超等長奧舉動作在爆發力訓練中的生物力學優勢

顧耀東，石智勇，徐異寧

(寧波大學 體育學院，浙江 寧波 315211)

爆發力訓練是大多數競技體育項目日常訓練的重要組成部分。保持規律、科學、合理且高質量的爆發力訓練，是提升運動員運動表現，維持運動狀態，保持運動健康的重要手段之一[1-2]。除此之外，大眾健身人群保持規律、科學、合理且高質量的爆發力訓練，可以對其神經系統、呼吸系統、心血管系統、循環系統和骨骼肌肉系統均帶來積極影響，使其保持活躍和強健，繼而促進身體健康和生活質量[3]。

奧林匹克舉重(以下簡稱“奧舉”)是公認的提升爆發力的最佳訓練之一，被NSCA、ACSM、NASM 等權威體能協會及運動醫學會推薦，并被運用于籃球、足球、美式橄欖球、田徑等諸多競技體育項目的專項體能訓練中[4-6]。其中，被最廣泛應用于爆發力訓練的奧舉動作是“杠鈴高翻”(以下簡稱“高翻”)。高翻是一種常用于訓練但在正式比賽中較為少見的奧舉動作。當訓練者練習高翻時，雙手緊握杠鈴，而后伸髖發力并且引膝，使杠鈴上升，當杠鈴過膝后，訓練者髖膝踝關節快速伸展，同時上肢發力，將杠鈴盡可能拉高，當杠鈴達到最高點時，身體迅速下蹲，并以“前架位”姿勢接住杠鈴，將杠鈴架于兩側三角肌前束，但不完全緊貼鎖骨。在接鈴瞬間，訓練者下肢處于非完全深蹲狀態，髖關節平行或高于膝關節[7]。

然而，在運動生物力學視角下，實際運動中對爆發力表現有較高要求的場景，往往包含了一個快速且完整的肌肉拉長縮短周期，即肌肉被快速離心拉長然后向心收縮的超等長收縮過程。而傳統的高翻訓練及其變式均缺少了其中肌肉離心收縮對外部負荷或自身重力制動的過程。同時，爆發力訓練的基本要求之一是實現運動項目的特異性適應，即訓練動作所包含的動作成分和負荷類型須盡可能地接近實際運動場景。因此，包含快速肌肉拉長縮短周期的超等長收縮訓練，如跳深，同樣被認為是提升爆發力的最佳訓練之一，在體能訓練中應用廣泛[8]。

相比于傳統的高翻訓練動作，一個包含完整肌肉拉長縮短周期的變式動作可能是提升爆發力的更優選項。本研究假設起始于前架位的高翻動作(以下簡稱“超等長高翻”)和起始于過頂支撐位的高抓動作(以下簡稱“超等長高抓”)(見圖1)，相比于傳統的高翻和高抓動作，在爆發力訓練中具有生物力學優勢。本研究目的是通過相應的運動生物力學分析，比較不同負荷下傳統高翻、傳統高抓、超等長高翻和超等長高抓的關節運動學和動力學特征，以驗證上述科學推斷。

圖1 超等長高翻(a)和超等長高抓(b)示意圖

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

本研究實驗受試者招募期為2 周，受試者自愿報名。受試者報名后，研究人員會為其登記基礎信息，包含性別、年齡、身高、體重和訓練年限，基礎信息以問卷形式收集。

受試者納入標準為：(1)年齡18～25 歲，性別不限；(2)6 個月內無運動損傷史，且3 個月內無任何臨床高強度運動禁忌；(3)須持有國家二級或以上運動員證書；(4)日常訓練中包含奧舉動作項目且基本掌握傳統高翻和高抓動作；(5)傳統高翻1 RM 不低于自身體重；(6)傳統高抓1 RM 不低于體重的70%。

最終共有13 名大學生運動員報名參與實驗，經過基礎信息收集、篩選及1 RM 測試，10 名符合要求的受試者參與實驗，該10 名受試者均為男性，平均年齡為(19.5±0.97)歲，平均身高為(179.9±3.3)cm，平均體重為(75.2±5.4)kg，在日常爆發力訓練中練習奧舉的平均年限均超過3 年，平均傳統高翻1 RM 為(98.2±4.5)kg，平均傳統高抓1 RM 為(75.5±3.1)kg，其中傳統高翻1 RM 的平均最大爆發力為(562.0±28.5)N，平均最大輸出功率為(1 758.1±164.0)W，傳統高抓1 RM的平均最大爆發力為(439.0±16.5)N，平均最大輸出功率為(1 520.5±96.1)W。

本實驗經寧波大學體育學院倫理委員會審查(編號：20220096)，所有受試者均簽署知情同意書。

1.2 整體實驗

10 名受試者將統一停訓10 天進行實驗，實驗包含4 個訓練日，在每個訓練日中，除例行熱身、冷身和放松整理外，主訓練模塊分為傳統高翻、傳統高抓、超等長高翻和超等長高抓4 種訓練內容。每個受試者以隨機順序依次在4 個訓練日中完成4 項訓練內容并進行測試，隨機順序采用SPSS 軟件(版本23.0，IBM公司，美國)自帶的隨機序列生成模塊完成。訓練過程允許使用握力帶、腰帶以及其他運動護具，受試者須穿著專用舉重鞋(品牌不限)，在實木舉重臺上完成訓練。為保證肌肉骨骼系統和神經募集能力的全面恢復，每2 個訓練日間包含2 個休息日，在休息日中受試者禁止飲酒、暴飲暴食和熬夜，并除日?；顒油獠坏眠M行任何體育活動，且保證10 h 以上睡眠。

1.3 訓練流程

1)熱身。在熱身階段，首先受試者被要求進行功率自行車騎行，時間為5 min。之后，實驗人員帶領受試者進行全身的動態拉伸，時間為5 min。在整個熱身階段，實驗人員利用6～20 分Borg 自覺疲勞量表，詢問受試者的自覺疲勞程度，以確保熱身強度保持在量表分6～10 分的范圍內。

2)主訓練。主訓練階段采用逐級增加杠鈴重量的訓練方案。首先，受試者從空桿(男子桿20 kg)開始進行3 組3 次的練習，組間休息2 min。之后，增加杠鈴重量至30 kg，同樣進行3 組3 次的練習，組間休息2 min。然后繼續增加杠鈴重量至50% 1 RM 進行3 組3次的練習，組間休息為3 min。最后，增加杠鈴重量至80% 1 RM 進行3 組3 次的練習，組間休息3 min。

3)冷身。在冷身階段，受試者需要騎功率自行車5 min，強度以受試者感到舒適為準，實驗人員利用6～20 分Borg 自覺疲勞量表，詢問受試者的自覺疲勞程度，以確保冷身強度保持在量表分6～10 分的范圍內。

4)放松整理。在放松整理階段，受試者自主選擇泡沫軸或筋膜槍放松，時間為10 min。

1.4 數據采集

采集受試者使用重量為30 kg，50%1 RM和80% 1 RM的杠鈴進行傳統高抓、傳統高翻、超等長高抓、超等長高翻動作爆發力訓練時的運動生物力學數據。

1)運動學數據。

實驗采集的運動學數據包括爆發力訓練測試中人體髖關節角度、膝關節角度和踝關節角度，以及杠鈴在垂直方向上的運動距離、杠鈴速度和杠鈴加速度。其中，人體運動學數據由Xsens 慣性運動捕捉系統(Xsens Technologies 公司，荷蘭)[9]采集。杠鈴的運動學數據由FLEX 激光杠鈴運動跟蹤設備(Gymware 公司，澳大利亞)[10]采集。

2)動力學數據。

實驗采集的動力學數據包括每位受試者傳統高翻和傳統高抓的1 RM，正式實驗中每次爆發力訓練所用杠鈴的重量，以及每次試舉中人體對杠鈴施加的爆發力和對杠鈴輸出的功率。其中每次試舉中人體對杠鈴施加的爆發力和對杠鈴輸出的功率由FLEX 激光杠鈴運動跟蹤設備(Gymware 公司，澳大利亞)根據每次試舉所采用的杠鈴重量、杠鈴在垂直方向上的運動距離、杠鈴速度和杠鈴加速度數據，利用牛頓運動定律計算獲得。

1.5 數據處理和分析

本研究數據定量分析利用Jamovi 統計分析軟件(版本23.0，https://www.jamovi.org)，采用配對樣本t 檢驗，以α=0.05 為統計學顯著性標準，分別比較了杠鈴重量為30 kg，50% 1 RM 和80% 1 RM 傳統高抓(或傳統高翻)情況下，受試者采用傳統高抓或高翻，超等長高翻或高抓動作進行爆發力訓練時，人體踝、膝、髖關節的關節角度峰值、關節角速度峰值，以及人體對杠鈴輸出的爆發力平均值、峰值，以及人體對杠鈴輸出功率的平均值、峰值，旨在探索超等長奧舉動作變式和傳統動作之間的運動學和動力學差異。由于在實驗所測的動作中，肌肉離心收縮所產生的力對下降中的杠鈴做負功，使杠鈴減速，因此，在計算做功和輸出功率的平均值和峰值時，均采用絕對值進行計算。

同時，考慮到傳統高翻和傳統高抓，以及超等長高翻和超等長高抓動作中，人體下肢踝、膝、髖關節的動作成分相似，但是在肌肉力量速度關系的影響下，使用不同重量杠鈴下進行訓練時受試者完成動作的速度不同，繼而導致在相同的設備采樣率下，數據序列的長度存在差異。因此，本研究在Microsoft Visual Code Studio 軟件(版本1.64.2，Microsoft 公司，美國)中，基于Python 語言環境，編寫動態時間規整(Dynamic Time Warping，DTW)算法程序，將不同完成時間和速度的舉重動作進行數據對齊，以探究不同杠鈴重量下，受試者執行傳統高翻和傳統高抓，超等長高翻和超等長高抓對杠鈴輸出爆發力的時序特征差異，并通過計算兩個待比較動作間的DTW 距離，量化分析不同動作中人體對杠鈴輸出爆發力的時序特征差異的大小。

DTW 算法的核心概念是通過尋找最佳路徑來最小化兩個時間序列之間的距離，本研究采用歐幾里得范數(Euclidean norm)作為距離度量，計算公式如下：

其中，D(i, j)為序列x 的第i 個元素與序列y 的第j 個元素之間的歐幾里得范數。通過該公式，可計算累積距離矩陣(accumulated cost matrix)C(i, j)，其每個元素表示從序列x 的起點到序列y 的起點的最短距離。累積距離矩陣的計算公式如下：

在計算累積距離矩陣后，可以通過回溯累積距離矩陣找到最佳路徑(optimal warping path)和DTW 距離，其中最佳路徑是從序列x 的起點到序列y 的起點的最短距離，DTW 距離定義為累積距離矩陣C 中最后一個元素的值，可以作為兩個序列相似性的量化度量，DTW 距離越小，表示兩個序列之間的相似性越高。

最后，為了可視化DTW 路徑，對路徑進行歸一化處理，將其映射到[0，1]區間，并以百分比(%)形式表示，代表一次訓練動作的完整周期。再利用Python語言的matplotlib 庫繪制DTW 路徑圖，以展示兩個序列之間的對齊關系。在DTW 路徑圖中，橫軸表示序列x，縱軸表示序列y，路徑圖上的點代表兩個序列中不同時間點的對應關系。其中，垂直和水平的DTW路徑用深色實線表示，代表兩個數據序列存在差異，垂直的路徑表示序列x中的某個時間點與序列y中的多個連續時間點相對應，這意味著序列x在這個時間段內的變化較慢，而序列y在這個時間段內變化較快。類似地，水平的路徑表示序列y中的某個時間點與序列x中的多個連續時間點相對應，這意味著序列y在這個時間段內的變化較慢，而序列x在這個時間段內變化較快。對角的DTW 路徑用淺色實線表示，代表兩個數據序列無明顯差異。通過觀察垂直和水平移動的路徑，可以分析兩個序列在不同階段的相似性和差異性[11]。

2 結果與分析

2.1 運動學結果

1)關節角度峰值。

受試者使用不同重量的杠鈴練習4種動作(傳統高翻、傳統高抓、超等長高翻、超等長高抓)時，下肢髖、膝、踝關節的關節角度峰值之間的配對樣本t檢驗結果如表1 所示。

表1 不同重量的杠鈴進行4 種動作練習時下肢關節角度峰值(±s) (°)

表1 不同重量的杠鈴進行4 種動作練習時下肢關節角度峰值(±s) (°)

1)和傳統高翻比較，P＜0.05；2)和超等長高翻比較，P＜0.05

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2)關節角速度峰值

受試者使用不同重量的杠鈴練習4 種動作時，下肢髖、膝、踝關節的關節角速度峰值之間的配對樣本t檢驗結果如表2 所示。

表2 不同重量的杠鈴進行4 種動作練習時下肢關節角速度峰值(±s) (°)

表2 不同重量的杠鈴進行4 種動作練習時下肢關節角速度峰值(±s) (°)

1)和傳統高翻比較，P＜0.05；2)和超等長高翻比較，P＜0.05

部位 負荷 傳統高翻 傳統高抓 超等長高翻 超等長高抓30kg 熱身 403.41±39.26 484.96±36.291) 407.26±66.94 477.43±15.452)50% 1RM 529.62±23.72 595.15±65.411) 565.31±32.11 731.74±113.112)踝80% 1RM 541.39±59.78 651.64±47.981) 655.00±27.90 784.06±48.942)30kg 熱身 538.70±16.56 531.90±19.24 529.80±64.72 540.26±99.37 50% 1RM 606.93±29.53 587.81±34.86 497.56±26.83 580.82±73.152)膝80% 1RM 752.19±55.40 779.03±102.75 659.29±59.23 643.85±33.01 30kg 熱身 436.69±26.34 572.28±3.861) 288.53±4.55 625.04±74.312)50% 1RM 545.76±21.90 624.56±39.531) 490.34±17.54 566.01±35.942)髖80% 1RM 632.91±24.19 701.91±80.211) 534.72±15.83 632.20±33.162)

2.2 動力學結果

1)人體對杠鈴輸出功率。

受試者使用不同重量的杠鈴練習4 種動作時，對杠鈴輸出功率平均值和峰值之間的配對樣本t檢驗結果如表3 所示。

表3 不同重量的杠鈴進行4 種動作練習時人體輸出功率(x±s) W

2)人體對杠鈴輸出爆發力。

受試者使用不同重量的杠鈴練習4 種動作時，對杠鈴輸出爆發力平均值和峰值之間的配對樣本t檢驗結果如表4 所示。

表4 不同重量的杠鈴進行4 種動作練習時人體輸出爆發力(x±s) N

3)人體對杠鈴輸出爆發力時序特征。

人體對杠鈴輸出爆發力的時序特征差異方面，不同杠鈴重量下，受試者執行傳統高翻和傳統高抓，超等長高翻和超等長高抓對杠鈴時，人體對杠鈴輸出爆發力的時序特征及兩個待比較動作間的DTW 距離如圖2 所示。由圖2 可得，傳統高翻和傳統高抓，以及超等長高翻和超等長高抓，分別擁有類似的下肢關節動力學模式，但在中等和次最大強度負荷(50% 1 RM和80% 1 RM)下進行爆發力訓練時，傳統動作間中的下肢關節動力學差異高于超等長動作間的下肢關節動力學差異(DTW 距離值更大)。同時，相比于超等長高翻，超等長高抓在中等和次最大強度負荷(50% 1 RM和80% 1 RM)間的動力學差異更小(DTW 距離：3 119.60和5 614.19)。

圖2 不同杠鈴重量下4 種動作練習時人體對杠鈴輸出爆發力的時序特征比較

3 討論

本研究通過運動生物力學實驗，比較了不同負荷下傳統高翻、傳統高抓、超等長高翻和超等長高抓的關節運動學和動力學特征，探討了傳統奧舉高翻和高抓動作的超等長變式在爆發力訓練中潛在的生物力學優勢。

運動學方面，熊維志等[12]研究分析了優秀女子舉重運動員抓舉動作運動學參數與成績的相關性，挖掘運動學指標，并建立相關多元線性回歸方程；劉平等[13]研究分析了我國優秀男子舉重運動員抓舉技術結構，但林飛等[14]對男子舉重世界冠軍超挺舉世界紀錄關鍵技術的運動學參數進行了分析。這些研究為本研究提供了一定的理論依據，但未涉及超等長奧舉動作。本研究在傳統奧舉動作基礎上，探討了超等長變式對下肢動力學特征的影響，拓展了相關研究領域。

動力學方面，先前的一些研究探討了舉重運動員肌肉力量與運動成績之間的關系。熊維志等[12]研究發現，男子舉重運動員下肢肌肉力量與運動成績呈正相關關系。徐文泉等[15]對比了不同級別優秀舉重運動員抓舉技術關鍵指標的生物力學特征。這些研究表明，對傳統奧舉動作進行超等長變式的改進，可能對提高運動員的爆發力和運動成績具有積極意義。本研究發現，在相同的絕對負荷下，超等長高抓訓練對訓練者峰值爆發力的要求高于超等長高翻。同時，超等長奧舉動作變式的峰值爆發力遠高于傳統動作模式。這一發現證實了本研究假設，即超等長奧舉動作在爆發力訓練中存在明顯的生物力學優勢。同時，本研究結論與Stone 等[16]和Haff 等[17]的研究基本一致，即力量輸出的大小和速度對于舉重的運動表現至關重要。本研究認為，超等長奧舉動作中，杠鈴在人體髖關節的“減速后再加速”階段，要求訓練者在更短時間內產生更大的力量，因此在動力學方面存在優勢。此外，動力學參數的動態時間規整結果表明，在中等和次最大強度爆發力負荷(50% 1 RM 和80% 1 RM)下進行爆發力訓練時，傳統動作間中的下肢關節動力學差異高于超等長動作間的下肢關節動力學差異。同時，相比于超等長高翻，超等長高抓在中等和次最大強度負荷間的動力學差異更小。因此，本研究認為，超等長奧舉動作在爆發力訓練中具有顯著的生物力學優勢，建議結合訓練者的需求及技術，制定個性化訓練計劃。

本研究結果對運動員的爆發力訓練實踐具有重要指導價值。首先，本研究肯定了超等長奧舉動作對于提高運動員爆發力水平具有一定的生物力學優勢。此外，本研究結合國內外相關文獻，進一步研究了傳統奧舉動作的超等長變式，為爆發力訓練提供了新的實踐策略。盡管與部分研究在動作模式方面存在差異，但這些差異正是潛在原因分析的起點，有助于更全面地了解運動員爆發力訓練的方法和策略。最后，本研究提供了一種新的分析方法——動態時間規整算法，為實際應用提供了新的思路，有助于教練員針對不同運動員的特點，制定更加科學、精細的訓練方案。

然而，盡管本研究取得了一定的成果，但仍存在以下不足之處。首先，本研究的實驗對象數量有限，可能影響了結論的普遍適用性。未來研究應擴大樣本規模，以提高研究的代表性。其次，本研究未對不同年齡、性別、訓練經歷等因素進行細致分析，這些因素可能對爆發力訓練效果產生影響。今后研究可進一步探討這些因素與爆發力訓練之間的關系。最后，本研究僅從生物力學角度分析了超等長奧舉動作在爆發力訓練中的優勢，未涉及生理、心理等其他方面的影響。后續研究可綜合多學科理論，全面評價超等長奧舉動作的訓練效果。