力量和爆发力适应向运动表现的迁移-水平和垂直力的产生

摘要：水平推力的训练是许多运动项目中不容易去模拟的一个方向，传统的基于健身房的抗阻训练方法主要是在垂直方向上作用于腿部的肌组织。鉴于大多数运动都涉及到垂直力和水平力的综合作用，如果同时使用涉及垂直力和水平力产生的练习，那么基于健身房力量训练的获取对运动表现的迁移可能会得到改善。

关键词：力量；功率；垂直；水平；GRF；速度

介绍

在大多数团队运动中，短距离的跑速是取得成功的重要因素。速度是步长和步频的乘积，要提高速度，至少必须增加其中一个指标（如果不是两者都增加的话）。从图中所示的准确性模型可以看出，步长和步频都是力的大小和持续时间的乘积。也就是说，与提高速度相关的基本因素是力的施加和作用的时间。

从模型中看不到的最重要是的力的作用方向。那么施加水平力还是垂直力对提高速度更重要呢？

在不同文献中，对于其中每一个因素在影响冲刺能力的重要性上有不同的观点。当需要考虑额外的运动特定因素时，例如在橄榄球对抗状况中遇到的因素时，这个问题就变得更加模糊。因此，在诸如橄榄球这样的运动环境中，哪个分力对提高速度的影响更为重要，还不完全清楚。

这项运动的速度要求也需要考虑，比如运动员通常需要跑动较短的距离或较短的持续时间。在平均冲刺距离为10到30米的运动中，在最短时间内达到最大速度的能力似乎比最大速度本身更重要。也就是说，对于许多运动员来说，加速能力比最大速度能力更重要。这就引出了这样一个问题：在考虑最大速度和最大加速度时，是否存在不同的施力方向要求。

该文献综述通过（a）查阅水平力产生及其对速度和加速度的影响的文献，（b）查阅关于垂直力产生及其对速度和加速度的影响的文献，以及（c）提出未来的研究方向进行论述。

水平与垂直力生产

速度的决定因素

速度是步速（步频）与步长的乘积，为了增加速度，这些参数中至少有一个（如果不是两个）必须增加，而另一个参数没有成比例地相似或更大的减少。

如果速度只是跑步者步频和长度的乘积（图），那么只要增加步频，就有可能获得更快的最高跑速。Weyand等人报告说，在水平跑台的最大速度下，最大速度为11.1m/s的跑者的步频是6.2m/s的跑者的1.16倍（1.8倍差异倍数）（r²=0.30）。然而，当相同的研究者调查了在-6°倾斜的跑台上的最大速度的个体差异时，尽最达到最大速度（9.96±0.30m/s相对7.10±0.31 m/s），步频没有显著差异（4.38±0.08步相对4.34±0.08步）。Hunter等人的报道称，步频与短跑速度无显著相关性（r=20.14），Brughelli等的报道称，最大跑速和步频之间的相关性很小（r=0.02）。Heglund和Taylor认为，在不同速度下的步频范围往往很小；然而，这些结果是基于动物研究的结果——四足动物的研究，体型从老鼠到马不等。

步频直接受步幅时间的影响，而步幅时间又受摆动时间或腾空时间、触地时间或驻足时间的影响。那么就是：

步频=1/（腾空时间+站立时间）变化

给定的摆动时间占了大部分最大速度下总步幅时间（最大速度为6.2m/s至11.1m/s时，约占步幅时间的75%），最大速度与最大步频之间相对较弱的关系，可能是不同最大速度的跑步者在相似的时期内重置腿的位置的结果。也就是说，最小摆动时间之间的相似性使得最大步频的可能变化范围得到最小化。Weyand等人提出的回归关系表明，在水平跑台跑步期间，对于最大速度为11.1m/s和6.2m/s的跑步者来说，最小腿摆时间仅缩短8%（0.03秒）（r²=0.06）。相比之下，在斜坡跑步期间，在较低速度下的摆动时间实际上比更快速的斜坡跑步时间短8%（分别为0.331±0.005秒和0.359±0.004秒）。然而，这种差异是由于运动表面的倾斜而不是速度的差异而造成的肢体弧线运动中断。

如果快跑和慢跑以及快跑和慢跑速度确实都有相似的摆动时间，那么快跑者和慢跑者之间最大步频的差异可能是由于快跑者和速度较快者的步幅接触部分较短而造成的。Brughelli等人报道了最大跑速和触地时间之间的低相关性（r=0.14）；然而，这与其他研究相反。Nummella等人报道了最大跑速与地面接触次数呈显著负相关（r=20.52）。为了支持这一发现，Weyand等人观察到的最大速度下的触地时间与慢速斜坡跑相比，更快速度的斜坡跑的时间显著缩短（分别为0.098±0.003秒和0.130±0.004秒）。

Kyrolaïnen等人指出，随着跑速从3.45m/s增加到8.25m/s，触地时间从0.227±0.011秒缩短至0.115±0.007秒。Munro等人还报告了随着跑速的增加，触地时间在减少。（在3m/s速度下的0.27±0.020秒和5m/s速度下的0.199±0.013秒。）似乎由于步频的增加，速度的增加可能归因于运动员与地面接触时间的减少。

如前所述，如果速度仅仅是跑步者步频和步长的乘积（图表），那么通过增加步长也可以获得更快的最高跑速。Weyand等人报道说，在水平跑台上跑步时，最大速度下的步幅是最大速度11.1m/s和6.2m/s的跑步者的1.69倍（4.9米相比2.9米）s21（r²=0.78）。也有报道说，在下斜坡跑最大速度跑的步长（4.6±0.14 m在9.96±0.30 m/s时）显著大于上斜坡跑的最大速度（3.3±0.10 m在7.10±0.31 m/s）。这与其他研究人员一致，他们报道的最大跑速和步长之间的显著相关性（分别为r=0.66和r=0.73）。

步幅长度是离地、腾空和着陆距离的总和。然而，Weyand等人报告说，触地长度在快速跑者和慢速跑者之间没有差异，回归方程表明，对于最大速度为11.1m/s和6.2m/s的跑者，触地长度仅为1.10倍（r²=0.30）。此外，当这些结果在男性和女性群体中进行分析时，据报道，触地长度与最大速度的关系很小或根本没有变化。Nummella等人报道称，步幅的增加与垂直力（r=0.58）和水平推力（r=0.73）的增加有关，这表明步幅的增加是通过增加垂直和水平地面反作用力（GRF）来实现的。这些结果表明，跑步者获得更大步幅的主要机制是通过更多地应用GRF。也就是说，步幅长度由脚-地接触时施加的力与所施加力的持续时间的乘积决定。

看来，速度的主要决定因素是施加在地面上的力和脚与地面接触的时间。也就是说，要达到更高的速度，需要在较短的接触时间内施加更大的支撑力。GRF可分为3个部分；然而，通常水平（前后）和垂直部分是最重要的。Mero和Komi已经证明了当与体重相关时，跑速和平均合力（垂直和水平）之间的关系（r=0.65），但是关于各种GRF成分对短跑成绩的相对重要性有许多假设。已经表明，更快的跑速与增加的垂直力产生有关，尽管也显示了与水平力产生的关系。本节探讨了这两个组成部分之间的关系，并提出了该领域未来的研究方向。

垂直力的产生

理论上认为，在匀速跑时没有或很少有水平阻力需要克服，在离地前增加身体向前速度的推力只是抵消了着陆时降低身体速度的制动力。此外，由于需要克服重力，跑步需要垂直分力的协助；因此，施加更大的力作用于反重力可以提高离地的垂直速度，进而转化为提高跑速。

Weyand等人报告说，增加垂直力的产生是跑步者获得更快最高速度的主要机制。回归方程表明，在最高速度下，速度较快的跑者用于对抗重力的力与质量之比是慢跑步者的1.26倍（r²=0.39）。此外，当比较同一受试者在不同速度下的垂直力时，在下坡跑时达到的更快的最高速度和较慢的上坡跑时的最高速度之间存在显著差异（分别为2.30±0.06和1.766±0.04体重（BW））。Munro等人报告说，随着跑速从3m/s增加到5m/s，峰值垂直GRF（相对于体重）从1.40±0.11增加到1.70±0.08 BW。Nigg等人也报道了类似的发现，垂直力随着速度从3米增加到6米而显著增加（分别为1331 ± 225至2170± 489 N）。使用受试者报告的平均体重，这些值分别等于1.9和3.0BW的估计值。同样，Kyrolaïnen等人展示了当速度从3.45m/s增加到8.25m/s时，GRF发生了变化。最大垂直力值从1665±219增加到2134±226 N。由于没有按照性别来报告结果，因此无法计算相对值。Arampatzis等人还报告了最大垂直GRF（N/KG）在2.5m/s和6.5m/s之间的增加，尽管没有给出数值。这些发现支持了通过增加垂直GRF来提高跑速的理论。

水平力的产生

与上述情况相反，有人认为最大速度冲刺的关键因素是在于增加水平推力。为了保持速度，水平推力必须等于制动力；但是，为了提高速度，推力必须大于制动力，说明水平推力对速度发展和加速起着重要作用。

利用多元线性回归，Hunter等人发现相对推力冲量解释了57%（r²=0.57）的短跑速度的变化，而相对垂直冲量不能进一步解释短跑速度的任何变化。这些发现得到了Nummella等人的支持，Nummella等人还报告了推进阶段的最大跑速与质量比水平力之间的显著相关性（r=0.66）。再次强调，力与质量之比与最大跑速无关。Munro等人报道，当速度从3.0 m/s增加到5.0m/s时，按体重标准化的推进冲量从0.14±0.01增加了79%到0.25±0.2 BWI。在相同的速度范围内，垂直GRF只增加了21%。Kyrolaïnen等人也证明了GRF随速度的增加而变化。速度从3.45m/s增加到8.25m/s，水平方向上的最大力从235±42N增加到675±173N，而垂直力只增加了30%。如前所述，由于结果不按性别分开，不可能估计相对值。Brughelli等人也报告了水平力的增加。当跑速从最大值的40%增加到100%时，相对水平力从0.21±0.02N/KG增加到0.43±0.06N/KG，增加了105%，而垂直力只增加了18%。这些发现似乎表明，水平力的产生比垂直力的产生更重要，因为它可以提高跑速。

值得注意的是，各种研究所使用的方法不同。使用有动力和无动力跑台的研究结果与地面跑步的结果一起呈现。虽然还不完全确定，但是在跑台上以一种恒定速度跑是一种准确可以推断出地面跑的原因和效果的方法。更有趣的可能是Weyand等人提出以下结论：当只测量垂直分力的产生时，垂直分力产生的增加是跑步者获得更快最高速度的主要机制。Arampatzis以及Nigg等人的指出：垂直分力随着速度的增加而显著增加。在测量垂直分力和水平分力的研究中，Kyroïnen等人以及Munro等人指出：随着速度的增加，这两种成分都会增加，而Hunter等人还有Nummela at al.指出，速度增加只与水平力有显著关系。

垂直分力对比水平分力

当比较垂直分力和水平分力时，很明显垂直分力的大小是两者中较大的。Munro等人报告说在3.0m/s到5.0 m/s的速度下，峰值垂直GRF通常是峰值水平力的5-10倍。在3.0m/s和5.0m/s时，水平推力冲量分别为垂直平均GRF的10%和15%。根据Kyroïlanetal的报道指出，在3.45m/s和8.25m/s，垂直GRF的水平分力分别为14%和32%。Brughelli等人也支持这种明显的巨大差异，他指出，在最大速度的40%、65%和100%时，相对水平分力分别为相对垂直力的9%、12%和18%，这可归因于垂直加速度，即9.81米/秒-²。

虽然垂直分力和水平分力之间确实存在差异，但这种差异的大小似乎随着速度的增加而减小。如果GRF的水平分力表示为垂直分力的百分比，那么报告中的百分比的增加意味着水平分力的比例增加大于垂直分力。在Munro等人的研究中，随着速度的增加，GRF水平分力的百分比贡献明显增加，在3.0m/s时为10%增加到在5.0m/s的15%；Kyrolaïnen等人指出，3.45m/s处为14%增加到在8.25 m/s处的32%；还有Brughelli等人指出最大速度40%时为11%增加到最大速度100%时的19%。

除了GRF的两个主要分量的不均匀增加外，垂直分力随速度的增加也可能不是线性的。尽管Munro等人以及Nigg等人结果表明，在3～6m/s范围内，垂直GRF的增加与速度的增加呈线性关系，还有Keller等人注意到类似的线性关系增加到3.5m/s；据报道，在这些速度之上时这种关系是非线性的，而且在某些情况下，垂直分力没有进一步增加。Brughelli等人指出，当跑速从最大速度的40%增加到65%时，相对水平分力增加了38%（0.21±0.02到0.29±0.03N/KG），相对垂直力增加了17%（1.98±0.23到2.31±0.18N/KG）。然而，当跑速从65%增加到100%时，相对水平分力又增加了48%（0.29±0.03～0.43±0.06N/KG），而相对垂直力保持相对恒定，仅增加1%（2.31±0.18～2.33±0.30N/KG）。这些发现与Nummella的研究结果相似，他们还指出，相对垂直分力在大约65%的最大速度后保持不变。我们发现，垂直力随着速度的增加而增加，直到速度达到7m/s；此后，速度增加，但垂直分力不再增加。如前所述，Keller等人指出在在低速时相对垂直分力的线性增加（1.5m/s时为1.23±0.10BW）；然而，当速度从3.5m/s增加到6m/s时，相对垂直分力没有显著增加（分别为2.45±0.28～2.38±0.28BW）。此外，在8.0m/s的最高速度下观察到相对垂直分力下降（1.89±0.49BW），尽管这仅代表了1名受试者在这种高速情况下进行的3次试验的数值。有趣的是亨特等人的发现：相对垂直冲量和短跑速度之间的关系显示出非线性的迹象。然而，在这种情况下，结果表明在一定的较高的速度水平之后，相对垂直冲量的增加再多都不对应于冲刺速度的增加。虽然这些结果仅以图形的方式报告，但它们似乎表明，对于垂直力的产生，可能存在天花板效应——即速度超过某一点，不再通过增加垂直GRF而增加其数值。

结果表明，要达到更快的最大跑速，垂直和水平GRF都需要增加。虽然垂直分量在2个GRFs中较大，但随着速度朝着最大值的增加，跑速对水平分力的依赖性大于垂直分力。这是显而易见的，因为在较高的速度下，垂直分力和跑速之间没有观察到线性关系。水平分量的意义似乎是合乎逻辑的，因为不能通过增加垂直力来提高水平速度，但跑步的加减速主要是通过改变水平力产生的。下一节讨论垂直和水平分力产生对加速度的贡献。

加速度

虽然速度在大多数运动情况下都很重要，但加速是当在短距离以最大努力时相对更重要。因此，在最短时间内达到最大速度的能力比最大速度本身更重要。也就是说，在观察许多运动项目的要求时，加速能力成为一个重要的焦点。

如前所述，关于不同GRF分量对冲刺的相对重要性有许多假设。速度-时间曲线可分为3个阶段，加速、匀速和减速，其中许多假设往往最适用于短跑的匀速阶段有人认为，在匀速跑过程中，在离地前增加机体前进速度的推力只是抵消了着陆时降低机体速度的制动力。相反，加速度是通过改变水平力来实现的，使得推力大于制动力。这就引出了一个问题，即在考虑峰值速度和峰值加速度时，是否存在不同的方向要求。

在研究垂直和水平GRF特征时，Mero将短跑的加速阶段（速度=4.65m/s）与先前研究最大短跑（速度=9.85m/s）的加速阶段进行了比较，各自的平均垂直力相等（分别为431±100N和563N），而在短跑加速阶段产生的水平力比匀速最大冲刺时产生的水平力大46N（分别为526±75N和360±42N）。值得注意的是，Mero等人测试的平均垂直力的值（1286±61N）包括了体重减去受试者平均体重（73.7 kg）进行估算。

Mero指出，在4.65m/s处获得的加速度期间的垂直和水平值可以用平均体重来表示，并与Munro等人报告——以相应的速度4.5m/s和4.75m/s的标准进行比较。同样可以看出（图表），在可比较的速度下，加速和匀速时各自的相对垂直力相等，而加速时的水平力大于匀速时记录的水平力。这些结果表明，与匀速跑时相比，加速时更强调水平力。

Hunter等人指出，简单回归和多元回归结果都显示出速度较快的运动员，有相对更大的倾向去产生更大幅度的相对推力冲量（r²=0.57）。有人认为，运动员有能力产生更高的水平推力，在每个阶段将经历更大的水平速度的增加，从而更快加速。这一发现与Mero和Komi的研究结果一致，他们指出推进过程中的平均合力GRF与35-m和45-m之间短跑速度之间的正相关（r=0.84），Mero的研究结果指出，推进阶段水平力的产生与跑速之间的高度相关性（r=0.69）。这些结果进一步强调了推进阶段在短跑加速阶段的重要性。

Hunter等人这表明高垂直分量GRF，以及因此而产生的的高垂直分量离地速度速度对步长有积极影响，但也步长有负面影响。此外，有证据表明步幅长度和步频之间有很强的负相关（r=-0.78）。也就是说，那些步频高的运动员往往步幅较短，反之亦然。人们认为，通过较低的垂直分量GRF与更短腾空时间、更高频的触地，更有利于加速。如果在加速过程中腾空时间增加，这是由一个较大的相对垂直GRF决定的，这将相应地减少触地时间百分比。考虑到运动员只能在与触地时影响他们的冲刺速度，这将是一个不利因素。也就是说，垂直GRF最重要的是创造一个腾空时间只够下肢运动周期重置的时间。如果运动员能够快速地重置四肢，那么一个较低的相对垂直GRF就足够了，所有其他的力量储备都应该施加在水平分力上。只有当运动员不能达到或保持较高的步频时，例如疲劳时，更大的相对垂直GRF才变得更重要。

因此，在冲刺的加速阶段，需要更大的水平推力来实现更大的加速度。最后，建议将大部分训练精力集中在产生高的水平GRF上，而不是垂直GRF上。

结论/未来研究方向

一般认为，最大跑速需要更大的力产生。因此，力量训练和功率训练方法几乎是普遍提倡的一种训练手段，以提高跑速。因此，强度、功率和速度之间的关系在试图确定提高跑步表现的可能机制方面具有相当重要的意义。

人们还普遍认为，一种运动训练对一项竞技运动的具体化程度越高，训练效果对其成绩的转化影响就越大，因此，需要在水平面上施加力量的运动员，他们进行的也是在水平分量上的训练，而要求在运动中施加垂直方向的力量的运动员，他们进行的也是在垂直分量上的训练。鉴于各种训练方案通常用于提高肌力的输出，最终目标是提高冲刺成绩，因此，我们可以直观的看出，应该将重点放在增强力量上——这也是提高速度最重要的方面。

从文献中可以看出，虽然力的产生在垂直面和水平面都是必要的，但当加速到最大速度时，水平力的增加是最大的。当考虑到橄榄球、联赛或美式足球的要求时，这一点变得更加重要。也就是说，需要在短距离内快速加速，此时水平推力的增加是必不可少的，并且需要克服巨大的水平阻力，这种阻力来自于对方球员的接触。因此，在设计这类运动的力量和爆发力训练计划时，使用特定动作的训练方法似乎是至关重要的。

目前，大多数在健身房的抗阻训练项目主要集中在锻炼腿部肌组织的垂直面上。有人认为，如果某运动同时涉及垂直力和水平力产生，那么基于健身房训练的力量增长的迁移可能会得到改善。也就是说，如果成功的运动表现需要水平面上的力、速度和功率，那么如果阻力训练计划的设计在侧重于水平运动的特定练习以及传统的垂直练习，进步就会实现。然而到目前为止，以健身房训练为基础的具有水平分量的下半身抗阻训练项目的有效性尚未得到研究。

【更多阅读】

力量训练方法的多样性：一种理论方法

爆发力训练原则

力量和爆发力的性别差异：混合模式训练法在力量和爆发力训练计划中的应用