消防员不同任务（载荷）“走-跑-上下楼”的生物力学特征及适应性研究
研究目的： 消防救援战斗力不仅是限力救援任务能否高效完成的关键因素，也是消防员生命安全与健康的重要保障。消防救援技术优化、损伤预防科学与科学策略是其软战斗力的关键构成部分，而救援技术如何优化、伤病减员如何预防与科学救援策略如何提出更是消防救援战斗力提升的重要科学问题。本研究拟通过消防救援共性特征（不同人完成常见消防救援任务的生物力学规律）与异性特征（救援任务适应性规律即消防救援主体-客体-方法的优化配置）两个方面探索，旨在一定程度上实现消防救援技术优化、策略科学化与伤病减员预防，以期提升消防救援战斗力。 研究方法： （1）消防救援共性规律（生物力学特征）研究：选取桂林市消防救援支队14名现役健康消防员作为实验对象，分别进行不同救援任务的走、跑和上下楼测试。走-跑测试在实验室完成，实验模拟实战救援设置了普通组、消防服组、煤气罐组、消防梯组与假人组5类任务测试。除煤气罐与消防梯以优势侧单肩负载外其余任务为双肩背载，要求以个人最快速度完成走-跑任务。主要采用Qualisys红外运动捕捉系统与AMTI步道测力系统同步采集5组任务（载荷）走-跑的运动学与动力学数据。上-下楼跑测试在楼道内完成，上楼跑实验设置了普通组、消防服组与水带组3类测试，而下楼跑改水带组为煤气罐组与假人组完成4类测试，均要求以个人最快速度完成上-下楼跑任务。主要采用2台摄像机同步拍摄消防员上-下楼跑任务进行三维运动学测试。（2）消防救援异性规律（适应性）研究：选取桂林市消防救援支队60名不同身体条件（力量与速度素质）现役健康消防员作为实验对象，分别进行不同任务（载荷大小与方式）400米跑和上下楼跑（3层）实验测试。实验前参照《消防体能训练（中国消防救援学院规划教材）》方案分别采用100米跑成绩与引体向上/深蹲起立次数将60名受试消防员的速度与力量素质等级评定为优秀、良好与较差3类，同时参考消防救援实战实验分别设计了大（30kg）中（20kg）小（10kg）3类载荷大小与肩扛式-怀抱式-手提式3类载荷方式，受试者依序（见附录5）随机完成每种运动形式（400米与上下楼跑）的3类测试。主要采用空气呼吸器、秒表与三维运动学测试采集数据。（3）主要采用单因素方差分析、配对t检验与多因素方差分析对不同任务间参数差异进行检验（著性水平设为0.05）。 研究结果： 1.（1）行走时，与普通组相比，煤气罐组、消防梯组和假人组步速均下降而时长增大（P＜0.05）；奔跑时，与普通组和消防服组相比，煤气罐组、消防梯组和假人组单步长及步速均下降（P＜0.05）；与普通组相比，上楼跑时消防服组和水带组步速均下降而时长增大、下楼跑煤气罐组和假人组复步长与步速均下降（P＜0.05）；（2）行走时，与普通组相比，其它四组髋膝关节屈伸范围与屈曲峰值角度均增大（P＜0.05）；奔跑时，与普通组相比，消防梯组和假人组髋关节屈伸范围与膝关节屈曲峰值角度均增大（P＜0.05）；上楼跑时，与普通组相比，水带组髋膝关节屈伸范围与屈曲峰值角度均增大，下楼跑时，与普通组和消防服组相比，假人组髋关节屈伸范围与屈曲峰值角度减小而踝关节背跖屈范围与跖屈角度增大（P＜0.05）；（3）下楼跑时，与普通组和消防服组分别相比，煤气罐脊柱侧倾角度、假人组脊柱前倾与侧倾角度均增大（P＜0.05）；（4）行走时，与普通组相比，其余四组髋膝关节屈曲与伸展峰值力矩、踝关节跖屈峰值力矩均增大（P＜0.05）；与普通组和消防服组相比，其余三组vGRF峰值均增大（P＜0.05）。奔跑时，与普通组相比，其余四组髋膝踝关节屈曲与伸展峰值力矩均增大（P＜0.05），与消防服组相比，消防梯和假人组髋膝关节屈曲与髋伸展峰值力矩均增大（P＜0.05）；髋膝关节屈曲和伸展峰值力矩分别在蹬伸期初期与缓冲期初期达到峰值而踝关节背屈和跖屈峰值力矩在蹬伸期中期与缓冲期初期达到峰值。与普通组相比，消防服组、消防梯组和假人组vGRF峰值均增大（P＜0.05）；与其他四组相比，假人组vGRF峰值均增大（P＜0.05）；（5）关节功率方面，与普通组相比，行走时其它四组髋膝关节功率峰值、踝关节功率谷值均增大而踝关节功率峰值减小（P＜0.05）。奔跑时，与普通组相比，其它四组膝关节功率峰值均增大而踝关节功率峰值均减小（P＜0.05）；与普通组相比，煤气罐组、消防梯组和假人组髋关节功率谷值均减小（P＜0.05）。关节做功方面，行走时，与普通组相比，其余四组髋关节蹬伸期做功与总功、膝关节缓冲期与蹬伸期做功及总功均增大（P＜0.05）；与消防服组相比，消防梯组和假人组髋膝踝关节缓冲期与蹬伸期做功与总功均增大（P＜节缓冲期做功均小于蹬伸期（假人组与煤气罐组膝关节除外）（P＜0.05）。奔跑时，与普通组相比，煤气罐组、消防梯组和假人组髋膝关节蹬伸期做功均增大（P＜0.05），与消防服组相比，消防梯组和假人组髋膝关节蹬伸期做功与支撑期总功均增大（P＜0.05）。各组膝关节蹬伸期做功小于缓冲期（煤气罐组除外）而踝关节蹬伸期做功大于缓冲期（P＜0.05）。关节贡献度方面，行走时，与普通组相比，假人组髋关节贡献度增大而踝关节减小（P＜0.05）；与普通组相比，其余四组膝关节贡献度均增大（P＜0.05）。奔跑时，与普通组相比，消防梯组和假人组膝关节贡献度均增大而踝关节均减小（P＜0.05）；（6）行走时，与普通组相比，其余四组髋踝关节缓冲期与支撑期总刚度、膝关节蹬伸期与支撑期总刚度均增大（P＜0.05），各组髋膝关节缓冲期刚度均大于蹬伸期而踝关节缓冲刚度均小于蹬伸期（P＜0.05）。奔跑时，与普通组相比，其余四组髋关节缓冲期刚度、踝关节蹬伸期刚度及髋膝踝支撑期总刚度均增大（P＜0.05），各组髋膝关节缓冲期刚度大于蹬伸期（P＜0.05）。2.（1）身体素质优秀等级消防员完成平地/上下楼救援跑、小载荷、肩扛式标准化氧耗要低于其它类型（P＜0.05）；手提小载荷上下楼跑与肩扛中大载荷标准化氧耗要低于其它类型（载荷大小*方式，P＜0.05）；力量素质优秀等级消防员完成中大载荷上下楼跑标准化氧耗要小于其它类型（力量素质*载荷大小，P＜0.05）；力量素质优秀和较差等级消防员上楼救援跑与速度素质非优秀等级消防员上下楼跑均采取肩扛式标准化氧耗要小于其它类型（力量/速度素质*载荷方式，P＜0.05）；（2）身体素质优秀等级消防员、大载荷、肩扛式完成平地/上楼跑与手提式下楼跑的标准化时耗均低于其它类型（P＜0.05）；力量素质优秀等级消防员完成中大载荷上下楼跑标准化时耗要低于其它类型（力量素质*载荷大小，P＜0.05）；力量素质优秀和良好等级消防员采取肩扛式、力量素质较差等级采取怀抱式平地跑标准化时耗均小于其它类型（力量素质*载荷方式，P＜扛大载荷上下楼跑标准化时耗均低于其它方式（载荷大小*方式，P＜0.05）；（3）力量素质优秀等级消防员、完成大载荷平地/上下楼跑标准化脊柱倾斜（前倾/侧倾）角度小于其它等级（P＜角度与采用怀抱式标准化脊柱侧倾角度完成平地跑、采用肩扛式完成上下楼跑标准化脊柱倾斜角度均低于其它类型（P＜跑救援时力量素质良好与优秀等级消防员完成中大等载荷标准化脊柱前倾角度与力量素质优秀等级完成中大载荷任务标准化脊柱侧倾角度均低于其它类型（力量素质*载荷大小，P＜0.05）；力量素质优秀等级消防员完成小载荷上楼跑标准化脊柱侧倾角度要低于其它等级（力量素质*载荷大小，P＜0.05）。中大载荷采用怀抱式平地跑标准化脊柱侧倾角度要低于其它类型（载荷大小*方式，P＜质优秀和良好等级消防员采取肩扛式下楼跑标准化脊柱侧倾角度均要小于其它类型（力量素质*载荷方式，P＜0.05）；（4）身体素质优秀等级消防员标准化重心左右位移小于其它等级、力量素质优秀等级消防员标准化重心上下位移小于其它等级、完成大载荷、采用肩扛式标准化重心（左右和上下）位移均低于其它类型（P＜0.05）；力量素质优秀等级消防员完成中小载荷标准化重心左右位移与力量素质优秀和良好等级消防员完成小与中载荷平地跑标准化重心上下位移、力量素质优秀等级消防员完成中与小载荷上楼跑标准化重心位移、力量素质优秀和良好等级消防员完成中与小载荷下楼跑标准化重心位移均低于其它类型（力量素质*载荷大小，P＜0.05）；力量素质优秀等级消防员采取肩扛式平地跑标准化重心上下位移、力量素质优秀和较差等级消防员采取肩扛式上下楼跑标准化重心上下位移均低于其它类型（力量素质*载荷方式，P＜上下位移均低于其它类型（载荷大小*方式，P＜）。 研究结论： 1.消防员主要通过减小步速（平地/下楼跑是减小步长而上楼跑是延长步时）来调整救援载荷增加带来身体失衡；消防员通过增大下肢关节屈伸以调整平地与上楼跑救援载荷增加产生的身体姿态不适而减小髋-膝屈伸以完成下楼跑救援，除假人组外消防员均以固定姿态完成所有可承受任务（载荷）的平地跑救援，提示消防员可能不适应假人负荷训练；消防员平地-上下楼跑重心左右位移随着载荷增加而增大但上下位移则下降，提示“刚化”下肢应对载荷增加是动作经济性需求但对下肢力量会有更高要求。2.下楼跑救援煤气罐组有脊柱侧倾风险而假人组有侧倾与前倾双风险；所有运动形式假人组下肢关节均有急性损伤风险，平地跑救援髋-踝关节急性损伤的姿态风险点均在缓冲与蹬伸初期而膝关节则大概率发生在缓冲中期与蹬伸初期；平地跑救援消防梯组与假人组髋膝关节劳损风险可能在缓冲期，且膝关节缓冲期容易损伤而踝关节在蹬伸期损伤风险更大。3.①从生命安全维度（标准化氧耗）来看，力量与速度素质优秀等级消防员分别完成上下楼与平地跑救援任务更具有氧利用优势，消防员执行小载荷任务与采用肩扛式完成救援任务均具有氧利用优势；力量素质优秀等级消防员更适宜采取肩扛式上楼跑救援与完成中大载荷上下楼跑救援，非优秀等级速度素质消防员更适宜采取肩扛方式上下楼跑救援，完成中大载荷任务适宜采用肩扛式而完成小载荷任务上下楼跑更适合手提式。②从任务效率维度（标准化时耗）来看，身体素质（力量/速度素质）优秀等级消防员与执行大载荷救援任务效率更高，采用肩扛式与手提式分别完成平地/上楼跑救援与下楼跑救援任务效率更高；力量素质优秀和良好等级消防员平地跑救援更适合肩扛式而力量素质较差等级更适应怀抱式，力量素质优秀等级消防员更适应完成中大载荷上下楼跑救援，大载荷任务更适宜采取肩扛式完成上下楼跑救援而小载荷任务应采用手提式实现下楼跑救援。③从任务健康维度（标准化脊柱倾斜角度）来看，力量素质优秀等级消防员与执行大载荷救援脊柱倾斜（前倾/侧倾）损伤风险更低，手提式脊柱前倾与怀抱式脊柱侧倾平地跑救援损伤风险更小而肩扛式脊柱倾斜（前倾/侧倾）上下楼跑救援损伤风险更低；从脊柱前倾损伤风险看，力量素质良好与优秀等级消防员分别适合完成中大等载荷平地跑救援；从脊柱侧倾损伤风险看，力量素质优秀等级消防员适合完成中大载荷平地跑与小载荷上楼跑救援，且完成中大载荷适合采用怀抱式。④从工效维度（标准化重心位移）来看，身体素质优秀等级消防员平衡适应性好而力量素质优秀等级缓震适应强，且完成大载荷与肩扛救援的平衡与缓震适应均好；力量素质优秀与良好等级消防员分别适应中小载荷任务救援，所有载荷等级均适应肩扛式而肩扛式更适应力量素质优秀等级消防员。
生物力学;消防员;任务载荷;上楼跑;下楼跑;体能训练
广西师范大学
博士
运动人体科学
刘卫国
2023
中文
G804.6;G808.1
2023-08-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）