2.2 关于计时类项目速度节奏类型及能量代谢特点的研究

在诸多竞技体育运动中，计时类项目的成绩相对较少地受对手表现和比赛结果评定行为的影响，而更多依赖运动员自身体能水平及其在比赛中发挥的程度。当运动员生理水平相近时，速度节奏便成了决定体能发挥的关键因素[89]。

1958年，Robinson等[160]设计实验以验证疲劳对工作效率的影响，却观察到：受试者以6.84yd/sec（1 yd=0.914m）的速度运动至力竭的时间为3.37min，运动距离为1382yd；保持平均速度和运动总时间不变，但在0～2.37min以6.63yd/sec、2.37～3.37min以7.73yd/sec的速度完成1382yd的测试距离时，需氧量及乳酸值都显著低于前者。Robinson等[160]的研究第一次系统地证明了速度节奏对运动成绩的重要作用，同时也引起了学者们对速度节奏的普遍关注。

1994年，Foster等[83]在前人研究的基础上，比较了计时类项目比赛中速度/相对速度-时间/距离等曲线的变化情况，总结出常用的4种速度节奏类型（图1）：（a）全冲型、（b）慢起型、（c）匀速型和（d）变化型。不过，受当时研究条件所限，Foster等[83]在划分节奏类型时，主要参考的是中-长距离项目的节奏特征，且相关研究多源于跑类和自行车类项目。近些年，速度节奏已然成为了运动科学领域中的热点问题，学者们对从短至10s以内的百米跑，到长至12h的超级铁人三项以及包括滑冰、游泳、赛艇等其他计时类项目速度节奏的特点进行了研究，发现Foster等总结的节奏类型并不能有效反映所有项目速度节奏的特点，有些项目甚至包含了上述4种类型节奏的特征。

另外，持续时间相似的运动项目，其速度节奏特点也有很强的相似性。早期研究普遍认为，全冲节奏适用于比赛时间≦30～60s的项目[84][188]，匀速节奏更加有利于比赛时间＞2min项目成绩的提高[66]，但对持续时间约1～2min项目节奏类型的归属始终存在着较大的争议。并且新近的研究[35][99]也对传统观点提出了质疑，认为一些比赛持续时间＞2min的项目，采取的并非匀速节奏。为此，对近期有关计时类项目速度节奏的研究进行梳理，总结速度节奏的基本类型，同时对不同类型速度节奏的能量代谢特点进行分析，以初步明确其适用项目的范围，对深入理解、应用速度节奏是十分必要的。

在计时类项目的比赛中，为了缓解疲劳的影响和/或推迟疲劳的出现、获得优异的运动成绩，运动员总会有意识或无意识地对运动中的能量代谢过程进行调节，从而使速度表现出一定的节奏特征。速度节奏的特征一般可通过观察运动全程的速度/相对速度-时间/距离等曲线获得。依运动员个体生理机能特点、比赛持续时间、地理地形条件、比赛环境等因素的不同，速度节奏的表现也有所不同。如前所述，Foster等[83]总结了前人的研究结果，将速度节奏划分为4种基本类型。随着研究的深入，学者们逐渐发现，Foster等对速度节奏类型的划分方法过于宽泛，并不能准确反映某些项目速度节奏的特点，不少学者还根据自己的研究相继提出了新的节奏类型。总结近期相关文献可以发现，计时类项目的速度节奏主要可以划分为以下6种类型：全冲节奏、快起节奏、慢起节奏、匀速节奏、抛物线形节奏以及变换节奏。

2.2.1 全冲节奏

全冲节奏指从比赛开始就以很大的能量供应速率进行运动，并尽力保持远超过最大摄氧量强度的供能水平完成比赛的一种节奏类型，也是短距离项目最常用的节奏类型。如在500m自行车比赛时[80]，无氧能力快速调动，在300m时达到最大值，且非常显著地高于1000m、1500m和3000m比赛时的峰值功率。之后由于磷酸源物质的大量消耗，酵解供能比例增多，无氧功率有所下降。有氧供能的速率随比赛进行，逐渐升高，但总的有氧供能比例是不很大，因此，总功率曲线与无氧功率曲线的变化趋势较为相似（图2）。

在比赛结束前充分动用运动能源储备且不引起终点阶段出现明显的降速是选择某种速度节奏的前提[188]。对于采用全冲节奏的短距离项目而言，加速阶段占运动全程能耗的比例对后程速度的保持有重要的影响[188]。以100m跑为例，加速阶段的能耗会远超过维持某一恒定速度的能耗，因此磷酸原物质会以很快的速度排空，造成比赛后程的供能速率骤减。但由于惯性的作用，后程大幅降低的供能并不会对速度造成很大的影响（图3）。因此，谁加速的距离更长、达到的峰速度更高，谁就能取得更好的成绩。需要澄清的是，全冲节奏并非等于毫无控制地始终以最大供能速率进行运动。对比Michael Johnson创造前200m跑世界纪录时的分段成绩发现，其前100m的速度为10.12s，而后100m成绩为9.20s，排除克服静止惯性和弯道跑的影响，运动员有意地调节无氧供能的速率，避免运动前程出现乳酸过早、过快地大量堆积是造成这种现象的主要原因。

采取全冲节奏还应考虑的另一个重要因素就是流体阻力的影响。一方面，采取全冲节奏会因能更加充分动用运动能源储备[141]而具备一定优势；另一方面，由于高速度引起流体阻力指数倍的增加也会造成耗能增多而存在一定的劣势。不少研究已表明，随着比赛持续时间的增加，减少克服阻力耗能的重要性加强[16]。因此，是否选取全冲节奏需权衡剩余无用动能和克服阻力耗能间的利弊，对于一些水上项目而言更是如此。

2.2.2 快起节奏

快起节奏指在运动的起动阶段速度逐渐达到最高，然后随比赛的进行速度逐渐下降，以相对较低速度完成终点阶段的赛程的节奏类型。快起节奏在结构上与全冲节奏相似，但由于其比赛距离或持续时间长于采取全冲节奏的项目，因此二者的区别主要体现在快起节奏中加速阶段占运动全程的比例以及峰值速度明显低于全冲节奏（对比图3、4）。比较典型的快起节奏多见于100、200m游泳，800m跑等中短距离项目。如在200m蛙泳项目中，运动员4个50m的划距和速度逐渐降低，即使在第4个50m的段落中明显提高划水频率，但由于划距下降更为显著，速度仍显著低于前3个段落；而第1个段落的速度明显高于后3个段落[175]。Tucker等[182]分析了自1912—1997年间共26个800m跑世界纪录后发现，所有26个纪录中有24个表现为第二圈速度显著低于第一圈（52.0±1.7s VS 54.4±4.9s, P＜0.00005）、有12个表现为第1、3个200m速度分别显著高于第2、4个200m的速度（P＜0.05）。Sandals等[164]也发现800m跑的前200m、中400m和后200m的速度分别为平均速度的107.4%、98.3%和97.5%。

不少研究认为，快起节奏运动中速度的逐渐降低主要是由于乳酸堆积和主观用力程度提高引起的[175][182]，同时也有研究显示，快起节奏运动时乳酸升高能刺激摄氧水平提高，强化有氧供能能力，促进成绩的提高[164]。Asibett等[19][20]曾经对比了5min最大强度功率自行车测试时，不同的起动（第1min为起动阶段，占总持时的20%）方式对成绩的影响。他首先证明了，采取快起节奏（在第1min完成总做功的25%）时的成绩优于匀速节奏或慢起节奏，并认为平均摄氧水平的提高是造成这种差异的主要原因；接着，他进一步将快起节奏细化为两种情况：一种以471.8±48.0w的恒定功率完成第1min的测试，另一种在0～6秒钟全力加速至866±88.1w，然后在第6～15秒逐渐降低至376.8±38.5w，并保持该强度完成第1min的测试，使两种起动节奏总做功量相同。结果发现，后者成绩优于前者，原因在于后者能更快速且更大程度地刺激摄氧量的提高，从而保留更多无氧能力以维持后程较高的平均速度，而并非由于缩短加速时间造成能耗的降低。因此Asibett等建议，中短距离项目采取快起节奏时，应在最短的时间内加至某一高速度，然后逐渐降至某一可持续的恒定速度，并最大限度维持此速度至比赛结束。而未来研究需继续验证持续时间5min左右的比赛项目，应用快起节奏的效果。另外干预节奏的强度设置也非常值得进一步关注。

令人略感意外的是，很多超长距离项目往往采取的也是快起节奏，如180km自行车运动[18]。超长距离运动后程速度降低的原因已比较清楚，主要与糖原排空[156]、脂肪供能比例提高[138]、脱水、体温升高、电解质紊乱、中枢疲劳[17]以及伴随着的主观用力程度（RPE）的升高等有关。但为何运动员会以较高的速度完成运动初期的赛程，还不甚明了。2007年北京铁人三项世界杯比赛中，受试运动员无论男女在参加任何一个单项运动时，均采取了快起节奏[123]。另一份来自铁人三项的研究[189]不但观察到了类似的节奏，还发现游泳的前222m、自行车第2圈（6.7km/圈）以及跑步的前993m的速度与总成绩的相关系数，除男子自行车外，都达到了非常显著的程度：男：-0.42（P＜0.01）、-0.20（P ＞0.05）、-0.71（P ＜0.01）；女：-0.49（P ＜0.01）、-0.71（P＜0.01）、-0.63（P＜0.01）。

2.2.3 慢起节奏

慢起节奏指起动阶段速度相对较低，并维持一段距离，在比赛中后程逐渐加速，并在终点阶段达到最高值的节奏类型，一般见于3000m自行车等中或中长距离的项目（图5）。慢起节奏的一个典型特征是起动阶段速度较低。Mattern等[129]将20km自行车计时赛前4min定为起动阶段，并以自主节奏运动时起动阶段的强度（SS）作为参考，分别比较了85%SS、100%SS和115%SS三种起动强度对成绩的影响，结果发现，以85%SS起动运动至第9min的乳酸值显著低于另外两种起动强度的（P＜0.05），且完成比赛的用时最短。Sandals等[164]在其研究中指出，高速起动会更大程度地募集Ⅱ型肌纤维，且随着运动肌纤维的疲劳，还会募集更多的Ⅱ型肌纤维参与运动。与Ⅰ型肌纤维相比，Ⅱ型肌纤维会更大程度地依赖于磷酸甘油穿梭系统进行氧化磷酸化反应，这将造成给定ATP生成速率条件下，需氧量的增多，并不是很经济的代谢方式。Abbiss等[17]在其2005年的一篇综述中也总结道，对于持续时间略长的项目，采取慢起节奏，会降低糖原排空的速率，延缓疲劳出现的时间并提高运动成绩。根据以上研究成果，慢起节奏的优势主要可以归结为：减少运动开始阶段代谢副产物堆积、降低过度氧耗以及减缓供能物质的排空速率。

任何通过终点后的运动能量储备对比赛都是无意义的[66][188]。因此，慢起节奏的另一特点是，在比赛的后期逐渐提高能量供给的速率，并在终点阶段明显提速甚至达到速度的最高值。Foster等[80]研究了模拟3000m自行车比赛的速度节奏，结果发现，运动员先加速至一定水平，然后维持此速度至2600m左右时无氧做功开始逐渐提高，并出现明显的加速。Lambert等[121]认为这种在比赛后期的加速现象是在运动员了解剩余比赛距离或时间的基础上由中枢调节进行的，而比赛前期较低的速度也并非疲劳所致。Rauch等[156]的研究也发现，补糖组在完成1 h场地自行车赛时的功率显著大于不补糖组（P＜0.05），然而两组受试却采取了相似的运动节奏，即在运动的前半程功率持续维持在较低水平，在32～35min时开始逐渐升高，并在运动的最后2min急剧上升，达到最高值，表现出明显的慢起节奏特征，而运动结束后两组运动员的血糖水平相似，Rauch归结该现象产生的原因：大脑能根据个体血糖浓度阈限以及对比赛持续时间的预期自动地调整做功强度。以上研究结果表明，运动员采取慢起节奏进行运动时，节奏的变化或前期较低的速度并非由于代谢副产物堆积或能源物质排空等因素造成，而是先于这些理化环境发生剧烈改变之前发生的，运动员有或无意识地保留了运动能量储备，并在获知剩余比赛距离的前提下，在比赛的后程尽可能地动用，从而表现出速度明显的提升。

2.2.4 匀速节奏

匀速节奏指比赛全程速度波动小，分配相对均衡的运动节奏，多应用于一些长距离的项目。在长距离项目中，由于起动和终点阶段占比赛的比例较小，重要性并没有在上述三种节奏中那么强，因此所谓匀速主要指在所占比例较大的途中运动阶段所采取的节奏。从代谢的角度讲，相同平均速度前提下，匀速比变速更加节省能量，也更有利于取得优异的成绩[73]（图6）。对于水上项目而言，这点更显得尤其重要。如在1500m自由泳比赛中，运动员分段成绩的标准差同最终成绩呈负相关，水平越高的运动员游程中各分段成绩越趋于平均化，充分说明了匀速节奏在保证供能系统相对稳定和保持机体良好适应性方面的重要作用[15]。

匀速节奏最直接的生理依据是阈值强度或临界速度模型。Billat等[40]指出，最大乳酸稳态强度是不引起乳酸持续堆积的最大恒定运动负荷，反映了体内的能量代谢由有氧代谢供能为主向无氧代谢供能为主过渡的临界点。最大乳酸稳态强度运动持续时间约为1 h[37]，因此1 h左右运动的成绩在很大程度上由最大乳酸稳态水平决定的。而随比赛持续时间的缩短无氧供能比例加大，20min以内的比赛项目则更大程度地受临界速度的影响。Fubuka等[87]曾利用数学模型检验了3000m和5000m跑速和临界速度的关系，指出若运动速度大大高于临界速度会造成无氧能力的过快动用，导致代谢副产物的迅速堆积而引起速度下降；相反，即使运动速度仅略低于临界速度（虽然这种速度的损失能在一定程度上缓解运动中的缺氧状态），但之后无论采取何种加速方式都将不能弥补速度的损失，上述两种情况都会引起成绩下降，因此，应采取较为恒定且略高于临界速度的节奏进行运动。

应当指出，绝对的匀速节奏多见于实验室研究或数学模型推导，而在真正的比赛条件下，由于战术要求以及环境变化等因素的影响，匀速节奏更为准确的描述应是允许速度有小范围波动的节奏类型。有研究表明，受试者在1h自主节奏最快运动时的平均速度与最大乳酸稳态速度相似[137]，而当以恒定的最大乳酸稳态速度运动时，则仅能持续40±10min[40]，说明在总做功量相同条件下，维持绝对的恒定速度比允许速度略微的波动要困难得多。另有报道[40][61]指出，对于中长距离运动员，速度小范围的波动（速度的变异系数＜5%）并不会引起摄氧动力学、乳酸代谢的改变，也支持了“匀速节奏允许速度小范围波动”的观点。

2.2.5 抛物线形节奏

速度节奏的选择与运动专项特点、比赛持续时间或距离关系十分密切。在某些比赛中，运动员并非采取上述单一的节奏类型，而是以不同的组合形成其特定的节奏类型，即抛物线形节奏，如快起+匀速+慢起形成“U”形节奏，快起+慢起形成“J”形或反“J”形节奏。对从1922至2004年间的32个男子5000m跑世界纪录的分析来看[175]，有21个在4000～5000m段落速度最高，剩余11个在0～1000m段落速度速度最高，所有32个记录的0～1000m段落和4000～5000m段落的速度均显著高于中间的3个段落，中间3个段落速度相对均衡，呈现出“U”形抛物线节奏特征。在5000m跑这样的比赛中，运动员早期速度维持在较高水平，使乳酸达到一定水平，有效刺激摄氧动力水平提高，增加有氧供能的强度[164]；然而过高的速度会引起乳酸堆积、体温上升[144]，因此机体通过神经系统的支配在运动性疲劳产生前将速度降至某一次最大速度水平，并相对恒定地维持此速度完成途中跑阶段，有效地降低了能耗并有保留了无氧储备；在比赛后程，机体调动剩余无氧储备以更快的速度完成终点阶段[121]。所以，运动员采取抛物线形节奏整合了不同类型节奏的优势以适应特定比赛的需要。

另一个采取典型抛物线形策略节奏的项目是赛艇（赛程为2000m）。Brown等[54]的研究表明，与5000m跑节奏策略不同，三种水平赛艇运动员（国际、国家、地区级）均在0～500m段落表现出最高速度，然而不同水平运动员在随后的运动中则出现明显的差异，表现为国际级在500～1500m段落速度略有下降，在1500～2000m段落速度略有提高，总体波动较小；而低级别运动员在500～1500m段落速度持续下降，而在1500～2000m段落大幅提高，呈现出更为陡峭的反“J”形节奏（图7）。赛艇运动高速起航，除了上述提到的生理和能量代谢方面的优势外，还具备战术和心理上的优势：赛艇是一项由运动员背对船只行进方向，分道次在水上进行比赛的竞技项目。在比赛的最初阶段获得领先的位置，不仅有利于避开其他艇只尾流的影响，也有利于观察对手的比赛情况并采取相应的战术对策[89]。起航后，不同水平运动员之间节奏的差异，也可以通过以下三个方面进行解释：首先是国际水平运动员有着更强地无氧代谢能力，在持续约6min的运动中都能保持较高的糖酵解速率[118]，即使在途中划阶段，仍然有相对较高比例的无氧代谢参与运动；其次，速度的波动主要与划桨的技术与效率相关[111]，国际水平运动员有着更强的疲劳耐受能力，高速起航阶段造成体内乳酸等副产物的堆积并没有对其划桨技术与效果造成显著的影响。最后，运动训练和比赛的经验对运动员节奏策略的实施有很大的影响[121]，低水平运动员参赛次数较少，缺乏在高强度运动中调节能量输出的经验也是造成上述差异的原因之一。因此，在采取相对复杂的抛物线形节奏的项目中，当运动员生理功能达到一定水平时，更要注意加强参赛经验的培养。

2.2.6 变换节奏

除了持续时间、距离、专项特征外，比赛还受多种外部条件的影响，如场地、地理环境、气候等。为了合理地分配有限的能量储备，运动员需要根据不同的外部条件适时调整其比赛的节奏，变换节奏主要是为应对这种复杂的比赛条件而提出的，常见于长距离、公路和越野项目。变换节奏的研究多来自自行车项目，干预条件主要涉及坡度和风速。Swain[172]利用能量代谢的数学模型，在假定上下坡坡度相等、距离相同以及顺逆风风速相等、作用距离相同的条件下模拟了不同水平运动员采取不同类型节奏完成比赛的情况，结果发现，当外界环境保持恒定时，匀速是最节省能量的；而当外界环境发生改变时，给定的氧耗水平上，应该在上坡/顶风时增加功率输出、在下坡/顺风时减少功率输出，才能获得更佳的运动成绩。在这里，变换节奏相关研究中所指的“变换”并非速度的变换而是功率的变换。

在Swain[172]的研究基础上，不少学者又对不同环境下采取变换节奏的效果进行了更为细化的研究。Atkinson等[25]利用改进的数学模型[128]重复了Swain[172]的实验设计，量化了实验结果，他们发现，当外界环境恒定时，运动员在±15%范围内变换输出功率运动，耗时比维持恒定功率多20s；当顺风4.4m/s时降低输出功率5%而逆风4.4m/s时增加输出功率5%，耗时比恒定功率少30s；当5°上坡时增加输出功率10%而5°下坡时减少输出功率10%，耗时比恒定功率少126s。运动过程中能量代谢的数学模型证明了变换节奏的有效性，而运动实验的结果也支持了变换节奏的必要性。Atkinson等[24]对比了7名男性职业和业余自行车运动员采取不同速度节奏完成16.1km测试的成绩，测试前半程以顶风8.05km/h、后半程以顺风8.05km/h进行干预。第一次测试为自主节奏测试（ITT），受试者以自主节奏尽可能快地完成测试，平均功率为P-ITT；第二次测试为恒定节奏（C），受试者保持恒定的P-ITT完成；第三次测试为变换节奏测试（V），受试者在以105%P-ITT完成前半程，在保证总做功量一致的条件下，以相应的恒定功率完成后半程的测试。结果发现，完成V的时间分别比ITT和C少12s（P=0.009）和2s（P＞0.05），且RPE和运动前后的乳酸差值也显著低于ITT和C（P＜0.05）。上述几份研究证明了一定条件下，变换节奏有利于能量的节省和成绩的提高。然而，遗憾的是，这些研究并未关注采取变换节奏时相关生理指标的变化情况。

2.2.7 小结

总结目前有关计时类项目速度节奏的研究，可以发现以下特点。

2.2.7.1 依速度-时间曲线的变化特征，计时类运动项目常用的节奏类型大致可归纳为6种，但在实际的比赛中，这6种节奏类型并不一定存在着明显的界限。

2.2.7.2 直接测定运动员比赛过程中的能量代谢以及机体理化水平的变化是很难实现的，因此目前关于速度节奏的研究多是通过对比赛时的速度或相对速度等指标进行更为定性化的分析，而缺少定量化的研究。

2.2.7.3 速度节奏研究涉及的项目多、差别大，现有的研究虽然发现了不少共性的规律，但研究多围绕自行车项目开展。由于做功方式的差异等原因，这些研究成果向其他项目推广的效果还有待进一步地验证。

2.2.7.4 速度节奏相关研究的受试对象多为同质样本，成果也多揭示了某一类或某一水平运动员的节奏特征，而鲜见对不同水平运动员速度节奏差异产生原因的实验性研究。

2.2.7.5 跑类项目速度节奏的研究由于受做功方式以及测试仪器的限制，多数来自于能量代谢数学模型的相关推导，实验性研究相对较少，更鲜见有关运动场测试的报道。

2.2.7.6 中跑项目对有氧和无氧代谢途径都有很高的要求，影响因素众多，运动节奏的研究多停留于行为观察层面，未见从能量代谢角度探讨中跑节奏特征的报道。