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13—1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13—1）。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