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太原理工大学硕士研究生学位论文 不同肌肉收缩训练方式对肌肉力量及其肌电图特征的影响 摘要 研究目的：随着体育运动在世界的影响力越来越大，高科技手段在体育 运动中的研究也逐渐增多，许多体育工作者从各种方面对提高运动员的身 体机能和身体素质进行了广泛研究。肌肉收缩训练作为一种有效的训练手 段也得到了许多教练和队员的选择，并且在训练和比赛中发挥了特殊的作 用。 本文的目的就是通过对不同的肌肉收缩训练对肌肉收缩力及肌电信号 进行定量测试分析，弄清锻炼强度、持续时间与它们的关系，为人体机能 训练提供参考依据。本文分别以等长与向心收缩两种不同的方式进行肱二 头肌训练，发现等长收缩训练和向心收缩一样可以对受试者肌肉力量的增 加有显著效果，也可对肌肉的积分肌电值有一定的影响。这说明，在肌肉 等长收缩训练条件下进行力量练习，同样能够使肌肉力量与肌电指标发生 变化，提高肌肉兴奋水平。 研究方法： 实验对象为1 6 名健康男运动员志愿者。实验分为2 队进行，第一队8 人进 行向心收缩训练，第2 队8 人进行等长收缩训练。第l 队使用最大力量的4 0 和7 0 进行4 组练习，首先用最大力量的4 0 热身1 组共1 2 次，其他3 组 用最大力量的7 0 进行练习，每组8 次，组间歇1 分钟。第2 队用最大收缩 太原理工大学硕士研究生学位论文 力量的6 0 和9 0 i 拄行4 组练习，首先用最大力量的6 0 热身1 组，其他3 组用最大力量的9 0 进行练习，每组3 5 秒，肘关节角保持9 0 度，组间歇1 分钟。 实验共进行4 周，每周3 次。采用肌电仪( k e y p o i n tl i t e i i ) 对志愿者 进行检测，通过对肌电图分析获得锻炼前后肱二头肌肌肉最大收缩力、i e m g 值和r m s 值。并采用文献资料法、实验法、数理统计法等对数据进行比较。 实验结果： ( 1 ) 无论是向心收缩训练组还是等长收缩训练组在训练前后肌肉的最大力 量均有明显差异( p o 0 1 ) 。这说明四周的肌肉收缩训练使肌肉最大力量增 加明显。 ( 2 ) 无论是向心收缩训练组还是等长收缩训练组在训练前后肌肉的肌电图 i e m g 值有差异( p o 0 5 ) 。这说明四周的肌肉收缩训练使肌肉肌电图i e m g 值增加明显。 ( 3 ) 无论是向心收缩训练组还是等长收缩训练组在训练前后肌肉的肌电图 r m s 值有差异( p o 0 5 ) 。这说明四周的肌肉收缩训练使肌肉肌电图r m s 值 增加明显。 结论 ( 1 ) 等长收缩与向心收缩训练均对提高运动员的肌肉力量有特别显著效 果，向心收缩训练组队肱二头肌力量增加的效果要略好于等长收缩训练组。 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 等长收缩与向心收缩训练后i e m g 值的提高有显著效果，向心收缩训 练组队肱二头肌i e m g 值增加的效果要略好于等长收缩训练组。 ( 3 ) 等长收缩与向心收缩训练后r m s 值的提高有显著效果，向心收缩训练 组队肱二头肌r m s 值增加的效果要略好于等长收缩训练组。 ( 4 ) 等长收缩训练对运动员肌肉力量的增加有一定效果，但训练时训练时 间的长短、如何结合肌电图对肌肉力量进行研究，以及运用等长收缩训练和 一般肌肉力量训练相结合等问题还需进行深入研究。 关键词：肌肉收缩；肌肉力量；肌电图 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ed 呼l u e n c eo fd f e r e n tm u s c l et r a i n 玳g so n t h em u s c l es t r e n g t ha n di t se l e c t r o m y o g r a p h y c h a r a c t e r i s t i c a bs t r a c t ： p u r p o s e ：w i t ht h eg r o w i n g i n f l u e n c eo fs p o r ti nt h ew o r l da n dt h eh i g h t e c h n i q u e sa p p l i e di ns p o r ts t u d i e s ，e x t e n s i v er e s e a r c h e sh a v eb e e n c a r d e do u tt o i m p r o v et h eb o d yf u n c t i o na n dp h y s i c a l f i t n e s so fa t h l e t e s a sa ne f f e c t i v e t r a i n i n gm e t h o d ，m u s c l ec o n t r a c t i o nt r a i n i n gg o tt h ew e l c o m eo fm a n yc o a c h e s a n da t h l e t e s i te x e r t e da ni m p o r t a n tf u n c t i o ni nt h ed a i l yt r a i n i n ga n dt h em a t c h t h ea i mo ft h i sp a p e ri st oa s s e s st h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tf o r m so fm u s c l e c o n t r a c t i o nt r a i n i n g ( e g t r a i n i n gi n t e n s i t y , e x e r c i s el a s t i n gt i m e ) o nt h em u s c l e c o n t r a c t i o ns t r e n g t ha n de l e c t r o m y o g r a p h y ( e m g ) s i g n a li nq u a n t i t a t i v em a n n e r t h eb i c e p sb r a c h i io fv o l u n t e e r sr e c e i v e dt w of o r m so ft r a i n i n g ：t h ec o n c e n t r i c c o n t r a c t i o ne x e r c i s e si s o m e t r i cc o n t r a c t i o ne x e r c i s e s o u rr e s u l t ss h o w e dt h a t b o t ht r a i n i n g sh a do b v i o u se f f e c t so nt h em u s c l es t r e n g t ha n dm u s c l ee x c i t a t i o n i ti n d i c a t e dt h a tt h em u s c l es t r e n g t ha n de m gi n d e x e sc o u l db ea l t e r e du n d e r i s o m e t r i cc o n t r a c t i o ne x e r c i s e sa sw e l la sc o n c e n t r i cc o n t r a c t i o ne x e r c i s e s m e t h o d s ： v 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h e1 6h e a l t h ym a l ev o l u n t e e ra t h l e t e sw e r ed i v i d e di n t ot w ot e a m s ，n o la n d n 0 2 e i g h tv o l u n t e e r si nn o 1t e a mw e r er e q u i r e dt ot a k ep a r ti nc o n c e n t r i c c o n t r a c t i o ne x e r c i s e s ，w h i l et h eo t h e re i g h tv o l u n t e e r si nt h en 0 2t e a mr e c e i v e d i s o m e t r i cc o n t r a c t i o nt r a i n i n g s t h en o 1t e a mw a sd i v i d e di n t of o u rs u b g r o u p s t h ef i r s tg r o u pt o o k w a r m u pe x e r c i s ef o rt w e l v et i m e sb yu s i n g4 0 o ft h em a x i m a lc o n t r a c t i o n s t r e n g t h t h eo t h e rt h r e eg r o u p se x e r c i s e db yu s i n g7 0 o f t h em a x i m a ls t r e n g t h f o re i g h tt i m e s i n t e r v a lt i m eo fe a c he x e r c i s ew a so n em i n u t e t h en o 2t e a mw a sa l s od i v i d e di n t of o u rs u b g r o u p s t h ef i r s tg r o u pt o o k w a r m u pe x e r c i s ew i t h6 0 o f t h em a x i m a lc o n t r a c t i o ns t r e n g t h t h eo t h e rt h r e e g r o u p se x e r c i s e dw i t h9 0 o ft h em a x i m a ls t r e n g t hf o r3 5s e c o n d si ne a c h g r o u p t h ea n g l eo fe l b o wj o i n tw a sk e p t9 0d e g r e e sd u r i n ge x e r c i s e s i n t e r v a l t i m eo fe a c he x e r c i s ew a so n em i n u t e a l lt r a i n i n g sw e r ec a r r i e do nf o r4w e e k sw i t h3t i m e se v e r yw e e k t h e v a l u eo fm a x i m a lc o n t r a c t i o ns t r e n g t h ，i e m ga n dr m so fb i c e p sb r a c h i iw e r e d e t e r m i n e df r o me l e c t r o m y o g r a p h y ( e m g ) a n a l y s i sb yu s i n ge m g i n s t r u m e n t ( k e y p o i n tl i t e i i ) d a t af r o mv o l u n t e e r sb e f o r ea n da f t e rt h et r a i n i n g sw a s c o m p a r e db yu s i n g c u l t u r a l h e r i t a g e d a t a m e t h o d ，e x p e r i m e n t a lm e t h o d ， m a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c sm e t h o dr e s p e c t i v e l y r e s u l t s ： v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) t h e r ew a ss i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei nm a x i m a ls t r e n g t ho fm u s c l eb e t w e e n b e f o r ea n da f t e re x e r c i s e si ne i t h e rc o n c e n t r i cc o n t r a c t i o n t r a i n i n gt e a mo r i s o m e t r i cc o n t r a c t i o no n e ( p 0 0 1 ) i ti n d i c a t e dt h a tt h em a x i m a ls t r e n g t ho f m u s c l ew a se n h a n c e dt h r o u g hf o u r - w e e km u s c l ec o n t r a c t i o nt r a i n i n g ( 2 ) as i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei ni e m gv a l u eo fm u s c l ew a so b s e r v e db e t w e e n b e f o r ea n da f t e re x e r c i s e si ne i t h e rc o n c e n t r i cc o n t r a c t i o nt r a i n i n gt e a mo r i s o m e t r i cc o n t r a c t i o no n e ( p o 0 5 ) i ts h o w e dt h a ti e m gv a l u eo fm u s c l ec o u l d i n c r e a s ew i t ht h ef o u r - w e e km u s c l ec o n t r a c t i o nt r a i n i n g ( 3 ) r m sv a l u eo fm u s c l ew a sa l s os i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n ti ne i t h e rc o n c e n t r i c c o n t r a c t i o nt r a i n i n gt e a mo ri s o m e t r i cc o n t r a c t i o no n eb e t w e e nb e f o r ea n da f t e r e x e r c i s e s ( p o 0 5 ) i ti n d i c a t e dt h a tr m sv a l u eo fm u s c l ec o u l di n c r e a s ew i t h t h ef o u r - w e e km u s c l ec o n t r a c t i o nt r a i n i n g s c o n c l u s i o n ( 1 ) b o t hc o n c e n t r i cc o n t r a c t i o na n di s o m e t r i cc o n t r a c t i o nt r a i n i n g sr e m a r k a b l y e n h a n c e dt h em u s c l es t r e n g t ho fv o l u n t e e ra t h l e t e s t h ec o n c e n t r i cc o n t r a c t i o n t r a i n i n gw a sb e a e rt h a ni s o m e t r i cc o n t r a c t i o nt r a i n i n gi ne n h a n c i n gt h es t r e n g t h o fb i c e p sb r a c h i i ( 2 ) i e m gv a l u eo fm u s c l ei n c r e a s e dr e m a r k a b l ya f t e rc o n c e n t r i cc o n t r a c t i o na n d i s o m e t r i cc o n t r a c t i o nt r a i n i n g s t h ec o n c e n t r i cc o n t r a c t i o nt r a i n i n gw a sb e r e r c o m p a r e dw i mi s o m e t r i cc o n t r a c t i o nt r a i n i n gi nt h ei e m gv a l u ei n c r e a s eo f b i c e p sb r a c h i i ( 3 ) r m sv a l u eo fm u s c l ei n c r e a s e dr e m a r k a b l ya f t e rc o n c e n t r i cc o n t r a c t i o na n d v i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 i s o m e t r i cc o n t r a c t i o nt r a i n i n g s t h ec o n c e n t r i cc o n t r a c t i o nt r a i n i n gw a sb e t t e r t h a ni s o m e t r i cc o n t r a c t i o nt r a i n i n gi nt h er m sv a l u ei n c r e a s eo f b i c e p sb r a c h i i ( 4 ) i s o m e t r i cc o n t r a c t i o nt r a i n i n gh a dac e r t a i ne f f e c to ne n h a n c i n gt h es t r e n g t h o fm u s c l e h o w e v e r , d u r a t i o no ft r a i n i n gt i m e ，h o wt om a k er e a s o n a b l eu s eo f t h ee m gi nt h em u s c l es t r e n g t hs t u d ya n dt h eh o wt oc o m b i n et h ei s o m e t r i c c o n t r a c t i o nt r a i n i n gw i t hc o m m o nm u s c l es t r e n g t ht r a i n i n g ，c o u l db ec o n s i d e r e d i nt h ef u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d ：m u s c l ec o n t r a c t i o n ；m u s c l es t r e n g t h ；e l e c t r o m y o g r a p h y ( e m g ) v i i i 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：星筮窒日期：竺呈垒垒塑互塑 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名l 茎丞刍 日期：竺量生! 缉! 塑 导师签名： 日期：2 呈绛凹坚 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 运动生物力学的理论分析方法 人的运动是2 0 世纪研究热点之一，也是至今尚未完全揭开之谜。在研究的初始阶段， 研究重点主要集中在如何准确地测量人体运动中各种运动学参数和力学参数。当这些实 验工作逐渐开展，并取得一定的成效时，研究者们开始瞩目探索这些参数间的内在联系 以及与其密切相关的人体运动规律。于是研究人体运动力学规律的运动生物力学理论方 法开始产生、发展和逐步完善，使理论分析方法成为运动生物力学的重要组成部分。 1 1 1 理论方法的产生和发展 近年来理论方法的发展状况n 儿2 1 生物体的运动历来就是科学家们极有兴趣思考的课题之一。人为什么会走、马为什 么会跑、鱼为什么会游等问题始终是人们难解之谜，特别是猫在空中无论怎样翻滚最后 总是四肢落地。对这些有趣的问题，研究者众说纷纭。由于科学发展尚未达到一定阶段， 人们对上述问题始终难以得到比较清晰、令人信服的解释。 。 自2 0 世纪5 0 年代以来，研究人体运动的各种条件日趋成熟，运动生物力学开始成 为一门独立的学科。 随着计算机的诞生及高速摄影和各类传感器的发明，使人体运动的参数能够准确地 被测定，大量的数据能够进行快速地处理和计算，这些科学技术的进展为运动生物力学 理论分析方法的产生奠定了实验基础。而力学理论本身的发展则为它确立了理论基础。 近代力学的研究内容已经逐渐跳出了经典力学的范畴，在计算机技术发展的同时，多刚 体系统动力学、计算力学等新的力学学科分支发展，使人体运动的理论研究得以实施， 给力学这门古老的学科添上了新的活力。 随着国防科学、康复医学、体育科学的发展，使运动生物力学研究找到了广泛的应 用领域。随着社会进步，使以上学科逐渐从纯经验的总结发展到实验测试阶段，最终则 提出了研究人体运动理论规律的需求。这样，运动生物力学的理论分析方法也相应地产 太原理工大学硕士研究生学位论文 生，并得以迅速的发展。 自1 9 7 3 年第四届国际生物力学讨论会召开以来，这方面的科技成果及论文迭出不 穷。 运动生物力学理论方法的研究： 运动生物力学理论方法和实验方法是运动生物力学的两个基本方法。这两个方法在 研究的目标、对象、手段、结论上均有明显的差异。 力学理论方法研究是应用经典力学理论来解释分析人体运动，并探索其运动规律。 与实验方法相比，大体有如下不同点： 1 ) 研究目标是探索各种运动带有普遍意义的运动规律，不是为了得到具体运动的实 测记录。 2 ) 研究对象是抽象的人体力学模型的运动，而不是具体的运动员。 3 ) 研究方法是先将运动主体和运动过程进行数学语言描述，然后应用数学、力学理 论和计算导出运动规律，实测数据则是为数学方程式提供已知参量及对计算结果的校 核。 4 ) 研究的结论不仅能解释运动，而且能揭示运动内在机理、预测运动结果并作为设 计新的技术动作的理论基础。 力学理论方法能使人体运动的研究更加严谨和深入，但由于人体的结构十分复杂， 模拟人体运动，并建立数学模型是很困难的。因此需要将模型简化，作必要的假设，所 以研究计算的结果与运动实践会存在一些差异。为此，该方法必须借助于实验和经验提 供假设的依据，并对其计算结果加以修正，才能使它在实际应用方面发挥更大的作用。 力学理论方法与实验测试方法两者应当紧密结合，前者研究了运动的一般性和理想的规 律，对具体问题的分析有理论指导意义；后者是理论研究与实际应用的桥梁，能使研究 成果在实际中得以充分发挥作用。 运动生物力学理论方法的关键是建立人体运动的力学模型，用这些模型来描述运 动。人体的运动功能器官是由神经系统、肌肉系统和骨骼系统所组成，人的意志通过神 经系统传递到肌肉骨骼系统，然后按人的意愿进行各种运动。这样一个生物运动过程要 用数学方式合理正确地描述具有相当的难度。近年来，经许多专家们精心研究，大体有 两种方法可描述人体运动。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一种方法是应用多刚体系统动力学的理论建立力学模型，这种方法能避免对人体 系统内部运动的复杂模拟；其代表为美国力学家k a n e ，他将人体视作有限刚体铰接组成 的多刚体系统，按h a n a v a n 模型通常设为1 5 刚体( 如图1 1 ) ，但根据具体运动可酌情 简化。以其中一主刚体的六个位置坐标为人体系统的外坐标，表示其余各刚体相对主刚 体位置( 即人体姿态) 的坐标为内坐标，内坐标受神经肌肉系统控制。内外坐标之间的 关系和内坐标间的关系可根据实测数据用相近的解析式描述，相当于运动的几何约束或 微分约束。外坐标变化遵循牛顿运动定律。这样，运动生物力学问题就可转化为带有各 种约束条件( 完整约束和非完整约束) 的多刚体系统动力学问题。这种方法应用实例较 多，取得了许多有价值的研究成果。范毅方口1 等人在h a n a v a n 模型的基础上对其加以改 进，使之能模拟更多的运动动作，同时模拟了人体行走和跑步动作。洪嘉振h 1 用h a n a v a n 模型建立了人体腾空运动的动力学方程，设计了人体腾空运动仿真软件系统，为计算机 辅助训练提供了有力的工具。 o 图1 1h a n a v a n 人体模型【1 1 f i g1 1 ：h a n a v a nb o d ym o d e l 【l 】 第二种方法是人体系统仿真研究方法，其代表是南非的力学家h a z t e ，他用弹性肌 元、容元、阻尼器、内能源等力学“元件”模拟神经、肌肉系统运动，用力学结构中的 多刚体铰接系统模拟整个人体系统。这样，人体运动结构及运动的过程都可用力学模型 和数学解析式来表示。于是，神经系统意念的传递与反馈，肌肉的收缩和舒张及骨骼系 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 统的运动均可按与此一致的模型进行数学描述了。用这种方法研究人体运动，理论严谨， 并突出了人体内部运动规律，具有重大理论价值，但过于繁琐，分析解决问题难度较大。 1 1 2 理论分析的方法和步骤 具体运动动作的简化和建立人体模型 理论分析方法的关键是通过数学模拟的手段来描述人体运动。一般说来，对人体的 复杂运动和不规则运动的模拟相当困难。成功的模拟通常限于对称的规则运动，如人体 的步行、跑步、滑雪、赛艇等。这类运动规律性很强，而且具有周期性，根据这一特征， 可将这类运动视作平面运动，这样组成人体运动系统的刚体数目则可大大减少。例如 r e m i z o v 曾用双刚体模型分析滑雪起跳动作，g h o s h 曾用三刚体模型研究单杠振浪。所 以根据运动特性，尽量选择刚体数目少的人体模型，是解题的重要一步。当然，模型必 须保证模拟失真度很小，特别对于有些复杂的运动，每一局部环节的运动都影响着整个 运动过程，这时绝不能为了使模型简化而随便减少环节数目，使模拟失真，以致所有的 分析均失去实际价值。所以，适当地选择刚体数目作为人体模型是解决实际问题的第一 步。 确定目标函数，将运动做数学化描述 每一个运动都有它确定的目标，比如，跑步要求跑得快，走路要求走得稳，这仅是 普通的生活语言。那么，跑得快、走得稳是否能用数学语言来表示呢? 最简单的说法是， 用最短的时间跑完了一定的距离称之为跑得快，写成数学式子v = s t v 越大，则跑得 越快。这样就将普通的生活转化为数学语言了。其中v 就是运动的目标，如果v 是个待 定变量，则可称其为目标函数。确定目标函数，并将其数学描述后，则可对人体运动进 行动力学和运动学分析。 系统约束条件的分析和假定 运动系统的约束条件分析也是解题重要的一步，约束条件可分为外部约束和内部约 束。系统的外部约束条件对解题的难易程度有较大的影响。最简单的外部约束，如腾空 运动和单点支撑运动能使问题得到较大程度的简化。因为在这样的外部约束条件下，存 在着动量矩初积分( 又称首次积分；腾空运动中，系统对其质心动量矩守恒；单点支撑 约束中，系统对该点具有动量矩初积分) ，这将使方程组降价，易于求解。在特定条件 下，甚至可求得确定的解析解，对运动规律的探索将有很大的帮助。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 内部约束条件是指系统内部各环节运动中的相互制约关系。运动生物力学的特征是 系统未知数数目大于方程数目，这样的系统内部必定隐含着约束条件。一般可表示为人 的意志所控制的内部约束条件。例如单杠振浪，提臂、收腹、鞭打三个动作必须做得协 调，才能使振浪有好的效果。这样的协调，需要靠入的意志控制，也就是三个动作之间 一定存在一种运动约束，可能是几何约束，也可能是微分约束。将控制约束条件用数学 式表示，则系统方程的数目就将和未知数数目一致，这样可使所建立的整个方程组封闭， 求解过程方能顺利进行。 建立系统动力学方程并求解 在确定了人体模型、目标函数和约束条件之后，建立动力学方程组则成了解题的关 键，而选取合适的广义坐标也是经典力学解题的重要一环。运动生物力学的问题相当复 杂，所以选取合适的广义坐标和建立方程组的形式关系到问题能否顺利解决。一些著名 的力学家，如k a n e 、w i t t e n b u r g 、r a m e y 、h u s t o n 等各自都针对具体问题，列出了独特 的方程式，成功地对各种人体运动做出了合理的力学解释。正确地建立动力学方程是个 技巧性很强的数学力学问题，也是解决运动生物力学问题的核心部分。 建立方程以后，需实测一部分参数作为已知量，方能求解。实测已知参数包括测定 人体惯性参数和运动学参数及部分动力学参数，实测参数的确定和测量方法的选用是这 一步骤的两个技术要点，前者为了按预定研究目标对方程求解，后者则是实验运动生物 力学技巧的运用问题。测得的数据的精确度对研究结果有着至关重要的影响，必须反复 核准。方程求解属计算机解题技巧范畴，其中计算方法的选用、程序编制等均属求解中 不可忽视的研究环节，如果存在着求得解析解的可能( 这对运动规律的研究最为有利) ， 求此结果最为理想。不过由于人体运动规律过于复杂，大多数问题只能借助于计算机求 数值解。 结论解释和误差分析 根据方程求解的结果解释运动规律是解题的最后一个步骤。在这一步骤中，应将求 得的数学表达式和图表化为普通的生活用语，对运动技术的改进进行合理的指导。 应用理论分析方法解题，误差是难免的，深入了解产生误差的环节及其对结果的影 响程度，能有利地尽量减小误差，使结论最大限度地符合实际。 误差大致表现在如下几个方面： 1 ) 人体惯量参数误差应用理论分析方法选用的是通用的人体惯量参数，它与各个体之 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 间存在着差异。 2 ) 力学模型误差用多刚体系统模型来模拟人体的实际运动必定产生一定的误差，因为 模型中不包含生物体特征，仅以机械运动的形式出现。这类误差对于应用理论分析方法 研究人体运动也是难以完全消除的，因为生理特征至今无法完全准确模拟，只有选择尽 量接近真实运动的模型使误差最大限度地减小。 3 ) 假定控制规律误差人体运动中的控制规律是人为假定的，作为系统运动须遵循的约 束条件也是根据运动特征假设的，其中的经验成分和实测成分均可能带来一定的误差。 这类误差减小的关键是需要有高超的模拟控制规律技巧，这也是理论分析方法中的一个 难点。 4 ) 实测和计算误差实测人体运动的动力学和运动学参数很难做到非常精确，如果在实 测中的位移轨迹曲线有一定的误差，那么求导后的速度曲线和加速度曲线则可能会产生 相当大的误差，经方程计算求解后有可能使结果失真。这类误差的减小不但需要尽量完 善实测手段外，还需要在计算方法和数据处理方面不断改进，便于得出合理的研究结论。 总之，理论分析方法应用的步骤繁多，容易产生误差的环节也相应地较多，尽量减 小系统误差，增加研究结果的真实性，是该方法亟待完善的一个重要方面。 1 i 3 建立各种人体动力学方程方法简介 建立人体运动的动力学方程是运动生物力学理论分析方法的关键步骤。这一步常称 为建立数学模型，或简称建模。数学模型研究方法大致起始于二十世纪七十年代末，它 与人体科学、计算机科学及航天科学发展密切相关。各国的力学家、生物学家为深入探 索人体运动规律，在研究方法上各逞所长，为数学模型研究和发展充实了许多新的方法 和内容。 拉氏方程 拉氏方程是经典分析力学的理论基础，在工程力学曾被广泛应用。在数学模型发明 早期，研究者多采用此法来研究人体运动，代表人物有德国的r g a w t o n s k i 和波兰的 b m a c u k o w 。后因其推导运算过于复杂，且产生的二阶非线性方程不适合计算机运算， 近期就极少有人采用了。 运用拉氏方程分析人体运动，是运动生物力学中成熟的典型方法。运用该方法的要 点是必须选取合适的广义坐标，使所得的解尽量简明且便于实际分析。西安体育学院的 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 郭承运曾用该方法成功地分析过单杠振浪运动。 k a n e 方法 美国斯坦福大学k a n e 教授创建一种等系统动力学方程的新方法，在研究人体运动 中，被广泛采用。贾书惠、白桦拍1 等运用k a n e 方法对飞机弹射救生中上肢甩打运动进行 研究，建立了动力学方程，进行了数值仿真。李智慧1 用k a n e 方法建立了人体平面运动 的动力学方程，编写了计算机仿真程序。 这种方法的优点是避免了人体系统复杂的内力计算，各分体的受力和运动状态用内 坐标表示，然后通过坐标变换投影到外坐标系统，使复杂的运动问题得以简化，且便于 计算机运算。但这种方法引进了伪速度等新概念，其物理意义比较难以理解。 r o b e r s o na n dw i t t e n d u r g 方法( r w 方法) 。美国的r o b e r s o n 教授和德国的 w i t t e n d u r g 教授将数学中的图论引入动力学领域，创造了一种适用于树形多体系统的新 建模方法来研究人体运动，这种方法简称为r w 方法。它引入了通路矢量、关联矩阵等 新概念，使复杂的推导变得简单明了，在研究跑步、跳跃、汽车碰撞等方面广泛应用。 h a z t e 方法 南非的力学专家h a z t e 多年从事运动生物力学研究，他建立数学模型方法有独特的 风格。他对人体骨骼、肌肉、神经系统均做了局部力学模拟，因此，他建立的力学模型 是比多刚体模型完整且逼真得多的人体综合模型，他还为该模型设计了一套现场同步测 量系统，用最优化的程序完成全部测量计算过程。但从实际操作角度看，他的研究方法 十分复杂，数学推导和计算量大的惊人，因此他的方法理论价值极高，但目前还难于推 广和普遍应用。 动力学普遍定理 上海交通大学刘延柱教授等人在研究运动生物力学时多次采用动力学普遍定理进 行分析。他抓住了人体基本运动的特征，作了合理的简化。他们巧妙地运用这些定理， 对人体步行、原地跳、跑步、体操等基本动作作了严格的力学分析。洪嘉振订等人建立 了人体腾空运动的力学模型和数学模型，他们把人体简化为由有限个刚体以球铰连接而 成的树结构多刚体系统，将各肢体的相对运动规律作为时间的已知函数给出，利用动量 定理和动量矩定理列出了人体腾空运动的六个二阶微分方程组。 对于比较简单的直接应用动力学普遍定理是值得推荐的好方法，它在一些特定条件 下( 运动系统含有首次积分) 所建的是比较简单的一阶方程组，便于计算机数值计算， 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 又无需象采用k a n e 方法和r w 方法那样需要较深的数学、力学预备知识，所以在国内 外被广泛采用。上海交通大学刘延柱教授曾多次应用该方法分析步行、原地跳、鞍马等 实际问题。但这种方法应用有一定局限性，对于稍复杂的人体运动则不宜采用。 1 2 肌内生物力学睁1 4 1 1 2 1 肌肉力产生的机制 当前公认的肌肉收缩和力产生的机制是肌丝滑行理论( h u x l e y h a n s o n ，1 9 5 4 ； h u x l e y n i e d e r g e r k e ，1 9 5 4 ) 与横桥理论( h u x l e y ，1 9 5 7 ；h u x l e s i m m o n s ，1 9 7 1 ) 的结合。根据肌丝滑行理论，肌肉的缩短和伸长是由肌动蛋白微丝相对于肌球蛋白微丝 滑行的结果。从肌球蛋白微丝到肌动蛋白微丝的力传递，是由于周期性排列的肌球蛋白 侧枝( 横桥) 与周期性排列的肌动蛋白专门位点结合的结果。构成横桥理论的一些基本假 设与骨骼肌力学性质直接相关，它们是：横桥在肌球蛋白微丝上的排列是周期性的；横 桥与肌动蛋白微丝上周期性排列的专门位点结合；每一个横桥产生相同的均匀力，并且 具有相同的做机械功的能力；肌动蛋白和肌球蛋白微丝基本上是刚性的；横桥的结合和 解离是依据速率函数进行的，速率函数只与所谓的“x 一距离”( 平衡位置图1 2 ) 时、 横桥头到最近的肌动蛋白结合位点( 图1 2 中的a 间的距离) 有关；横桥的瞬间力只与 “x 一距离 有关；每个横桥摆动1 次要消耗1 分子的三磷酸腺苷( a t p ) 位点的平衡位置 肌球蛋臼微缝 ”：? ”“7 ”? ”2 ”。，”7 ”“。i 警一， ? i 缸 。， ，罗“麴鳓獭缀瓣黝鳓麴缀锄绷瞩獭黼 ”一黔j ! ：_ 墨莘i ：7 肌动蟹臼徽丝 崎； x 图1 2 赫胥黎的微丝游动假说的示意图 f i g 1 2 t h e f i g u r eo ft h em i c r o f i l a m e n tw a n d e r i n gh y p o t h e s i sp r o m o t e db yh u x l e y 关于横桥理论及其数学表达的完整综述，读者可以参考赫胥黎( h u x l e v ，1 9 5 7 ) ，赫 胥黎和西蒙兹( h u x l e y s i m m o n s ，1 9 7 1 ) ，波拉克( p o l l a c k ，1 9 9 0 ) ，爱泼斯坦和赫佐 格( e p s t e i n h e r z o g ，1 9 9 8 ) 的论述。 太原理工大学硕士研究生学位论文 当用数学方法阐述横桥理论时，如果给出收缩过程，则力学参数，如力、功以及所 需要能量等可以通过计算获得。而且，许多力学特性也可以直接从横桥理论中推导出来。 例如，根据横桥理论，肌小节的力长度关系中的平台期、下降段的曲线形状和范围 ( g o r d o ne ta 1 1 9 6 6 ) ，以及通过实验观察到的力一速度关系的向心收缩部分( h i l l ， 1 9 3 8 ) 均可以作出估计和解释。但是，必须指出许多实验观察不能用横桥理论进行解释， 或者说它们不是横桥理论原始表达的一部分。这样的观察包括收缩过程对力的长期持续 影响或离心收缩时热产物和力的关系等。尽管如此，至少到目前为止横桥理论为我们理 解和解释骨骼肌的力学特性提供了最好的理论基础。 虽然，有不同看法认为运动员和教练员不必了解横桥理论的细节，但必须承认具备 一些有关肌肉收缩机制的基础的知识，在特定情况下能够较好地预测肌肉的力学特性及 其在运动中的表现。每一位教练员应该了解来自于横桥理论的骨骼肌力学特性知识，因 为它们可能会奇迹般地影响运动成绩。 1 2 2 骨骼肌的力学特性 1 ) 力一长度关系 骨骼肌的力一长度关系描述的是最大等长收缩力与长度的关系。“等长 是指任何可 能的特定长度。例如，在讨论肌肉或肌小节的力一长度关系时，整块肌肉或肌小节分别 保持着一个恒定的长度。力一长度关系是骨骼肌的静态特性，这表明，力一长度曲线上 的一点是通过设定肌肉长度，给予肌肉最大刺激，然后测量相应的稳定状态的力获得的 ( 图1 3 a ) 。要得到第二个点，则要先放松( 不给予刺激) 肌肉，再设置新的需要长度，然 后重新给予肌肉最大刺激后测量力。沿着力一长度关系曲线( 图1 3 b ) 是无法从1 点( f 1 ) 到达2 点( f 2 ) 的，除非在实验过程中通过复杂、变化的肌肉刺激来精确控制肌肉的长度 改变才有可能。 肌小节的力一长度关系可以根据横桥理论精确地获得( g o r d o ne ta 1 1 9 6 6 ) 。特别 是力长度关系曲线的平台区段和下降阶段可以根据肌丝重叠的数量和横桥理论的假 设直接确定。这些假设是：肌动蛋白和肌球蛋白微丝基本上是刚性的；肌动蛋白和 肌球蛋白微丝与横桥都是周期性排列的；每一个横桥都能独立于其他横桥产生相同大 小的力和做相同的机械功，同时形成自身的时间曲线( 图2 3 ) 。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 图1 3 肌肉力一长度关系如何确定的示意图嗍 f i g 1 3 t h ef i g u r ef o rh o wt oa s c e r t a i n t h em u s l el e n g d lt h r o u g ht h er e l a t i o nb e t w e e ns t r e n g t ha n dl e n g d l 研 一 寥 一 穴 1 0 0 o r 上拜援 _ _ 17 7 t 。| 7 羔， 3 l 1 2 7 - ，0 0 2 1 7 删、节长度( 1 l r t 图1 4 青蛙骨骼肌肌小节的力一长度关系曲线嘲 h g 1 4t h eo l r v eo ft h es t r e n g t h