《Biomechanics》：Stroke Frequency Effects on Coordination and Performance in Elite Kayakers
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本研究通过真实水域测试（竞赛湖面K1皮艇）探究了不同划桨频率（60、80、100 strokes·min?1）对精英U23男子皮艇运动员划桨协调性及生物力学指标的影响。采用主成分分析（PCA）提取了机械功（Mechanical Work）、机械能（Mechanical Energy）、划桨变异性（Stroke Variability）和船体加速度（Boat Acceleration）四个关键成分，并利用线性混合效应模型（LME）进行分析。研究发现，约80 strokes·min?1的划频可能在协调性指标上表现出相对优势，为优化训练策略提供了初步依据。结果具有探索性，需更大样本纵向研究验证。
引言
皮艇运动要求上肢运动与躯干旋转的精确协调。其周期性的划桨动作为研究不同于陆地运动的运动控制策略和运动变异性提供了独特机会。运动变异性曾被认为是运动输出中的噪音或误差，现已被认识到是感觉运动系统的一个重要特征，它允许适应性和任务特异性的优化。在皮艇这类周期性活动中，分析运动变异性可以深入了解运动员表现出的运动控制和协调水平。
研究显示，与经验较少的运动员相比，技能娴熟的运动员通常在关键运动学和动力学参数上表现出较低的变异性。这种变异性的减少反映了更精细、更高效的运动策略，使得动作执行具有更高的一致性和精确性。然而，运动变异性与表现之间的关系并非严格的线性关系。虽然过度的变异性可能确实对表现不利，但一定程度的变异性对于适应不断变化的环境条件和任务需求是必要的。这种"最佳变异性"的概念表明，在运动一致性方面存在一个最佳点，允许运动输出的稳定性和灵活性。
步态变异性的概念最初是在双足运动的背景下发展起来的，已被证明是评估周期性活动中运动控制和协调的宝贵工具。诸如相位协调指数（Phase Coordination Index, PCI）等步态变异性指标，提供了对多个周期内运动模式一致性和对称性的定量测量。虽然这些指标已成功应用于各种形式的人类运动，包括行走、跑步和骑自行车，但它们在以上肢为主导的活动（如皮艇）中的应用仍然有限。
影响皮艇表现的一个关键参数是划桨频率，它直接影响产生的推进力和对运动员的新陈代谢需求。先前的研究表明，改变划桨频率会对皮艇运动的生理反应、生物力学效率和整体表现产生显著影响。然而，划桨频率与运动协调之间的关系，特别是上肢和躯干运动学方面，仍然知之甚少。
最佳划桨频率的选择代表了一个复杂的优化问题，需要在最大功率输出与能量消耗、抗疲劳能力以及运动协调性之间取得平衡。虽然较高的划桨频率可能在短期内实现更大的功率输出，但它们也增加了划桨的新陈代谢成本，并可能导致更早出现疲劳。相反，较低的划桨频率可能在能量消耗方面更经济，但可能无法提供足够的推进力来维持竞技速度。鉴于皮艇运动的周期性，某些划桨频率可能有助于更稳定和协调的运动模式，从而可能带来改进的表现和降低受伤风险。
运动科学研究中的一个重大挑战是在受控实验条件的需求与真实运动表现复杂性之间取得平衡。实验室研究虽然提供了精确的测量能力，但可能无法完全捕捉真实世界运动表现的复杂性。这对于水上运动（如皮艇）尤其如此，环境因素，包括水文条件、风和温度，会显著影响表现和运动模式。在皮艇领域，使用惯性测量单元（IMU）和仪器化桨叶的现场评估在捕捉水上划桨期间的划桨力学和运动模式详细信息方面显示出潜力。
尽管关于人类运动和运动控制的研究日益增多，但我们对以上肢为主导的周期性活动，特别是皮艇等水上运动的理解仍存在显著空白。虽然先前的研究调查了皮艇表现的生理和生物力学方面，但很少关注运动变异性和协调性在决定划桨效率和效果中的作用。因此，可以合理假设，在真实水域条件下，考虑变异性指标，可以确定一个最佳划桨频率。
本研究旨在评估精英U23皮艇运动员在真实水域条件（竞赛湖面上的仪器化K1皮艇）下，在不同比赛相关的划桨频率（60、80、100 strokes·min?1）下的划桨协调性和生物力学特征。这种方法通过使用符合比赛实际的划桨姿势、力学和频率，在保持测量控制精度的同时，也兼顾了实际相关性。
基于文献和已识别的研究空白，研究假设：（1）增加划桨频率会导致更高的机械功和能量消耗；（2）随着划桨频率增加，划桨变异性会降低，反映出更高的技术稳定性；（3）中间频率（约80 strokes·min?1）将代表效率、协调性和表现之间的最佳平衡。
材料与方法
参与者：十二名男性皮艇运动员（年龄21.0 ± 0.5岁，体重79.5 ± 6.9 kg，身高180.9 ± 4.7 cm，训练经验9.9 ± 4.0年，每周训练18.0 ± 6.3小时，10名右利手，2名左利手）自愿参与本研究。入选标准为国家级排名的意大利运动员，年龄20-21岁，每周训练超过4次，训练经验超过4年。
实验设置：测试在同一个500米竞赛航道上进行，采用交叉研究设计。环境条件在整个测试过程中保持稳定。每名运动员使用配备座椅和脚蹬传感器的奥林匹克K1皮艇进行测试。每名参与者先进行标准化的10分钟热身，随后以随机顺序完成三种划桨频率（60、80、100 strokes·min?1）下的500米计时划，每次试验间有10分钟被动恢复。使用节拍器控制划频。
测量：生物力学数据收集使用多感官采集系统，包括集成在皮艇座椅和脚蹬中的两个定制测量模块，每个模块包含四个基于应变片的称重传感器（采样频率100 Hz），用于量化运动员施加的垂直和水平分力。一个三轴加速度计集成在座椅中，沿皮艇龙骨纵向放置，以测量整个划桨周期内的向前加速度。该系统经过校准和验证，显示出与实验室级测力台相媲美的良好精度和可靠性。
相位协调指数计算：左右划桨之间的协调性使用PCI进行测量。首先计算每个划桨周期i的Phi值（度），然后计算双侧准确性（%）和双侧变异性（%），最后PCI计算为准确性与变异性之和。双侧不对称性（BASY）使用Robinson提出的公式进行评估。
信号调理与划桨周期分割：原始应变片电压信号经过校准转换为力，并进行零相位低通滤波（5 Hz）。座椅和脚蹬模块的合力中心通过四个校准力的加权质心计算。划桨周期分割基于纵向加速度和脚蹬合力的组合标准。
机械功与传递效率：瞬时人体机械功被认为是瞬时力与位移的乘积。划桨周期内该乘积所有正值的总和被视为正机械功。皮艇的机械功通过估算波浪阻力、摩擦阻力和压力阻力来确定。传递效率计算为皮艇机械功（输出）与人体机械功（输入）的比率（%）。
划桨因子：划桨因子确定为完成一个推进阶段所占划桨周期时间的比例（%）。
统计分-析：首先对标准化后的生物力学变量进行主成分分析（PCA），以识别潜在的总结性成分。然后使用线性混合效应模型（LME）检查这些成分和选定变量如何随划桨频率变化，该模型考虑了重复测量设计。频率作为分类变量输入模型，参与者作为随机截距。通过似然比χ2检验评估频率的固定效应，并计算估计边际均值、效应量和模型拟合指数。对多重比较进行了控制。
结果
主成分分析确定了四个关键成分，共解释了总方差的76%（分别为29%、26%、12%和9%）。第一成分（机械功）包括与座椅位移和功率相关的变量。第二成分（机械能）包括与脚蹬力、人体机械功、功率和皮艇机械功相关的变量。第三成分（变异性）包括双侧不对称性和座椅位移变异性。第四成分（加速度）主要包括船体加速度。
线性混合效应模型显示，机械功和机械能随划桨频率增加而显著增加。变异性成分与频率存在显著交互作用，在60与100 strokes·min?1之间存在显著下降。加速度成分未显示与频率的显著交互作用。
相关分析表明，机械功成分与PCI呈负相关，而加速度成分与PCI呈正相关。机械功成分与每周训练小时数呈正相关，而机械能和变异性成分与每周训练小时数呈负相关。机械功成分与传递效率呈正相关，而变异性成分与传递效率呈负相关。
讨论
研究结果揭示了不同划桨频率下机械功和能量的显著变化，这与先前关于周期性活动的研究一致。较高划桨频率下机械功和能量的增加可归因于维持更快划频所需的更大的力量产生和功率输出。
变异性成分与划桨频率的交互作用，以及在较高频率下变异性的减少，与运动控制中的动态系统理论观点一致。在皮艇运动中，较高的划桨频率可能作为一种约束，促进更一致和高效的划桨技术。变异性成分与每周训练小时数和传递效率的负相关进一步支持了经验丰富的运动员发展出更稳定和高效运动模式的观点。
相位协调指数与机械功的负相关表明，较高的功输出与改善的双侧协调相关。这凸显了上肢运动同步在皮艇表现中的重要性。加速度与PCI的正相关揭示了运动速度与协调之间复杂的相互作用。
传递效率与机械功的正相关表明，较高的功输出与从运动员到皮艇的改善的能量传递相关。这强调了技术优化在皮艇运动中的重要性。传递效率与变异性的负相关表明，更一致的运动模式有助于更好的能量传递。
划桨因子的分析提供了对划桨周期时间方面的见解。优化推进阶段与恢复阶段的比例有助于提高效率和长距离的持续表现。
本研究首次将相位协调指数应用于皮艇运动，为评估精英运动员的运动控制效率和技术一致性提供了一个新颖的定量框架。虽然中间划频约80 strokes·min?1在协调性和机械指标上表现出相对优势，但这应被视为在特定条件下的一种平衡点，而非普适的最优解。
局限性包括样本量相对较小，以及单次测试设计。划桨频率由节拍器强制设定，可能影响运动员的自然协调模式。未来的研究应包括更大样本、纵向设计、生理和疲劳指标，并比较自主选择与强制频率下的协调模式。
结论
本研究描述了在真实水域条件下，精英U23男子皮艇运动员划桨频率与协调性/生物力学之间的关联。虽然约80 strokes·min?1的划频在协调性指标上表现出相对优势，但这并不暗示因果关系或规定性训练指导。研究结果是初步和假设生成性的。未来的研究应使用更大样本、纵向设计和随机化或受试者内训练干预来验证这些模式，并纳入生理/疲劳标记以评估其对表现的转化意义。这些结果主要适用于年轻的精英男子皮艇运动员，在推广到其他人群或条件时应谨慎。
