能量平衡模型结合运动生物力学手段测试人体运动做功效率

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.11.020

摘要/Abstract

摘要：

背景：国际上学者们很早就应用能量法对跑步效率有过积极的探索。但做功效率测试方法学至今并不完善。
目的：通过场地400 m跑训练实测，测试人体跑步的做功效率。
方法：以体育院校短跑专项一级、二级男子运动员共12人为研究对象，在最近1年内无肌肉损伤、骨折及循环呼吸系统疾病，且了解实验过程，自愿参加测试。运用CORTEX Meta Max 3B便携式气体分析仪结合高速摄像PULNIX CCD(TM6710)系统、自制分段计时器等仪器，在田径场上进行同步测试；应用能量法结合生理指标、运动学指标、数学模型及统计方法计算出人体做功效率值。
结果与结论：运动中一个复步的人体重心的Y轴平均起伏距离是(10.0±1.70) cm；X轴分段平均速度是(7.00±0.23) m/s；运动时间是(57.20±1.84) s；人体400 m跑运动净能耗、热能、空气阻力能、势能、动能及做功效率平均值分别是(301.2±29.3) kJ，(197.0±30.3) kJ，(5.3±0.6) kJ，(3.7±0.7) kJ，(95.2± 10.9) kJ，(35.0±4.3)%。在平均速度(7.00±0.23) m/s下，通过实际场地测试400 m跑做功效率(外功效率)的平均值为35%，人体运动中的净能耗大部分以热能的形式损耗。说明人体实际运动的做功效率，可以能量平衡理论模型结合运动生物力学手段测试。

关键词: 组织构建, 组织构建与生物力学, 运动医学, 400 m跑, 做功效率, 能量法, 数学模型, 能耗, 速度, 其他基金

Abstract:

BACKGROUND: So far, the testing methodologies of the work efficiency are not perfect, though international scholars have actively explored the energy methods for running efficiency early.
OBJECTIVE: To investigate the work efficiency of 400-meter running.
METHODS: Twelve male subjects (the first or second rank sprinter) volunteered to participate in this study, and they had no muscle damage, fractures and diseases of the circulatory and respiratory systems in the past 1 year. We recorded synchronously the related parameters using the high speed PULNIX CCD (TM6710) system, the portable CORTEX, Meta Max 3B and the self-made timepiece of measuring time in the level track. Energy expenditure was collected by the MetaMax 3B system. We calculated the work efficiency of 400-meter running using mathematics modeling and the statistical methods based on theoretical analyzing and collected datum-physiological and kinematic parameters.
RESULTS AND CONCLUSION: We obtained average velocity in the X axis [(7.00±0.23) m/s] and average displacement data in the Y axis [(10.0±1.70) cm] at the centre of the body mass. The time of movement was (57.20±1.84) seconds. The net energy consumption, the heat energy, the drag energy, the potential energy, the kinetic energy and the work efficiency were (301.2±29.3) kJ, (197.0±30.3) kJ, (5.3±0.6) kJ, (3.7±0.7) kJ, (95.2±10.9) kJ, (35.0±4.3)%, respectively. In the average speed of (7.00±0.23) m/s, it was concluded that the average work efficiency (external work efficiency) was 35% during 400-meter running in the level track. It is a viable method that combines the energy balance theory model with the means of biomechanics to measure the work efficiency of human body during exercise.

Key words: tissue construction, tissue construction and biomechanics, sports medicine, 400-meter running, work efficiency, energy method, mathematics modeling, energy consumption, velocity, other grants-supported paper

中图分类号:

R318

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图/表（结果） 7

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引言

测量行走的能量消耗是评价个人行走机能的有效方法^[1]。国际上很早就应用能量法对人体跑步机械效率有过积极的探索。Cavagna等^[2]通过加速度计，计算了跑速在3.1-5.6 m/s的机械效率在40%-50%。Hill^[3]根据力-速度关系得出中等速度下肌肉的“原始效率(initial efficiency)”为35%-40%。Lloyd^[4]根据能量代谢特征，得出世界短跑记录的跑步效率为50%。Pugh^[5]报道，根据人体空气动力学风洞实验，一个训练有素的运动员在跑步机上跑步，随着风力的增加，人体代谢率也增加，人体效率达到该实验之前所有试验报道的最高值69%。Lloyd等^[6]通过不同负荷跑步机上测试，测量人体代谢率，计算出人体的机械效率平均值为36.1%。Zacks^[7]、Asmussen等^[8]得出跑步中的人体的机械效率为39%-54%。严波涛等^[9]在实验室条件下根据人体运动能耗和效率的动作分解测量方法测得跑步的效率为22.8%。对于走步而言，Umberger^[10]认为人体腿部摆动期的能耗率还不确定，范围为10%-33%，主要是因为在运动中单个肌肉能量代谢无法测试，故其借用模型法进行了能量代谢研究，该方法可以实时测试整个步态周期内肌肉代谢率，得出双支撑时腿部能耗率为37%。Rubenson等^[11]等则利用三维关节机械测量技术和一个简化模型估计了肌肉弹性能和肌肉所做功和功率，认为鸵鸟的跑步和人类跑步的极为相像，跑步做功效率估计为35%。目前计算做功效率方法学上主要有两大类。一类是以Lloyd^[6]为代表，根据人体质心的动能、势能变量来计算人体做功效率；第二类是根据逆向动力学，应用关节力矩、肢体的正功、负功计算做功效率^[10]。Umberger等^[12]认为应用人体质心的动能、势能变量来计算人体做功效率时，将饱受一些痛苦的假设煎熬，因为有许多的不确定因素存在，认为根据逆向动力学，应用关节力矩、肢体的正功、负功计算做功效率更精确，计算得到的人体不同步频下走的做功效率最大值达到38%。然而，这种方法仍然存在问题，Sasaki等^[13]认为主要是主动肌和拮抗肌共激活做功无法合理估计。显见，目前做功效率测试的方法学并不完善。故实验利用生物力学手段，提出势能、动能单位时间能量转换假设，将Ward-Smith关于跑步的能量理论模型加以改进，试图对场地400 m跑的做功效率进行探索，以期为该项目训练提供理论指导，也希望为生物体运动中做功效率的探索、大众健身能耗监控提供方法参考。

材料方法

对象和方法
设计：典型样本分析。
时间及地点：于2006至2007年在西安体育学院进行实验测试，于2011至2012年在上海体育学院进行数据挖掘处理。
对象：从西安体育学院招募短跑运动员进行实验。
纳入标准：①短跑专项二级及以上男子运动员。②被试者均身体健康，无既往病史，在最近1年内无肌肉损伤、骨折及循环呼吸系统疾病。③了解实验过程后，自愿参加测试者。④实验前2 d无剧烈运动者。
排除标准：①非短跑专项运动员。②最近1周患有感冒等症状机能较差者。③心肺功能有过病史者。④最近1周内大量饮酒者。⑤实验前2 d虽无剧烈运动，但机体仍处于疲劳状态者。
实验纳入的短跑专项一级、二级男子运动员共12人，平均身高(178.00±4.00) cm，体质量(67.0±5.6) kg，年龄(21.00±0.65)岁，训练年限(3.75±1.40)年。
场地400 m跑测试使用的实验仪器：
Experimental instruments for a test of 400-meter running:

平面二维摄像观察场地400 m跑测试：2台高速摄像机平行放置，由同一个电脑控制同步拍摄，拍摄频率120帧/s，采用1/1 000 s的快门速度，以获得二维分析影像。2台摄像机的主光轴均与运动方向垂直，机高1.12 m，拍摄距离共计10 m；两机相距1.5m，主光轴夹角为0°。实验时，首先采用标尺(1 m)对二维坐标进行标定，并应用高速摄像机拍摄标尺。实验现场示意图见图1。
分段计时器和心肺功能遥测仪安放及要求：如图1所示，分段计时器放置时，距跑道最内侧线向外30 cm处用皮尺测量跑道距离，每隔10 m放置1对红外发射接收装置，接收管放在跑道最内侧线内缘，发射管放在距接收管 2 m远处，且使发射管和接收管的连线与跑的方向垂直，如此放置完毕后，连接相关装置，安装完毕，进行调试。便携式心肺功能遥测仪按照设备连接、大气压校准、气体校准、容量校准。进行气体校准时，所有人员不要在采样管周围走动，离开至少2 m远，保证周围气体相对恒定，连接和校准完毕进行调试；心肺遥测仪通过电脑实时记录心肺功能安静期、运动期、恢复期的摄氧量、心率等相关数据，要求队员在安静期、运动期和恢复期不能移动呼吸面罩，以防漏气。安静期测试完毕，运动员做热身活动，然后测试。每名运动员测试一次。运动员每阻断1次光点信号，分段计时器(100道-卡西欧秒表)记录一次时间，直到跑完，记录到40段时间。

能量平衡数学模型及效率计算公式：最初应用能量法分析人体运动的人是Lloyd，而Ward-Smith则是运用能量法的典范^[14-15]。Ward-Smith^[16]运用能量平衡方程研究世界优秀男子运动员径赛项目的计算结果与奥运会记录仅有1%的误差，最大误差也才只有1.5%。Ward-Smith^[17]又对能量平衡方程进行修正，建立的100 m跑能量平衡方程的数学模型更趋完善，认为该模型也适用于其他跑类项目。根据Ward-smith^[17]的能量平衡方程(1)式：

得到实验中能量平衡方程(2)式：

400 m跑人体运动能耗采集时间段分布如图2所示，安静期采集t₀=10或15 min能耗C〞，运动期、恢复期总时间t1采集总能耗C′(包含相同时间安静期能耗)。恢复期能耗采集结束时刻标准为运动员心率稳定在不超过安静心率±5%范围，即认为该心率出现时刻为恢复期结束时刻。那么，由于运动引起的净能耗C根据(6)式计算：

实验数据处理：①根据美国Ariel公司APAS图像解析系统自定义人体环节模型分为头，躯干，左右上臂、前臂、手、大腿、小腿、足共计14个环节，录像资料采用美国Ariel公司APAS图像解析系统进行剪片、打点、数据平滑处理，进行二维解析，应用直接线性变换计算人体环节坐标。选用Ariel软件系统中四阶巴特沃斯低通滤波数字滤波法对所有12人次的原始数据进行平滑(通过残差分析选择最佳截断频率为8)，最终得到12人有效的运动学数据：人体质心垂直方向起伏距离、水平方向速度等。②间接热量测定法(Indirect Calorimetry)被认为是精确性比较高的测试方法^[18]，常同双标水法(doubly labeled water，DLW)一起被称作人体能量消耗测试的金标准^[19]，故运用便携式心肺功能遥测仪测得相关数据，最终得到9人有效的生理能耗数据。③数据利用origin8软件进行计算处理，表示为x(_)±s，并获得图表。

讨论

Winter^[20]认为如果要选择生物力学中包含人体运动情况信息量最多的变量，不得不选择与热力学有关联的变量；在人体内，机械能产生的惟一源泉是肌肉，能量吸收的主要部分也是肌肉。而做功效率就是一个综合指标，其量化过程较方便，且对生物体(人体)无侵入性。Winter[^20]强调如果简单地认为效率是反映生物能转换为机械功多少的量度，而非神经系统控制能量转换的好坏量度，那么对效率的解释将是错误的。实际上，影响机械(做功)效率的因素有多种，主要有①肌肉的协同收缩耗能。②肌肉对抗地球引力的等长收缩耗能(生理能)，在目前，由于没有运惟一可能的技术是用肌电测量可反映出肌肉在活动，肯定有能量消耗。③某一关节能量的产生和另一关节能量的吸收：当一个肌肉群对某一关节做正功，而同时对另一关节做负功，目前对此知之甚少。这种现象的出现是肌肉协同发生的延续，很难在视觉上看到这种情况的出现。④僵硬的动作：有效的能量转换流畅动作具有的特征。⑤环境温度、湿度。⑥生物能的摄取。⑦生物体机能状态。

生物体(人体)走跑的机械效率计算需要我们对机械功进行测量。那么就有一个问题出现，机械功是否是能量代谢的主要决定因素。尽管Taylor等^[21-24]在实验室进行了一系列的研究，通过对于不同种类、体重的动物在不同运动速度下的能量代谢和机械功率的探索，得出了以下结论：在双足动物走跑运动中，机械功不是整个能量利用的主要决定因素。该结论也得到了文献^[25-26]支持。但是这些研究并没有陈述在肢体运动中机械功和能量关系，因为他们既没有将肢体摆动期和支持期的机械功分别计算，也没有计算肢体摆动期的能耗，而是将这些情况忽略不计。同时，这些研究的测试速度是在相对较低或中等强度下进行的。Rubenson等^[27-28]应用珍珠鸡(guinea fowl)作为模型，结合逆向动力学模型及通过血流变测量肌肉代谢能量，探索机械功是否是下肢摆动能耗的主要因素，他们得出珍珠鸡走跑时的肌肉机械功率分别为3%和17%。除了和Taylor等^[21-24]研究方法的不同外(如机械功是如何计算的等)，他们的研究数据以及前人的研究数据是一致的，即当输出功率较高时(跑相对于走)，下肢摆动的机械功是耗能的主要因素。而且Ferguson等^[29]和Gaesser等^[30]认为当人体运动中主要任务是产生机械功的时候，人体在相当宽广的运动频率范围内机械效率变化很少。

做功效率和速度关系如何？Asmussen等^[8]研究得出走步的效率为32%。Cavagna等^[31]在速度为3- 33 km/h测试中，计算中等速度下走的最大效率为35%-40%，跑步中随着速度增加，效率从45%，增加到70%-80%，效率随着跑速的增加而增加。走跑效率均高于以往估计化学能转化为机械功所计算的肌肉机械效率25%，且认为跑步的机械效率高于走步，效率的增加和速度呈线性关系。黄黎等^[32]指出效率与运动速度成指数关系变化。本次实验发现，应用不同的回归曲线时，指数关系残差(或离差)的加权平方和较小，非线性相关系数相对较高，支持了黄黎的观点。效率越高，说明神经控制肌肉的协调性增强，动作越流畅，无效耗能越少，也可以间接反映出身体机能状态的好坏；反之亦然。可见，做功效率是反映人体运动综合能力的良好指标。

在实验中，根据ward-smith公式结合假设，所计算的做功效率值和现存文献提供数据较一致。说明实验假设具有一定的合理性。实验中之所以进行分段，主要是考虑到在较小段内平均速度更接近瞬时速度值，单位时间动能、势能增量值较精确。

实验具有一定的局限。首先，应用190-200 m之间的人体质心垂直起伏的平均值代替整个400 m的垂直质心均值，数据有失精确性。因为在跑道直道、弯道跑动时，质心的垂直起伏距离有一定的区别。但考虑到总体势能变化的均值占总的能耗只有1.2%，所以为了研究的方便，采取了简化处理。其次，就本实验来说，并没有将人体的转动能、肢体相对运动的能耗、肌肉内机械功等因素考虑在内；再有，与非生命的机械相比，人体是生命体，人体重心无论是上升还是下降，肢体稳定均要消耗生理能，肌肉仍然在做功(生理功)；计算人体运动的动能时，仍完全按照计算刚体的机械能方法，因为人体并不是完全的刚体，只是简化为刚体，也有失精确性；加之人体环节间相互作用，肌肉间的摩擦、克服环节的惯性力做功等使得本次实验中人体运动对外做功值的计算可能偏小，从而做功效率值也可能偏小。由于本次测试样本量较少，做功效率与速度的回归方程的普适性也有一定的局限性，还有待于以后加大样本量做进一步研究。

综上可得出，在平均速度(7.00±0.23) m/s下，400 m跑做功效率(外功效率)的平均值为35%，人体运动中的净能耗大部分以热能的形式损耗。对于研究人体实际运动的做功效率，根据合理的假设，应用能量平衡理论模型结合运动生物力学手段，该方法具有一定的可行性。对于实践应用具有一定的借鉴作用。建议在以后的实验中继续完善本次实验假设，这一假设的深入研究对于我们揭示人体运动做功效率真实值将会有很大帮助。

基金资助：上海体育学院2011年研究生创新科研培育项目(yjscx201109)。
作者贡献：第一作者进行实验设计，实验实施为第一作者，资料收集为第一作者，第一作者成文，第二、三、四作者审校，第一、二作者对文章负责。
利益冲突：课题未涉及任何厂家及相关雇主或其他经济组织直接或间接的经济或利益的赞助。
伦理批准：参与者对实验过程完全知情同意，并签署“知情同意书”。
作者声明：文章为原创作品，数据准确，内容不涉及泄密，无一稿两投，无抄袭，无内容剽窃，无作者署名争议，无与他人课题以及专利技术的争执，内容真实，文责自负。