биомеханизмы циклических локомоций
advertisement
БИОМЕХАНИЗМЫ ЦИКЛИЧЕСКИХ ЛОКОМОЦИЙ (бег, в елоспорт, конькобежный с порт) В. Н . С ЕЛУЯНОВ, Р оссия, М осква, Р ГУФК, Н ИИ П роблем с порта Теоретическое исследование техники спортивного двигательного действия, иначе гово-­‐ ря, умозрительное моделирование, можно выполнить следующим образом [6, 15]. Э т а п 1 . О п и с а н и е н ач а л ь н ы х ус л о в и й д в и г а т е л ь н о г о д е й с т в и я . Описание движения в циклических видах спорта начинается с определенного (оговорен-­‐ ного) действия. В беге с начала постановки опорной ноги. В велосипедном спорте анализ начинается с проталкивания педали в верхней «мертвой точки», а в конькобежном с началом выполнения махового движения ногой. Цель двигательного действия достиг-­‐ нуть максимальной скорости передвижения при заданных величинах метаболических возможностей исполнительного аппарата (мышц, дыхательной и сердечно-­‐сосудистой системы). Цель научного исследования определить основные биомеханизмы, обеспечи-­‐ вающие достижение этой цели. Э т а п 2 . З а д ач и и с с л е д о в а н и я : • Построить скелетно-­‐мышечную модель ОДА. • Сконструировать основные биомеханизмы. • Изучить свойства биомеханизмов. • Исследовать взаимодействие биомеханизмов при выполнении движения. • Экспериментально проверить вклад биомеханизмов в решение двигательной задачи. Э т а п 3 . М од е л ь о п о р н о -­‐д в и г а т е л ь н о г о а п п а р а т а ч е л о в е к а . ОДА можно представить в виде многозвенной модели (стопа, голень, бедро, туловище с головой, плечо, предплечье с кистью). Каждое звено имеет известные величины масс, расположения центров масс и моментов инерции. Звенья соединены шарнирами без трения. К звеньям прикреплены мышцы. ЦНС должна быть представлена в виде «черного ящика» (функциональный подход). ЦНС в данном случае имеет определенное количество блоков для активации мышц. В каждом блоке заложена нами программа изменения нормированной (по отношению к активности выполнения упражнения в целом) активности мышцы во времени. После задания интенсивности выполнения упражнения происходит запуск модели (имитаци-­‐ онное моделирование). Э т а п 4 . Умозрительное моделирование со сложной моделью выполнить трудно, поэтому ее упрощают. Выделяем в сложной модели одну часть, которая, независимо от движения других звеньев тела, позволит внести вклад в достижение поставленной цели движения. Такой частью может быть биомеханизм разгибания ноги, т. е. четырехзвенная кинемати-­‐ ческая цепь (стопа, голень, бедро, таз) с двигателями, которые создают в шарнирах управляющие моменты сил. Блок управления (ЦНС), реализующий программы управле-­‐ ния движениями, минимально может быть представлен тремя двигательными нейрона-­‐ ми, максимально — по блоку управления на каждую мышцу. Далее рассматривается движение модели при различных начальных условиях. Э т а п 5 . Описание основных биомеханизмов реализации двигательного действия, разработка экспериментальных планов для доказательства наличия предсказанных биомеханизмов и оценки их вклада. Э т а п 6 . Э кс п е р и м е н т а л ь н а я п р о в е р к а ко р р е к т н о с т и т е о р е т и ч е с к и х с л е д -­‐ с т в и й . Биомеханика спринтерского бега 1 . П р е д в а р и т е л ь н ы й с б о р и н ф о р м а ц и и и о р и е н т и р о в о ч н о е о п р е д е л е н и е ц е л и и с с л е д о в а н и я . При беге на 100 м спринтер ускоряется в течение первых 40 м (4 – 5 с) и достигает мак-­‐ симальной скорости. Увеличение скорости связано с ростом длины шага, такая же тен-­‐ денция отмечается при анализе длины и темпа бега у спортсменов высшей квалифика-­‐ ции, большая скорость бега коррелирует с длиной шага [1, 6, 30]. В беговом цикле выделяют безопорный и опорный периоды одиночного шага. Обычно за время опоры ОЦМТ перемещался на 52 %, полета — 48 %. На опоре 30 % приходилось на амортизацию и 70 % на отталкивание (разгибание в суставах ноги) [1, 6, 14]. 2 . У т о ч н е н и е ц е л и и з а д ач и с с л е д о в а н и я . Цель испытуемого — выполнить максимально быстрый бег. Цель исследователя — изучить основные биомеханизм, определяющие эффективность спринтерского бега. Задачи исследования: — выполнить теоретический биомеханический анализ отталкивания в спринтерском беге; — экспериментально изучить действие основных биомеханизмов на результативность отталкивания спортсмена в спринтерском беге. 3 . П о с т р о е н и е м од е л и о бъ е к т а . Наиболее простой и адекватной моделью опорно-­‐двигательного аппарата спортсмена может быть плоская модель, состоящая из двух рук (предплечье с кистью, плечо), двух ног (бедро, голень, стопа), туловища с головой. Поскольку мышцы ног выполняют в беге основную работу, то следует моделировать мышцы нижних конечностей для двух ног (опорной и маховой). 2 4 . Ум о з р и т е л ь н ы й э кс п е р и м е н т. Спринтер имеет перед началом приземления большой запас кинетической и потенциальной энергии. Это обуславливает особенность техники отталкивания. Рассмотрим сначала функционирование опорной ноги за период опоры [1, 6, 12, 14, 24, 31]. Нога ставится вперед слегка согнутой, поскольку только в этом случае, мышцы раз-­‐ гибатели коленного и тазобедренного сустава могут преодолеть внешние силы, а часть кинетической и потенциальной энергии накопить в себе. Для увеличения момента силы в мышцах ТБС следует еще в полете активировать мышцы задней поверхности бедра. В этом случае двусуставные мышцы (длинная головка двуглавой, полусухожильная и полуперепончатая) помогут удержать туловище от падения вперед, уменьшат глубину подседа, повысят эффективность функционирования биомеханизма перевернутого ма-­‐ ятника, т. е. вращения всего тела вокруг точки опоры, перевода поступательной энергии тела во вращательную. Дальнейшая активность мышц-­‐разгибателей ТБС, очевидно, со-­‐ здаcт основную величину импульса силы, направленного на поддержание горизонталь-­‐ ной скорости движения ОЦМТ. Следовательно, кинематическая цепь — туловище, бедро, голень, стопа — обеспечивает действие биомеханизмов: — перевернутого маятника; — загребающей постановки ноги; — накопления энергии упругой деформации в растягиваемых мышцах; — разгибания суставов ноги с акцентом на разгибание ТБС. Рассмотрим вклад биомеханизма махового движения ноги. При торможении тела энер-­‐ гия не исчезает, в частности, она вызывает ускорение вращения маховой ноги. Центро-­‐ бежные силы в центрах масс звеньев маховой ноги увеличивают загрузку опорной ноги, а после прохождения ЦМ маховой ноги вертикали и начала торможения маховой ноги кинетическая энергия ее переходит в кинетическую энергию вертикального вылета ОЦМТ. Рассмотрим вклад биомеханизма махового движения двух рук. В беге руки двигаются на встрече друг к другу, поэтому они не могут способствовать созданию продвигающей силы (в отличие от маховой ноги), горизонтальные составляющие силы всегда направ-­‐ лены на встречу друг к другу и взаимно компенсируются. Иначе соотносятся вертикаль-­‐ ные составляющие силы, возникающие в центрах масс звеньев рук. На опоре обе руки сначала двигаются вниз, а значит сначала разгружают опорную ногу. При прохождении около вертикали ЦМ рук центробежные силы начинают загружать опору, как и инерционные силы, возникающие при ускоренном движении ЦМ рук вверх. Торможе-­‐ ние рук в конце опоры должно передать их кинетическую энергию ОЦМТ, т. е. должно произойти увеличение длительности полета. Очевидно, что центробежные силы, дей-­‐ ствующие на руки, должны увеличить загрузку мышц-­‐разгибателей тазобедренного (ТБС) и коленного (КС) и голеностопного (ГС) суставов, однако увеличение запасов энер-­‐ гии упругой деформации может произойти только в разгибателях голеностопного суста-­‐ ва, т. е. в основном в икроножной и камбаловидной мышцах, поскольку коленный сустав по ходу отталкивания почти не меняет своей формы. Следовательно, вертикальное по-­‐ ложение ЦМ рук должно согласовываться с максимальным сгибанием коленного сустава опорной ноги. В этот же момент должно произойти максимальное ускорение в разгибании маховой ноги в ТБС, что также должно увеличить вертикальную составля-­‐ ющую опорной реакции. Далее идет разгибание в ГСС, КС и ТБС одновременно. Руки про-­‐ должают вращение и начинают тормозится, что облегчает процесс отталкивания. Таким образом, рациональное отталкивание характеризуется и скоординированным использованием биомеханизмов: 3 одновременным — перевернутого маятника, т. е. падения тела вперед как целого для увеличения верти-­‐ кальной скорости вылета ОЦМТ и загрузки мышц-­‐разгибателей коленного сустава опор-­‐ ной ноги, вклад этого механизма, видимо, минимален, поскольку время амортизации (опускания ОЦМТ) составляет более 40 % длительности опоры; — махового движения ноги и рук для увеличения загрузки суставов (увеличения момен-­‐ тов) опорной ноги, с последующим их торможением для увеличения вертикальной ско-­‐ рости вылета ОЦМТ, следовательно, длины шага; — накопления в мышцах-­‐сгибателях ( подошвенных разгибателях) ГСС опорной ноги энергии упругой деформации (эти мышцы должны растягиваться); — загребающей постановки опорной ноги, для более раннего приведения основных дви-­‐ гателей — мышц-­‐разгибателей ТБС в активное состояние. 5 . Ре ш е н и е з а д ач и с с л е д о в а н и я с п о м о щ ь ю м од е л и . Увеличение массы туловища и опорной ноги (в частности, за счет жира) должно приве-­‐ сти к росту загрузки мышц опорной ноги, следовательно, к снижению мощности их функционирования, уменьшению глубины подседания. Увеличение массы рук может привести к увеличению вклада мышц верхних конечностей в результат бега, за счет уве-­‐ личения вылета ОЦМТ в каждом отталкивании, т. е. увеличится длина шага. 6 . Э кс п е р и м е н т а л ь н о е о б о с н о в а н и е э ф ф е к т и в н о с т и ф у н к ц и о н и р о в а н и я б и о м еха н и з м о в в с п р и н т е р с ко м б е г е . С целью проверки степени влияния геометрии масс тела на технику бега был выполнен эксперимент [6] на трех испытуемых (масса 60 – 90 кг, длина тела 170 – 190 см, квалифицированные легкоатлеты). Каждый атлет выполнял имитацию бега на месте для определения максимального темпа движений руками, бег на отрезке 50 м, последние 20 м пробегались с постоянной скоростью. С начала выполнялось 5 попыток в нормальных условиях, от попытки к попытке скорость возрастала от 3 до 9 м/с. Затем опыт повторялся с грузом 1 кг в каждой кисти. Бег фиксировался на видеопленку. Каме-­‐ ра устанавливалась на высоте 1,4 м, отстояла от линии бега на расстоянии 30 м. Далее при покадровом просмотре определялось время преодоления отрезка 12,2 м, длитель-­‐ ность цикла бега, а далее вычислялись скорость, темп и длина шага. 7 . Ре з ул ьт а т ы Максимальный темп движений руками при имитации бега на месте составил 6,5 – 7,5 ш/с. После обучения бегу с грузом испытуемые участвовали в эксперименте. У всех про-­‐ изошло увеличение длины шага за счет использования биомеханизма маховых движе-­‐ ний рук. Причем с ростом скорости его вклад увеличивался. Например, у испытуемого В-­‐ 1 в нормальном случае была обнаружена линейная связь: L = 0,8 + 0,26 × V ; R = 0,95; при наличии 1 кг в каждой руке: L = 0,8 + 0,29 × V ; R = 0,95. Таким образом, можно предположить что увеличение мышечной массы у американских спринтеров 1980 – 1990 гг. способствовало достижению ими выдающихся результатов в спринте. Для более убедительного подтверждения этого положения приведем данные В. В. Тюпы (1978) о вкладе рук в величину опорной реакции в спринтерском беге. По его данным при беге со скоростью 9,6 м/с спринтер с массой примерно 70 кг может создать с помощью рук дополнительную нагрузку на опорную ногу порядка 400 Н. При этом ма-­‐ ховая нога создает нагрузку в 700 Н. 4 Экспериментальное исследование спринтерского бега Описание техники бега выполнено по результатам компьютерной обработки данных ви-­‐ деопленки, которая начиналась с момента постановки ноги на опору [6]. Исходная поза: нога еще в воздухе, но на следующем кадре она будет на опоре. Движение далее продол-­‐ жается при одновременном вращении рук в плечевых суставах навстречу друг к другу, подседе на опорной ноге, сгибании маховой ноги, далее идет разгибание в ТБС, КС и ГСС одновременно. Руки и маховая нога продолжают вращение и при приближении к горизонтальному положению начинают тормозиться, что облегчает процесс отталки-­‐ вания. Здесь представлены данные биомеханического анализа спринтерского бега спортсмена 17 лет, результат 8,03 с, скорость бега во время анализа 8,33 м/с, темп 3,57 ш/с, длина шага 2,20 м. Общий центр массы за время опоры опустился и поднялся на 6 см, скорость изменилась от −1,0 до +1,0 м/с. Суммарная энергия сначала уменьшается, а затем увели-­‐ чивается на 150 Дж (минимальная энергия составила 4004 Дж). Звенья маховой ноги приобретают (110 Дж) и теряют (60 Дж) вертикальной составляющей энергии. Звенья рук двигаются так, что происходит взаимокомпенсация передачи энергии. Поэтому у данного спортсмена биомеханизм маховых движений рук действует не эффективно. Продвижение вперед обеспечивается главным образом действием мышц опорной ноги. Анализ показывает, что основными двигателями являются мышцы разгибатели тазо-­‐ бедренного сустава. Длинная головка двуглавой мышцы бедра начинает сокращаться еще до постановки ноги на опору, а во время опоры сокращается с постоянной скоростью −0,895 м/с. Широкие МБ опорной ноги растягиваются и сокращаются с минимальной скоростью 0,05 – 0,1 м/с. Прямая мышца бедра опорной ноги растягивается со скоростью 0,75 м/с, поэтому в конце опоры может передавать мощность от ТБС к КС. Икроножная и камбаловидная мышцы сокращаются во второй половине опоры и, видимо, обеспечи-­‐ вают создание вертикальной составляющей скорости вылета ОЦМТ. Маховое движение ногой обеспечивается сокращением подвздошно-­‐поясничной мышцы −0,55 м/с, а также прямой мышцы бедра −1,3 м/с. Мышцы задней поверхности бедра ма-­‐ ховой ноги растягиваются. ДГ двуглавой МБ растягивается с максимальной скоростью к концу опоры +1,4 м/с. Вызвано это началом выхлестывания голени, работой ШМБ −0,7 м/с. Таким образом, спортсмен в беге эффективно использует биомеханизмы: — перевернутого маятника, опорная нога практически не сгибается в коленном суставе; — махового движения ногой; — накопления энергии упругой деформации в мышцах-­‐разгибателях голеностопного сустава, которые сначала растягиваются, а затем сокращаются. Спортсмен практически не использует биомеханизм маховых движений рук. В л и я н и е с ко р о с т и б е г а н а с ко р о с т ь с о к р а щ е н и я м ы ш ц Для установления этой зависимости можно изучить кинематику движений при беге од-­‐ ного испытуемого с разной скоростью или у лиц бегущих с максимальной скоростью, но с разным уровнем подготовленности, или решить задачу с помощью математического моделирования. Математическое моделирование. Биомеханическая программа позволяет вводить раз-­‐ ный интервал времени между кадрами, при этом пространственное перемещение оста-­‐ ется как в реальном эксперименте. Имитационное моделирование было выполнено на данных спортсмена М-­‐22. Интервал времени изменялся 0,06; 0,05; 0,04; 0,03 с. 5 Результаты исследования скорости сокращения большой ягодичной мышцы представ-­‐ лены в табл. 1. Из табл. 1 видно, что с ростом скорости бега увеличивается скорость со-­‐ кращения мышц. Заметим, что рост этот линеен. Чисто теоретическими соображениями можно обосновать влияние размеров тела и длины мышечных волокон на скорость бега и сокращение мышц. Например, уменьше-­‐ ние размеров скелета должно приводить к уменьшению амплитуды сокращения мышц, а уменьшение длины мышечного волокна — к уменьшению в нем количества саркоме-­‐ ров, следовательно, к уменьшению максимально возможной скорости сокращения мыш-­‐ цы. Таблица 1. Изменение скорости сокращения двуглавой мышцы бедра при увеличении скорости бега (имитационное моделирование). Скорость бега, м/с 5,80 7,00 8,60 11,50 Интервал времени, с 0,06 0,05 0,04 0,03 Скорость сокращения большой ягодичной мышцы, м/с −0,67 −0,81 −0,89 −1,35 Скорость сокращения длинной головки двуглавой мышцы бедра, м/с −0,60 −0,71 −0,74 −1,19 Таким образом, по мере взросления у детей должна расти максимальная скорость со-­‐ кращения мышц и бега за счет увеличения длины мышечных волокон и размеров скеле-­‐ та. В случае нарушения этой тенденции причинами могут быть: особенности телосложе-­‐ ния, мышечная композиция, техника бега. В то же время темп бега может быть стабиль-­‐ ной характеристикой, поскольку момент инерции маховой ноги с ростом тела растет очень быстро — пропорционально квадрату длины тела. Напомним, что момент инерции равен произведению массы на радиус инерции в квадрате. Особенности функционирования мышц ног в спринтерском беге Анализ зарегистрированных величин скоростей растяжения и сокращения мышц пока-­‐ зывает, что мышцы разгибающие ТБС имеют разные скорости (табл. 2). Это обусловлено различием плеч тяги, поэтому к длинной и короткой головкам двуглавой мышцы бедра в легкой атлетике предъявляются особые требования — они должны быть быстрыми (высокий процент быстрых мышечных волокон). Ягодичные мышцы сокращаются в 2– 3 раза медленнее, поэтому мышечная композиция здесь не может играть существенного значения, ведущим фактором увеличения ее вклада в энергию отталкивания является силовая подготовка. Особый интерес представляет функционирование двусуставной прямой мышцы бедра опорной ноги. Она растягиваться на всем протяжении опоры, однако ее роль в разгибании коленного сустава может проявиться только в конце отталкивания, когда начинается разгибание коленного сустава. Следовательно, в фазе отталкивания может использоваться биомеханизм двусуставных мышц, который обеспечивает передачу мощности от мышц разгибателей ТБС в разгибание КС. Действие этого механизма связа-­‐ но с большей скоростью растяжения прямой мышцы за счет ТБС, чем ее укорочение в КС. Доля икроножной мышцы в передаче мощности, видимо, незначительна при выполне-­‐ нии спринтерского бега, поскольку она сокращается одновременно с камбаловидной мышцей. 6 Высокая скорость растяжения мышц задней поверхности бедра маховой ноги возможна, т. к. момент инерции ноги в сравнении с телом мал. Скорость длинной головки склады-­‐ вается из двух компонентов — сгибания в ТБС и разгибания в КС («выброс» голени при проносе ее вперед). Анализ величин скорости сокращения мышц показал, что скорость растяжения прямой мышцы бедра опорной ноги тесно коррелирует (r = 0,92) с длиной шага. Видимо, чем выше квалификация, тем ниже посадка, тем дальше можно вынести ногу и выполнить более эффективно задний толчок. Таким образом, результаты исследования показали, что геометрия массы тела влияет на организацию двигательных действий бегуна спринтера. Увеличение инертной массы тела приводит к снижению относительной силы отталкивания, о чем можно судить по относительному уменьшению длины шага. Следовательно подтверждается ранее сде-­‐ ланный вывод об отрицательном влиянии инертных масс, когда их инертность прихо-­‐ дится преодолевать мышцам, мощность которых лимитирует выполнение данного упражнения. В беге мышцы разгибатели ТБС выполняют основную функцию по продвижению спортсмена на опоре, т. к. они сокращаются, пока имеется взаимодей-­‐ ствие с опорой. Мышцы верхнего плечевого пояса прямо не могут оказывать действие на продвижение спортсмена вперед, однако они могут накапливать кинетическую энергию при встреч-­‐ ном вращении и затем отдавать ее туловищу при торможении (движении их вверх во второй половине опоры). Мышцы верхнего плечевого пояса могут поддерживать мак-­‐ симальный темп 6,5 – 7,5 ш/с, т. е. во время бега они работают не с максимальной мощ-­‐ ностью, следовательно увеличение массы верхнего плечевого пояса, силы мышц являет-­‐ ся положительным фактором для увеличения скорости дистанционного спринтерского бега и спринтерской выносливости (снижается темп бега, экономится энергия). Основными механизмами, обеспечивающими эффективность техники спринтерского бе-­‐ га, являются: — разгибание ТБС опорной ноги; — накопление энергии упругой деформации в мышцах ГСС; — маховое движение ноги; — моховое движение рук. Эксперименты с дополнительным грузом и сравнительный биомеханический анализ техники бега подтверждает эти выводы. Таблица 2. Изменение скорости растяжения и сокращения мышц ног в беге Скорость, м/с N Наименование мышцы растяж. сокращ. 1 Камбаловидная 0,02 – 0,60 0,20 – 1,40 2 Икроножная 0,01 – 0,26 0,10 – 0,70 3 Передняя большеберцовая 0,14 – 0,93 0,01 – 0,41 4 Длинная головка двуглавой бедра 0,01 – 1,50 0,60 – 1,00 7 5 Ягодичная 0,10 – 0,47 0,20 – 0,67 6 Передняя подвздошная 0,42 – 0,59 0,30 – 0,60 7 Прямая мышца бедра 0,50 – 0,80 1,20 – 1,50 8 Широчайшая мышца бедра 0,10 – 1,30 0,10 – 0,72 Велосипедный спорт Н ач а л ь н ы е ус л о в и я р е а л и з а ц и и б и о м еха н и з м о в п е д а л и р о в а н и я Велосипедист преодолевает внешние физические силы: — сопротивления воздуха; — трение качения; — силу тяжести при подъеме в гору; внутренние физические силы: — инерции звеньев ноги при изменении направления их движения. Сила сопротивления воздуха зависит Fa = 0,5 S Cx d V2, где S — лобовая площадь, м2, (мо-­‐ жет изменяться от 0,5 до 0,32 м2, [13]) Cx — коэффициент формы тела, d — плотность воздуха, V — скорость потока воздуха, м/с. Примерно силу сопротивления можно оценить для скорости 13 м/с: Fa = 0,5×0,5×0,5×1,15×13×13 = 24,3 Н, А мощность W=Fa×V = 24,3×13 = 315 Вт. Сила трения качения 1,5 — 2 % от мощности силы сопротивления или 10 – 35 Вт [13, 17, 19, 20]. Затраты на перемещение звеньев ног составляют (В. Н. Селуянов, И. А. Савельев, 1982 [11]): Nn = 2 × (масса) × f3. Nn = 2×70×2 х 2×2 = 112 Вт при темпе (2 об/с или 120 об/мин). Таким образом, при велоезде на треке суммарная мощность, преодолеваемых физиче-­‐ ских сил составляет, например, на скорости 13 м/с (46,8 км/час) обычная скорость на равнине для профессиональных гонщиков на шоссе в раздельном старте: W = Wa + Wr + N = 315 + 30 + 115 = 470 Вт (при кпд =23 % VO2 = 6,7 л/мин). За счет приме-­‐ нения аэродинамичной посадки можно снизить мощность до 350 Вт, или потребления кислорода 4,7 л/мин. Ф и з и о л о г и ч е с к и е м еха н и з м ы э н е р г о о б е с п е ч е н и я Для продолжительной езды (более 10 мин.) велосипедист должен вырабатывать меха-­‐ ническую мощность на уровне анаэробного порога или несколько выше его [2, 13, 14]. Для мастеров спорта характерными величинами анаэробного порога являются 4–4,5 л/мин [13, 27]. Тестирование велосипедистов выполняется в ступенчатом тесте 8 на велоэргометре с различным темпом педалирования. Выбор темпа педалирования обусловлен либо традициями данной лаборатории, либо формальными предпосылками, например, обычный темп в гонке с раздельным стартом на шоссе — 85–100 об/мин,следовательно, удобно крутить с темпом 90 об/мин. На самом деле рациональная техника педалирования и выбор оптимального темпа педалирования являются важней-­‐ шими задачами велосипедного спорта [11, 13, 25, 27, 28, 29]. М од е л ь о п о р н о -­‐д в и г а т е л ь н о г о а п п а р а т а в е л о с и п е д и с т а Опорно-­‐двигательный аппарат, участвующий в педалировании, включает кости нижних конечностей, таз и мышцы, осуществляющие сгибание и разгибание ног. При педалировании можно выделить следующие биомеханизмы. Биомеханизм проталкивания педали. При проталкивании педали — первая четверть окружности педалирования (1ЧОП) работают прямая и широкие головки четырехглавой мышцы бедра (ЧГМБ) Биомеханизм нажима на педаль начинает функционировать с конца 1ЧОП и всю 2 ЧОП. В это время разгибаются бедро, голень и сгибается стопа. В осуществлении этих движе-­‐ ний принимают участие следующие основные мышцы. В разгибании бедра: ягодичные, двуглавая, полусухожильная, полуперепончатая; голени — четырехглавая; в растягивании мышц задней поверхности голени — икроножная, камбаловидная, зад-­‐ няя большеберцовая, длинные сгибатели большого пальца и пальцев, длинная и короткая малоберцовые. Совместное действие мышц при нажиме (90° ОП — начало 2ЧОП) позволяет велосипедистам развивать изометрическую силу 2500–3500 Н (Левенко, 1977 [13]). Биомеханизм проводки и подтягивания ноги. В этом случае нога сгибается в коленном, тазобедренном и голеностопном суставах. В сгибании бедра принимают участие следу-­‐ ющие основные мышцы: подвздошнопоясничная, портняжная, мышца-­‐натягиватель широкой фасции бедра, гребешковая и прямая; голени — длинная головка двуглавой, полусухожильная, полуперепончатая, подколенная, икроножная; стопы — передняя большеберцовая, длинные разгибатели пальцев и большого пальца (при тыльном сгиба-­‐ нии стопы). При сгибании ноги, подтягивании велосипедисты демонстрируют изомет-­‐ рическую силу 800–1100 Н (Левенко, 1977 [13]). Сила тяги мышц вызывает появление суставных моментов и соответственно силы дав-­‐ ления на педаль. Поскольку при педалировании последовательно включаются мышеч-­‐ ные группы с разной массой и силой, то равномерного педалирования быть не может при решении задачи — демонстрировать максимальную мощность педалирования, алактатную — в спринте или на уровне АнП — в шоссейной гонке. М од е л и р о в а н и е т ех н и к и п е д а л и р о в а н и я Велосипедист может прикладывать усилия к шатуну (или к педали) в любом направле-­‐ нии, но продвижение вперед с наименьшими затратами механической энергии возможно с точки зрения законов механики лишь в том случае, когда вектор силы давления на педаль перпендикулярен к продольной оси шатуна. В этом случае сила не раскладывается на составляющие, не растягивает шатун, а целиком идет на образование крутящего момента. Опираясь на подобные доводы, вводят следующий показатель эффективности техники педалирования: ПЭТ = J1 / J2, где: J1 — импульс силы — нормальной составляющей к шатуну за цикл педалирования; J2 — импульс модуля векторной силы давления на педаль, за цикл педалирования. В идеале ПЭТ должен быть равен 100 %. 9 Другим важным обстоятельством с точки зрения механики является равномерность приложения сил. Изменение силы приводит к неравномерности движения, повышению энергозатрат на преодоление сил инерции. Таким образом, механически наиболее целесообразной будет техника педалирования, которая потребует наименьших затрат энергии (минимальным разложением силы и равномерным давлением на педаль) на создание определенного крутящего момента на оси каретки велосипеда (Чхаидзе, 1961 [13]). Однако, первые же исследования сил, прикладываемых к педалям, показали (Чхаидзе, 1959, 1961 [13]), что ни один из велосипедистов высшей квалификации не следует в полной мере этим рекомендациям. Усилия прикладываются неравномерно (гонщики нажимают на педаль, но почти ее не подтягивают) с недостаточно рациональным направлением векторов усилий. Отношение импульса силы, пошедшего на создание кру-­‐ тящего момента, к импульсу силы давления на педаль (ПЭТ) обычно составляло 75– 81 % (Чхаидзе, 1961; Тимошенков, 1981 [13]). Обнаруживается, однако, тенденция к увеличению ПЭТ с ростом спортивной квалификации. Аналогичные результаты были получены Hull et al [20]. Коэффициент эффективности техники существенно зависит от техники педалирования, что особенно наглядно при сравнении выполнения упражнений с туклипсами и без тук-­‐ липсов. Закрепление стопы, как это было уже показано (В. Н. Селуянов, Б. А. Яковлев, 1985 [13]), существенно повышает эффективность, однако не до 100 % . Таким образом, поскольку спортсмены разной спортивной квалификации используют разнообразные варианты техники педалирования, а неравномерность приложения сил к педали не вызывает практически ощутимых дополнительных энергозатрат (не более 3 Вт) [13], то определить рациональный вариант техники педалирования, учитывая только два вышеперечисленных соображения, видимо, невозможно. О с о б е н н о с т ь а к т и в н о с т и м ы ш ц н о г п р и п е д а л и р о в а н и и Сравнение результатов разных авторов [13, 18, 19, 20, 25, 27, 28] показывает, что дли-­‐ тельность активности, моменты начала и конца периода активности основных мышеч-­‐ ных групп совпадают, а наблюдаемая при этом вариативность показателей, видимо, обу-­‐ словлена: индивидуальными особенностями техники, высотой посадки и темпом педа-­‐ лирования. Значительное влияние на ЭАМ оказывают посадка и темп педалирования. Уменьшение высоты посадки (10 % ниже нормы) приводит к изменению мышечной активности. Позднее включается и заканчивает работать еще в начале 4 ЧОП (при нормальной по-­‐ садке лишь в начале 1 ЧОП — [13]). Увеличение темпа педалирования (с 70 до 120 об/мин) приводит к относительному уве-­‐ личению продолжительности активности (в процентах к длительности цикла) основных мышечных групп — четырехглавой и двуглавой мышц бедра — на 10 % [13]. Наиболее сложную функцию при педалировании выполняют двусуставные мышцы ног: прямая, длинная головка двуглавой (ДГДМБ), полусухожильная, полуперепончатая, ик-­‐ роножная. Например, прямая мышца бедра начинает работать в 4 ЧОП и выполняет две функции — сгибает ногу в тазобедренной суставе и разгибает голень, тем самым создает через костные рычаги на оси педали результирующую силу, близкую к касательной окружности педалирования. Двуглавая мышца бедра и ее синегристы в цикле педалиро-­‐ вания должны сгибать голень и разгибать бедро. Однако они активизируются в конце 1 ЧОП, когда еще выполняется разгибание коленного сустава. Расчеты показали, что ДГДМБ в первой и второй ЧОП практически не изменяет своей длины, в связи с этим она не может выполнить механической работы. Напряжение же ДГДМБ приводит к появлению на оси педали дополнительной силы, которая изменяет направление век-­‐ 10 тора силы давления на педаль, увеличивая тем самым «коэффициент полезного дей-­‐ ствия» основных работающих мышц-­‐разгибателей бедра (они через бедро создают силу вдоль голени). Причем функция мышц-­‐разгибателей голени (как это не кажется пара-­‐ доксальным) теряет свой смысл разгибателя голени (2 ЧОП), поскольку активность ее будет мешать ДГДМБ выполнять коррекцию направления и величины силы давления на педаль. Действительно, во 2 ЧОП активность ВШМБ снижется. Таким образом, усилия, прикладываемые к педалям, обусловлены анатомическим строе-­‐ нием нижних конечностей и координацией работы мышц. Следствием этого является отрицание информативности коэффициентов ПЭП как показателя совершенства владе-­‐ ния техникой педалирования. Коэффициент ПЭП одновременно демонстрирует как спо-­‐ собности скелетно-­‐мышечного аппарата (механизма) к реализации потенциальных воз-­‐ можностей мышц (двигателей), так и технику — умение велосипедиста эффективно ис-­‐ пользовать свои потенциальные возможности. Ко э ф ф и ц и е н т п о л е з н о г о д е й с т в и я п е д а л и р о в а н и я Коэффициент полезного действия (КПД) это отношение механической мощности к механическому эквиваленту метаболической мощности. В силу особенностей строения опорно-­‐двигательного аппарата человека, когда при давлении на педаль создаются условия для рационального приложения усилий от моментов сил, создаваемых основ-­‐ ными мышечными группами ноги (разгбатели тазобедренного сустава, разгибатели ко-­‐ ленного сустава) коэффициент полезного действия у всех людей остается примерно одинаковым 22 – 24 %. Есть данные (Coyle et al., 1992, Lucia, 2002), показывающие, что у профессиональных гонщиков КПД может достигать 26 – 28 %. В нашем случае КПД до-­‐ стиг 34 %, но в случае, когда темп педалирования превышал 100 об/мин и при этом учи-­‐ тываются затраты на перемещение ног (В. Н. Селуянов, И. А. Савельев, 1982 [11]). Было предположено, что мышцы сгибатели голеностопного сустава (икроножная и камбаловидная) могут при нажиме накапливать энергию упругой деформации и отдовать ее при протягигивании педали в нижней части окружности педалировании. Таким образом повышается эффективность работы главных мышц — разгибателей та-­‐ зобедренного и коленного суставов. Это явление легко воспроизводится квалифициро-­‐ ванным велосипедистом при педалировании с высоким темпом и смещением стопы по отношению к оси педали назад. Подтверждение этой гипотезы было найдено в эксперименте с растяжимыми шатунами. При педалировании с упругими шатунами коэффициент полезного действия повысился с 23 % до 28 % при педалировании с любым темпом, в том числе и с низким темпом — 60 – 75 об/мин. Фа к т о р ы , о б ус л а в л и в а ю щ и е в ы б о р т е м п а п е д а л и р о в а н и я Велосипедисты-­‐шоссейники при передвижении со скоростью 24 – 48 км/час изменяют темп педалирования с 70 до 150 об/мин, а укладку от 5,5 до 8,13 м (Левенко, 1975, 1977 [13]). Анализ соотношения частоты педалирования и величины передачи на соревнованиях за последние 40 – 60 лет показывают, что значительное увеличение средней соревновательной скорости у велосипедистов произошло исключительно за счет увеличения укладки, темп практически не изменился. В частности, в часовой гон-­‐ ке по треку с 1942 по 1972 рекорд мира улучшился с 45 км 848 м (Копи) до 49 км 431 м (Меркс). При этом частота педалирования составляла 103,3 и 103,8 об/мин, а укладка 7,32 и 7,93 м соответственно О п т и м а л ь н ы й т е м п п е д а л и р о в а н и я в ш о с с е й н ы х г о н к а х с р а з д е л ь н ы м с т а рт о м . В исследованиях Рагимова (1965) [13] и Левенко, Михайлова (1972) [13] было показано, что с ростом темпа педалирования при постоянной внешней мощности возрастают энер-­‐ гозатраты. Понятно, что энергозатраты увеличиваются в связи с ростом внутренней 11 мощности упражнения. С увеличением темпа педалирования экономичность будет сни-­‐ жаться из-­‐за дополнительного расхода энергии на перемещение ног. Поэтому некоторые авторы рекомендовали использовать в гонках такие передаточные соотношения, кото-­‐ рые вынуждали бы гонщика ехать с темпом 60 – 70 об/мин. Такие рекомендации (Рагимов, 1965) не удовлетворяли ни практиков, ни теоретиков, поэтому предпринимались попытки кардиолидирования (Крылатых, 1975) [13], когда велосипедисты выполняли педалирование на всех десяти передаточных соотношениях гоночного велосипеда при заданной ЧСС. В итоге были получены кривые для пульса 150, 165 и 180 уд/мин. На всех кривых наблюдаются оптимумы, соответствующие опреде-­‐ ленной скорости, передаче и, следовательно, темпу. Так, при ЧСС 150 уд/мин оптималь-­‐ ными оказались: темп 78 об/мин, передача 6,8 м; 165 уд/мин — 87 об/мин, 6,8 м; 180 уд/мин — 98 об/мин, 7,12 м. Эти результаты указывают на выгодность увеличения темпа педалирования, несмотря на рост энергозатрат на перемещение ног. Для понимания обнаруженных явлений необходимо рассмотреть современные концеп-­‐ ции физиологии и биоэнергетики мышечной деятельности. Лимитирующим фактором при циклических локомоциях часто является периферическое звено — мышечный аппарат. Транспортная (сердечно-­‐сосудистая система) при любой мощности достаточно, как правило, обеспечивает мышцы кислородом и другими пита-­‐ тельными веществами. Это означает, что с увеличением количества и массы мышц, участвующих в педалировании, должно расти потребление кислорода (например, Vo2АнП при педалировании двумя ногами в два раза больше Vo2АнП при выполнении упражнения одной ногой). Другими важными факторами являются: композиция мышц — количество окислительных и гликолитических мышечных волокон, масса ми-­‐ тохондриальной системы. Например, гипертрофия мышц и связанное с ней увеличение максимальной силы окислительных МВ и при равной методике спортивной тренировки к увеличению потребления кислорода на уровне АнП. В ходе педалирования скорость велоезды зависит от: V = N/Fвн = M×f/Fвн, где Fвн — внешние силы, f — темп, М — средний момент силы давления на педали. В случае М = const скорость и внешние силы будут увеличиваться за счет роста темпа. Это означает, что велосипедист может рекрутировать одни и те же ДЕ, проявлять одну и ту же силу, но с изменением темпа скорость (и мощность) будут увеличиваться. В ходе шоссейных индивидуальных гонок спортсмен должен активировать только окис-­‐ лительные и промежуточные МВ, то есть педалировать со строго заданной силой (при-­‐ чем, чем больше ОМВ и ПМВ их поперечник, тем будет больше сила давления на педаль), тогда предельная скорость велоезды на уровне порога аэробного обмена будет достиг-­‐ нута в момент достижения такого темпа, когда полностью будут исчерпаны аэробные возможности ОМВ. Следовательно, в шоссейных гонках сила давления на педаль (передаточное соотноше-­‐ ние) обусловлена уровнем силовой подготовленности медленных мышечных волокон (то есть их количеством и физиологическим поперечником), а скорость велоезды и соответственно темп — окислительными возможностями митохондральной системы ОМВ (ее характеризует Vo2 АнП). Действительно, при выполнении педалирования со ступенчато-­‐возрастающей мощно-­‐ стью с темпом 50 и 100 об/мин наблюдается равенство по величине потребления кисло-­‐ рода на уровне АнП (достигнут максимум окислительной возможности митохондриаль-­‐ ной системы функционирующих мышц). Внешняя мощность при 100 об/мин существен-­‐ но меньше, поскольку часть энергии уходит на перемещение ног (около 60 Вт). Однако значительно большие величины потребления кислорода и мощности наблюдаются 12 на уровне порога аэробного обмена при темпе 100 об/мин. С увеличением темпа Vo2 АэП приближается к Vo2 АнП. Н а о с н о в а н и и и з л оже н н о г о м ож н о с д е л а т ь с л е д у ю щ и е в ы в од ы : 1. В шоссейных гонках с раздельным стартом рациональный темп педалирования варьи-­‐ рует при равном спортивном результате от 80 до 110 об/мин (Михайлов, 1975). Обуслов-­‐ лено это разным уровнем подготовленности у спортсменов различных функциональных систем. Так, гонщикам с большим содержанием окислительных мышечных волокон, то есть большой силой ОМВ, относительно выгодно педалировать с низким темпом и большим передаточным соотношением. Гонщикам, имеющим меньший процент и обладающим меньшей силой ОМВ, более выгодно педалировать с высоким темпом и меньшим передаточным соотношением. Но в этом случае у велосипедиста должен быть резерв по минутному объему кровообращения, т. е. АнП должен наблюдаться на пульсе 120 – 150 уд/мин. Равный результат такие спортсмены могут показать лишь в том случае, если окислительные возможности мышц (порог аэробного обмена) у второго гонщика будут выше на величину, необходимую для компенсации расхода энергии на перемещение ног в более высоком темпе. Скоростной бег на коньках Во время бега на коньках конькобежец расходует энергию на преодоление сил сопротив-­‐ ления воздуха, трения скольжения, инерции: сил, связанных с разгоном общего центра масс конькобежца (ОЦМК) после старта, ускорений по ходу бега, центробежной силы инерции при беге по повороту, ускорения ОЦМК в каждом шаге, разгона и торможения маховых звеньев, а также сил гравитации. Задача биомеханики заключается в оценке действующих на конькобежца сил и выявлении путей минимизации метаболических энерготрат при увеличении механической мощности бега на коньках, способствующих росту соревновательной скорости. С и л а с о п р от и в л е н и я в о з д у ха Аэродинамические силы — это на поверхность тела конькобежца. результат воздействия воздушного потока Оценка сил лобового сопротивления определяется по эмпирической формуле: Q = Cx * p * S * V2/2, где S — фронтальная проекция тела, Cx — коэффициент лобового сопротивления (опре-­‐ деляется экспериментально в аэродинамической трубе), p — плотность воздуха, V — скорость потока. Фронтальную проекцию (S) можно примерно вычислить по регрессионному уравнению: S = 0.8 * В * Д −0.04 (R = 0,86; σ=0,02), где Д — ширина плеч по крайним точкам дельтовидных мышц (м) (в посадке), В — высо-­‐ та посадки — расстояние более высокой точки туловища от плоскости льда (м). Примерно высоту посадки можно вычислить по углу в коленном суставе и длине ноги, соответственно Q (град) и Дн (м) В =Дн (0,7+0,5* cos Q) Плотность воздуха определяется: P = 348.6 * Р/Тк (кг/м3), где Р — атмосферное давление, кГс/см2; 13 Тк — температура воздуха в градусах Кельвина (Тк = Тс + 273). Заметим, что Р зависит от высоты местности над уровнем моря: Р = Ро * е-­‐0,125 *h , h — высота над уровнем моря, км; Ро — атмосферное давление над уровнем моря 1,033 кГс/см2, е = 2,718. Коэффициент лобового сопротивления (Сх) зависит от скорости потока воздуха (V, м/с) и может быть примерно вычислен: Сх = 0,01 * V + 0,260 Таким образом, величина сопротивления воздуха определяется: Q = (0,01*V+0.260)*348,6*1,033*е-­‐0,125 *h * Т0с +273) —1 * (0,8*В*Д — 0,04) * V2 *0,5, где В и Д — высота посадки и ширина плеч. Например, V = 13м/с, h = 0, Т0 с =0, Д = 0,4м, lн = 1м, В = lн* (0,7+0,65*cosl) = 1,00*(0,7+0,5*cos1100) = 0.87м Q = (0,01*10+0,260)*348,6*1,033*273-­‐1 * (0,8*0,87*0,4-­‐0,04)*100*0,5 = 0,360*1,3*0,32*169 * 0,5 = 0,075* V2 =12,6 Н, мощность составит W= F * V = 12,6 * 13 = 164 Вт Сила сопротивления воздуха зависит не только от скорости бега конькобежца, но и от скорости и направления ветра. Так с увеличением скорости ветра до 3м/с резуль-­‐ таты могут ухудшаться до 7%. С и л а т р е н и я -­‐с ко л ь же н и я Противодействие относительному движению двух соприкасающихся тел, называется си-­‐ лой трения. Сила сопротивления трения-­‐скольжения коньков по льду определяется по следующей формуле: Fт = тр * Q, где тр.-­‐ коэффициент трения-­‐скольжения положения полоза конька по льду, Q — сила давления полоза конька на поверхность льда. Коэффициент трения-­‐скольжения определяется экспериментально и варьирует от 0,004 до 0,02 в зависимости от качества лезвия конька (прямое, изогнутое), его заточки (овал, качество шлифовки) и свойств льда. В настоящее время механизм трения-­‐скольжения описывают так. При скольжении конькобежца по льду под полозом его конька происхо-­‐ дит нагрев трущихся поверхностей — плавление льда. В результате возникает водяная пленка, выполняющая роль жидкой смазки, что значительно уменьшает силу трения-­‐ скольжения. (Известно — нагрев полозьев в санном спорте значительно увеличивает скорость прохождения трассы). Исследование (Доленко Ф., Кислов В., 1976 [9,10]) показали, что трение-­‐скольжение конька зависит от овала лезвия конька, наклона плоскости лезвия, величины нагрузки на конек и шлифовки лезвия. Свойства льда в значительной мере определяются его строением (наилучшее скольже-­‐ ние имеет лед с возможно большими кристаллами) и температурой поверхности льда — ТПЛ (Лихтенштейн Э. Л. с. с., 1979 [10]). При низких температурах поверхности льда его твердость снижается медленно, а за тем, когда ТПЛ становиться равной —3* С, характер кривой резко меняется. Особенно значительно уменьшается твердость льда при ТПЛ, превышающей —1,5* С. При температуре —0,5*С и больше лед начинал катастрофически разрушаться. При расчете величины силы трения-­‐скольжения коньков можно в первом приближении принять загрузку коньков равной весу конькобежца, тогда Fтр = fтр *mg. Например: m = 80 кг; g=9.81 м/с2; fтр — в лучшем случае 0,004, тогда Fтр = 0,004 * 80 * 9,81 = 3,14 Н, в худшем случае fтр=0,02, тогда Fтр = 0,02 * 80 * 9,81 = 15,7 Н. 14 На скорости 13 м/с мощность силы трения составит 40 – 200 Вт. Сила инерции при стартовом разбеге. На первых 30м разбега имеется ускорение. Пере-­‐ мещение конькобежца во времени на первых 30м примерно может быть описано зави-­‐ симостью l = b*t2. Двойное дифференцирование этой зависимости дает оценку величины ускорения: а = 2*b, тогда средняя сила инерции составит F = m*a (II закон Ньютона) или F = m*2*b = m*l30*t30-­‐2. Например: время пробегания со старта 30м составило 4,8с, масса конькобежца (m) 80кг Fи = 80*30*4.8-­‐2 = 104Н А = Fи*l = 104*30 = 3120Дж N = A/t = 650Вт. Энерготраты на перемещение ЦМ конькобежца в каждом беговом шаге. При выполнении отталкивания тело конькобежца получает ускорение, приобретает дополнительную ки-­‐ нетическую энергию ΔEr = (mV2 конечное — mV2 начальное)/2. Затем при выполнении скольжения и одноопорного отталкивания ОЦМК будет тормо-­‐ зиться под действием сил сопротивления воздуха и трения — скольжения. Для скорости 12м/с энергозатраты на преодоление веса тела, силы трения, функциони-­‐ рование внутренних органов составляют 37 % (2,8 лО2/мин), а на ускорение ОЦМК и преодоление сопротивления воздуха — 63 % (4,8 лО2/мин), от общего запроса кисло-­‐ рода. На основе вычисления механической величины мощности на преодоление внешних сил и метаболических энергозатрат была выполнена оценка коэффициента механической эффективности (КМЭ) бега на коньках [21,22,23]. Она составила 9 % и не изменялась в диапазоне изменения скорости бега от 6 до 12 м/с. КМЭ, для случая, когда учитывается еще механическая мощность, затраченная на ускорение ОЦМК в каждом шаге, КПД= 25,5 %. Полученная величина КМЭ близка к оценкам КМЭ при педалировании на велоэргометре, что свидетельствует о низкой эф-­‐ фективности использования механизма накопления энергии упругой деформации мышц при беге на коньках без подседания. Биологические закономерности, определяющие особенности тех-­‐ ники бега на коньках. Если следовать законам механики, то наибольшая эффективность будет тогда, когда конькобежец будет отталкиваться назад, как легкоатлет. Именно так и бегут конько-­‐ бежцы на первых метрах после старта, однако с увеличением скорости бега до 10–14 м/с конькобежец не может более поддерживать такую скорость, отталкиваясь назад. Связано это с особенностями строения скелетно—мышечного аппарата и закономерностями биомеханики мышечного сокращения. Тех н и к а и о с о б е н н о с т и с т р о е н и я о п о р н о — д в и г а т е л ь н о г о и н е р в н о — м ы ш е ч н о г о а п п а р а т а Строение опорно — двигательного аппарата определяет условия функционирования мышц. Результирующее силовое действие мышц на опору определяется процессами воз-­‐ никновения и регулирования тянущих сил в самой мышце, а также особенностями рас-­‐ положения мышц на опорном аппарате, массой мышц и геометрией прикрепления их сухожилий к костям. 15 Исследования на конькобежках (высшей квалификации) показали [4,9,10], что результат в беге на 400 м с хода определяется: Р400 = 0,091.Вес — 0,197lн — 0,0179 Ро — 106*5*К1 + 54,41 R = 0,79; δ = 1,07, где lн — длина ноги (см); Ро — максимальная изометрическая сила мышц — разгибате-­‐ лей ноги (кГс) при угле в коленном суставе 105* (рис.); .К1 — относительная быстрота напряжения мышц — разгибателей ноги [8]. Это регрессионное уравнение статистически связывает параметры, характеризующие основные для конькобежцев — спринтеров функциональные особенности нервно — мышечного и опорно — двигательного аппарата. Действительно в беге на коньках имеется исключительная возможность, когда 500 м мо-­‐ гут бежать быстро как люди одаренные от природы «быстрым» нервно — мышечным аппаратом, так и " медленным«. Одинаковых результат такие спортсмены могут показы-­‐ вать за счет преимущества либо в силе (Ро), либо в длине ног (lн). Если спортсмен мед-­‐ ленный (К1 = 0,07–0,08), то он должен превосходить своих более одаренных соперников в максимальной силе (Ро). В этом случае техника бега должна существенно различаться, поскольку согласно законам Хилла (сила — скорость), у медленного спортсмена макси-­‐ мальная мощность должна наблюдаться при меньших скоростях мышечного сокраще-­‐ ния, поэтому медленный спортсмен должен в меньшей степени разворачивать коньки, стремиться к увеличению относительной длительности фазы двухопорного скольжения, т. е. за счет уменьшения скорости разгибания ноги добиться максимальной мощности сокращения мышц. Быстрый конькобежец (К1 = 0,100–0,117), имеющий низкий уровень силовой подготовленности (Ро) сможет показать хороший результат лишь за счет уве-­‐ личения частоты шагов, компенсируя недостаток в силе отталкивания более частым ее приложением. Другими словами, N = A*f = Fср * S * f поддерживать мощность можно либо за счет большой силы (Fср) и пути приложения (S), либо при той же силе и меньшем пути ее приложения за счет большой частоты (f). Однако второй вариант техники не выгоден в беге на 1000 м, где надо экономить «силы», поэтому на этой дистанции чи-­‐ стые спринтера часто проигрывают многоборцам. В исключительно выгодных условиях при беге на коньках находятся длинноногие спортсмены. Известно, что при увеличении угла в коленном суставе сила разгибания но-­‐ ги увеличивается, так, если (у спортсмена А) при угле в коленном суставе 90* сила равна 100 кГс, то при угле 130* она будет равна 380 кГс, т. е. в 3 раза больше. Поэтому в высокой посадке сидеть легче, требуется меньшая степень активации мышц, соответ-­‐ ственно будут меньше и метаболические энерготраты. Однако увеличение высоты по-­‐ садки уменьшает путь приложения силы, поэтому каждый спортсмен выбирает ту высоту посадки, которая соответствует его функциональным возможностям. Если два спортсмена сидят в одинаковой посадке (углы в коленных суставах равны), то преимущество будет иметь конькобежец с большей длиной ног, поскольку путь при-­‐ ложения силы у него будет больше. Основные биомеханизмы повышения эффективности бега на коньках. Сила, скорость и экономичность спортивных движений зависят от того в какой степени спортсмену удается использовать упругие компоненты мышц. Известно, что деформированное внешней силой тело способно накапливать энергию в виде энергии упругой деформа-­‐ ции, которая, освобождаясь, совершает работу. Большинству спортивных движений (ти-­‐ па отталкивания) предшествуют движения в направлении, противоположном основному (приседания, махи и пр.). Предварительные движения вызывают растягивание активных мышц, накоплению в них энергии упругой деформации, используемой в основном дви-­‐ жении. В мышечных и сухожильных структурах может накапливаться довольно значи-­‐ тельное количество энергии упругой деформации. Чем больше выход такой неметаболи-­‐ 16 ческой энергии в общую величину затрат энергии, тем более экономично выполняются движения. Экономия метаболической энергии обусловлена тем, что при выполнении уступающей работы запрос кислорода мышцей в 10 раз меньше в сравнении с преодолевающим режимом сокращения. В качестве примера можно привести результаты, полученные при имитации бега на коньках на посыпанной графитом доске. Была получена зависимость между углом в коленном суставе и коэффициентом эффективности механической работы (КМЭ=КПД), чем больше амплитуда подседа (группировки) перед отталкиванием, тем, видимо, в большей мере накапливается энергия упругой деформации, увеличивается КМЭ от 10 до 37 % [3,7]. В реальных условиях бега на льду, энергия упругой деформации мышц разгибателей ко-­‐ ленного сустава может быть накоплена в результате использования следующих основ-­‐ ных биомеханизмов: 1.Подседания на опорно-­‐толчковой ноге (группировка). 2.Ускорение маховых звеньев. 3.Торможение поперечного смещения ОЦМК в фазе одноопорного отталкивания. При беге по прямой на стайерских дистанциях (5000, 10000 м), когда руки заложены за спину, а мах ногой выполняется не с максимальной интенсивностью, основным спосо-­‐ бом эффективного использования энергии упругой деформации является подседание на опорно-­‐толчковой ноге. При подседании ОЦМК приобретает под действием сил тяже-­‐ сти вертикальное ускорение направленное вниз, поэтому при последующем торможении мышцам ноги требуется не только преодолеть силу тяжести, но и инертную силу, кото-­‐ рая в среднем будет пропорциональна количеству движения, приобретенного ОЦМК за время подседа, и обратно пропорциональна времени, за которое спортсмен будет из-­‐ менять направление движения ОЦМК. Напомним, что дополнительная инерционная сила может появиться при совмещении подседа с изменением кривизны траектории следа конька, тогда ОЦМК будет ускоряться под действием сил тяжести и центробежных сил. Пути повышения эффективности техники. Технику бега на коньках можно оценить в показателях рациональности, эффективности и экономичности. Эффективностью вла-­‐ дения спортивной техникой называют степень близости ее к наиболее рациональному варианту. Поэтому прежде определим основные показатели рациональности техниче-­‐ ских действий, которые позволяют достигать конькобежцам высших спортивных дости-­‐ жений. Первым показателем рациональности техники является темп бега. Снижение темпа уменьшает энергозатраты на ускорение ОЦМК, и увеличивает долю их на преодоление внешних сил, т. е. увеличивается скорость бега при заданных функци-­‐ ональных возможностях. Снизить темп можно разными способами: увеличить продол-­‐ жительность свободного скольжения или время отталкивания в двухопорном положе-­‐ нии. Ясно, что первый путь не может увеличить эффективность техники, а вот второй путь несомненно выгоден. Продолжительность отталкивания в двухопорной фазе опре-­‐ деляется глубиной посадки (увеличивается смещение туловища при разгибании ноги), углами разворота коньков (шириной елочки). Последнее время большинство тренеров и конькобежцев стремятся к минимизации ширины елочки, стараясь отталкиваться «главным образом вперед». Отталкнуться «главным образом вперед» невозможно, одна-­‐ ко, осмысленное использование механических закономерностей двухопорного отталки-­‐ вания необходимо. Это связано с возможностью регулирования продолжительности от-­‐ талкивания (углы разворота коньков опорной и толчковой ног), т. е. увеличения относи-­‐ тельной продолжительности двухопорного отталкивания, и, как следствие, уменьшения средней силы отталкивания (работа выполняется та же, но с меньшей силой на большем пути), что снижает возможность локального утомления мышц. Увеличить продолжи-­‐ тельность фазы двухопорного отталкивания можно на любой дистанции и яркий пример 17 такой техники демонстрировал Э. Хайден. Эффективность техники — это характеристи-­‐ ка не того или иного варианта техники, а качество владения техникой [13]. Например, спортсмен бежит стайерскую дистанцию с узкой елочкой следов за счет частого пересту-­‐ пания с ноги на ногу (темп 65–75 шагов на круг, время круга 40 сек.), в этом случае тех-­‐ ника бега явно нерациональная, поскольку спортсмен не владеет техникой двухопорного отталкивания; если же в движениях спортсмена мы обнаруживаем все признаки рацио-­‐ нальной техники, но бежит он в высокой посадке, то о такой техника можно сказать, что она является рациональной и эффективной в рамках данного уровня физических качеств конькобежца. Последний пример мы обычно имеем ввиду при сравнении квалифициро-­‐ ванных конькобежцев мужчин и женщин, которые примерно в равной степени владеют техникой, но значительно различаются по уровню физической подготовленности. Заключение Методология биомеханического анализа двигательных действий позволяет раскрывать биомеханизмы спортивной техники, определять рациональные и эффективные пути ее изменения, адаптации к индивидуальным особенностям спортсменов (соматическим, степени развития отдельных мышечных групп, функциональных возможностей мышц, сердечно-­‐сосудистой и дыхательной систем). Литература 1.Биомеханические закономерности взаимодействия бегуна с опорой / Селуянов В. H., Бришь П., Райцин Л. М., Мякинченко Е. Б. / Физиологические, биохимические и биомеханические факторы, лимитирующие спортивную работоспособность. — II часть. — М.: РИО ГЦОЛИФК, 1990. — С. 36–40. 2. Волков Н. И., Савельев И. А, Селуянов В. Н., Циркова Л. Г. Связь массы и силы ног с порогом анаэробного обмена.// Велосипедный спорт. М.:Физкультура и спорт.1983. С. 43 45. 3. Воронов А. В., Селуянов В. Н., Райцин Л. М., Андрюнин М. А., Чугунова Л. Г. Определение механической эффективности имитации и энергостоимости посадки конькобежцев. // Факторы, лимитирующие повышение спортивной работоспособности у спортсменов высшей квалификации. — М.: ГЦОЛИФК, 1985. — С. 49–53. 4. Максимальная алактатная мощность как фактор, определяющий результат в беге на 500 м у конькобежцев./ Безденежных А. И., Воронов А. И., Савельев И. А., Селуянов В. Н., Чугунова Л. Г. Конькобежный спорт, 1984. С.52 53. 5.Пути повышения экономичности бега на средние дистанции / Селуянов В. H., Мякин-­‐ ченко Е. Б., Бикбаев И. З., Козьмин Р. К., Прилуцкий Б. И., Цирков В. H. // Теория и практика физической культуры. — 1989. — N11. — C. 47–49. 6.Селуянов В. Н., Аиед Берхаим. Биомеханизм как основа развития теоретической биоме-­‐ ханики двигательной деятельности человека: Учебное пособие. — М.: Принт Центр, 1997. — 82 с. 7.Селуянов В. Н., Андрюнин М. А.: Биомеханические аспекты энергетики спортивных движений.//Сборник научных работ. — М.: ГЦОЛИФК, 1984. — С. 98–108. 8.Селуянов В. Н. , Антохина Е. Г. Моделирование изометрического напряжения мышцы как способ доказательства неинвазивного метода определения мышечной композиции. // Тенденции развития спорта высших достижений и стратегия подготовки высококва-­‐ лифицированных спортсменов в 1997–2000 г. г.: Материалы Всерос. Научно-­‐практ. кон-­‐ фер. — М.: ГКФТ, 1997. — С.322. 18 9.Селуянов В. Н., Райцин Л. М., Безденежных А. И. Основы биомеханики скоростного бега на коньках. // Факторы, лимитирующие повышение спортивной работоспособности у спортсменов высшей квалификации. — М.: ГЦОЛИФК, 1985. — С. 36–49. 10.Селуянов В. Н., Райцин Л. М., Безденежных А. И. Основы биомеханики скоростного бега на коньках.//Факторы, лимитирующие повышение работоспособности у спортсменов высшей квалификации. М.: ГЦОЛИФК, 1985. С. 36–49. 11.Селуянов В. Н., Савельев И. А. Внутренняя механическая работа при педалировании на велоэргометре. Физиология человека, 1982, 8, 2. С. 235 240. 12.Селуянов В. Н., Тураев В. Т. Вклад медленных мышечных волокон в мощность, разви-­‐ ваемую в спринтерском беге. // Теория и практика физ. культ. , 1995. −4. — С. 43–45. 13.Селуянов В. Н., Яковлев Б. А. Биомеханические основы совершенствования эффектив-­‐ ности техники педалирования.// Учебное пособие. М.: ГЦОЛИФК, 1985. 55 с. 14.Селуянов В. Н. Подготовка бегуна на средние дистанции. — М.: СпортАкадемПресс, 2001. — 104 с. 15.Теория и практика применения дидактики развивающего обучения в подготовке спе-­‐ циалистов по физическому воспитанию: Труды сотрудников проблемной научно-­‐ исследовательской лаборатории /Научный руководитель В. Н. Селуянов. — М: Физкуль-­‐ тура, образование наука, 1996. — 106 с. 16.Тураев В. Т., Селуянов В. Н. Вклад медленных мышечных волокон в мощность, разви-­‐ ваемую спринтером в беге с максимальной скоростью. // Научный атлетический вест-­‐ ник, 1999. — № 1. — С. 7–14. 17.Amoroso, A. T., Sanderson, D. J. and Hennig, E. W. (1993).Kinematic and kinetic changes in cycling during an exhausting steady-­‐rate ride. In Proceedings of the 17th Annual Meeting of the American Society of Biomechanics (edited by A. A. Biewener and V. K. Goel), pp. 157– 158. Iowa City, IA: The University of Iowa. 18.Ericson, M. O. (1986). On the biomechanics of cycling: a study of joint and muscle load during exercise on the bicycle ergometer. Scandinavian Journal of Rehabilitation Medicine, 16(suppl.), 1–43. 19.Gregor, R. J., Cavanagh, P. R. and LaFortune, M. (1985). Knee flexor moments during propulsion in cycling: a creative solution to Lombard’s paradox. Journal of Biomechanics, 18, 307–316. 20.Hull, M. L. and Jorge, M. (1985). A method for biomechanical analysis of bicycle pedalling. Journal of Biomechanics, 18,631–644. 21.Ingen Schenau GJ van (1982) The influence of air friction in speed skating J Biomech 15:449— 458 22.Ingen Schenau GJ van, Boer RW, Groot G de (1987) On the technique of speed skating. Int J Sport Biomech 3:419–431 23.Ingen Schenau GJ van, Groot G de, Scheurs AW, Meester H, Koning JJ de (1996) A new skate allowing powerful plantar flexions improves performance. Med Sci Sports Exerc 28:531–535 24.Kaneko M (1990) Mechanics and energetics in running with special reference to efficiency. J Biomech 23 [Suppl 1]:57—63. 25.Kautz, S. A., Feltner, M. E., Coyle, E. F. and Baylor, A. M. (1991). The pedalling technique of elite endurance cyclists: changes with increased workload at constant cadence. International Journal of Sport Biomechanics, 7, 29–53. 19 26.Nordeen-­‐Snyder, K. (1977). The effect of bicycle seat height variation upon oxygen consumption and lower limb kinematics. Medicine and Science in Sports and Exercise, 9, 113– 117. 27.Patterson, R. P. and Moreno, M. J. (1990). Bicycle pedaling forces as a function of pedalling rate and power output. Medicine and Science in Sport and Exercise, 22, 512–516. 28.Redfield, R. and Hull, M. L. (1984). On the relation between joint moments and pedalling rates at constant power in bicycling. Journal of Biomechanics, 19, 317–329. 29.Sanderson, D. J., Hennig, E. M. and Black, A. H. (2000). The influence of cadence and power output on force application and in-­‐shoe pressure distribution during cycling by competitive and recreational cyclists. Journal of Sports Sciences, 18, 173–181. 30.Sprague, P. and Mann, R. V. (1983). Effects of muscular fatigue on the kinetics of sprint running. Research Quarterly for Exercise and Sport, 54, 60–66. 31.Williams KR, Cavanagh PR (1983) A model for the calculation of mechanical power ruring distance running. J Biomech 16:115–128 32.Williams KR, Cavanagh PR (1987) Relationship between distance running mechanics, running economy, and performance. J Appl Physiol 63:1236–1245 33.Winter D (1979) A new definition of mechanical work done in human movement. J Appl Physiol 64:79–83 20
