身体素质的生理学基础

身体素质的生理学基础人体的一切随意运动，都是在神经系统支配下所实现的不同形式的肌肉活动。这些肌肉活动的基本能力可表现为收缩力量的大小、收缩速度的快慢、持续时间的长短、关节活动的范围以及迅速改变体位，转换动作的应变能力等等。通常把人体在运动过程中所表现的力量、速度、耐力、柔韧及灵敏等机能能力称为身体素质。 身体素质的发展水平，不仅决定于骨骼肌本身的形态、结构和功能特点，而且与其能量供应、神经系统的调节能力以及内脏器官的机能等因素有着密切的关系。因此，身体素质是人体各器官、系统机能能力在肌肉活动中的综合反映。 良好的身体素质是学习和掌握运动技能、提高运动成绩的基础。但是，身体素质的训练效果是可逆的。停训后身体素质趋于下降，其下降速度和程度与训练水平及停训时间有关。训练水平高、停训时间短者，身体素质下降速度缓慢且程度较小；反之，下降速度及程度较大。所以在体育教学与运动训练中合理安排身体素质的训练具有重要意义。返回本章第一节 力量素质 力量素质是指肌肉收缩对抗或克服阻力的能力。人体的所有运动几乎都是对抗阻力而产生的，所以良好的力量素质是取得优异运动成绩的重要基础。例如跑速、游速等需要强大的肌肉力量；运动持续时间的长短有赖于力量的大小；柔韧、灵敏、协调、平衡等机能能力也与力量素质有着密切的关系。因此，力量素质是人体最重要的身体素质，是其它身体素质的基础，是素质的素质。 一、力量素质的分类 力量素质的分类较为复杂。按照肌肉收缩的形式可分为静力性力量和动力性力量。静力性力量是指肌肉进行等长收缩时所产生的力量，其特点是从事力量练习时肢体维持或固定于某一位置或姿势，但无明显的位移运动。例如体操运动中的十字支撑、倒立、悬垂、耗腿、平衡，武术运动中的马步桩等。动力性力量是指肌肉进行等张收缩时所产生的力量，其特点是进行力量练习时肢体产生明显的位移运动，但不出现明显的停顿或固定姿势。例如，田径运动中的跑、跳、投，游泳运动中的蝶、仰、蛙、爬以及推举杠铃、引体向上等。由于力量（F）等于质量（m）与加速度（a）的乘积，即F=m.a。因此，动力性力量又可分为重量性力量和速度性力量。其中，重量性力量以改变质量为主，其大小由肌肉活动时所对抗的器械重量来反映，如举重等；而速度性力量则以改变速度为主，通常用器械运动时所产生的加速度来评定，如投掷标枪等。 按照肌肉力量的表现形式及构成成分可将其分为绝对力量、相对力量、力量耐力和快速力量等。绝对力量又称为最大力量，它是指肌肉做最大用力收缩时所产生的力量，通常用肌肉收缩时所能克服的最大负荷来表示。绝对力量的大小与体重有关，一般情况下，体重越大绝对力量也越大。相对力量又称为比肌力，是指单位生理横断面积（以1cm2为单位）肌肉做最大收缩时所产生的力量。由于人体体重与肌肉重量密切相关，因此通常把整个人体所能克服的最大阻力称为绝对力量，而把每公斤体重所能克服的阻力称为相对力量。力量耐力是指肌肉收缩对抗阻力过程中抵抗疲劳的能力。常用肌肉克服某一固定负荷的最多次数（指动力性练习）或最长时间（指静力性练习）来表示。快速力量是指肌肉在最短时间内产生最大张力的能力，或者肌肉在极短的时间里，通过迅速强有力的的收缩产生最快加速度去克服阻力的能力，通常用肌肉单位时间的做功量来表示，例如爆发力等。 应该指出，力量分类是相对的。而人体在运动时所表现的力量素质往往是多种力量成分共同作用的结果。因此，在力量训练过程中根据运动项目的力量特点，选择合理的练习方法，才能促进力量素质的全面发展。 二、决定力量素质的生理学基础 （一）骨骼肌的形态及机能特点 肌肉力量的大小取决于肌肉的形态、结构、肌纤维百分组成以及生理、生化特点。 1肌肉的生理横断面积 肌肉生理横断面积是指垂直通过某一块肌肉所有肌纤维的横断面积，它是影响肌肉力量的主要因素。研究表明，肌肉横断面积的大小取决于肌纤维的数量、肌纤维的直径和肌纤维的排列方向。通常肌肉生理横断面积越大力量也越大。 力量训练可引起肌肉体积和横断面积增大，主要是由于肌纤维横断面积增大的结果。日本学者猪饲和福永（1968年）利用超声技术对青少年上肢屈肌肌力与横断面积的关系进行了研究，结果发现二者之间呈线性关系。而且这种关系不受年龄和性别的影响。业已证明，力量训练引起肌纤维增粗，主要是肌纤维内收缩蛋白增加所致。收缩蛋白作为肌纤维内的重要蛋白，其含量的增加不仅可使肌原纤维直径增粗，而且能使肌原纤维数目增加，从而提高肌肉的收缩力量。这种肌原型功能肥大可能是由于某些激素（如生长素、雄性激素等）促使氨基酸向肌纤维内转运速度加快、导致蛋白质合成增加的缘故。 力量训练过程中，随着肌肉体积的增大还可引起一系列生物化学变化。例如高强度、慢速度的力量练习可以增加肌红蛋白、肌糖原及磷酸肌酸的含量，提高三磷酸腺苷酶、磷酸果糖激酶的活性，使肌肉活动时的能量供应速率得以提高，从而导致肌肉力量增加。 2肌肉结缔组织 肌肉结缔组织是肌肉的弹性成分，主要包括肌束膜、韧带和肌腱三个部分。结缔组织不仅能产生一定的弹力，而且具有传递肌肉收缩力量的作用，因此，发达的结缔组织对于提高肌肉力量具有重要意义。研究表明，在长期的力量训练过程中对肌肉结缔组织产生的紧张与牵拉刺激，能使其增厚、增粗而坚实有力，具体表现为肌束膜增厚，肌腱和韧带组织增粗，肌腱与骨骼附着点结合力增强，抗牵拉力量增大等。 3肌肉长度 肌肉长度是指肌肉两端肌腱之间的长度。在自然状态下肌肉的长度越长，所含的肌小节越多，故肌肉产生的力量越大。研究发现，肌肉长度与其横断面积及体积的发展潜力有关。例如两个人肱二头肌的长度分别是30cm和20cm，前者肌肉长度是后者的1.5倍。那么前者肌肉横断面发展潜力是后者1.52=2.25倍，肌肉力量发展潜力是后者1.53=3.375倍。由于肌肉长度主要受遗传的影响，因此肌肉长度可作为运动选材的参考指标。 此外，肌纤维的初长度也影响着肌肉的最大肌力（详见肌肉章）。通常肌肉在收缩前先做离心收缩而使其初长度增加，从而产生较大的肌肉收缩力量。例如跳跃前先屈膝以拉长股四头肌而后起跳等。另外，肌肉被拉长后立即收缩产生的力量远大于间隔一段时间后再收缩时所产生的力量。其原因是肌肉被拉长后快速收缩，可使肌肉在获得最适初长度同时，产生牵张反射，从而反射性地提高肌肉收缩力量。例如原地下蹲后快速起跳要比先下蹲、间隔一段时间后再起跳跳得更高或更远。 4肌纤维类型 快肌纤维收缩力量明显大于慢肌纤维，人体肌肉中快肌纤维横断面积及百分组成较高的个体，其肌肉收缩力量也较大，但是在上述两种因素中快肌纤维的横断面积对力量影响更为明显。两种肌纤维收缩力量的差异与本身的组成及支配它的神经元的兴奋性有关。由于快肌纤维内具有更多的肌原纤维和较快供能速率，故快肌纤维输出功率较大。因此，对于同样数量肌纤维的肌肉而言，快肌纤维百分率越高，其收缩时产生的力量也越大。此外，由于支配慢肌纤维的运动神经元兴奋阈值较低，因此较小的刺激即可使其兴奋，从而使其支配的肌纤维产生较小的收缩力量；而支配快肌纤维的运动神经元兴奋阈值较高，所以需要较大的刺激才能引起兴奋，故快肌纤维收缩时产生的力量较大。 （二）神经系统的调节能力 神经系统对肌肉的调节能力主要通过协调各肌群活动，以及增加同步兴奋收缩运动单位的数量实现的。长期从事力量训练可使神经系统的调节能力日臻完善。 1中枢神经系统的募集能力 中枢神经系统通过改变发放神经冲动的强度和频率来影响肌肉的收缩力量。当中枢神经系统兴奋性提高时，支配肌肉活动的运动神经元同时兴奋的数目增加，因而参与收缩的运动单位增多，并使肌肉中每一运动单位发生较大紧张性收缩，所以肌肉产生的力量增大。研究表明，当肌肉克服相当于最大肌力20%80%的阻力负荷时，肌肉力量的增加主要依赖神经系统不断募集更多的运动单位来实现；当阻力负荷超过80%时，主要通过提高神经中枢发放神经冲动的频率来完成。实验证明，克服最大负荷的力量训练有助于提高中枢神经系统的兴奋性，从而提高肌肉的绝对肌力。例如，有训练的优秀运动员，在最大用力收缩时，神经系统可以动员90%的肌纤维参与收缩，而训练水平较低的运动员只有60%的肌纤维参与收缩。可见，运动训练可改善神经系统募集运动单位的能力，增加参与收缩肌纤维的数目，提高肌肉的收缩能力。 2. 神经系统的协调能力 中枢神经系统在调节肌肉收缩活动时，除主动肌兴奋收缩外，还需协同肌的配合及对抗肌的放松。中枢间良好的协调能力可减少无谓的能量消耗，有助于主动肌发挥更大的收缩效率，产生更大的收缩力量。实验证明，长期的力量训练，可使大脑皮质支配肌肉活动的神经中枢在时间、空间上准确而及时地产生兴奋与抑制，并在完成动作过程中兴奋和抑制能够适时转化，使主动肌、协同肌及对抗肌之间的协调能力得以提到。通过对不同训练水平运动员肌电图的研究发现，优秀运动员完成动作过程中肌肉动作电位集中发生在动作时相，表明中枢活动的协调及运动神经中枢内兴奋过程高度集中，从而使动作更加协调，力量增大；而缺乏训练者，肌肉动作电位持续时间延长，甚至延续到肌肉的舒张期，从而导致肌肉收缩力量减小。例如手持哑铃做屈肘动作，除肱二头肌强烈收缩外，伸肘的肱三头肌必须适时地放松。假如对抗肌不能及时放松，必然会影响其力量的发挥。由此可见，支配各肌群的中枢间良好的协调能力对于提高力量素质至关重要，特别是对抗肌放松能力的提高，其效果更加明显。 三、力量训练的原则 （一）超负荷原则 超负荷是指练习时所采用的阻力负荷超过本人已经适应的负荷，或超过平时训练的负荷。这种相对较大的负荷对肌肉会产生较大的刺激，使肌肉产生相应的适应性变化，从而使肌肉收缩力量增强。该训练原则的生理机制是：当负荷较小时，中枢只能募集兴奋性较高的小运动单位参与收缩；当负荷增大时，中枢募集的运动单位逐渐增多，较大的负荷会对中枢神经系统产生强烈的刺激，使运动中枢发出更强的信号，募集更多、更大的运动单位参与收缩，从而产生较大的力量。例如，人体腓肠肌中最大运动单位的紧张度比最小运动单位大200倍，所以，当这种较大的运动单位参与收缩时会产生较大的力量。 图 131 训练强度适当范围模式图通常低于最大负荷80%的力量练习对提高最大肌力不明显。但是，如果负荷过大，不但达不到良好的训练效果，反而容易发生运动损伤，不利于提高肌力（图131）。特别是少年儿童表现得更为明显。伯杰认为用3组4RM和8RM的负荷进行练习，力量增长最快；Astrand认为静力性练习应持续6s，而动力性练习时，5RM到6RM比2RM和10RM练习能更有效地发展力量。（RM：表示按规定次数所能完成的最大负荷量，如5RM则表示能重复5次的最大重量） （二）渐增负荷原则 渐增负荷原则是指力量练习过程中，随着训练水平的提高，肌肉克服的阻力逐渐增加的训练原则。该训练方法能使肌肉经常在超负荷条件下训练而产生适应性变化。随着肌肉力量地增加，原来的超负荷已经变成了小负荷，此时克服该负荷已不需要动员大量的肌纤维参与收缩。如果不增加负荷，那么肌肉力量不但不能继续增加，反而使力量练习逐渐转向耐力练习。因此，力量练习只有逐渐增大负荷，坚持渐增负荷原则，才能有效地发展肌肉力量。 渐增负荷大小可因个体训练水平而定，Fox提出，以8RM负荷进行练习，随着肌肉力量的增加，负荷次数逐渐增加，直至12次（12RM），此时增加负荷再到8RM，即“负荷8，训练到12”。如果训练水平较低，可采取“负荷10，训练到15”或“负荷15，训练到20”的训练方法。若发展绝对力量，可采用“负荷1，训练到5”等等。 （三）有效运动负荷原则 有效运动负荷原则是指以足够大的运动负荷和足够长的运动时间进行力量练习的训练原则。当运动强度和运动量较小时，对身体机能不会产生明显的影响，只有足够大的运动强度和足够长的运动时间才会对身体机能产生运动痕迹和训练效果，使机体的形态、结构及机能产生一系列良好的适应性变化。通常将导致身体产生运动痕迹和训练效果的最小运动强度称为靶强度，此时的心率称为靶心率。正常情况下每次力量练习应有不少于三组接近或达到肌肉疲劳的力量练习，才能使肌肉力量得到提高。 （四）专门性原则 专门性原则是指训练手段应尽量和专项力量的要求及专项技术结构相一致的训练原则。其生理机制是：不同的动作结构、不同的肌肉活动形式对神经系统的协调、运动单位的募集以及局部肌肉代谢特征的影响不同。专门性原则主要包括两方面内容，一是力量练习与正式动作结构应非常相似；二是力量练习与正式动作的发力特点非常相似。这种一致性可表现在身体的姿势、动作的幅度、方向、节奏及速度等方面。而且力量练习还应考虑不同运动项目对力量能力的需求程度。例如排球扣球的专门练习，可采取助跑起跳掷实心球，并结合左右手扣球进行练习。这样不仅能发展相应的肌肉力量、培养运动员在动作最关键的时刻集中用力的能力，而且有利于提高神经系统的协调能力，并使肌肉产生一系列适应性变化。 为了增强对机体的刺激，也可采用较大负荷的杠铃进行练习。练习过程中应结合正式动作的发力特点进行练习。如果发力开始就需爆发力，力量练习时就应结合这一特点，在举起杠铃时应尽量快速地完成。 （五）合理练习顺序原则 合理练习顺序原则是指力量练习过程中先练习大肌群，后练习小肌群，前后相邻肌肉练习避免使用同一肌群的练习原则。其生理机制是：大肌群在练习时运动中枢的兴奋程度高，在提高自身力量的同时，由于兴奋的扩散作用，对其它肌肉也会产生一定的刺激作用。另外，由于大肌群不易疲劳，因此练习过程中应从大肌群开始到小肌群。对此，Fox做了大量的研究，并提出了一些主要肌群的练习顺序可供参考：大腿和髋部；胸和上臂；背和大腿后部；小腿和踝；肩带和上臂后部；腹部；上臂前部。 如果前后相邻力量练习使用同一肌群，不仅不能保证动作质量，而且容易出现肌肉过度疲劳及运动损伤。因此，在力量练习过程中应尽量避免在相邻的练习中使用同一肌群，以保证肌肉在每一次练习后有足够的恢复时间。 （六）系统性原则 系统性原则是指力量练习应进行全年系统性安排的训练原则。训练频率愈高，肌肉力量增长愈快，停止训练后肌肉力量消退也愈快；训练频率较低，训练时间较长，肌肉力量增长也较慢，但力量保持时间相对较长。研究表明，力量增长后如果每2周训练1次，肌肉力量可保持原增长水平；每6周训练1次，可保持较长时间；不进行训练，30周后原增长水平完全消退（图132）。图132 不同力量训练安排后力量素质消退的情况四、影响力量训练效果的因素 （一）运动强度 运动强度包括物理负荷强度和生理负荷强度。物理负荷强度是指机体所承受的物理负荷强度；生理负荷强度是指根据个体最大摄氧量百分数或最大心率百分数等生理指标所间接表示的负荷强度。运动生理学中常采用生理负荷强度来衡量运动强度。 通常负荷越大，力量增长越快，力量增长的效果也越好。毛纳尔认为，采用5RM的负荷能使肌肉横断面积增大，力量和速度得到发展，但不能提高耐力，适用于举重及投掷项目运动员；采用610RM负荷，可使肌肉增粗，力量和速度得到提高，但耐力提高不明显，适用于100m跑和跳跃运动员；采用1015RM负荷，肌肉增粗不明显，但力量、速度及耐力提高，适用于400m和800m运动员；采用30RM负荷，可使肌肉毛细血管增加、耐力提高，但对力量和速度提高不明显，适用于中长跑运动员。 （二）重复次数 力量练习重复次数决于负荷强度的大小。负荷强度越大，重复次数越少，动作速度越慢。实验证明，最大力量训练时（90%175%），重复次数很低（13次），而且完成速度很慢；爆发力训练时（最大负荷的30%80%），重复次数适中（510次），完成速度较快；肌肉耐力训练时，重复次数较高，有时甚至达到最高重复次数（250次或更高），但完成速度适中或较低。非周期性项目的肌肉耐力训练重复次数在1030次之间，周期性项目则接近最高重复次数。 （三）练习组数 每组力量练习包括一定的重复次数，并在练习结束后间歇休息。练习负荷量、重复次数与练习组数间呈负相关，即负荷量和重复次数越多，练习组数越少。另外，练习组数还与运动员的训练潜力、练习肌肉群的数量、一次的训练内容等因素有关。一般认为一次练习可在36组之间。 （四）间歇时间和间歇方式 力量训练中，随着运动员对训练的逐步适应，间歇休息时间应相应缩短；而随着负荷量的增加，间歇休息时间应有所延长。间歇时间的长短还取决于力量训练的类型、运动员的训练状态、完成动作的节奏、运动持续时间以及参与练习的肌肉数量等因素。力量练习各组间的间隔时间一般以肌肉能完全恢复为标准。 奥佐林认为，发展最大力量的练习，其休息间歇应在25min之间为宜；竭尽全力的力量练习休息间歇应为510min之间；发展肌肉耐力练习的休息间歇时间为12min。 舍利希提出，间歇时间，特别是循环练习的间歇时间应根据运动员对训练刺激的生理反应（通常用心率表示）来安排。当心率下降到120次/分时，可开始下一次练习。此外，由于不同运动员对同一训练刺激的反应不同，所以教练员还应考虑到运动员的恢复速度，从而制定出有效的训练计划。为了在两组练习之间尽快达到恢复，可让运动员在休息间歇进行一些积极性活动。 （五）运动量 运动量包括运动强度和运动时间两个方面的因素，运动量=平均运动强度运动时间。一段时间（如一周或一个月）的训练总量除了运动强度和运动时间外，还要考虑这段时间的训练频度，即运动总量=（平均运动强度运动时间）训练频度。 发展力量的运动训练总量与专项运动对力量的需要及特点有关。例如举重运动员有时一次需要完成30吨的训练总量。而一次力量训练课的持续时间主要取决于专项运动对力量素质的要求程度、运动员年龄以及训练程度等因素。不同运动项目优秀运动员的力量训练总量见表131。表131 不同运动项目优秀运动员全年的力量训练总量 序号 运动项目 各训练阶段每个小周期的负荷量 年负荷量 （1000kg） 准备阶段 比赛阶段 休整阶段 最小 最大 1铅球 20408124690014502跳高 16188102462010003篮球 122446285024504标枪 1224424508005排球 1220424507006短跑 1018424006007体操 1016443806008拳击 81431330500五、力量练习方法 肌肉工作方式不同，产生的力学效应及运动效果也不相同。故深刻认识肌肉收缩方式与力量效应的关系，可有针对性地选择力量训练手段，减少训练的盲目性，提高力量训练的效果。 （一）等张练习 等张练习（又称为动力性练习）是指肌肉以等张收缩的形式进行负重或不负重的动力性练习方法。 等张练习的训练效果主要取决于负荷的大小、练习的快慢及重复次数的多少。当这些因素发生改变时，将会对肌肉形态、结构、代谢及其神经调节能力产生不同的影响，从而影响训练效果。它的训练效果一般是整体性的。 等张练习的不足之处在于不能在整个动作过程中肌肉每一次收缩的负荷都相等，容易出现在某些关节角度上肌肉训练不足现象。 （二）等长练习 等长练习（又称为静力性练习）是指肌肉以等长收缩的形式使人体保持某一特定姿势对抗外界负荷的练习。 等长练习与等张练习一样，都能使肌力和肌肉体积增大。此外，等长练习对于肌红蛋白的增加、慢肌纤维的选择性肥大、肌肉中毛细血管数量的增加均有重要作用，但这种效果往往是局部性的。 等长练习的不足之处在于缺乏张驰交替的协调支配，对改善神经肌肉的协调性效果不明显；在大强度等长练习过程中，由于憋气和外周阻力增大，容易引起血压升高。所以在运动实践中应采取动、静练习相结合的训练形式，以取得相辅相成的训练效果。 费林等通过对60名少年田径运动员研究发现，从事动力性练习运动员，其速度和弹跳力增幅最大，力量增加次之；从事静力性练习则使力量增长幅度最大，但速度及弹跳力增幅较小。可见，动力性练习能更快地发展动力性力量，如速度及爆发力等，而静力性练习对提高静力性力量效果比较明显，如十字支撑、马步等所需要的力量。 （三）等动练习 等动练习是指借助等动练习器进行的练习。其特点是运动过程中器械产生的阻力始终和用力的大小相适应。等动练习的最大优点在于：整个练习过程中关节运动在各个不同角度时均能受到较大负荷刺激，从而使肌肉在整个练习过程中能产生较大的力量，因而运动效果较为明显。例如游泳划水动作，在划臂动作的前三分之一，拉力是29.5kg，中三分之一是22.6 kg，后三分之一又回升到32.6 kg。表明两臂通过胸前、提肘划水时，因骨杠杆处于不利位置而导致力量最小。如果用动力性练习来发展划水力量，由于肌群在整个活动过程中所受到的阻力是恒定的，所以不符合游泳运动过程的真实情况，而用等动练习器进行练习，就能满足游泳运动的需求，达到良好的训练效果。 美国学者霍西尔斯研究发现，在分别进行8周每周3天的动力性、静力性及等动力量训练过程中，等动练习效果最佳，其总工作能力和最大力量分别提高35.4%和47.2%；其次是动力性练习，分别提高27.5%和28.6%；而静力性练习效果最差，仅提高9.2%和13.1%。可见，等动练习能使肌肉在整个动作范围内得到全面训练，并能使肌肉力量在较短的时间内得到明显的提高。但是，由于等动练习的速度受到控制，因此该练习不利于爆发力的发展。 （四）超等长练习 超等长练习是指肌肉离心收缩之后，紧接着迅速进行向心收缩的练习。体育运动中不少动作（如跳跃或投掷等）都是如此进行的。研究证明，超等长练习对发展运动员的支撑能力及爆发力具有良好的效果。例如前苏联著名短跑运动员鲍尔佐夫（1972年奥运会冠军）就是采取这种练习方法（单腿和双腿跳30100m）进行训练。虽然超等长练习能有效挖掘肌肉的潜力，提高力量练习的效果。但是，由于超等长练习较为剧烈，故容易发生运动损伤。所以，在运动实践中应根据运动员的实际情况合理安排超等长练习。 返回本章第二节 耐力素质 一、耐力的概念及其分类 耐力（endurance）是指人体进行长时间肌肉工作的能力；或者人体对抗疲劳的能力。按照运动时的外在表现，可将耐力分为速度耐力、力量耐力和静力耐力；按照参与的主要器官，可分为呼吸循环耐力和肌肉耐力；按照参加主要工作所动员肌群的数量，可分为全身耐力和局部耐力；按照运动时能量代谢的特点，可分为有氧耐力和无氧耐力；按照耐力素质和专项运动的关系，可分为一般耐力和专项耐力等。本节将着重从能量代谢角度讨论有氧耐力和无氧耐力。 二、有氧耐力 （一）有氧耐力的生理学基础图133最大摄氧量的生理学基础示意图有氧耐力（aerobic endurance）是指人体长时间进行有氧工作的能力。氧供应充足是实现有氧工作的先决条件，也是制约有氧工作的关键因素。而运动中氧的供应受多种因素制约。研究表明，影响骨骼肌有氧供能状况的主要因素有肺功能、血液携氧功能、循环功能及肌肉组织有氧代谢功能等（图133）。 1肺通气功能 肺通气量增大，可提高摄入体内的氧气量。然而摄入体内氧气量的多少，除了与肺通气量有关之外，还与呼吸频率和呼吸深度的匹配有关。例如，当呼吸频率为20次/分，呼吸深度为2L时，肺通气量为40L/min；当呼吸频率为40次/分，呼吸深度为1L升时，肺通气量同样为40L/min。但哪一种呼吸频率与呼吸深度的匹配更适宜呢？显然是前者。因为较大的呼吸深度，可有效地提高肺泡通气量，从而提高肺泡内氧气的分压，加速肺换气，使更多的氧气进入体内，从而提高摄氧量。由此可见，一个运动员经过训练后，如果肺通气机能得到提高、并且在运动中能够掌握合理的呼吸方法（即适当增加呼吸深度、节制呼吸频率），对于提高摄氧能力具有重要意义。 2肺换气功能 肺换气是靠物理扩散实现的。其动力是肺泡与血液间的气体分压差。运动时由于深吸气导致肺泡与静脉血液间氧气分压差增大，肺泡膜变薄，肺毛细血管大量开放，因而大大促进了气体的扩散过程。 肺换气能力是以单位时间内肺泡膜两侧的氧气分压差为1mmHg时所扩散的氧气量来表示。安静时人体的氧扩散能力约为2050ml/mmHg/min。有人计算，当最大摄氧量为4L/min时，氧扩散能力应达60 ml/mmHg/min；若最大摄氧量为6 L/min，扩散能力可达100 ml/mmHg/min。因此扩散能力不足可能是限制最大摄氧量的一个重要因素。但扩散能力的大小主要受肺循环血量和肺泡通气量的限制。 实验证明，耐力性运动员肺容积，如补吸气量、补呼气量、肺活量、肺总容量等均大于同性别、同年龄的非运动员；肺通气机能和肺换气功能也大于一般人。肺功能的改善为耐力性运动员运动时氧气的充分供应提供了重要条件。 3血液运氧能力 血液中红细胞所含的血红蛋白执行着运输氧气的任务。血红蛋白的含量是影响最大摄氧量的一个重要因素，当运动员血红蛋白含量下降10%以上往往会引起运动成绩下降；当红细胞、血红蛋白的量适当增多后，机体运输氧气的能力会明显提高。如自体输血（即从运动员身上抽出200400ml血液，经冰藏冷冻处理后，储存68周，待比赛前再回输运动员本人体内，直接增加循环血液中红细胞及血红蛋白的量，从而增强氧气的运输能力。 4血液循环功能 心输出量是反映心脏功能的重要指标。研究表明，心输出量越大，运输氧气的能力越强，最大摄氧量也越大。由费可氏公式可见，摄氧量的增加有赖于心输出量和动、静脉氧差的增加。而心输出量的大小等于心率与每搏输出量的乘积。因此，血液循环机能对机体的摄氧能力具有重要影响。即 VCO2CO（Cao2-Cvo2）HRSV（Cao2-Cvo2） 式中：VCO2：摄氧量；CO：每分输出量；Cao2：动脉血氧含量； Cvo2：静脉血氧含量； SV：每搏输出量；HR：心率；业已证明，运动训练对最大心率影响不大，但可导致安静心率降低。尤其是耐力性训练，其效果更加明显。如优秀耐力性运动员的安静心率仅为40次/分左右。因此，有训练者心率储备比一般人高。 每搏输出量的大小决定于心脏的容积和心肌收缩力量。研究表明，耐力训练可使心室腔容积增大，一般人心容积约为700800ml，而耐力运动员可达9001000ml。耐力训练引起心容积增大为每搏输出量的增大创造了一定的条件。虽然心容积与最大摄氧量密切相关（r=0.762）。但更重要的是耐力训练能够导致心肌收缩力量增强。目前认为，心肌收缩力量是影响每搏输出量的主要因素。安静时男子每搏输出量约为70ml，运动时最大每搏输出量可达120ml。 奥斯特朗研究证明，运动训练初期最大摄氧量的增大主要依赖最大心输出量，随着训练水平的提高，最大摄氧量的增大则主要依赖于动、静脉氧气分压差。赛尔亭研究发现，中年人（3050岁）通过训练最大摄氧量可增加20%40%。这种增加是由于动、静脉氧气分压差增大的缘故，而不是心输出量增大的结果。日本学者山地启司通过对大学生的研究发现，有些人虽然最大摄氧量增大，但心输出量并无改变。因此，有些学者认为心脏的泵血功能是影响最大摄氧量的中心限制因素。 5组织换气 氧气由血液向肌组织扩散的能力，与肌肉内毛细血管开放的数量及毛细血管与组织间的氧分压差大小有关。 运动时，由于舒血管物质及局部温度升高，使活动肌肉中毛细血管进一步扩张，导致活动肌肉血流量大大增加，从而提高组织换气能力和最大摄氧量。据报道，安静时，人体每100g肌肉中血流量为25ml/min；极量运动时可达70100ml/min。另据Rowell研究证明，在最大负荷运动时，即使心输出量不增加，仅靠腹腔内脏器官血管收缩分配到活动肌肉中的血液量可达2.2L/min，使摄氧量可增加0.5L/min。可见，运动时腹腔内脏器官血管收缩，肌肉中毛细血管网开放数量增加，有利于血液携带更多的氧气供应给肌肉，从而增加摄氧量。 此外，运动时由于肌肉组织消耗的氧气增多，肌组织氧分压显著下降，故毛细血管血液与肌组织间氧分压差增大，加之局部肌肉温度及二氧化碳分压升高，因而促进氧离，使更多的氧气扩散到肌肉组织。 6肌肉组织有氧代谢能力 肌组织的有氧代谢能力是影响肌组织利用氧气的根本因素。如果肌肉组织有氧代谢能力强，动、静脉氧分压差就增大，最大摄氧量就增大。 肌肉组织有氧代谢能力决定于肌纤维的百分组成及其氧化供能能力。实验证明，优秀耐力运动员慢肌纤维百分比较高，而且会出现肌浆型功能肥大（即非收缩成分如糖元、磷酸肌酸、肌红蛋白、线粒体及毛细血管数量增加等）。柯斯蒂尔发现，优秀长跑运动员慢肌纤维百分组成及最大摄氧量最大，其次是中跑运动员，短跑运动员最小。此外，长跑运动员肌组织中琥珀酸脱氢酶（SDH）的活性最高，短跑运动员最低；而乳酸脱氢酶（LDH）、磷酸化酶（PHOSP）活性却恰恰相反，短跑运动员最高，长跑运动员最低。尔夫伯尔吉发现，有训练的运动员腿肌中慢肌纤维百分组成与最大摄氧量密切相关（r=0.72），麦克撕威尔通过对20名体育运动参加者进行肌肉活检发现，肌肉中丙酮酸氧化能力与最大摄氧量同样有着十分密切的关系（r=0.81）。由此可见，肌纤维的百分组成及其氧化供能能力是影响最大摄氧量的重要因素。目前大多数学者认为，肌纤维的百分组成及其氧化供能能力是最大摄氧量的外周限制因素。 （二）有氧耐力的评价指标 有氧耐力的评价指标包括最大摄氧量（VCO2max）和无氧阈（AT）（一般概念见呼吸章）。常人VCO2max约为23L/min，优秀耐力性运动员可达46L/min。AT通常用% VCO2max来表示，常人无氧阈约为55%65%VCO2max，优秀耐力性运动员可达80% VCO2max以上。可见，有训练的耐力运动员不仅 VCO2max较大，而且AT也较高。 据奥斯特朗的研究，优秀耐力项目运动员的最大摄氧量比其它项目运动员高，男子平均为5.75L/min，女子为3.6L/min。世界著名中长跑运动员凯诺（5000m成绩为13242）的最大摄氧量为5.5 L/min，美国运动员赖恩（1500m成绩为3331）为5.6 L/min。另据尔弗柏格研究发现，最大摄氧量最高值男子为7.38 L/min；女子为4.34 L/min。 由于每个人的身材大小不同，所以最大摄氧量的相对值更能反映运动员的有氧能力。例如，日本优秀马拉松运动员宇佐美，VCO2max仅为4.9 L/min，但最大摄氧量的相对值却达83ml/kg/min的极高水平。法国学者罗朗德赛尔认为最大摄氧量超过80ml/kg/min，才能在耐力项目比赛中达到国际水平。 很多学者发现，耐力性项目的运动成绩与VCO2max高度相关。如桑塔新诺发现，优秀运动员800m游泳成绩与VCO2max高度相关（r-0.75）。根据最大摄氧量可以预测中长跑运动如马格利亚（1975年）还推算出回归方程，来预测中长跑运动员的运动成绩： M5（V6）T5V式中：M代表跑距（m），V代表VCO2max（ml/kg/min），T代表待测的运动成绩（min） 但是，有氧耐力项目的运动成绩并非完全决定于最大摄氧量，还与运动员的心理因素，技、战术水平以及运动员身体机能状态等因素有关。因此最大摄氧量只能看作是取得耐力性项目优异成绩的一个必要条件，而不是充要条件。 VCO2max和AT都可作为反映有氧耐力的指标。但是，VCO2max是在极量负荷运动时测得的，而有氧运动都属于亚极量运动，况且极量运动与亚极量运动间有着本质的不同，所以VCO2max仅反映其最大摄氧能力的可能性。而AT则反映了人体对VCO2max的实际利用百分比。研究证明，优秀的耐力性运动员经多年训练后，VCO2max变化不明显，但AT却明显增加，并与耐力性运动成绩的提高相关。故亚极量负荷运动时测得的AT值比极量负荷运动时所测得的VCO2max，对于评价有氧耐力能力更有意义。 （三）有氧耐力的训练 1训练方法 有氧耐力训练方法主要包括持续训练法和间断训练法两大类（图134）。 间断训练法可分为间歇训练和重复训练。如果两次练习间休息时间较短，人体运动能力尚未完全恢复就进行下一次练习，称为间歇训练；如果两次练习间休息时间较长，人体运动能力在下一次练习前能够完全恢复，称为重复训练。而持续训练法则可根据运动过程中速度是否变化分为匀速练习和变速练习。 发展有氧耐力所采取的方法，原则上宜采用强度较低、持续时间较长的匀速练习和长段落的间歇练习。对儿童少年以及训练程度较低的个体，宜采用低强度的匀速持续性练习。 图134 几种训练方法示意图有氧耐力的训练方法除上述两种外，还有高原训练法等。在训练过程中，可根据运动员的年龄、训练水平及不同运动项目的特点，科学合理地安排运动训练，促进耐力素质的提高。 2不同训练方法的生理学作用 间歇性训练可使机体完成较大的运动量，该训练方法对于提高呼吸及循环系统的机能具有良好的效果。在间歇期内，虽然肌肉得到一定的恢复，但呼吸及循环系统的机能仍处于较高的水平（短时间运动更加明显，因为短时间运动引起的内脏机能变化在间歇期内达到较高的水平）。由此可见，无论运动时还是间歇期，均对呼吸及循环系统产生较大的刺激，因此长期的间歇性训练可使呼吸及循环系统的机能得到明显提高。 长期的持续性训练能提高大脑皮质神经过程的均衡性及机能的稳定性，改善运动中枢间的协调性，提高心肺功能，并可引起肌纤维的选择性肥大，肌红蛋白增加，导致最大摄氧量提高。 3运动强度 耐力训练过程中选择适宜的运动强度至关重要。如果运动强度过低，既不能充分动员人体输氧系统的机能潜力，也不能有效地发展有氧代谢能力；假如运动强度过大，持续时间必然缩短，能量代谢系统将向无氧代谢途径转变。同样也不能有效地发展有氧能力。目前，发展有氧耐力多采用超过本人VCO2max50%的强度进行训练。另外，不少学者根据自己的研究结果提出了各自的训练强度。如美国学者库珀提出，只要运动过程中心率保持在150次/分，并至少维持5min，就可以达到发展心肺功能的目的；德国学者克莱斯提出确定适宜运动强度的公式：（HRmaxHRres）2HRres；荷兰学者卡沃宁提出的适宜运动强度公式为：（HRmaxHRres）60%HRres，其公式中的60%可因人而异，训练水平高者可乘以70%，训练水平低者可乘以50%。 近年来，国内外学者普遍认为个体乳酸阈强度是发展有氧耐力的最佳强度。业已证明，个体乳酸阈具有较强的可训练性，随着训练水平的提高，其运动强度可根据新的个体乳酸阈来确定。目前，个体乳酸阈训练法已广泛用于发展有氧耐力的运动训练之中，并且取得了良好的训练效果。 4.运动训练时间 运动持续时间对训练效果同样具有明显的影响。由于机体内脏器官的机能惰性较大，需要在运动开始后3min左右才能达到最高的机能水平。故发展有氧耐力所持续的最短时间限度应为5min以上，甚至可持续2030min。运动持续时间的长短与运动强度有关，较小的运动强度可持续较长的运动时间；反之，运动持续时间可相对较短（表133）。表133 运动时间与运动强度的组合 时间（min） 低强度训练 （%VCO2max） 中强度训练 （%VCO2max） 大强度训练 （%VCO2max） 570809010657585156070803050607060405060三、无氧耐力 （一）无氧耐力的生理学基础 无氧耐力（anaerobic endurance）是指机体在缺氧情况下，进行较长时间肌肉活动的能力。在长时间缺氧情况下，体内主要采用糖酵解供能方式提供能量。 1肌肉中糖酵解供能能力 糖酵解供能能力取决于快肌纤维的百分组成、肌糖原的含量及糖酵解酶的活性。柯斯蒂尔等发现，优秀赛跑运动员腿肌中慢肌纤维百分比及乳酸脱氢酶活性，随运动项目的不同而不同。长跑运动员慢肌纤维百分比高，中跑居中，短跑最低；而乳酸脱氢酶的活性恰恰相反，短跑运动员最高，中跑居中，长跑最低。这种现象可视为不同训练出现的适应性变化。 2消除乳酸的能力 肌肉糖酵解过程中产生的乳酸进入血液后，将直接影响血液的酸碱度。但由于血液有缓冲作用，使血液酸碱度不至于发生太大的变化。机体缓冲能力的大小主要取决于碳酸氢钠的含量及碳酸酐酶的活性。研究表明，经常进行无氧训练的运动员，碱储备比一般人高10%左右；而促使碳酸分解的碳酸酐酶活性也明显提高，经常进行无氧训练可使其消除乳酸的能力大大提高。 3脑细胞耐受酸能力 尽管血液中的缓冲物质能够中和进入血液的一部分乳酸，但因进入血液的乳酸较多，血液的酸碱度不可避免地向酸性方面变化；加上氧气供应不足而导致的代谢产物堆积，都会影响脑细胞的工作能力。脑细胞对体内缺氧及血液酸碱度变化十分敏感，这些因素的不良变化都会促进疲劳的发展。因此，脑细胞耐受酸的能力是影响无氧耐力的重要因素。 研究表明，经常从事无氧训练的运动员脑呼吸中枢对静脉血中二氧化碳含量增多的耐受性明显提高，如短跑运动员对静脉血二氧化碳的耐受性比长跑运动员强，长跑运动员静脉血中二氧化碳含量稍有增加，就可引起呼吸中枢兴奋性提高，呼吸加强；而短跑运动员静脉血中二氧化碳含量显著增加时才能导致呼吸中枢兴奋性提高。这种现象无疑是短跑运动员对长期无氧训练的一种适应性变化。 （二）无氧耐力的训练 无氧耐力的训练方法有间歇训练法、缺氧训练法及高原训练法等。目前认为，在发展无氧耐力的各种训练方法中，间歇训练法效果最佳。 1间歇训练法 作为发展无氧耐力的间歇性练习应考虑运动强度、运动持续时间及间歇时间的组合与匹配。以产生较大的血乳酸浓度为依据。间歇性无氧训练强度应大于90%VCO2max；练习时间一般要长于30s，以12min为宜；间歇时间约为24min。实验证明，利用这种方法进行练习能有效地发展糖酵解供能能力，提高无氧耐力。 Astrand研究了练习及休息时间不同组合时的血乳酸变化情况，结果发现：休息时间不变（如15s），练习时间越长，产生的乳酸越多。如果练习时间不变，血乳酸则随休息时间的延长而减少。例如，练习及休息时间之比由11向15变化，间歇训练后30min，血乳酸呈递减趋势。如间歇时间不变，练习时间由5s向60s改变时，凡20s以内的练习血乳酸维持在低水平；60s练习可使血乳酸值高达150mg%；练习时间由20s向60s增加时，血乳酸值呈梯形升高。 2高原训练 高原训练除具有低气压、低温、低湿度及昼夜温差大等环境因素外，缺氧是高原训练的主要刺激因素。机体在缺氧情况下进行训练，对心肺功能产生更大的影响，提出更多的要求，从而使人体对缺氧产生适应，提高无氧耐力。 3缺氧训练 缺氧训练是指在减少吸气或憋气条件下进行的练习，其目的是造成体内缺氧以提高无氧耐力。缺氧训练不仅可以在高原环境中进行，而且在平原特定环境条件下人工模拟高原训练，同样可以取得良好的训练效果。例如低氧训练等。 返回本章第三节 速度素质 一、速度素质的概念及分类 速度素质是指人体进行快速运动的能力或人体在最短的时间完成一定运动的能力。按照速度素质在运动中的表现形式可将其分为反应速度、动作速度及周期性运动的位移速度。 反应速度是指人体对刺激发生反应的快慢。如短跑运动员从听到发令声到起动的快慢。 动作速度是指机体完成单个动作的速度，如投掷运动员器械出手的速度。 位移速度是指人体在单位时间通过的距离或人体通过某一特定距离的快慢，如跑速、游速等。 在大多数运动项目中，上述三种速度素质往往会综合表现出来，但是不同的运动项目中，三者结合的比例和形式不同。 二、速度素质的生理学基础 （一）反应速度（reaction speed） 1反应时 反应速度的快慢可用反应时来表示，所谓反应时是指由刺激作用于感受器开始到效应器开始活动为止所需要的时间。在构成反射弧的五个环节中，传入神经和传出神经的传导速度较快，故反应时的长短主要取决于：感受器的敏感程度；中枢延搁；效应器的兴奋性。其中，中枢延搁是影响反应速度的关键因素，反射活动越复杂，历经的突触数目越多，反应时越长。 2中枢神经系统的兴奋性和灵活性 良好的兴奋状态及其灵活性能够提高反应速度。实验证明，当运动员处于良好的赛前状态时，反应时缩短；反之，如果运动员兴奋性及灵活性降低，反应时将会明显延长。 3条件反射的巩固程度 随着运动技能的日益熟练，反应速度加快。研究发现，通过训练，反应速度可以缩短11%25%。 （二）动作速度（movement speed） 动作速度的生理指标是动作时。动作时是指从动作开始到完成动作所需要的时间。影响动作速度的生理因素有： 1肌纤维的百分组成及其面积 快肌纤维的百分比越大，直径越大（快肌纤维越粗），肌肉收缩速度越快。实验证明，优秀短跑运动员快肌纤维百分比较高。长期的速度性训练可引起快肌纤维出现选择性肥大。 2肌肉收缩力量 肌肉收缩力量越大，肌肉克服内外阻力的能力越强，完成动作的速度也越快。凡能影响肌力的因素都影响着动作速度。 3肌肉组织兴奋性 肌肉组织兴奋性越高，引起组织产生兴奋所需的刺激强度越小，作用时间越短，完成动作的速度也越快。 4条件反射的巩固程度 在运动技能的发展过程中，随着条件反射的逐渐巩固，动作时进一步缩短，动作速度加快。 图135 影响步长、步频的主要生物学因素示意图5神经系统的调节能力 神经系统对主动肌、协同肌及对抗肌的协调能力越强，动作速度越快。 （三）位移速度（displacement speed） 影响周期性位移速度的因素较多，而且比较复杂。以跑速为例，跑速主要决定于步长和步频两个方面因素，而步长和步频又受多种生物学因素的影响（图135）。步长主要取决于肌力的大小、下肢的长度及髋关节的柔韧性等。而步频的快慢取决于：大脑皮层运动中枢的灵活性。神经系统的灵活性愈高，中枢兴奋和抑制转化速度愈快，肢体动作交换的速度也