不同踏蹬频率下自行车运动员踏蹬力研究:运动员的呼吸频率
摘要:利用RM功率车以及安装在功率车上的测力系统(Powertec-ystem)研究不同踏蹬频率下场地自行车运动员一个踏蹬周期内作用于曲柄的切向踏蹬力特征｡以8名自行车运动员为研究对象,在RM功率车上进行10min､90rpm､120w的准备活动后,进行阻力负荷为500watt的骑行,踏蹬频率分别为100､120､130､140rpm,顺序随机选择,骑行稳定后,采集连续5s的踏蹬力数据｡结果表明,随着踏蹬频率的提高,作用在左､右两侧曲柄的切向踏蹬力分量的正均值､均值､最大值减小,两侧切向踏蹬力分量之和的均值及峰值也减小(p�0.01);左､右侧正切向踏蹬力分量的起止位置､最值位置､双侧切向踏蹬力分量之和的峰值位置均随着踏蹬频率的增大而提前(p�0.01);在踏蹬周期的下半段,踏蹬频率越高,切向踏蹬力曲线越低,在踏蹬周期的上半段,踏蹬频率越高,切向踏蹬力曲线越高｡ 关键词:RM功率车;切向踏蹬力 中图分类号:G804.63文献标识码:A文章编号:1004-4590(2007)01-0072-04� Abstract:his study examined the tangential peal force applied on the crank in cycling at different cadence using RM high performance egrometer and Powertec system. he pedal force data were collected from eight subjects at 500W across cadence ranging from 100 to 140 RPM. Results showed that the positive average, average maximum of both crank tangential pedal force(Fe) , the average and peak of the sum of both crank systematically decreased as cadence increased (p Key words: RM High Performance Ergometer; tangential pedal force 自行车的踏蹬是一种双侧对称的､周期性的､闭链式的圆周运动,其前进的动力来自于运动员踏蹬力的大小和踏蹬频率｡肌肉收缩产生的力量通过关节向曲柄传递,要使踏蹬动作合理､圆滑,双侧平衡､协调用力,需要很复杂的下肢肌肉协调用力｡作用于曲柄的踏蹬力可以反映踏蹬技术的好坏,对作用于曲柄的踏蹬力的研究已经有许多,从起初的粗略研究到后来对踏蹬力的分解研究,得出了许多有意义的结论｡许多研究已经证实,踏蹬频率的选取对踏蹬力有很大的影响,国内外有许多文献研究了一定负荷下踏蹬力与踏蹬频率的关系,但这些研究恒定输出功率(不超过300watt)､中等踏蹬频率､不限制传动比基础上(在60～120rpm之间)[1,2,3,9]｡随着科技对体育竞技的积极指导作用,自行车运动的成绩比往昔大大提高,运动员选取的踏蹬频率以及输出功率也增大,世界优秀场地4km运动员的平均输出功率已经达到500watt以上[10],1km､500m､凯林赛等项目的输出功率则更高,踏蹬频率也在120rpm以上｡ 本研究主要针对场地短距离项目自行车运动员,研究他们在高负荷､高踏蹬频率下的踏蹬力特征｡[1] 1 研究对象与方法 1.1 研究对象 江苏省自行车队场地短距离项目男子运动员8人,他们的基本情况为:年龄,20.5±1.18岁､身高,181.1±4.98cm､体重,87.21±9.31kg｡八人中有6人为健将级､2人为一级运动员,8位运动员的起跳优势腿均为右腿｡实验的环境条件为:温度9.8±0.42℃;湿度36.3±5.6%RH｡ 1.2 研究方法 采用德国RM公司生产的高性能功率车,该功率车可以提供恒定的工作负荷,运动员根据自己的实际情况调节座垫､车把的位置｡在曲柄上安装力传感器,把骑行中的踏蹬力信号(切向和法向)通过模拟/数字(A/D)转换装置直接传送到计算机｡ 实验设定的负荷为500watt,传动比为55:13,选取的踏蹬频率为100､120､130､140rpm四个频率｡正式实验前以120watt的负荷､90rpm的踏蹬频率进行10分钟的准备活动｡实验开始后,运动员在500watt的负荷下加速到要求的踏蹬频率,待骑行稳定后采集连续5s的踏蹬力数据,采用频率为1000Hz｡为控制可能的干扰和疲劳的影响,四个踏蹬频率随机抽签选取顺序,每个速度间0watt积极休息5分钟｡ 采集到的踏蹬力信号在专用数据处理软件(IMAGO)中处理后,输出为一个踏蹬周期内的踏蹬力数据excel文件,然后在[LL]P中进行统计处理｡� 2 研究结果 踏蹬是周期性的圆周运动,运动员全身协调用力,通过环节的传递直接作用力于曲柄,使曲柄做圆周运动,作用在自行车踏板上的力(Fr)有两个分量:法向力分量(Fu)和切向力分量(Fe) (见图1),其中,法向力分量(Fu)沿着曲柄指向圆心,不做功,只有垂直于曲柄的切向力分量(Fe)才是有用力,是使曲柄做圆周运动的动力,是本文研究的内容｡ 2.1 各个速度下两侧切向踏蹬力分量的均值和最值� 注:正均值表示一个踏蹬周期内所有正切向踏蹬力的均值;起始位置､结束位置表示一个踏蹬周期内正的切向踏蹬力开始､结束的角度;负均值表示一个踏蹬周期内所有负切向踏蹬力的均值;均值表示一个踏蹬周期内所有切向踏蹬力的均值｡ 表1 从表1可以看出,随着踏蹬频率的增大,左､右两侧Fe的正均值､均值均有减小的趋势,方差分析结果p=0.000,左､右两侧正Fe的起始､结束位置随着踏蹬频率的提高有提前的趋势(p=0.000);左､右正Fe的负均值随踏蹬频率的提高有增大的趋势,但方差分析显示没有差异性;左､右两侧Fe正值的范围随踏蹬频率的变化未有显著的变化｡ 对左､右两侧进行配对检验,均值和正值的结束位置两侧无显著差异,负均值､正均值､正均值的起始位置､正均值的范围两侧差异显著(p�0.05)｡
左､右两侧最大切向踏蹬力随着踏蹬频率的增大呈减小的趋势(p=0.000),但最小切向踏蹬力(负值)虽然随踏蹬频率的增大有增大的趋势,但方差分析结果无显著性｡最值出现的位置均随着踏蹬频率的增大呈现出提前的趋势(p=0.000)｡ 对左右两侧进行配对检验,两侧最大值有显著差异(p�0.01),最小值及最值出现的位置无显著差异｡ 2.2 各个速度下两侧合切向踏蹬力的均值和峰值� 自行车的踏蹬技术是双侧对称的运动,一侧踏蹬时,另一侧提拉,一侧处于上死点时,另一侧处于下死点,因此,在一个踏蹬周期中会出现两次峰值,相对于右侧曲柄位置来说,第一个峰值出现在右侧下踏､左侧提拉阶段,第二个峰值出现在右侧提拉､左侧下踏阶段｡方差分析结果显示,两次峰值的大小随着踏蹬频率的提高有减小的趋势(p=0.000),两次峰值出现的位置随着踏蹬频率的提高有提前的趋势(p=0.000),两侧合切向踏蹬力的均值随踏蹬频率的提高有降低的趋势(p=0.000)｡ 3 讨论与分析 各个踏蹬速度下的平均踏蹬频率见表4所示: 从表4可以看出,实验中运动员的踏蹬频率基本都控制在要求的范围之内,实验基本满足要求｡ 曲柄转动一周为一个踏蹬周期,踏蹬是对称性的动作,一侧踏蹬,另一侧提拉,当曲柄处于垂直向上位置时,定义为踏蹬周期的0°位置(见图2),一侧曲柄处于0°时,对侧曲柄处于180°｡ 运动员骑行中产生的功率是曲柄力矩和角速度的线性组合(P=τ•ω),曲柄力矩是作用于曲柄的切向力与曲柄长度的乘积(τ=Fe•r),因此,运动员的输出功率P=Fe•r•ω,其中,曲柄长度r是不变的｡RM高性能功率车的hyperbolic模式(用户设定输出功率,功率由测功仪测得后,反馈到功率控制设备,控制制动阻力使骑行者维持恒定的功率)可以使输出功率保持不变,而踏蹬频率,运动员可以自由选择或按照教练员或实验人员的要求骑行,因此,这种情况下,输出功率P也是恒量,则变量Fe和ω成反比的关系｡曲柄转动的角速度增大,则使曲柄转动的动力Fe减小｡从表1和表3可以看出,随着踏蹬频率的提高,两侧切向踏蹬力分量的正均值､均值以及两侧切向踏蹬力分量之和的均值均减小,从表2､3以及图3､4也可看出,两侧切向踏蹬力分量的最大值以及两侧切向踏蹬力分量之和的两个峰值均随着踏蹬频率的提高而减小,也就是说,随着踏蹬频率的提高,运动员作用于脚踏板上的力量减小｡ 踏蹬频率的改变对踏蹬动作工作肌群协调变化有重要的影响,Marsh和Neptune发现肌肉肌电信号的振幅和波形均随着踏蹬频率的改变而有所变化[4,5]｡Neptune报道当踏蹬频率提高时部分肌肉的肌电信号会在较小曲柄角度提前变化,即踏蹬频率提高引起肌肉的提前工作,从而满足较高踏蹬频率时技术动作的需要｡Neptune和Marsh的研究中均发现频率提高时有肌电峰值提前的现象[4,5]｡肌肉内部的活动在外部的表现,即表1､2､3及图3､4中左､右正切向踏蹬力分量的起始位置､结束位置､最值位置以及双侧切向踏蹬力分量之和的峰值位置均随踏蹬频率的提高而提前,说明随着踏蹬频率的提高,在本次实验设定阻力负荷不变的条件下,肌肉收缩发力的时相前移,同时从图4中也可以看到每一侧肌肉发力的时间也缩短,提示运动员应利用这种特点在高频率踏蹬时积极放松下肢伸肌肌群,以利于下一个踏蹬周期中的肌肉用力,这种机制也可能是在中枢神经调控下对肌肉的适应性保护｡ 从理论上来讲,当曲柄在90°位置时,踏蹬力的效率最高,即切向踏蹬力最大,在垂直位置,即上死点(DC)､下死点(DC)时,切向踏蹬力为零 [7,8]｡而在实际骑行中,由于受人体解剖学结构以及骑行方式的影响,在90°位置时,切向踏蹬力并不一定最大,在上､下死点位置时,切向踏蹬力并不为零,所以许多研究中把踏蹬周期分为四个阶段(图2):Ⅰ,315°～45°;Ⅱ,45°～135°(踏蹬阶段);Ⅲ,135°～225°,Ⅳ,225°～315°(提拉阶段)｡本实验8名被试四个踏蹬频率下,右侧切向踏蹬力的最值位置分布出现在98°､86°､82°､64°附近,左侧分别出现在103°､90°､77°､64°附近,配对检验表明两侧无显著差异,表明双 侧用力基本对称｡且最值位置均处于踏蹬周期的第二阶段,即用力阶段｡从图3､4可以看出,随着踏蹬频率的提高,切向踏蹬力为0,即“死点”出现的位置呈提前的趋势,方差分析结果显示差异显著(p=0.000)｡四个踏蹬频率下左侧“上死点”的位置分别出现在45°､20°､15°､356°位置附近,“下死点”的位置分别出现在171°､145°､138°､119°位置附近;右侧“上死点”的位置出现在48°､21°､12°､359°位置附近,“下死点”位置出现在159°､131°､126°､117°位置附近｡“上死点”的位置左右几乎没有差异,但“下死点”的位置左右有差异,表明运动员左右侧经过“下死点”时技术有异｡传统上把Ⅰ区划分为“上死点”区,Ⅲ区划分为“下死点”区,但本研究中的结果显示,踏蹬频率高时,“下死点”甚至提前到了Ⅱ区｡产生这些现象的原因需要进一步的纵向研究观察,可能运动员在给定负荷下随频率提高,对踏蹬技术要求的变化和肌肉用力特点的变化及运动员在骑行过程中的技术稳定性等对会对这些结果产生一定的影响｡ 从图3､图4还可以直观看出,右侧曲柄切向踏蹬力曲线大约在90°-270°范围内,随着踏蹬频率的提高而下移,在其余的范围内,曲线随着踏蹬频率的提高而上移,左侧曲柄切向踏蹬力曲线的变化与右侧正相反,左侧与右侧在时相上相差半个周期,因此实际上曲线的特点是一致的,说明随着踏蹬频率的提高,在提拉阶段的后期要求工作肌肉增加用力,这可能是导致,踏蹬频率越高,切向踏蹬力越高的原因｡ 总之,我们的研究结果表明,随着踏蹬频率的提高,作用在左､右两侧曲柄的切向踏蹬力减小,两侧切向踏蹬力峰值也减小(p�0.01);左､右侧肌肉收缩发力的时相随着踏蹬频率的[LL]增大而提前(p�0.01);随着踏蹬频率增加,要求在踏蹬周期的后段增加肌肉用力｡ 参考文献:� [1] R. R. Neptune, W. Herzog. he association between negative muscle work and pedaling rate. Journal of iomechanics 32 (1999) 1021-1026.� [2]W. mark, R. R. Neptune, M. L. Hull. he influence of pedaling rate on bilateral asymmetry in cycling. Journal of iomechanics 32(1999)899-906.� [3] R. R. Neptune, . A. Kautzt, M. L. Hull. he effect of pedaling rate on coordination in cycling. J. iomechanics, Vol 30, No 10, pp 1051-1058,1997.� [4] Marsh, A.P., & Martin, P.E. (1995). he relationship between cadence and lower extremity EMG in cyclists and noncyclists. Medicine and cience in ports and Exercise, 27, 217-225.� [5] Neptune, R. R. (1996) Analysis of muscle function and preferred pedaling rates in steady-state cycling. Ph.D. Dissertation, Department of Mechanical Engineering, University of California, Davis.[6] uzuki, ., Watanabe, ., & Homma, . (1982). EMG activity and kinematics of human cycling movements at different constant velocities. rain Research, 240, 245- 258.� [7] 王松,等. 对自行车运动员踏蹬技术的探讨[J]. 辽宁体育科技,2004(6):50.� [8] 张健,等. 对自行车运动员在骑行过程中踏蹬动作的生物力学分析[J]. 北京体育师范学院学报,1997(1):51-55.� [9] 李强,等. 自行车项目生物力学研究的国内外现状[J]. 安徽体育科技,2005(3):54-56.� [10]chumacher?YO; Mueller?P. he 4000-m team pursuit cycling world record: theoretical and practical aspects. Med ci ports Exerc. 2002; 34(6):1029-36?(IN: 0195-9131)
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