位移和速率

理解内部系统（横桥、肌小节、肌肉纤维以及整块肌肉）的位移，是如何转化为肢体位移和速率的外部形式，并表现为外部物体或者整个身体的位移和速率［图1.1（c）、图1.1（d）和图1.1（e）］，对于理解爆发力来说非常重要。从内部角度而言，肌球蛋白的构型改变可能是由于某个定点出现约70度的杠杆旋转 ^［14］ 。这就是我们所熟知的冲量、力以及位移之间的关系 ^［82］ 。根据报道，单个横桥相互作用的实际位移大约为5.3纳米 ^［53］ 。在肌肉收缩时，数以百万计的横桥相互作用，转化成为肌小节的长度变化，随后导致整块肌肉长度的变化。

肌小节被认为是骨骼肌中最小的功能单位，通常被看作是研究肌肉中力-长度变化关系的起点 ^［75］ 。肌小节的静息长度为2～3微米，可以缩短至1～1.5微米，亦可伸长至3.5～4微米。肌小节是串联起来的，因此，整块肌肉的缩短可能是所有单个肌小节长度变化的总体结果。据报道，关于肌小节缩短有两种可能情况：我们可以认为所有肌小节在一次肌肉收缩中，全部缩短了相同的长度（分段控制模型），或者可能不同的肌小节缩短的长度不一样（固定端模型），不同的情况会导致两种不同的力-长度关系 ^［75］ 。串联肌小节的数量变化也会对力-长度关系模型的形状和范围产生影响，而串联肌小节的数量也可能取决于运动员参与的训练类型 ^［75］ 。整块肌肉在收缩的过程中，长度变化为10～20毫米 ^［46］ 。

不同的肌肉长度变化产生的力的大小并不是固定不变的［图1.3（a）］。不同的长度变化可能会导致肌球蛋白-肌动蛋白出现不同的重叠状态，因此，实际产生的横桥数量也不相同。力的输出呈一个双曲线模型，当肌肉收缩长度较短（上升阶段）或长度较长（下降阶段）时，力的输出会逐渐变小，而最大的力则出现在这两个点（稳定区）之间的某个最佳肌肉长度 ^［75］ 。横桥相互作用会产生主动的力量，但有些情况下，也会产生被动的力量，尤其是在肌肉长度伸长时；这可能是由于大分子蛋白如肌联蛋白的拉伸造成的，这会使肌球蛋白（粗肌丝）与肌小节的Z线相连 ^［92］ 。这种被动的力量产生的过程（或者张力）也应当作为一个被考虑的因素，尤其是在肌肉的伸长-缩短循环中，这种情况常发生于运动员跑步或者跳跃等运动模式下 ^［23］ 。

这种复杂的情况，可能取决于肌肉中力产生的速度［图1.3（b）］。如果肌肉进行向心运动，那么随着肌肉的缩短需要更大的运动速率，输出的力则会变小 ^［4］ 。因此，一块肌肉在等距收缩中产生的力，以及在快速肌肉收缩中产生的力的大小是不同的。然而，由于离心阶段可能产生的各种机制（如牵张反射、储存弹性势能以及横桥增强作用），向心阶段产生的力可能会大于伸长-缩短循环这一标准模式产生的力 ^［32］ 。

力-速度关系的离心阶段，随着速度的增加，输出力会增大到一定的水平，随后在极高的离心速度下（主动的肌肉伸长）会变得平缓或者下降 ^［54］ 。这是由于在向心和离心的肌肉动作中，力是通过两种完全不同的方式产生的。根据之前的讨论，向心力的产生可能是由于三磷酸腺苷的水解作用导致的横桥转动和附着-分离模式而产生的。而在离心肌肉动作中力的产生，可能是肌肉由于张力的作用伸长，迫使肌球蛋白头从肌动蛋白上分离而导致的。这就是为何有报道称，离心肌肉动作与肌肉损伤相关，导致肌肉损伤的原因就是肌球蛋白头的被动分离，以及结构蛋白的被动拉长 ^［74］ 。

决定肌小节或肌肉纤维，以及输出力与收缩速率的相对关系的另一个因素，就是肌肉纤维的排列模式与整个肌肉-肌腱单位的相对关系 ^［31］ 。大多数肌肉都是羽状结构，也就是说，肌肉纤维从某个角度与整块肌肉的起点和切入点的肌腱线连接（羽状角）。这种连接形式有两种作用。第一，羽状结构可以增加肌肉纤维在有限空间内的横截面积，这一横截面积被称为生理横截面积。第二，羽状结构还会产生一个解剖齿轮比，这一比值是肌肉纤维（或者位移）的缩短速率与整块肌肉的缩短速率（或者位移）之间的比值 ^［6］ 。在羽状形态肌肉中，整块肌肉的缩短速率超过了基于羽状数量（羽状角）的肌肉纤维的缩短速率。肌肉的解剖齿轮比可能取决于羽状角的变化、整块肌肉的长度，以及肌肉中张力的大小。这一可变的解剖齿轮比，最主要的好处可能就是扩展了肌肉缩短速率的范围（速率更高），因而肌肉可以产生更大的力 ^［13］ 。生理横截面积和解剖齿轮比，很可能都单独受到运动员进行的训练方式的影响 ^［1］ 。

最终，整块肌肉的缩短过程会导致关节活动，而关节活动取决于肌腱起点和切入点的方位 ^［43］ 。肌腱的起点和切入点也会对角位移量以及相关肢体的动作速度产生影响 ^［8］ 。关节扭矩（力的角效应）是整块肌肉产生的力与相应力臂的乘积。力臂是旋转轴到力的作用线（整块肌肉收缩的力矢量的延伸）的垂直距离。力臂的长度受到相关肌肉的起点和切入点，以及具体活动时的关节角度的影响 ^［2］ 。身体中不同肌肉的起点和切入点不同，它们的起点和切入点都是根据各自关节的具体功能而确定的。远端与近端的起点以及切入点的关系，都存在不同的优点和缺点 ^［75］ 。更远端的起点和切入点会产生更大的扭矩，并使关节活动的范围受到限制。而更近端的起点和切入点会产生更小的扭矩，并产生更大的关节角度的范围。远端起点和切入点的另一个方面的影响就是整块肌肉收缩的速率可能提高，从而使更远端的肢体如手或脚的运动速率更高 ^［75］ 。更近端的位置可能会导致完全相反的情况。因此，这很可能会影响肢体在与外界物体接触如球或者地面相互作用时的速度，同时也会影响施加到这些物体上的力 ^［3，81］ 。这可能是位移和速度概念中最重要的方面，原因在于它们也适用于全身重心的位移和速度。

运动员的运动表现实际上指身体在垂直方向和水平方向上的位移或者速度，例如，在跳跃和跑步运动中，全身重心的垂直位移表示的是运动员的跳跃高度；而全身重心的水平位移就是奔跑速度 ^{［30，40］} 。所谓的运动表现实际上来源于横桥、肌小节、肌肉纤维、整块肌肉以及关节运动的内部位移和速度，以及全身重心的外部位移和速度 ^［40］ 。外部力的产生通常来自地面反作用力（ground reaction forces，GRF），该反作用力会决定全身重心的位移以及速度的特征。因此，力、位移以及时间组合起来将决定输出爆发力的大小。然而，在我们直接研究爆发力之前，我们必须首先在做功（力×位移）的层面上理解力和位移。 4C72BjFKrjpyzgqWIt4LyQHiQO9rI489jLzlB8CIhDbqj/OTwiLazIIZj4e+QbL8