王 崢， 岳建軍， 徐壯壯， 范智慧

(安徽師范大學(xué) 體育學(xué)院,安徽 蕪湖 241000)

引言

體操作為中國國家隊的強項之一,平衡木又作為女子團體的四個單項之一和單項比賽，更是中國體操隊的傳統(tǒng)優(yōu)勢項目，但是其發(fā)揮穩(wěn)定性不高,第二十九屆北京奧運會以來涌現(xiàn)了鄧琳琳、程菲等一批世界冠軍。但近年來，由于隊員青黃不接，我國在該項目的優(yōu)勢地位并不如前，在第三十屆倫敦奧運會安徽名將鄧琳琳奪冠后，在第三十一屆里約奧運會中，范憶琳僅進入決賽并未獲得獎牌，在近三屆的體操世界錦標(biāo)賽中，一些選手陸續(xù)獲得獎牌，直至第三十二屆東京奧運會，中國體操隊平衡木項目才再次回到世界巔峰。體操項目的最終得分由動作難度分和完成分組成，平衡木成套動作計入最高8個難度動作的分值，其中最多5個技巧動作，最少3個舞蹈動作[1]。近年國內(nèi)外的比賽統(tǒng)計結(jié)果表明，計入難度分的技巧類動作主要有4種類型，前空翻、后空翻、后跳轉(zhuǎn)類和側(cè)空翻，且表現(xiàn)出增加趨勢[2]，每個體操套路都以成功著陸結(jié)束，成功著陸(不邁步或跌倒)是動作評估的關(guān)鍵因素，而在空翻類動作這種高難度動作中，成功落木則更加困難，因此研究高難度空翻動作在起跳，騰空，落地的三個階段人體表面肌電特征具有重要意義[3]。通過分析體操運動員技術(shù)動作表面肌電相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，獲得運動員完成正確技術(shù)動作的肌電特征，以幫助普通人群對專業(yè)技術(shù)動作的理解，為運動員提高運動成績進行安全有效的訓(xùn)練提供科學(xué)依據(jù)。目前如于佳彬[4]、吳成亮[5]和關(guān)朝陽[6]等，對我國體操運動員的專項肌肉運動學(xué)和體操動作編排特征進行了相關(guān)研究，也有一些研究集中在體操其他項目，如單杠[7-8]和跳馬等，但遺憾的是，有關(guān)女子運動員平衡木項目肌肉表面肌電的研究較少。本研究旨在分析比賽中使用的空翻類動作的表面肌電指標(biāo)，通過對比挺身前空翻動作和直體后空翻動作表面肌電指標(biāo)差異，探討高水平運動員完成挺身前空翻動作和直體后空翻動作的技術(shù)特點，進而為運動員學(xué)習(xí)掌握空翻高難度動作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

何驪澄，女，2004年出生于安徽，中國女子體操運動員，曾獲2021年首屆長三角女子體操邀請賽個人女子全能第一名、平衡木第一名，2020年全國體操冠軍賽平衡木第三名、自由體操冠軍，第十四屆全運會個人全能第八名，2020年全國體操冠軍賽全國女子自由操第一名，第十四屆全運會女子團體銀牌等等，于2021年5月入選東京奧運會大名單。其突出特點是下肢強壯，爆發(fā)力好，動作完成度高，以她為對象研究我國女子平衡木專項肌肉用力特征具有典型性，受試運動員無肌肉損傷、訓(xùn)練過度等病癥。征得本人同意，愿意配合本次實驗，在標(biāo)準(zhǔn)體操館，連續(xù)完成指定動作數(shù)次，以較好的一次為研究對象。

1.2 實驗方法

1.2.1 測試儀器和步驟 Noraxon公司16通道無線遙測表面肌電采集分析系統(tǒng)，采集前用醫(yī)用酒精濕巾擦拭皮膚表面，擦除皮膚表面的油脂和干燥的真皮，將傳感器沿著肌肉走向貼于肌肉肌腹隆起處，同時要求傳感器的方向與肌纖維方向一致，用醫(yī)用膠帶固定傳感器。傳感器的位置依次為兩側(cè)的腓腸肌內(nèi)側(cè)(medial gastrocnemius)、股二頭肌(Biceps femoris)、股直肌(Rectus femoris)、三角肌(deltoid)、肱橈肌(Radial brachial muscle)，兩側(cè)肌肉張貼傳感器的順序為從左至右。

1.2.2 肌肉選取 經(jīng)理論初選、預(yù)實驗和專家篩選，并結(jié)合相關(guān)研究文獻取雙側(cè)腓腸肌內(nèi)側(cè)頭、股二頭肌外側(cè)頭、股直肌、三角肌中束，肱橈肌共10塊肌群，選取的肌肉與電極粘貼位置見表1。

表1 測試所選取的肌群Table 1 Selected Muscle Groups in Test

1.2.3 動作要求 挺身前空翻動作和直體后空翻動作起跳階段、騰空階段和落木階段均要求在平衡木上進行，同一種空翻動作在木上連續(xù)做兩遍，危險性動作加裝泡沫墊，失去平衡的動作不列入數(shù)據(jù)收集范圍，安排相關(guān)人員做好運動員保護工作。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 肌電信號使用NoraxonTelemyo2400R(NoraxonUSAInc，Scottsdale，AZ)采集(采集頻率1500Hz，放大比例1000x)，并使用MyoResearch(NoraxonUSAInc，Scottsdale，AZ)軟件進行平滑和過濾(頻率5-1000HZ)處理。同一受試者連續(xù)完成各個動作，因此不需要進行標(biāo)準(zhǔn)化處理和測試出最大等長收縮[9]。分析運動員完成挺身前空翻和直體后空翻動作身體各肌肉指標(biāo)差異，主要指標(biāo)為肌肉的積分肌電(iEMG)值以及均方根值。對各階段肌電進行幅值整流，濾波，平滑過濾以及幅度歸一化，將動作劃分為起跳(a)、騰空(b)和落木(c)3個階段(圖1)。

圖1 為平衡木動作特征及階段劃分圖示Fig.1 show the action characteristics and stage division of the balance beam注：a為起跳階段，b為騰空階段，c為落木階段

2 結(jié)果

2.1 挺身前空翻和直體后空翻動作積分肌電百分比

積分肌電(iemg)百分比也稱肌肉做功百分比，以某肌群積分肌電與完成該動作所有肌群積分肌電和的比值來定，用來體現(xiàn)某肌群在完成動作時的重要性[10]，是評價肌肉協(xié)調(diào)性的一個重要指標(biāo)[11],也可以用來表達肌肉在某一動作階段貢獻率。

從表2、表3的各肌群的積分肌電百分比可以得出挺身前空翻和直體后空翻動作中起跳過程的主要做功肌群都是三角肌、腓腸肌、股直肌、肱橈肌，對股二頭肌的需求較低。騰空過程的主要做功肌群則略有不同，前空翻依然是腓腸肌、三角肌、肱橈肌、股直肌，后空翻則是對股直肌的要求較低，股二頭肌代替其成為主要做功肌群之一。而在落地階段，為了控制身體平衡，三角肌成了最主要的做功肌群。通過對比挺身前空翻和直體后空翻動作的各個階段肌肉做功過程可以得出，雖然身體兩側(cè)的同一肌肉做功情況會略有不同，但是在當(dāng)整個動作完成后，身體兩側(cè)肌肉做功情況基本合理，說明身體協(xié)調(diào)良好。

表2 何驪澄挺身前空翻不同階段各肌群積分肌電百分比Table 2 The percentage of integral EMG of each muscle group in different stages of He Licheng’s forward somersault(%)

表3 何驪澄直體后空翻不同階段各肌群積分肌電百分比Table 3 The percentage of integral EMG of each muscle group in different stages of He Licheng’s straight backflip(%)

2.2 挺身前空翻和直體后空翻動作各階段運動員肌肉激活強度

均方根(RMS)振幅值是人體表面肌電分析中另一重要分析指標(biāo)，主要反映肌肉活性，即肌肉參與運動的程度[12]。從表4、表5的各肌群的激活強度可知，三角肌在兩種空翻動作各個階段中仍然是激活強度最大，在起跳階段和落地階段，兩動作肌肉激活強度無明顯差距，依然是三角肌激活強度最大，而在騰空階段，挺身前空翻動作是三角肌和股直肌激活強度更大，直體后空翻動作則是腓腸肌、三角肌、肱橈肌激活強度更大。

表4 何驪澄挺身前空翻不同階段各肌群的標(biāo)準(zhǔn)化均方根肌電圖Table 4 Standardized root mean square electromyography of each muscle group at different stages of He Licheng’s forward somersault(%)

表5 何驪澄直體后空翻不同階段各肌群的標(biāo)準(zhǔn)化均方根肌電圖Table 5 Standardized root mean square electromyogram of each muscle group in different stages of He Licheng’s back flip(%)

2.3 挺身前空翻和直體后空翻動作肌肉激活模式圖

由圖2可知，三角肌在動作開始之前即開始出現(xiàn)較高激活強度的預(yù)激活現(xiàn)象，其穩(wěn)定軀干的作用十分明顯，通過靜力性收縮以維持軀干穩(wěn)定，并一直持續(xù)至動作結(jié)束，肱橈肌和股直肌激活時程較短，起跳騰空階段出現(xiàn)明顯激活，另外從激活時程的長短來看，三角肌>股二頭肌>腓腸肌>股直肌>肱橈肌。在圖2中，三角肌、股直肌、股二頭肌、腓腸肌、肱橈肌均在發(fā)力階段開始時激活，但激活持續(xù)時間存在一定差異，直體后空翻動作的激活模式具有同步性的特征，滅活順序為右股直→右腓腸→左腓腸肌→左三角肌→左三角肌→右三角肌→右肱橈肌→左肱橈肌→左股直→右股二頭。

圖2 挺身前空翻和直體后空翻肌肉激活模式圖Fig.2 Front flip and straight backflip muscle activation pattern diagram注:p1-p2為起跳階段，p2-p3為騰空階段，p3-p4為落地階段

3 討論

3.1 不同空翻動作肌肉用力特征

由于在平衡木中會受到諸多因素的影響，但是這些因素?zé)o法準(zhǔn)確測量，而肌電測試可以得出影響平衡的力量指標(biāo)，向后空翻的技巧動作是體操兩大空翻類技巧之一[13]，幾乎在平衡木的所有比賽中都可以看到運動員使用此類動作，直體后空翻和挺身前空翻是一般難度動作，也是競技體操運動員被要求必須掌握的基本技能，由于在比賽過程中會受到諸多因素的影響，如場地，心理等因素，因此空翻類動作也是極易出現(xiàn)失誤的動作(東京奧運會平衡木冠軍管晨辰在全運會上就出現(xiàn)失誤，最終與獎牌無緣)，對身體平衡的控制顯得更加重要，陸愛云在《運動生物力學(xué)》中指出“平衡是指當(dāng)作用于物體的合力為零時物體所處的一種狀態(tài)”。人體保持平衡能力處于一種穩(wěn)定狀態(tài)與人體重心所處的位置和人體支撐面積大小有關(guān)。如果人體重心的重力線落在支撐面之內(nèi)，降低重心就能增加人體的平衡能力，否則將處于失衡狀態(tài)[14]。

本研究中挺身前空翻和直體后空翻在起跳階段的主要做功肌群一致，都是腓腸肌、股直肌、三角肌、肱橈肌，而在騰空階段，挺身前空翻的主要做功肌群為股直肌和三角肌，且身體左右側(cè)肌肉做功貢獻差距較大，直體后空翻的主要做功肌群為三角肌、腓腸肌、肱橈肌、橈肌在兩動作起跳過程中有較明顯的參與，肱橈肌的生理功能是屈曲肘關(guān)節(jié)、將旋后的前臂旋前以及將旋前的前臂旋后，此肌肉能成為起跳過程主要做功肌肉的原因是通過上臂積極的擺動以帶動軀干和腿部積極伸展。

在比賽中，空翻動作作為核心動作之一，為了獲得較高的技巧分，運動員必須完成各種形式的空翻動作，且在空翻過程中，身體的重心不斷變化，也是極易出現(xiàn)失誤造成落木的動作之一。在落木控制階段，挺身前空翻動作身體兩側(cè)三角肌做功達到了68%，遠高于其他肌群，三角肌的主要解剖功能是使上臂在肩關(guān)節(jié)處屈和旋內(nèi)，中部纖維收縮使上臂外展，后部纖維收縮使上臂在肩關(guān)節(jié)處伸和旋外，整體收縮，能夠使上臂外展，對加固和穩(wěn)定肩關(guān)節(jié)有一定作用?？梢?，空翻類動作較一般的動作，身體重心的把控，軀干穩(wěn)定的控制都更為困難。三角肌為起到控制平衡的作用，是最主要的做功肌群，所以保持平衡是所有姿勢運動的基礎(chǔ)。股直肌、三角肌都是挺身前空翻的主要做功肌群，但令人意外的是左側(cè)三角肌和股直肌做功分別達到了24%和20%，而身體右側(cè)只占到9%和4%。究其原因主要是與動作性質(zhì)相關(guān)，為了完成挺身前空翻的動作，在起跳時，身體右側(cè)已經(jīng)翻轉(zhuǎn)，而左腿需要完成蹬地等動作。

均方根值能夠更好地排除時間累積的干擾，反映單位時間內(nèi)肌肉的平均激活強度，采用此指標(biāo)能夠?qū)\動員進行不同肌群激活強度的分析。larys[15]和Yang[16]的研究曾經(jīng)指出，建議用運動中各肌群肌電峰值對各肌群均方根肌電進行標(biāo)準(zhǔn)化更加合適，因此本研究采用此方法[17]。由于未經(jīng)訓(xùn)練的人在身體倒立中無法保持穩(wěn)定的平衡，這對于普通人而言，是一項極其困難的任務(wù)，需要高度的肌肉力量和耐力來保持身體的全部重量，以及心血管耐力需要承受相反的位置[18]。相對于支撐階段或者其他階段，身體倒立時更需要前庭器官、體感以及頭部視覺信息的整合[19]。在起跳過程中，挺身前空翻為三角肌激活程度更大，直體后空翻三角肌、腓腸肌、肱橈肌相對與其他肌群激活強度更大，在騰空階段和落地階段，為了保持身體的穩(wěn)定，依然是三角肌進行了更大程度的動員，在平衡木上運動時，三角肌積極收縮能夠使身體保持平衡，避免落木，人體在平衡木上做動作時，與肢體肌群力量、肌張力之間的相互平衡，密切相關(guān)，在非周期運動項目中，此能力尤為重要，在長5米、寬0.1米的平衡木上移動，翻騰時都對身體平衡性帶來了很大的考驗。空翻類動作三角肌動員程度大，動作難度增加，對身體的平衡的控制更加困難，因此在落地的一瞬間，三角肌在相對集中的時間內(nèi)猛烈收縮必將導(dǎo)致其均方根肌電值升高。

肌肉激活順序是研究專項動作過程中肌肉內(nèi)部協(xié)調(diào)關(guān)系的重要手段，而協(xié)調(diào)則是人體科學(xué)和康復(fù)醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容[20]。肌肉激活人體在某個運動階段過程中肌肉的發(fā)力前后順序，可以分析肌肉之間的協(xié)調(diào)程度，以及判斷肌肉用力的合理性，選擇合適的激活臨界值是判斷肌肉正確用力順序的重要指標(biāo)[21]。在實際測試過程中會存在各種各樣的干擾因素，因此判斷肌肉激活沒有適用于所有項目的固定方法，有學(xué)者根據(jù)振幅平均值是否過基線水平的2-3個標(biāo)準(zhǔn)差來判斷[22]，Laplaud等人在相關(guān)研究中[23]指出振幅峰值百分比是判斷激活的較好指標(biāo)，通常用振幅峰值的15%[24]來作為判定肌肉激活的參考點，本研究選用的參考點，將標(biāo)準(zhǔn)化振幅≥15%記為肌肉開始激活，標(biāo)準(zhǔn)化振幅<15%記為滅活，根據(jù)肌肉在動作過程中激活時間早晚可知各肌群的激活順序進而可知技術(shù)動作的肌肉用力順序。本文將各肌群肌電信號進行時間和幅值歸一化處理后，以標(biāo)準(zhǔn)化振幅15%作為激活臨界值，在pycharm軟件中作圖得到各肌肉的激活模式圖，據(jù)此分析各塊肌肉在挺身前空翻和直體后空翻中的激活或滅活順序，如圖2所示。在挺身前空翻和直體后空翻動作的激活模式圖中可以看出，各肌群在三個階段當(dāng)中幾乎都處于激活狀態(tài)，各肌群激活持續(xù)時間存在一定差異，直體后空翻動作的激活模式具有同步性的特征。

3.2 挺身前空翻和直體后空翻動作表面肌電特征對訓(xùn)練的啟示

挺身前空翻和直體后空翻動作中，腓腸肌、三角肌、肱橈肌都是穩(wěn)定的做功肌群，提示在訓(xùn)練中應(yīng)注意：1)高度重視對手臂以及肩部肌肉群的力量練習(xí)，力量訓(xùn)練能夠使運動員的競技能力提高，newto[25]的一項研究表明，無訓(xùn)練經(jīng)歷的平均年齡在18.6歲的通過8周的臥推和牽拉訓(xùn)練可以使6rm的重量增加22.8%，也可以降低運動損傷的概率。2)加強腿部肌肉ssc收縮能力訓(xùn)練，運動員在完成各種起跳動作時，腓腸肌，股直肌的做功都占據(jù)較大比重，這些肌肉的超等長收縮能力在很大程度上決定了運動員動作的騰空高度和動作的舒展度，在肌肉離心收縮之后迅速進行向心收縮，通過拉長肌肉的初長度，以產(chǎn)生更大的力量，此外要注意在疲勞狀態(tài)下練習(xí)時要注意肌肉損傷。3)針對平衡木動作的身體兩側(cè)用力的非均衡性特征，力量練習(xí)中也應(yīng)該適當(dāng)增加非均衡性力量練習(xí)，并與對稱均衡性力量練習(xí)相結(jié)合[26]。研究中得出在挺身前空翻的起跳動作當(dāng)中，身體左右側(cè)肌肉有較明顯的差異，此外也應(yīng)根據(jù)運動員個性特征，進行相應(yīng)的強化練習(xí)。4)肩部肌肉作為各個階段過程的主要做功肌群，為提高身體的穩(wěn)定性，應(yīng)根據(jù)其做功的方式，進行專項力量訓(xùn)練，肌肉專項化訓(xùn)練是提高運動成績，保證訓(xùn)練質(zhì)量的重中之重，打破原有的做功形式，形成新的生態(tài)。訓(xùn)練的動作模式與專項動作模式不匹配，造成專項轉(zhuǎn)化效率是很低的。Rimmer and Sleivert(2000)采用單腿和水平方向的超等長訓(xùn)練，8周后，10米起跑速度提高了2.6%，可見，訓(xùn)練中動作模式的專項化是提高訓(xùn)練轉(zhuǎn)化率的前提[27]。所以進行肌肉專項化訓(xùn)練是十分有必要的。5)根據(jù)運動員個體情況進行差異性訓(xùn)練，本研究存在一定的局限性，所選取的運動員樣本量太少。在實際中，由于運動員的年齡不同，參加訓(xùn)練的年限也不同，在全面掌握運動員身體特點的基礎(chǔ)上，要靈活多變地選擇訓(xùn)練形式和訓(xùn)練負荷。

4 結(jié)論

本研究獲得了挺身前空翻和直體后空翻動作在完成時的基本技術(shù)特征及相關(guān)的肌電學(xué)指標(biāo)，為運動員學(xué)習(xí)和掌握這類動作及運動員水平的提高提供了科學(xué)參考。起跳時需要運動員具備強大的下肢ssc收縮能力和肩部力量素質(zhì)，將平衡木動作細化，主要為多樣的身體翻騰動作與手臂的動作相結(jié)合，是一個加速再加一個制動，相當(dāng)于一個離心和等長收縮，不但要求力量、爆發(fā)力，更要求肌肉的制動能力。訓(xùn)練中加強運動員基本身體素質(zhì)和平衡木專項力量的訓(xùn)練，以加強動作的舒展度和完成度。