大学生纵跳能力、下肢等速肌力及其相关性研究

A Study on Characteristics and Correlation of Vertical Jump Ability and Lower Limb Isokinetic Muscle Strength of College Students

摘要

为分析男女大学生纵跳能力特征和下肢三关节等速肌力特征，并探究两者之间的关系，利用EZEjump无线纵跳测试系统获得大学生单、双腿半蹲跳和下蹲跳高度，Con⁃trex等速肌力测试系统获得其下肢 等速肌力特征。结果显示：（1）男性纵跳高度与髋、膝关节峰力矩相关，其中半蹲跳高度与髋关节伸肌群快速测试峰力矩更相关，而下蹲跳与膝关节伸肌群快速测试峰力矩更相关；（2）女性单腿半蹲跳高度与慢速测试下髋关节 屈肌峰力矩和屈伸比相关，双腿半蹲跳高度与快速测试下踝关节屈肌肌力差异相关；（3）研究结果表明，男性发展髋、膝关节屈伸肌群力量可以提高其纵跳高度，其中针对性的发展髋关节伸肌爆发力和膝关节伸肌爆发力可分别提高其半蹲跳高度和下蹲跳高度；女性纵跳高度与各关节肌群力量之间相关性不显著；男女单腿纵跳高度与各关节屈伸比之间相关性不显著。异侧同名肌力差异10%时，男女双腿纵跳高度不会受到肌力差异的影响。

Abstract

To analyze the characteristics of vertical jumping ability and lower limb isokinetic muscle strength in male and female college students and to investigate the relationship between them. EZEjump Test System was used to obtain single and double leg SJ and CMJ vertical jump height； Con-trex Test System was used to obtain lower limb isokinetic muscle strength characteristics. The result showed that： （1）Male vertical jump height was correlated with hip and knee peak torque， with the SJ being more correlated with hip extensor group rapid test peak torque and the CMJ being more correlated with knee extensor group rapid test peak torque； （2）In females， single-leg SJ height was correlated with hip flexor peak torque and hip flexion-extension ratios under slow testing， and double-leg SJ height was correlated with differences in ankle flexor muscle strength under fast testing. （3）Male development of hip and knee muscle group strength can improve their vertical jump height， which targeted development of hip extensor explosive strength and knee extensor explosive strength can improve their SJ height and CMJ height， respectively. However， in females， there was no statistically significant correlation between vertical jump height and strength of each joint muscle group. In males and females， there was no statistically significant correlation between single-leg vertical jump height and flexion-extension ratio of each joint. When the difference in bilateral muscle strength was 10%， the asymmetry in muscle strength did not affect the double-leg vertical jump height.

Graphical abstract

关键词

纵跳高度 / 等速肌力 / 下肢运动

Key words

vertical jump height / isokinetic muscle strength / lower limb movement

纵跳是在中枢神经系统控制下，身体各个环节相互配合，充分发挥下肢肌群的爆发力，从而获得最佳纵跳效果的技术动作^［1］。它是许多运动的基础，在多种竞技项目中，更好的纵跳能力或纵跳高度往往会帮助 运动员在运动中取得更好的竞技表现，例如跳高、篮球中的抢篮板球等。已有研究指出肌肉力量、关节稳定性等因素可能会对纵跳高度产生影响，Comfort等^［2］利用深蹲重量来评价下肢力量，发现绝对和相对深蹲重量均与纵跳高度有显著相关性。Wilczyński等^［3］利用Y平衡测试来评价下肢稳定性，发现Y平衡测试成绩与下蹲跳高度和单腿跳远距离具有显著相关性。Bailey等^［4］研究发现下肢两侧肌肉力量差异会降低双腿纵跳高度。但是这些研究多探讨其下肢整体力学特征与纵跳高度之间的关系，尚未明确探究各个关节力学特征与纵跳高度之间的关系，各个关节对纵跳高度的影响程度仍不清晰。等速肌力测试系统可以有效反映受试者单个关节在不同运动模式及不同角速度下的力学参数^［5］，并获得各关节肌群的肌力特征。这对深入分析各关节肌群对纵跳的影响具有一定帮助。

因此本研究以青年大学生为研究对象，测试其单、双腿纵跳高度以及双侧下肢三关节等速肌力特征，分析青年男女纵跳能力特征以及下肢等速肌力特征，并探究其下肢三关节等速肌力特征与其纵跳高度之间的关系，为日后针对性训练提高其纵跳效果提供依据。本研究假设单、双腿纵跳高度与下肢三关节等速肌力特征存在一定相关性。

1 对象和方法

1.1 研究对象

选取25名大学生，其中男性15名（年龄（23.33±1.66）岁，身高（179.47±6.04） cm，体重（74.77±8.17） kg），女性10名（年龄（23.78±1.13）岁，身高（161.67±3.4） cm，体重（55.51±5.75） kg）。要求无 下肢三关节损伤和手术史，无肌肉和神经等不利于参与本实验的损伤和疾病，在测试前24 h内未进行剧烈运动且自愿参与本实验。研究利用踢球法判断受试者下肢优势侧。

1.2 研究方法

1.2.1 纵跳测试

有研究指出下蹲跳（counter movement jump， CMJ）和半蹲跳（squat jump， SJ）两种纵跳模式可以综合反映个体的弹跳能力^［6］。因此本研究利用EZEjump无线纵跳测试系统获得青年大学生在两种纵跳模式下（即半蹲跳、下蹲跳）单、双腿纵跳高度。半蹲跳：受试者双手叉腰，呈半蹲姿势，听到口令后迅速向上跳起；下蹲跳：受试者双手叉腰，听到口令后迅速下蹲至一定位置后迅速向上跳起。为避免膝角不同对高度的影响，要求膝角控制在90°左右。受试者应在保持身体平衡的情况下尽力完成两种纵跳方式下的优势侧单腿 纵跳和双腿纵跳，且在触地之前应避免下肢三关节弯曲，同一纵跳模式完成三次，每次测试之间休息1分钟。

1.2.2 等速肌力测试

本研究利用瑞士生产的Con‑trex多关节等速肌力测试系统进行实验，有研究指出等速肌力测试时慢速测试60°/s可以反映肌群最大力量，快速测试240°/s可以反映肌群爆发力^［7］。因此，为了获得下肢三关节屈伸肌群的最大肌力和爆发力特征，本文选取这两种角速度进行测试，测试选取离心⁃向心模式，重复次数均为5次。依次完成双侧下肢三关节测试，测试过程中除被测试关节外，身体其余部分均需固定，每次测试之间休息1分钟。实验定义踝关节的趾屈为伸。

1.3 主要观察指标

纵跳高度，峰力矩（peak torque， PT），屈伸比（flexion/extension， F/E），异侧同名肌力比。

1.4 统计学分析

利用SPSS软件进行统计学分析，每种纵跳方式选取最大高度进行分析，双侧峰力矩、屈伸比进行平均处理。不同纵跳方式之间、不同角速度之间数据进行配对样本t检验；对纵跳数据和等速肌力数据进行Pearson相关性分析。相关系数R的绝对值在0.2~0.4、0.4~0.6、0.6~0.8，分别为低、中、高度相关^［8］。

2 结果分析

2.1 纵跳能力

如表1所示，单、双腿纵跳测试均表现出CMJ的纵跳高度大于SJ的纵跳高度，且均具有显著性差异（P0.05）。为进一步对男女SJ和CMJ两种纵跳方式之间高度差异进行比较，采用非参数检验，见表2。结果发现无论单、双腿纵跳，男性SJ和CMJ两种跳跃模式之间的纵跳高度差异更大（P0.05）。

2.2 等速肌力

男女下肢三关节屈伸肌峰力矩均随角速度的增加而减小，且具有显著性差异（P0.05）；在屈伸比指标中，除男性踝关节外，男女其他关节屈伸比均随角速度的增加而增加，且在髋关节与膝关节中表现出显著性差异（P0.05），具体结果见表3。在异侧同名肌力比指标中，男女下肢三关节异侧同名肌力比在不同角速度之间并未表现出统计学显著差异（P0.05），且仅在女性踝关节屈肌的快速测试中发现肌力差异10%，如图1所示。

2.3 相关性分析

2.3.1 纵跳高度与峰值力矩相关性

在纵跳高度与肌力的相关性分析中，男性单、双腿SJ高度与髋关节屈伸肌慢、快速测试下峰力矩以及膝关节屈肌快速测试下峰力矩存在中、高度相关（P0.05）；单、双腿CMJ高度与髋关节屈伸肌慢速测试下，峰力矩以及髋关节屈肌和膝关节屈伸肌快速测试下峰力矩存在中、高度相关（P0.05）。而在女性中仅发现单腿SJ高度与髋关节屈肌慢速测试下峰力矩存在高度相关（P0.05）。除此之外，不存在其他统计学上显著相关（P0.05）。结果见表4。

2.3.2 单腿纵跳高度与屈伸比相关性

在单腿纵跳高度与屈伸比的相关性分析中（表5），仅有女性慢速测试下髋关节屈伸比与单腿SJ高度存在高度负相关性（P0.05）。除此之外，无其他显著相关（P0.05）。

2.3.3 双腿纵跳高度与异侧同名肌力差异相关性

在双腿纵跳高度与异侧同名肌力差异的相关性分析中（表6），仅有女性两侧踝关节屈肌肌力差异与SJ高度存在高度正相关（P0.05）。除此之外，无其他统计学上显著相关（P0.05）。

3 讨论

3.1 纵跳能力分析

原地纵跳测试被认为可以很好地反映神经肌肉的控制能力以及下肢肌肉力量，其通常会因不同的动作形式，而表现出下肢肌肉不同的工作类型。在本研究中，大学生CMJ高度显著高于SJ高度，根据不同的跳跃动作形式对该现象进行分析。在CMJ中，下肢伸肌群主要表现为拉长⁃缩短周期（stretch-shortening cycle，SSC）运动^［9］。CMJ可划分为4个阶段：身体失重向下运动阶段、离心收缩阶段、离心⁃向心收缩耦联阶段以及向心收缩阶段^［1，10］。身体失重向下运动阶段：此时重力势能转化为动能和被拉长肌肉内弹性组织（如肌腱）的弹性势能。离心收缩阶段：此时下肢伸肌群做负功，将重力势能和动能均转化为肌肉弹性组织内的弹性势能。同时下肢肌群还会产生牵张反射，从而有效增加肌肉收缩力^［10］。有研究认为肌肉在离心阶段所做负功越多，其向心收缩所能转化的正功的量也就越多，最终表现为更好的纵跳成绩^［11］。离心⁃向心收缩耦联阶段：此时肌肉处于等长收缩状态，若该阶段时间过长，会导致肌肉内所储存的弹性势能损失^［12］，也会弱化牵张反射的效果^［13］。因此更短的耦联时间被认为可提高CMJ成绩^［14］。向心收缩阶段：此时肌肉做正功，同时所储存的弹性势能也被释放出来，这些能量全部转化为向上的动能。而在SJ中，仅有肌肉在拉长状态下的向心收缩做功，从而提供向上的动能。但两者向心收缩也有差别，CMJ在向心阶段开始之前，肌肉已建立起较高的激活水平，这使得肌肉能在缩短的第一时间产生更多能量^［15］。另外，离心阶段的存在增加了力的发展时间，以及牵张反射的影响，这使得CMJ的向心阶段表现出更大的向心力量，从而输出更多的能量^［16］。因此对同一受试者而言，相比于SJ动作，完成CMJ动作具有更好的能量输出，因此最终表现出更佳的纵跳高度。

另外，本研究发现男性两种跳跃模式之间纵跳高度的差异显著大于女性。从CMJ动作中弹性势能的储存和利用分析，首先男性在身高与体重上要高于女性，这使其在下蹲过程中有更多的重力势能可被用于转化为肌肉内弹性势能。同时男性具有更好的下肢刚度^［17］，这有利于其储存更多的弹性势能。另外男性会表现出更好的灵敏性^［18］，这使得CMJ动作中离心⁃向心转换阶段快速完成，肌肉内所储存的弹性势能的利用率更高，从而避免了能量的过多损失。这说明男性在完成CMJ动作时会储存和释放出更多的弹性势能，这可能是其在两种跳跃模式之间表现出更大差异的原因。

3.2 下肢三关节等速肌力特征分析

峰力矩为关节屈伸过程中肌肉收缩时最大力矩输出，可反映受试者被测关节肌肉的最大力量^［19］。本研究显示：下肢三关节屈伸肌峰力矩均随着角速度增加而减少，且在不同角速度之间存在显著差异。这一结果与Hill^［20］提出的力与速度之间的关系相符，肌肉所产生的最大力会随着收缩速度的增加而减少。这可能是由于快速运动时，神经所能募集的肌纤维减少，从而表现出最大肌力的下降^［21］。此外，运动速度加快，肌肉内部粘滞性增加也被认为是肌肉力量下降的原因^［22］。

屈伸比可用来反映两组拮抗肌群的肌力平衡情况，对于判断关节的稳定性具有一定意义^［7］。目前关于屈伸比的研究以膝关节为主，普遍认为，膝关节屈伸比在0.5~0.8之间^{［21，23］}，但在不同项目中，又具有其各自的特点，足球运动员F/E要大于篮球与排球运动员，而游泳运动员的F/E最小^［21］。在本研究中，膝关节屈伸比大致处于合理范围之内，同时在快速测试中表现出极显著性增大，这说明青年人群在进行快速运动时可以很好地维持关节稳定、避免股后肌群的拉伤。对髋、踝关节的研究主要针对专业运动员，其中髋关节的F/E为0.56~0.82，踝关节的F/E为0.21~0.37，与跳跃相关的运动员会具有更大的F/E，即表现出更好的髋、踝关节稳定性^{［5，24‑25］}。本研究中髋关节F/E在该范围之内，而踝关节的F/E则要大于该范围，这可能说明未经训练的普通人群踝关节屈伸肌群肌力差异更小，具有更好的踝关节稳定性，而在各个项目的专项训练中往往会使踝关节趾屈肌群得到更快速的发展，从而表现出较小F/E。

异侧同名肌力比可用来反映左右两侧同名肌群肌力发展是否平衡，在对称性动作中，同名肌群平衡发展，可以增加关节稳定性并且有利于动作过程中肌肉的同步发力^［22］。在普通人群中，两侧肌力差异并不明显，差异10%均属于安全范围，若差异过大，则该关节被认为具有损伤风险^{［26⁃27］}。在本研究中，仅在女性踝关节屈肌的快速测试中发现肌力差异10%，这说明女性两侧踝关节屈肌快速力量存在不对称性发展，提示女性需要加强两侧踝关节快速肌力平衡性训练。

3.3 纵跳高度与下肢三关节等速肌力特征的相关性分析

先前多数研究均认为下肢力量与纵跳高度具有一定相关性^［28］，但并未明确指出各关节肌肉力量与纵跳高度的关系。本研究中，无论何种纵跳方式，男性髋、膝关节屈伸肌群力量与其纵跳高度都有更显著的相关性，而踝关节并不表现出显著的相关性。但是在有关专业运动员的研究中指出，踝关节伸肌爆发力与纵跳高度存在显著相关性^［29］。针对这一现象，有研究指出，未经专业训练的人群其纵跳高度主要与髋、膝关节肌肉力量高度相关，而经过专业训练的运动员其纵跳高度主要与踝关节肌肉力量相关^［30］。这说明普通人群往往利用髋、膝关节肌群力量获得纵跳高度，而非利用小关节肌群力量。但小关节力量的强弱会直接影响完成动作时支撑的稳固性，同时更强的小关节力量可以缩短动作时间，提高动作速度^［16］。因此男性提高纵跳高度也应重视对踝关节肌群的训练。在对不同纵跳形式的研究中发现，SJ高度与髋关节伸肌群爆发力更相关，而CMJ高度与膝关节伸肌群爆发力更相关。出现这种情况可能与两种纵跳的动作模式不同有关，在半蹲跳动作中仅存在向心收缩阶段，此时为产生较大的运动速度，主要由大关节先产生活动，然后通过大关节带动小关节发力完成动作，此时髋伸肌群的活动就更加重要^［16］。而下蹲跳过程中下肢肌群还存在离心缓冲阶段，刘凯^［31］的研究指出，在此阶段仅股直肌的活动与纵跳高度存在显著相关，同时在向心阶段股直肌活动对纵跳高度的影响也要强于股二头肌。林长地^［29］的研究中也发现，膝关节伸肌爆发力与CMJ高度相关而与SJ高度不相关。因此对男性而言，针对性地发展髋伸肌群爆发力可以有效提高半蹲跳高度，而发展膝伸肌群爆发力可以有效提高下蹲跳高度。本研究中，女性各关节肌群力量与纵跳高度之间基本无显著相关，尤其是伸肌群。这与多数研究所认为的力量与纵跳高度存在较大关系不符^［28］。出现这种情况可能是普通女性对跳跃动作掌握不足，导致其在完成跳跃动作时各环节肌群力量在动力链上得不到好的传递^［28］，即肌肉力量未能得到充分的发挥。还可能由于等速肌力测试属于开链运动，Blackburn等^［32］在对女性的研究中指出，开放动力链力量与纵跳高度相关性较低（r=0.097）。

在完成动作过程中，良好的关节稳定性可以为力量的传递创造好的条件。Wilczyński等^［3］利用Y平衡测试反映下肢稳定性，发现Y平衡测试成绩与CMJ高度和单腿跳远距离显著相关。本研究利用关节屈伸比反映下肢关节稳定性，发现男女单腿纵跳高度与其各关节屈伸比之间基本无显著相关性，这说明利用单腿纵跳高度评价下肢关节稳定性是不可行的。这可能是因为Y平衡测试是用来反映机体下肢的动态平衡能力，这与单腿跳跃过程中单腿着地维持平衡，然后获得向上高度或向前距离所要求的关节动态稳定性相似，而等速肌力测试所反映的关节稳定性是通过屈伸肌群肌力差异来间接表示的，其为屈伸肌群最大肌力之间的比较，这不涉及动态稳定性。同时也有研究指出，核心稳定性与垂直纵跳高度之间不存在显著相关性^［33］。

在对称性运动中，双侧肢体肌肉力量的均衡发展往往会提高运动表现，这是因为两侧肌肉力量的不对称性会直接影响力量的表现和关节的稳定性，进而对其力量链的传递、动作模式产生影响，并最终影响技能的发挥和运动表现^［34］。因此在双腿纵跳中，下肢肌群力量的不对称可能会对纵跳高度产生负面影响。Bailey等^［4］的研究指出，双腿力量的不对称性不利于双腿垂直纵跳成绩的提高，并提出负重条件可能会有助于机体获得力量的对称性。但Yoshioka等^［35］则提出不同观点，认为在肌肉力量差异为10%的情况下，肌肉力量的不对称性并不会对跳跃高度产生影响，在这种情况下强侧腿会弥补弱侧腿力量的不足。本研究中发现与Yoshioka等相似的结果，即同名肌力差异10%时，其与双腿纵跳高度不存在显著相关性。因此认为在肌力差异10%时，此时肌力的不对称性不会对双腿纵跳高度产生影响，但若肌力差异10%，则可能会随着差异的增大而表现出纵跳高度下降的现象。

4 小结

（1）大学生下蹲跳高度显著高于半蹲跳高度，且相比于女性，男性两种跳跃模式之间纵跳高度的差异更大。

（2）大学生下肢三关节肌群在慢速运动下会表现出更大的肌肉力量；其髋、膝关节在快速运动下会表现出更好的关节稳定性；除女性踝关节屈肌快速力量存在不对称性发展外，其他各关节肌力发展均衡。

（3）大学生中男性发展髋、膝关节屈伸肌群力量可以提高其纵跳高度，其中针对性地发展髋关节伸肌

爆发力和膝关节伸肌爆发力可分别提高其半蹲跳高度和下蹲跳高度。女性纵跳高度与各关节肌群力量之间不存在显著相关性。男女单腿纵跳高度与各关节屈伸比之间不存在显著相关性。异侧同名肌力差异10%时，男女双腿纵跳高度不会受到肌力差异的影响。

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基金资助

内蒙古自治区自然科学基金资助项目“粘弹性对肌腱界面应力传递机理的影响——粘弹性剪切滞后模型的理论研究”(2021MS03018)