求，已超出單純依靠有氧供能，800m、1500m有著較高無氧供能需求[29]，而短距離主要依賴無氧供能。中距離跑有氧代謝的能力增加。有氧條件下最大速度和優秀運動員的運動能力有關[29]，并表現出較高的VO2max。與長距離跑相比，VO2max和中距離跑的運動能力更相關[30]。此外，乳酸變動，特別是乳酸閾以及乳酸堆積的起始和中距離跑的運動能力有關[31]。

1.2.4 訓練方法

鑒于中距離機械負荷和能量供能的特點，在訓練中，需要不斷調和高速度、高經濟性之間的矛盾。此外，需要有效地發展無氧和有氧代謝系統。選擇訓練方法常用于提高VO2max。

1.3 長距離負重行軍

1.3.1 長距離跑

與短跑相似，長距離跑同樣受到關注。長距離項目包括5000m、10000m和馬拉松。持續時間從超過12min到超過2h。

1.3.2 生物力學

對長距離運動能力來說，有氧能力、跑步經濟性是最基本的因素。跑步生物力學和經濟性之間存在顯而易見的聯系。證據顯示運動經濟性來自于執行最佳機械方式，適宜幅度、方向、節奏使用力，沒有多余的運動。運動學和動力學上的變量影響跑步的經濟性[32]。

就運動學而言，研究認為步長可顯著影響跑步的經濟性，個體選擇一定的步長、偏離，運動經濟性會變差[33]。初始地面接觸的峰值速度、垂直沖量下降和運動經濟性有關[34]。相反，高的總垂直沖量、凈垂直沖量、前后制動力增加和差的運動經濟性有關[35]。

1.3.3 生理方面

通常，決定長跑運動成績主要因素是有氧能力。優秀耐力運動員具有較高VO2max。影響VO2max因素有血容量、毛細血管密度、線粒體的密度增加，主要增加每搏輸出量[36]。但是，VO2max與長跑運動成績相關性僅為中等程度[3]。無氧閾時VO2和速度可較好地預測運動能力[37]。跑步的經濟性（其定義為次最大跑速攝氧量）是決定長距離運動成績的重要因素之一[38]。其與運動能力高度相關，并能夠預測耐力成績[39]。

在相同的穩態的速度下，運動經濟性較好的運動員比運動經濟性差的運動員可較少利用氧[40]。在具有相似VO2max運動員中，經濟性變化范圍可達30%[34]，可用來解釋能力上的差異。經濟性上的差異很可能和肌腱彈性能量儲存和回歸有關，一個預定的運動，肌腱彈性能量儲存和回歸主要取決于肌腱力矩臂，力矩臂減小，能量儲存增加[41]。肌腱力矩臂和跑步經濟性相關[42]。

1.3.4 訓練方法

同樣的，研究結果顯示在“伊拉克自由”和“持久自由”行動中，需要在在極端的條件下攜帶全部作戰裝備行軍10km，表明在特定的環境下，有氧能力仍舊非常重要[2]。鑒于此，負重條件下，人體姿勢力學上的調整（與負重量有關），進行定期負重訓練是最基本的，有助于提高參與肌群的適應能力。就影響因素看，有氧能力和跑步經濟性可能對運動能力產生較大的影響，因此，選擇訓練方式，應能夠發展這些能力指標，從而獲得陽性上的適應能力[43]。

1.4 超長距離負重行軍

1.4.1 超級馬拉松

超級馬拉松賽事距離從50～100km到多天的越野賽跑。超級馬拉松最短距離為50km，優秀運動員的成績大約3h，一些賽事可持續48h或更長。超級馬拉松的賽事相對較新，對超級馬拉松生物力學以及生理方面的研究相對較少。但是，可以推測這些項目主要依賴于有氧功能、底物的利用，以及抗疲勞能力。

1.4.2 生物力學

有限研究資料顯示，優秀超級馬拉松的步態發生改變，出于避免損傷或抵抗疲勞而發生改變[44]。這些步態的變化包括高步頻和著地指數，以及騰空時間降低，而接觸時間沒有變化。另外，超級馬拉松選手表現出較低最大垂直方向上的GRFs和負荷率[44]。此外，超級馬拉松選手表現出較大的步態上的可變能力，可能和地形有關[45]。

1.4.3 生理方面

與長距離相似，跑步的經濟性也是決定超級馬拉松的一個決定的因素，一些可以預測超級馬拉松成績的變量包括VO2max、氧氣的利用率、跑步的平均能耗[46]，最大運動測試時峰值跑臺速度、乳酸閾拐點速度[47]。考慮到超長的距離，抗疲勞能力是決定運動能力的一個重要的因素[48]。

1.4.4 訓練方法

同樣的，研究結果顯示在“伊拉克自由”和“持久自由”行動中，需要維持身體活動72h（占參戰人員經歷的身體活動61.2%）[2]。對于超長距離的負重行軍，抗疲勞能力訓練是其關鍵的因素。人體姿勢力學和能量代謝上的適應是基本的訓練形式。

2 非對稱負重行軍人體生物力學和生理上的變化特點、訓練方法

此外，除了大量動力性活動外，無負重或負重站立（相當于靜力性的力量練習，通常需要持續一定時間，例如在日常訓練中或執勤需要靜止站立，并時常在負重情況下進行。靜力性活動可增加肌內壓力，壓力增加可傳遞至脈管系統，導致骨骼肌血流降低，從而引發一系生理反應[49-51]。除了上述的對稱負重外，在實際行動和日常生活中，常常需要在負重條件下進行非對稱的活動[52-54]，例如提彈藥箱、抬擔架等，非對稱負重條件，人體姿勢力學發生調整，進行相應的訓練也是有必要的。

3 結語

不同距離上的負重行軍，就運動效率而言，人體姿勢力學和能量代謝方式不同。基于任務的不同和多樣，選擇特定距離范圍進行訓練是一般采用的訓練策略。此外，負重訓練，人體產生額外的應激，可導致神經肌肉損傷，日常訓練進行監控是有必要的[55]。此外，影響負重能力是多因素的，精準醫學發展，開始推動訓練朝向精準能力發展[56]，盡管存在巨大的困難和挑戰，但其帶來的理論和實踐應用也是巨大的。

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