第十一章 运动过程中人体机能变化规律

 教学目的与要求: 1、掌握赛前状态、进入工作状态、稳定状态、疲劳和恢复过程生理反应特点及其机制; 2、掌握赛前状态、进入工作状态、稳定状态、疲劳和恢复过程影响因素及调整和提高身体的适应能力的手段。 教学重点:调整和提高身体适应能力的手段 难点:掌握赛前状态、进入工作状态、稳定状态、疲劳和恢复过程生理反应特点及其机制 人体在参加体育运动过程中,其生理机能将发生一系列规律性变化。从参加运动或比赛前一直到运动或比赛结束后的恢复大致可分为赛前状态、进入工作状态、稳定状态、疲劳和恢复过程五个阶段。 第一节  赛前状态与准备活动
一、赛前状态 
   人体参加比赛或训练前某些器官、系统产生的一系列条件反射性变化称为赛前状态。它可产生在比赛前数天、数小时或数分钟。
(一)   赛前状态的生理变化及其产生机制 赛前状态的生理变化主要表现在神经系统兴奋性提高,物质代谢[H1]加强,体温[H2]上升,内脏器官活动增强。例如,心率加快、收缩压[H3]升高、肺通气量[H4]吸氧量[H5]增加,还可能有出汗和尿频等现象(见图13-1)。赛前状态反应的大小与比赛性质和运动员的机能状态和心理状态有关。比赛规模愈大愈关键、离比赛时间愈近,赛前反应愈明显;运动员情绪紧张、训练水平低、比赛经验不足也会使赛前反应增强。 13-1赛前状态对体操运动员心脏活动和血液成分的影响      赛前状态产生的机制可以用条件反射机制解释。人们在日常的比赛或训练过程中,比赛场地、器材、观众、广播声和对手的表现等信息不断作用于运动员,并与比赛或训练中肌肉活动时的生理变化相结合。久之,这些信息就变成了条件刺激,只要这些信息或刺激出现,赛前的生理变化就表现出来,因而形成了一种条件反射。由于这些生理变化是在比赛或训练的自然环境下形成的,所以其生理机制属自然条件反射。  (二)赛前状态的生理意义及其调整 1.不同赛前状态对运动能力的影响 赛前状态依据其生理反应可分为三种: 1)准备状态 其特点是中枢神经系统兴奋性适度提高,植物性神经系统和内脏器官的惰性有所克服,进入工作状态时间适当缩短,从而有利于发挥机体工作能力和提高运动成绩。
   
2)起赛热症 
   其特点是中枢神经系统的兴奋性过高,表现为过度紧张、常有寝食不安、四肢无力,全身微微颤抖、喉咙发堵等不良生理反应,因而使运动员工作能力和运动成绩下降。
   
3)起赛冷淡 
   其特点一般是由于赛前兴奋性过高,进而引起了超限抑制[H7],表现为对比赛淡漠,浑身无力,因此不能发挥机体工作能力。 
    2.如何调整不良的赛前状态 
    赛前状态是自然条件反射,因而可塑性甚大。为了提高运动能力必须对起赛热症和起赛冷淡进行调整,使之达到准备状态。为此,要求运动员不断提高心理素质,正确认识比赛意义、端正比赛态度;经常参加比赛,积累比赛经验;赛前做好准备活动[H8],如果运动员兴奋性不高,可做些强度较大的与比赛内容近似的练习;如果运动员兴奋性过高,准备活动的强度可小些,可安排一些轻松的和转移注意力的练习。按摩也可调整兴奋性,例如:强度较大的叩击能提高兴奋性,强度较小的揉、抚摩能降低兴奋性。赛前遵守作息制度亦很重要,作息制度应尽量与比赛条件相一致。
二、准备活动
    
准备活动是指在比赛、训练和体育课的基本部分之前,有目的进行的身体练习。
(一)准备活动的生理作用和机制
    
准备活动的生理作用可归纳如下: 
    1.提高中枢神经系统的兴奋性,增强内分泌腺的活动,为使正式练习时生理功能迅速达到最适宜程度做好准备。 
    2.增强氧运输系统的活动,使肺通气量、吸氧量和心输出量增加,心肌和骨骼肌中毛细血管网扩张,工作肌能获得更多的氧供应。 
    3.体温适度升高。准备活动时,由于肌肉频繁地收缩和舒张,促进体内的物质和能量代谢,使产热过程加强,体温升高。体温升高可以提高酶的活性,体温每上升1,代谢率增加13%;希尔(Hill)曾发现哺乳动物的肌肉温度升高2时,肌肉收缩速度约增加20%;体温适度升高能使神经传导速度加快,肌肉收缩速度增加,氧离曲线右移促进氧合血红蛋白的解离,有利于氧的供应。研究表明,人体活动的最佳体温是37.2,而肌肉温度为38 
    4.降低肌肉的沾滞性[H6],增强弹性,防止运动损伤 
    5.增强皮肤的血流,有利于散热,防止正式练习时体温过高。 
    准备活动对其后进行的正式练习有良好的影响,其主要生理机制是通过预先进行的肌肉活动在神经中枢的相应部位留下了兴奋性提高的痕迹,这一痕迹产生的生理效应能使正式练习时中枢神经系统的兴奋性提高,调节功能得到改善,内脏器官的功能惰性得到克服,生化反应加快进行,有利于机体发挥最佳功能水平。但痕迹效应不能保持很久,研究证明准备活动后间隔45min,其痕迹效应将全部丧失。
(二)影响准备活动生理效应的因素 
    准备活动的时间、强度、与正式练习的时间间隔以及内容和形式等,是影响准备活动生理效应的主要因素。实验证明,准备活动的强度以45%VO2max强度,心率约达100120/min,时间在10min30min之间为宜。此外,还应根据年龄、季节、运动专项、训练水平和个人特点等因素适当加以调整。总之,准备活动的强度和时间应以体温上升为主要标志。准备活动结束到正式练习开始时的间隔一般不超过15min,在一般教学课中以23min为宜。第二节   进入工作状态和稳定状态
一、进入工作状态
    
在进行运动练习时的开始阶段,人体各器官系统的工作能力不可能立刻达到最高水平,而是在运动开始后一段时间内逐步提高的,机体工作能力逐步提高的过程称为进入工作状态。例如100m赛跑在4050m处达到最高速度,利发国际比赛中的投篮命中率往往在开赛后数分钟才达到最高水平。
(一)进入工作状态的生理机制
    
人体运动除了受物理惰性影响外,主要受生理惰性影响。生理惰性主要和生理功能的逐步提高与协调有关。具体表现在:
    1
.人体的随意运动或反射活动都是在中枢神经系统的控制和整合下完成的,从感受器[H1]将刺激能量转化为神经冲动[H2],到神经冲动的传导、突触[H3]传递、中枢间功能活动的逐渐协调和肌肉收缩都需要时间。动作愈复杂,需要的时间愈长。
    2
.肌肉活动必须依赖内脏各器官的协调活动与之相配合才能获得能源物质、氧和清除代谢产物,这一协调活动需要机体各种调节机制的参与。表现为:(1)内脏器官的生理惰性比运动器官大。支配内脏器官的植物性神经不仅传导速度慢,而且传导途径中突触联系较多(见图13-2)(神经冲动每经过一个突触需要0.30.5ms)。(2)在调节内脏器官产生持续活动中,神经-体液调节[H4]作用更为重要。首先由神经系统调节内分泌腺分泌激素[H5],激素随血液循环到达所支配的器官,改变其功能状态,这一系列的生理活动,比神经调节的惰性大得多。因此,内脏器官的生理惰性大是产生进入工作状态的主要原因。
    研究表明,在不做准备活动的情况下跑1500m,呼吸和循环系统的活动需要在运动开始后23min才能达到最高水平,而骨骼肌在2030s内就可发挥出最大工作效率。
  13-2 躯体性神经系统和植物性神经系统传出途径模式图 (二)影响进入工作状态的主要因素
    
为提高运动练习效果应尽量缩短进入工作状态的时间。进入工作状态所需时间的长短取决于工作强度、工作性质、个人特点、训练水平和当时机体的功能状态。在适宜运动负荷下工作强度越高,进入工作状态的时间就愈短。动作愈复杂、活动变换愈频繁,进入工作状态愈慢。训练水平愈高,当时的功能状态愈好,进入工作状态愈快。年龄和外界因素(场地、气候等)也能影响进入工作状态的时间。据研究,儿童少年进入工作状态的时间比成年人短。场地条件好,气候温暖适宜能激发运动欲望,迅速调动身体功能,极早适应工作。此外,良好的赛前状态和充分的准备活动有助于机体缩短进入工作状态的时间。
(三)“极点”与“第二次呼吸”
    1
.“极点”及其生理机制
    
进行具有一定强度和持续时间的周期性运动时,在运动进行到某一段时程,运动者常常产生一些难以忍受的生理反应,例如:呼吸困难、胸闷、头晕、心率急增、肌肉酸软无力、动作迟缓不协调,甚至想停止运动等,这种状态称为“极点”。
    
“极点”是机体在进入工作状态阶段产生的生理反应,其原因与进入工作状态产生原因相似,主要是内脏器官的功能惰性与肌肉活动不相称,致使供氧不足,大量乳酸积累使血液的pH值向酸性方面偏移。这不仅影响神经肌肉的兴奋性,还反射性地引起呼吸循环系统活动紊乱,这些功能的失调又使大脑皮层运动动力定型暂时遭到破坏。
    2
.“第二次呼吸”及其生理机制
    
“极点”出现后,如依靠意志力和调整运动节奏继续运动下去,不久,一些不良的生理反应便会逐渐减轻或消失,动作变得轻松有力,呼吸变得均匀自如,这种状态称为“第二次呼吸”。
    
“第二次呼吸”产生的原因主要由于运动中内脏器官惰性逐步得到克服,氧供应增加,乳酸得到逐步清除;同时运动速度的下降使运动的每分需氧量[H6]下降又减少了乳酸的产生,这样机体的内环境得到改善,被破坏了的动力定型得到恢复,于是出现了“第二次呼吸”。它标志着进入工作状态阶段的结束。
    3
.影响“极点”与“第二次呼吸”的因素
    “极点”出现的迟早,反应的强弱以及消失的快慢等,与运动项目、运动强度、训练水平、赛前状态、准备活动和呼吸等因素有关。一般说来,中长跑项目中运动者的“极点”反应较明显,运动强度愈大,训练水平愈低,气候闷热,“极点”出现得愈早,反应也愈明显,消失得也愈迟。良好的赛前状态与适当的准备活动能推迟“极点”的出现和减弱“极点”反应。在“极点”出现时,应注意加深呼吸以减少血液中二氧化碳的浓度,有助于“极点”反应的减轻和更快消失。
二、稳定状态
    
在进行运动练习时,进入工作状态阶段结束后,人体的机能活动在一段时间内保持在一个较高的变动范围不大的水平上,这种机能状态称为稳定状态。稳定状态可分为真稳定状态和假稳定状态。
(一)真稳定状态 
     在进行小强度和中等强度的长时间运动时,进入工作状态阶段结束后,机体所需要的氧气可以得到满足,即吸氧量和需氧量保持动态平衡,这种状态叫真稳定状态。在真稳定状态阶段,肺通气量、心输出量、血压[H1]及其它生理指标保持相对稳定,运动中的能量供应以有氧氧化供能[H2]为主,乳酸的产生很少,运动的持续时间较长,可达几十分钟或几小时。真稳定状态保持时间长短的关键取决于氧运输系统[H3]的功能,该功能愈强,稳定状态保持的时间则愈长。
(二)假稳定状态 
    在进行强度较大、持续时间较长的运动时,进入工作状态结束后,吸氧量已达到并稳定在最大吸氧量[H4]水平,但仍不能满足运动练习对氧的需要,这种状态称为假稳定状态。由于吸氧量不能满足需氧量,所以机体的无氧供能[H5]成分增加,乳酸的产出率大于清除率,使血乳酸增加,pH值下降,运动不能持久。研究证明在假稳定状态阶段,与运动有关的其它生理功能基本达到极限,例如,心率可达200/min,心输出量达30L,呼吸频率6080/min,肺通气量达120150L,收缩压2632kPa等。同时肌肉的电活动加强,表明募集了新的运动单位以代偿肌肉的疲劳。
第三节 运动性疲劳 一、运动性疲劳
(一)概念及其发展过程 
    1880年莫索(Mosso)研究人类的疲劳开始,距今已有100多年历史了。许多著名学者从多种视角采用不同手段广泛研究疲劳,并先后给疲劳不同的概念。
    
在第五届国际运动生物化学会议(1982)上对疲劳的概念取得了统一认识,即疲劳是:“机体生理过程不能持续其机能在一特定水平上和/或不能维持预定的运动强度。”这一疲劳概念的特点是:①把疲劳时体内组织和器官的机能水平与运动能力结合起来评定疲劳的发生和疲劳程度;②有助于选择客观指标评定疲劳,如心率、血乳酸、最大吸氧量和输出功率间在某一特定水平工作时,单一指标或各指标的同时改变都可用来判断疲劳。 
    运动性疲劳是运动本身引起的机体工作能力暂时降低,经过适当时间休息和调整可以恢复的生理现象,是一个极其复杂的身体变化综合反应过程。
(二)心理疲劳与身体疲劳
    
疲劳一般分为心理疲劳和身体疲劳。心理疲劳是由于心理活动造成的一种疲劳状态,其主观症状有注意力不集中,记忆力障碍,理解、推理困难,脑力活动迟钝、不准确。行为改变表现为动作迟缓,不灵敏,动作的协调能力下降,失眠、烦躁与不安等。
    
身体疲劳是由身体活动或肌肉活动引起的,主要表现为运动能力的下降。身体疲劳分为全身的、局部的、中枢的、外周的等类型。身体疲劳常因活动的种类不同而产生不同的症状。
    
在运动竞赛和运动训练中,身体疲劳和心理疲劳是密切联系的,故运动性疲劳是身心的疲劳。
二、运动性疲劳的部位及不同类型运动的疲劳特点 (一)运动性疲劳发生的部位
    
疲劳发生的部位可能发生在中枢部位,也可能发生在外周部位。 
    1.中枢疲劳 
    中枢疲劳可能发生在从大脑皮层直至脊髓运动神经元。中枢运动神经系统功能紊乱可改变运动神经的兴奋性,使神经冲动发放的频率减少。早在1971年雅可夫列夫报告,运动性疲劳时大脑中ATPCP水平明显降低,糖元含量减少,r-氨基丁酸水平升高。近年来的研究证实,激烈运动时,脑干和丘脑的5-羟色胺(5-HT)明显升高,5-HT含量升高可激发倦怠、食欲不振、睡眠紊乱等疲劳症状。研究还发现运动时脑中氨含量也增加,脑氨增加可引起许多酶活性下降,ATP再合成速率下降,思维和意识变异,肌肉无力,呼吸急促等,从而引发各种疲劳症状。 
    2.外周疲劳 
    外周疲劳可能发生的部位是从神经—肌肉接点直至到肌纤维内部的线粒体结构等。这些部位中所发生的某些变化与运动性疲劳有着密切的联系。 
    1)神经肌肉接点。
    2)肌细胞膜。
3)肌质网。 4)线粒体。 (二)不同类型运动的疲劳特点 
    运动性疲劳是一个极复杂的问题,由于运动的负荷和性质不同均会对人体功能产生不同影响。研究表明,在不同时间的全力运动时,疲劳发生的主要原因不同(表13-1[G1]);在不同代谢类型的运动项目中疲劳的特点也不相同(13-2[G2])。 
    不同运动项目的疲劳存在一定的规律性,短时间最大强度运动的疲劳是由于肌细胞内代谢变化导致ATP转换速率下降所致。长时间中等强度运动疲劳往往与能源贮备动用过程受抑制有关。 
    非周期性练习和混合性练习,其技术动作的不断变化是加深疲劳的重要因素。实验证明,习惯性的、自动化程度高的、节奏性强的动作不易疲劳,而要求精力高度集中以及运动中动作多变的练习,则较易产生疲劳。 
    在静止用力练习时,中枢神经系统兴奋冲动降低,肌肉中血液供应减少以及憋气引起的心血管系统功能下降是产生疲劳的主要原因。
三、运动性疲劳的判断
(一)肌力测定
    1
.背肌力与握力:可早晚各测一次,求出其数值差。如次日晨已恢复,可判断为正常肌肉疲劳。 
    2
.呼吸肌耐力:可连续测5次肺活量,每次测定间隔30s,疲劳时肺活量逐次下降。 
(二)神经系统功能测定
    1
.膝跳反射阈值:疲劳时该指标增高。 
    2.反应时:疲劳时反应时延长。
    3
.血压体位反射:受试者坐姿,休息5min后,测安静时血压,随即仰卧在床上3min,然后把受试者扶起成坐姿(推受试者背部,使其被动坐起),立即测血压,每30s测一次,共测2min,若2min以内完全恢复,说明没有疲劳,恢复一半以上为轻度疲劳,完全不能恢复为重度疲劳。
(三)感觉器官功能测定
    1
.皮肤空间阈:受试者仰卧、横伸单臂、闭眼,测试人员持触觉计或两脚规,拉开一定距离,将其两端以同样的力轻触受试者前臂皮肤,先从感觉不到两点的距离开始,逐渐加大两脚针距离,直到受试者感到了两点的最小距离为皮肤空间阈,又称两点阈。阈值较安静时增加1.52倍为轻度疲劳,增加二倍以上为重度疲劳。
    2
.闪光融合频率:受试者坐位,注视频率仪的光源(如红色),直到将红光调至明显断续闪光融合频率为止,又称临界闪光融合频率。测三次,取其平均值,疲劳时闪光融合频率减少。如轻度疲劳时约减少1.03.9Hz,中度疲劳时约减少4.07.9Hz,重度疲劳时减少8Hz以上。
(四)生物电测定
    1.心电图:疲劳时S-T段向下偏移,T波可能倒置。 2.肌电图测定     3.脑电图测定:
(五)主观感觉判断(RPE 第四节 恢复过程
    
恢复过程是指人体在体育运动结束后,各种生理功能和能源物质逐渐恢复到运动前状态的一段功能变化过程。
一、恢复过程的一般规律 13-3 消耗与恢复过程    消耗和恢复过程可简要地分为三个阶段(图13-3  第一阶段:运动时能源物质主要是消耗,体内能源物质逐渐减少,各器官系统功能逐渐下降。
   
第二阶段:运动停止后消耗过程减少,恢复过程占优势,能源物质和各器官系统的功能逐渐恢复到原来水平。
    
第三阶段:运动中消耗的能源物质在运动后一段时间内不仅恢复到原来水平甚至超过原来水平,这种现象叫“超量恢复”或“超量代偿”,保持一段时间后又回到原来水平。
    
超量恢复是客观存在的规律。国外有人让两名实验对象分别站在一辆自行车的两侧同时蹬车,其中一人用右腿蹬车左腿休息,另一人用左腿蹬车右腿休息,当运动至精疲力尽时,测定运动腿股外肌的肌糖原含量接近于零。运动后连续3天食用高糖膳食不参加任何运动,结果运动腿股外肌肌糖原含量比安静腿多一倍(图13-4)。
13-4 肌糖原的充填(超量恢复)     超量恢复的程度和时间取决于消耗的程度,在一定范围内肌肉活动量愈大,消耗过程愈剧烈,超量恢复也愈明显。如果活动量过大,超过了生理范围,恢复过程就会延缓(表13-4)。运动实践证明,运动员在超量恢复阶段参加训练和比赛,能提高训练比赛效果。
      
13-4 动物进行不同活动量肌糖原的消耗和恢复
组别          肌糖原(mg%
每分钟肌 肉收缩次数 持续活动 时间(min 活动 停止后 活动后 4小时 活动后 24小时
1 30 30 -140 -31 +16
2 60 15 -381 -194 +18
3 104 9 -519 +45
4 208 4.5 -785 517 -49
  二、机体能源储备的恢复 (一)磷酸原的恢复
    
磷酸原的恢复很快,在剧烈运动后被消耗的磷酸原在2030s内合成一半,23min可完全恢复。磷酸原的恢复主要是由有氧氧化系统供能。运动中磷酸原消耗的愈多,其恢复过程需要的氧也愈多。 
(二)肌糖原储备的恢复
    
肌糖原是有氧氧化系统和乳酸能系统的供能物质,也是长时间运动延缓疲劳的一个因素。影响肌糖原恢复的速度有两个主要因素,一是运动强度和运动持续时间;二是膳食。
(三)氧合肌红蛋白的恢复
    
氧合肌红蛋白存在于肌肉中,每kg肌肉约含11ml氧。在肌肉工作中氧合肌红蛋白能迅速解离释放氧被利用,而运动后几秒钟可完全恢复。
(四)乳酸再利用
    
乳酸是糖酵解的产物,其中仍蕴藏有大量的能量可以被利用。在以往的研究中,认为乳酸绝大部分用于合成肝糖元才能被再利用。近几年的研究认为,乳酸在工作肌中被继续氧化分解利用占绝大部分。
       
根据上述能量贮备的恢复规律及乳酸利用过程,在进行力歇性运动后所需的恢复时间可参考表13-5
13-5 力歇运动后的恢复所需要时间
                            
最少 最多
         肌中磷酸原(ATPCP)恢复
         
非乳酸性氧债的偿还
         
氧合血红蛋白恢复
         
肌糖原的恢复(长时间运动后)
                     
(间歇运动后)
         
肌和血中乳酸的消除:(运动性恢复)
                            
(休息性恢复)
         
乳酸性氧债的偿还
2min
3min
1min
10h
5h
30min
1h
30min
3min
5min
2min 
46h 
24h 
1h 
2h 
1h
(引自Fox, 1979   三、促进人体机能恢复的措施
    
运动性疲劳是体内多种因素综合变化的结果,因此必须采用多种科学手段才能加速机体功能的恢复。
(一)活动性手段 
    1.变换活动部位和调整运动强度 
    谢切诺夫在1903年进行测力描记实验中发现,右手握测力器工作到疲劳后,以左手继续工作来代替安静休息,能使右手恢复的更迅速更完全。他认为,在休息期中来自左手肌肉收缩时的传入冲动会加深支配右手的神经中枢的抑制过程,并使右手血流量增加。用转换活动的方式来消除疲劳,也叫积极性休息。研究还证明,与安静休息相比较,活动性休息可使乳酸的消除快一倍。 
    2.整理活动 
    整理活动是指在正式练习后所做的一些加速机体功能恢复的较轻松的身体练习。通过整理活动,可减少肌肉的延迟性酸疼,有助于消除疲劳;使肌肉血流量增加,加速乳酸利用;预防从激烈活动骤然停止可能引起的机体功能失调。例如,跑到终点后站立不动,血液大量集中在下肢扩张的血管内,使静脉回心血量减少,因而心输出量下降,血压降低,造成暂时性贫血,产生不适感,甚至出现“重力性休克”;此外,有利于再从事其它的练习。
(二)营养性手段 
    运动能力恢复的关键在于恢复机体的能量储备,包括肌肉及肝脏的糖元储备、关键酶的活性(维生素B复合体及微量元素等)以及体液、元素(如铁)平衡、细胞膜的完整性等。无疑,补充营养是恢复的物质基础。 
三)药物手段
(四)睡眠 
五)物理手段 
    在大强度和大运动量训练之后,常采用按摩、理疗、吸氧、针灸、气功等医学物理手段加速机体恢复。
(六)心理学手段
   
    对身体起作用的心理手段、种类非常多。其中主要有:暗示性睡眠休息,肌肉放松,心理调整训练(个人和集体的),各种消遣和娱乐活动,舒适的生活条件等。
思考题: 1、  依据赛前状态的生理变化及其机制,如何调整和提高机体的工作能力? 2、  为什么人体在运动时机体工作能力是逐步提高的? 3、  依据“极点”和“第二次呼吸”产生机制,谈谈你在运动实践中如何对待? 4、  真稳定状态和假稳定状态有何区别? 5、  简述运动性疲劳产生机制的学说? 6、  了解不同类型运动的疲劳特点有何实践意义? 7、  判断运动性疲劳的生理学方法有哪些? 8、  试述恢复过程的阶段性特点及超量恢复的实践意义? 9、  比较准备活动与整理活动的作用? 10、试述你对各种恢复手段的认识?

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