著地反彈跳的下肢肌肉工作特徵
1 林建志 2 陳重佑 * 1國立臺灣師範大學體育學系 2國立臺灣體育運動大學體育研究所 投稿日期:2015 年 12 月;通過日期:2016 年 03 月摘要
無論是跑步或下樓梯均有著地動作的出現,而簡單的著地動作需有人體骨骼結構支撐外,更有下肢 肌肉工作的相互配合,才得以有穩定與流暢的著地過程。而著地過程區分為著地前、著地瞬間與著 地後等三個階段,其下肢肌肉會分別執行肌肉預收縮、自我保護機制與牽張反射等肌肉工作特徵, 說明下肢肌肉工作對於著地動作扮演重要角色。本研究目的從探討牽張縮短循環的肌肉工作特徵, 剖析著地工作中各階段的肌肉工作特性,期望能增進運動科學研究人員對於下肢肌肉工作有更深層 的思維。 關鍵字:肌肉預收縮、牽張縮短循環、著地工作 壹、前言 各種不同運動項目中,經常包含有投、擲、跑與 跳等運動形式,為了發展出該運動項目所必備的基本 能力,其技術與力量是不可或缺的重要因素。而運動 中無論執行何種動作,除人體骨骼結構支撐外,更須 有強而有力的力量來源,因此,肌肉工作是肢體運動 產生力量最直接的來源之一。根據力量的產生可區分 為內力與外力,作用於人體 (或系統) 內部相互作用 的力量為內力 (internal force),而外力是經由外界環境 與物質對人體 (或系統) 產生的力量作用視為外力 (external force)。當人體欲達成運動任務的完成,需藉 由人體骨骼肌肉系統產生主動收縮,以及韌帶、肌腱、 周圍軟骨組織和關節摩擦力的被動作用外,有效運用 內力與外力的相互結合,提供人體在運動狀態下維持 流暢的肢體動作 (林政東,2010;Butler, Crowell, & Davis, 2003; Benjamin, Nick, Jennie, & Paul, 2012)。從日常生活或運動狀態中,下肢關節是反覆接觸 地面的重要部位,如下階梯或跑步均是著地後下蹲再 隨即推蹬的動作,此一連續過程稱為著地工作。所謂 的著地工作是人體由某高度落下後與地面接觸的過程, 以髖、膝與踝關節對於地面反作用力產生相互作用的 階段。以增強式訓練 (plyometric training) 的概念,常 利用著地工作特性來提升下肢爆發力最有效的方法, 有關增強式動作可分為原地跳 (jump)、直膝跳 (hop)、 彈跳 (bound)、著地 (landing) 與著地反彈跳 (bounce drop jump) 等,其中以著地反彈跳是增強式動作最主 要的訓練模式 (林政東、吳國暉,2010)。Keller, Lauber, Gehring, Leukel, 與 Taube (2014) 進一步指出著地反 彈跳動作的各階段,人體感覺運動系統會依外在環境 改變,適當調整下肢肌肉工作。因此,看似簡單的著 地動作可區分為著地前、著地瞬間、著地後力量吸收 與推蹬反跳等四個工作階段。而肌肉工作將在這四個 階 段 分 別 執 行 著 地 前 的 肌 肉 預 收 縮 (muscle pre-stretch)、著地瞬間的自我保護機制 (self-defense mechanics) 與 著 地 後下 蹲 反 跳 的牽 張 反 射 (stretch reflex) 等神經肌肉間 (inter) 或肌肉內 (intra) 的協 調作用,並配合下肢髖、膝與踝等三關節活動度來完 成著地動作 (Morgana, Felipe, Georgios, & Evangelos, 2014; Ruan & Li, 2010; Schmidtbleicher & Gollhofer, 1982)。
由此可知,簡單的著地工作卻存在著複雜的肌肉 工作形式,藉此避免過大的著地碰撞力量產生下肢傷 害風險,就 Nigg (2011) 研究發現著地過程下肢所需
承受的地面反作用力常是自身體重的數倍之多,如日 常生活的跑步運動為體重的 2 至 4 倍;競技運動的跳 高或助跑起跳碰撞力量則達體重的 10 至 12 倍。說明 著地工作除了外在的髖、膝與踝關節的結構支撐外, 內在的肌肉工作則顯得更重要。因此,本研究目的以 簡單的著地反彈跳動作探討各階段肌肉工作特徵,描 述著地階段的肌肉活化情形,希望能提供人體運動技 術的增進與保護注入一份新的思維。 貳、著地前的肌肉預收縮 人體下肢在進行跑步、跳躍或著地反彈跳的動作 型態中,其下肢的肌肉工作模式會先以小腿肌群為主, 因踝關節為接觸地面的第一關節部位,對於提供下肢 穩定與平衡能力具有重要影響 (Lee & Lin, 2007)。而 Devita 與 Skelly (1992) 研究更進一步指出下肢著地工 作的能量消耗以踝關節佔了約 44%為主要緩衝關節、 其次為膝關節 34%與髖關節 22%,說明越接近地面的 關節其所扮演的角色越重要。就著地前的肌肉活化階 段,係指下肢準備著地前,控制踝關節背屈與蹠屈肌 群會提早產生肌肉張力,作為緩衝地面反作用力所帶 來的影響,此肌肉工作現象稱為肌肉預收縮 (Komi, 1984)。過去多數研究探討肌肉離心收縮與向心收縮間 快 速 轉 換 的 牽 張 縮 短 循 環 作 用 (stretch-shortening-cycle, SSC) (Aboodarda et al., 2014; Kopper et al., 2014; Morgana et al., 2014; Ruan & Li, 2008),較少關心著地前騰空階段的肌肉工作意義為何。 而 Horita, Komi, Nicol, 與 Kyrolainen (2002) 認為肌 肉預收縮的意義為著地前產生肌肉活化收縮,藉此累 積適當的肌肉張力,其肌肉工作狀態如同等長收縮, 使肌肉在著地前的騰空階段維持較佳的準備狀態,提 供著地後肌肉牽拉效果與能量儲存釋放有更好的效益 (Ruan & Li, 2008),以因應著地瞬間的衝擊負荷 (Peng et al., 2011; Santelo et al., 2001)。就著地反彈跳動作型 態屬於預期性的著地動作,因此,著地前的肌肉活化 作用被視為動作控制的前饋機制 (feedforward),此機 制具有提供肢體動作因應運動狀態的即時改變,進一 步產生不同肌肉協調策略,如運動任務面臨不同的著 地高度、著地策略 (單腳、雙腳、急停跳)、著地界面 (硬地、沙地) 等條件,下肢肌肉會收縮產生力量立即 回饋瞬息萬變的運動情境 (Santelo, McDonagh, & Chalilis, 2001)。
研究指出在一般的著地反彈跳動作型態中,越靠 近地面的肌群會具有較高的肌肉預收縮能力 (Wolf,
Ammerman, & Jann, 1998),其中腓腸肌與比目魚肌就 是下肢著地前高度活化的肌群之一 (Mrdakovic, Ilic, Jankovic, Rajkovic, & Stefanvoic, 2008)。根據 Nyland, Klein, 與 Caborn (2013) 認為踝關節為著地過程第一 個接觸地面的關節部位,而腓腸肌為踝關節主要作用 肌群之一,因此,著地前後腓腸肌高度活化具有穩定 踝關節效果,作為因應著地碰撞的影響。此外,從肌 肉解剖與功能的觀點中,腓腸肌屬於雙關節作用肌具 有控制遠端踝關節到近端膝關節的肌肉動力鏈效果 (Nashner, 1997; Shultz et al., 2000),所以,當腓腸肌提 供踝關節穩定作用時,其效果將延伸至膝關節提供一 個穩定推蹬向上的肌肉效益,顯示腓腸肌的肌肉預收 縮作用在著地階段高度活化,對於著地策略具有非常 實質的穩定意義。而肌肉預收縮對於膝關節的作用效 果中,Kipp 等 (2014) 指出著地反彈跳動作的膝關節 股四頭肌與腿後肌,研究說明內側腿後肌主要作用於 著地前期,股內側肌則為著地後的緩衝作用肌。de Britto 等 (2014) 進一步研究不同高度著地的下肢肌 肉活化情形,當著地反彈跳高度增加,將大幅提升著 地後的股四頭肌活化,其作用具有提供膝關節有更好 的穩定效果,減少前十字韌帶的潛在傷害風險。有關 髖關節著地前的肌肉預收縮研究,Dalton 等 (2011) 指出髖關節臀中肌在著地前提早產生張力,具有提供 著地瞬間髖關節的內收與外展動作有更好的穩定效果, 說明著地前高度活化的臀中肌能有效緩衝著地衝擊與 姿勢晃動等不穩定因素。由此顯示著地前的肌肉活化 程度是可隨著運動任務改變作調整 (de Britto et al., 2014),而特殊的神經肌肉訓練包括著地反彈跳動作, 有助於提升著地階段的肌肉活化情形,幫助運動員有 更好的動作控制策略 (Zebis et al., 2008)。
肌肉預收縮的作用並非僅侷限於運動生物力學的 探討中,在動作控制與學習 (motor control and learning) 的範疇裡,動作準備 (motor preparation) 的概念則是 肌肉預收縮現象的外在描述。如日常生活或運動表現 上有許多動作執行均存在著動作準備歷程,此歷程的 重要性可提供肢體協調有更好的作用效果 (張哲千、 王駿濠、阮啟弘,2014;Rolke & Hofmann, 2007)。因 較好的動作準備歷程,除可提升動作反應的知覺與效 率外,更可降低動作過程所需耗費的力量 (Mattes & Ulrich, 1997)。研究指出運動競賽過程是需具備高度的 專注力,如桌球比賽的殺球速度的瞬時時速達150公里, 所以,如沒有充分的動作準備歷程則無法快速的進行 防守與攻擊反應 (Bootsma & van Wieringen, 1990)。此
概念如同著地動作前的肌肉活化累積適當張力,作為 即時因應運動任務的改變。再者,肌肉預收縮的特徵 亦會出現於上肢動作中,以棒球投手準備將球投進捕 手手套時,此階段捕手上肢的外在動作特徵為胸前預 備動作,而手臂的肌肉內協調機制已維持一定張力, 作為動作執行前的準備工作。綜合以上論述,運動生 物力學所探究的肌肉預收縮概念如同運動行為學 (motor behavior) 領域的準備歷程,其主要差別在於運 動生物力學主要描述肌肉預收縮屬於神經肌肉的協調 機制,而運動行為學則探究外在動作下的實際情境 (Mrdakovic, Ilic, Jankovic, Rajkovic, & Stefanvoic, 2008; Ruan & Li, 2008)。從不同的角度描述同一個觀點,藉 此讓肌肉預收縮有更多不同的面貌與詮釋,提供肌肉 預收縮概念能延伸出更多可深入探討的思維。 參、著地瞬間的自我保護機制特徵
理想的關節活動度能有效吸收外部環境所產生的 力量負荷,當關節活動範圍達到極限時,則須依靠骨 骼肌肉系統的工作效益加以輔助 (DeVita & Skelly, 1992)。因此,著地過程的關節穩定能力是需透過被動 組織 (關節囊與關節韌帶) 與主動組織 (肌肉與本體 感覺) 的維持與作用而來 (Pozzi, Moffat, & Gutierrez, 2015)。Denyer, Hewitt, 與 Mitchell (2013) 進一步指出 人體神經肌肉系統在動態運動中扮演重要角色,因關 節 周 邊 的 肌 肉 工 作 效 益 具 有 防 衛 機 制 (defense mechanism) 存在。關於著地動作中肌肉所產生的防衛 機制,經常以關節周邊肌肉高度活化形成適當的肌肉 勁度 (stiffness) 作為關節穩定的效果。而本文提及的 增強式訓練是利用著地反彈跳的高度,改變外在環境 使動作執行有更快速的效果,以促進肌肉牽張縮短循 環效益的最大化,是短時間改善下肢肌肉力量與提升 爆發力最快的方法之一 (Arazi, Mohammadi, & Asadi, 2014)。研究指出增強式動作的作用時間越短爆發力則 越大,但對肌肉工作而言,作用時間越短動作負荷越 高,肌肉可能會引發神經肌肉內協調的抑制反應 (inhibitory effect) (Bosco et al., 1982; Komi, 1986; Ruan & Li, 2008; Voigt, Simonsen, Dyhre-Poulsen, & Klausen, 1995),進而在著地瞬間出現自我保護機制特徵。
過去研究探討著地反彈跳動作觀察下肢肌肉活化 特徵,發現神經肌肉系統可通過視覺調節感覺系統連 結牽張負荷大小,引發下肢肌肉在著地前出現預收縮 現象,並在一定範圍內隨著高度越高負荷越大牽張收 縮強度則越強 (Schmidtbleicher & Gollhofer, 1982)。因
此,當高度越高或牽張負荷越強,在著地階段對下肢 神經肌肉的影響越大,則容易出現神經肌肉系統受到 動作負荷的影響產生抑制現象,使自我保護機制出現。 有關自我保護機制特徵的肌肉工作特性,為著地前後 階段肌肉活化將瞬間降低,促使肌肉以較為柔軟 (soft) 不僵硬 (stiff) 的肌肉勁度進行著地動作,以降低著地 瞬間的碰撞影響。研究指出著地反彈跳動作,從適當 的高度落下可增強肌梭的伸張反射刺激,但高度過高 將導致伸張反射刺激過大,此時肌肉系統的高爾基腱 發揮保護作用,以降低肌肉參與動作的力量,能有效 避免下肢關節的碰撞傷害 (王令儀等,2012;林正常、 黃勝裕、陳重佑,1999;Komi & Gollhofer, 1997)。而 Ruan 與 Li (2010) 亦認為較高的著地反彈跳高度,容 易促使肌肉牽張負荷過大,進而產生神經肌肉內的抑 制現象,作為防止肌肉與肌腱韌帶等骨骼肌肉系統受 到傷害的保護策略 (Komi & Gollhofer, 1997)。
就著地反彈跳動作而言,是處於極短的作用時間 內,神經肌肉就存在著特殊的肌肉內協調機制,因著 地反彈跳動作出現過大的肌肉牽張負荷,將引發神經 肌肉的抑制,意指著地反彈跳高度過高,肌肉便會喪 失牽張反射的調節能力,導致著地瞬間肌肉收縮強度 下降引起阻滯現象,形成自我保護機制特徵。此機制 的作用意義為避免著地前肌肉預收縮產生過高的肌肉 張力,導致著地瞬間離心收縮時的外在負荷過高,可 能發生下肢伸肌部分撕裂,進而在著地階段瞬間降低 肌肉活化,這些肌肉抑制效應與激發現象,就是肌肉 內 的 協 調 (intramuscular coordination) 工 作 特 徵 (Denyer et al., 2013; Gollhofer, & Schmidtbleicher, 1988; Schmidtbleicher & Buehrle, 1987)。此概念最早源自於 德國科學家 Schmidtbleicher 與 Buehrle (1987),但僅 以肌肉工作的質性觀點描述此特徵的作用與影響,後 續未有相關研究持續以此議題進行深入的探討。因此, 下肢肌肉在著地瞬間具有特殊的自我保護機制特徵並 未受到重視,本文希望藉由簡單的著地反彈跳動作重 新描述有關自我保護機制的作用機制,裨益珍貴知識 訊息的傳播。 肆、複合性的牽張縮短循環肌肉工作 肌肉工作可以產生力量作用,其工作的形式包括 肌肉在用力情況下長度不變的等長工作 (isometric)、 用力情況下肌肉被拉長的離心工作 (eccentric)、用力 情況下肌肉縮短的向心工作 (concentric),以及離心收 縮與向心收縮相互作用的 SSC 肌肉工作模式。在不同
的肌肉工作形式有其特殊意義,但最終目的是讓人體 有更好的運動表現。研究指出肌肉作用效果能有效提 升跳躍能力,其主要因素為肌肉工作形式的差異,比 較不同跳躍動作表現結果,以著地反彈跳 (drop jump, DJ) 屬於快速 SSC 作用,具有最佳的跳躍表現,其次 為慢速 SSC 的下蹲反跳 (counter-movement jump, CMJ),最後為單純執行向心工作的蹲踞跳 (squat jump, SJ) (Jacob et al., 2010)。說明不同肌肉工作形式應用於 不同動作需求,其產生的工作效益也有所差別,從現 實的運動狀態下,肌肉工作很少進行單一或獨立作用 的工作模式,因肌肉工作經常伴隨著相互作用的方式, 以獲取最佳的運動表現。 著 地 反 彈 跳 動 作 屬 於 典 型 的 反 射 性 運 動 (reaction movement),因著地後立即執行反向垂直跳動 作,此動作機制在著地後的下蹲階段,主要為股四頭 肌被牽拉產生離心工作,至準備蹬伸階段轉換為向心 工作,而此作用機制對於運動表現的影響在於動作控 制 (motor control) 與動作學習 (motor learning) 所產 生的複合性肌肉工作效益 (Keller et al., 2014)。對於複 合性的肌肉工作影響,則有牽張速度 (stretch velocity) 越快、延遲時間越短,則越能有效率的運用神經肌肉 協調作用 (Lin, 2008)。而牽張反射在牽張縮短循環的 肌肉工作扮演重要角色,因牽張反射須有效的運用與 結合本體感受器 (proprioceptors),包括肌梭 (muscle spindle) 與高爾肌腱器 (Golgi tendon organ) 等神經 肌肉支配作用效果,才能有較佳的肌肉工作表現。由 於肌梭作用為肌肉長度增加時會產生保護性的反射動 作 (抑制牽拉),或者肌肉張力過高時高爾肌腱器產生 抑制拮抗肌牽拉,使肌肉放鬆免於受傷的可能性 (盧 英治,2000)。因此,如能有效率的運用肌肉主動收縮, 再加上肌肉與肌腱間的周邊組織被牽拉後所產生的被 動 力 量 效 果 , 則 能 促 使 運 動 表 現 有 更 好 的 提 升 (Aboodarda et al., 2014)。 綜合上述可知,就各種肌力產生的方式而言,牽 張縮短循環為最有效率的肌肉工作型態,Baechle 與 Earle (2000) 認為一個有效率的牽張縮短循環需滿足 三個工作階段,分別為離心期 (eccentric phase)、償還 期 (amortization) 與向心期 (concentric phase)。離心 期是著地後的下蹲階段,肌肉被動拉長產生離心收縮, 而 Kopper, Csende, Trzaskoma, 與 Tihanyi (2014) 指 出欲產生強而有力的向心收縮,需在離心階段盡可能 快速伸展,引發肌梭所作用的反射性收縮動作,所以, 離心期以快速且短暫的肌肉收縮達到最佳的工作狀態 (Aboodarda et al., 2014);償還期係指離心收縮結束準 備進入向心收縮的開始,動作型態為肢體克服著地瞬 間的地面反作用力,至準備推蹬向上階段,此階段所 作用的時間稱為偶聯時間 (coupling time),而偶聯時 間越短,則越能有效將離心收縮的工作效益連結至下 個階段;向心期為下肢開始蹬伸向上階段,通過肌肉 主動向心收縮,使牽拉效果與能量儲存釋放產生爆發 性的肌肉力量,促使運動表現能力提升 (周德倫,2007; Aboodarda et al., 2014; Bosco et al., 1982; Ruan & Li, 2008)。此肌肉工作模式在許多體育活動的基本運動技 能都可看到,顯示牽張縮短循環為人體肌肉工作中最 重要的一環。 伍、結語 本研究以著地反彈跳的動作特性切入牽張縮短循 環效應,藉此描述著地階段肌肉工作特徵,剖析各階 段的肌肉工作意義。說明人體從特定高處落下時,著 地前的肌肉預收縮會累積適當的肌肉張力,維持肌肉 最佳的收縮狀態,作為下肢著地前的準備工作;著地 瞬間的自我保護機制,其意義為著地瞬間為了避免過 高的肌肉勁度,進而瞬間降低肌肉活化以調整適當的 肌肉勁度,藉此保護下肢肌肉免於著地碰撞的影響, 並提供下蹲反跳的接續性動作能有更好的工作效益。 由此可知,了解牽張縮短循環的肌肉工作模式,有助 於人體運動技術的增進與保護,以利運動技術或肌力 訓練有更好的發展。 陸、參考文獻 王令儀、廖偉任、許年瑩、林珈豪 (2012)。單、雙腳 高台著地反彈跳之動力學特性分析。華人運動生 物力學,7,75-78。 周德倫 (2007)。排球彈跳能力特徵及其訓練原則探析。 運動教練科學,9,113-123。 林正常、黃勝裕、陳重佑 (1999)。蹲踞跳與下蹲跳之 垂直跳躍指標與等速肌力相關之探討。體育學報, 27,91-98 林政東 (2010)。肌力訓練法-肌力訓練的迷思。運動教 練科學,17,1-16。 林政東、吳國暉 (2010) 臺灣運動員不同強度深跳動 作的表現之分析。運動教練科學,18,47-58。 張哲千、王駿濠、阮啟弘 (2014)。健身運動對動作準 備歷程的影響。中華體育季刊,28(1),53-62。doi: 10.5297/ser.1201.002
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The characteristics of muscle actions during bounce drop jump
1Jian-Zhi Lin 2Chung-Yu Chen1 Department of Physical Education, National Taiwan Normal University
2
Graduate School of Physical Education, National Taiwan University of Sport
Accepted:2016/3