Методические рекомендации по исследованию
advertisement
Методические рекомендации по исследованию биомеханических характеристик спортсменов в соревновательном процессе с применением методов математического моделирования (на бега на выносливость в легкой атлетике) Москва 2013 Содержание Введение ................................................................................................................... 3 1. Теоретические аспекты соревновательного бега с точки зрения экономичности......................................................................................................... 5 2. Рекомендации по математическому анализу взаимосвязей между биомеханическими характеристиками спортсмена и спортивными результатами .......................................................................................................... 10 3. Рекомендации по измерению вклада различных сочетаний длины и частоты шагов в механические затраты энергии на перемещение спортсмена ................................................................................................................................. 19 4. Особенности математического моделирования вклада сопротивления воздуха и воздействий ветра на энергетические затраты спортсмена в процессе бега ......................................................................................................... 36 5. Влияние накопления усталости на изменение биомеханических характеристик спортсмена во время соревнований на выносливость............. 45 6. Рекомендации по оценке эффективности техники передвижения спортсмена ............................................................................................................. 55 7. Рекомендации по составлению спортивных тренировок, направленных на улучшение биомеханических характеристик спортсменов в процессе соревновательного бега на выносливость .......................................................... 63 2 Введение Одним из детерминантов спортивных результатов является биомеханическая эффективность техники соревновательного передвижения. Биомеханические техническими характеристики средствами во время спортсмена, зафиксированные соревнований и обработанные математически, отображают индивидуальные особенности стиля бега. В процессе соревнований спортсмен испытывает воздействие различных факторов, таких как ветровая нагрузка, накопление утомления, изменение темпа бега в результате реализации определенных тактических вариантов борьбы. На современном этапе развития приборной базы спорта открываются уникальные, доселе неведомые возможности использования методов математического и компьютерного моделирования. Появление новых технических средств захвата движения, инерционных датчиков и целых систем, интегрированных с компьютерами оптотронных пар, удешевление устройств магниторезонансного и электромиографического исследования сделало возможным параметров бегуна. измерения множества Данные технические важных биомеханических инновации повлияли революционным образом как на спортивную биомеханику, так и на практику ведущих легкоатлетов мира. Спортивный мониторинг стал возможным каждому, кто имеет доступ к соответствующему оборудованию и программно-математическому обеспечению. Кроме того, высокоточные средства фиксации движений позволили вовлечь в границы спортивного мониторинга много новых биомеханических и физиологических переменных, подверженных влиянию со стороны тренировочного процесса, а также факторов окружающей среды. Наконец, компьютерная и последующая статистическая обработка полученных биомеханических данных позволяет осуществить сравнительный анализ техники бега разных спортсменов, прослеживать эволюцию их 3 бегового стиля, а также значимость тех или иных элементов техники и их вклад в спортивный результат. Математическая обработка биомеханических и антропометрических данных, а также математическое моделирование дают возможность спортсмену и тренеру понять специфику различных соревновательных ситуаций, выработать корректный тактический план на забег. Кроме того, объяснительная способность математических моделей позволяет выработать рекомендации по совершенствованию тренировочного процесса за счет выполнения тренировок, направленных на улучшение специфических для данного спортсмена биомеханических характеристик в процессе соревновательного бега на выносливость. Таким исследованию образом, разработка методических рекомендаций по характеристик спортсменов в биомеханических соревновательном процессе с применением методов математического моделирования будет способствовать повышению качества тренировочного процесса и выходу на более высокий уровень спортивного мастерства; профилактики и снижения травматизма; повышения информированности тренера об особенностях выполнения спортивных движений в беге. Кроме того, уровень знаний тренера повысится благодаря лучшему пониманию биомеханических закономерностей бега. 4 1. Теоретические аспекты соревновательного бега с точки зрения экономичности Спортивный результат в видах спорта на выносливость обуславливается несколькими детерминантами, среди которых максимальное потребление кислорода, мощность (скорость) передвижения, ассоциирующаяся с лактатным порогом, запасы гликогена в мышцах и печени спортсмена, буферная емкость, а также экономичность соревновательного передвижения. Несмотря на значимость каждого из этих детерминантов, экономичность передвижения оказывается лучшей переменной, объясняющей разницу в спортивных результатах в однородных (по другим показателям) выборках элитных и субэлитных спортсменов (Costill et al., 1973; Morgan et al., 1989). При этом разница в величине экономичности бега у бегунов с одинаковым значением максимального потребления кислорода (МПК) может достигать 30% (Daniels, 1985). Сопоставление африканских и европеоидных бегунов на длинные дистанции показывает статистически значимую лучшую экономичность бега африканских спортсменов на субмаксимальных скоростях (Lucia et al., 2006; Lucia et al., 2008; Tam et al., 2012; Weston et al., 2000). Следовательно, улучшение экономичности бега приводит к улучшению соревновательных результатов в беге на выносливость (Conley et al., 1984; Di Prampero et al., 1993; Pollock, 1977). На экономичность бега оказывает влияние довольно большое количество разнообразных факторов (см. рисунок 1). На рисунке показано, что соревновательный результат в беге на выносливость (performance in distance runners) подвержен влиянию экономичности бега (running economy). Экономичность передвижения же определяется действием нескольких факторов. На рисунке выделено влиянию пяти групп факторов. Среди них которых: 1. Тренировки (training). 5 2. Условия окружающей среды (environment) 3. Физиология (physiology) 4. Биомеханика (biomechanics) 5. Антропометрические характеристики (anthropometry) Рисунок 1 - Факторы, влияющие на экономичность бега (Saunders et al., 2004a) В качестве основных тренировочных воздействий на экономичность бега на данном рисунке обозначены плиометрика (plyometrics), силовые тренировки (resistence), период спортивной подготовки (training phase), скоростные тренировки (speed), интервальные тренировки (intervals), высокие тренировочные объемы (volume), использование бега в гору (hills) и т.д. Ключевыми экономичность бега, условиями являются окружающей высота среды, (altitude, влияющей естественные на или 6 смоделированные условия среднегорья) и высокая температура воздуха (heat). Физиологические факторы включают в себя МПК (maximal oxygen uptake), половое созревание и иные изменения в организме подростков (adolescent development), метаболические факторы (metabolic factors), влияние различных скоростей бега (influence of different running speeds). В качестве ключевых биомеханических и связанных с ними антропометрических факторов были выделены гибкость (flexibility), использование накопленной энергии упругой деформации (elastic stored energy), механические факторы (mechanical factors), силы реакции опоры (ground reaction forces), морфология конечностей (limb morphology), жесткость мышц (muscle stiffness), длина связок (tendon length), вес и состав тела (bodyweight и body composition). Рассмотрим каждую из данных групп факторов подробнее. Ряд физиологических факторов, таких как температура тела, частота сердечных сокращений, вентиляция легкий, концентрация лактата в крови и в мышцах может ассоциироваться с экономичностью бега во время соревнований (Adams and Bernauer, 1968; Armstrong and Gehlsen, 1985; Thomas et al., 1995). В работе (Thomas et al., 1999) был проведен сравнительный анализ по сопоставлению экономичности бега, вентиляции легких, температуры тела, лактата в крови и частоты сердечных сокращений. Было обнаружено, что статистически значимо экономичность бега ухудшалась, а вентиляция, температура тела, концентрация лактата и частота сердечных сокращений увеличивались от начала до конца гонки на 5000 м. Однако рост вентиляции был лишь единственным фактором, который имел среднюю корреляцию с экономичностью бега (r = 0.64, p <0.05). Данный факт можно интерпретировать таким образом, что рост вентиляции потребления кислорода связано с ростом расхода энергии на дыхательные мышцы. Более того, в работе (Franch et al., 1998) было обнаружено, что рост средней интенсивности тренировочной программы привел к улучшению 7 экономичности бега, а это улучшение экономичности бега, в свою очередь, имеет высокую корреляцию с уменьшением вентиляционных показателей (r = 0.77, p<0.0001). Рост потребления кислорода на заданной скорости сопровождается с ростом температуры тела (Brooks et al., 1971a, b; MacDougall et al., 1974; Saltin and Stenberg, 1964). Возрастание метаболической активности за счет данной дополнительной циркуляции, рост вентиляционных показателей, а также выделение пота рассматриваются как основные факторы, приводящие к росту потребления кислорода на субмаксимальной скорости и ухудшающие экономичность бега (MacDougall et al., 1974). Однако в работе (Rowell et al., 1969) было обнаружено, что умеренный рост температуры мышц, наоборот, оказывается благоприятным фактором, повышающим механическую эффективность мышц и вызывающим снижение потребления кислорода. Данное снижение потребности в кислороде за счет большей механической интенсивности компенсировало возросший аэробный запрос от усиления кровообращения, вентиляции, а также выделения пота. Однако, похоже, что на конкретную комбинацию действия данных физиологических факторов оказывает влияние конкретная композиция мышечных волокон. Как было отмечено в ряде исследований, высокая экономичность бега ассоциируется с большей долей мышечных волокон типа I (Bosco et al., 1987; Kaneko, 1990; Williams and Cavanagh, 1987). Это означает, что метаболическая активность во время сокращения разных типов волокон оказывает влияние на экономичность бега. Миокардиальное потребление кислорода также может улучшить экономичность бега за счет лучшей комбинации частоты сердечных сокращений и ударного объема сердца (т.е. снижения ЧСС и роста ударного объема) (Bailey and Pate, 1991). В работе (Anderson, 1996) был проведен более подробный обзор значимых биомеханических факторов, воздействующих на экономичность бега: 8 1) Длина тела бегуна. 2) Весовой индекс (масса тела спортсмена, деленная на длину тела в кубе) 3) Доля жира в составе тела. 4) Морфология ног. 5) Строение таза. 6) Длина стопы. 7) Соревновательная обувь. 8) Вертикальные колебания центра масс. 9) Угол в коленном суставе при «складывании» ноги в маховом движении. 10) Движения рук. 11) Угловая скорость и диапазон движения стопы при «съеме» 12) Силы реакции опоры. 13) Использование энергии упругой деформации. 14) Покрытие, по которому осуществляет бег. 15) Характер совместного движения бедер и плечей. Давно признается факт, что более эффективная механика бега способствует экономии энергии спортсмена, а, следовательно, улучшает экономичность бега (Cavanagh and Williams, 1982; Frederick, 1983). Таким образом, экономичность бега является одним из главных физиологических детерминантов в беге на выносливость. А биомеханические характеристики спортсмена дают важный вклад в процессы, отвечающие за экономичность соревновательного передвижения. 9 2. Рекомендации по математическому анализу взаимосвязей между биомеханическими характеристиками спортсмена и спортивными результатами Экономичность бега равно, как и биомеханические факторы, ассоциирующиеся с ней, связанны с соревновательными результатами. И улучшение в экономичности бега, совершенствование техники бега приводит к улучшению соревновательных результатов в беге на выносливость. Физиологические тестирования экс-рекордсмена мира Стива Скотта выявили ряд изменений в физиологических переменных, а также улучшения спортивных результатов за 6-месячный тренировочный период. В частности, величина МПК увеличилась на 3,8% (с 74,4 до 77,2 мл/кг/мин), а экономичность бега улучшилась на 6,6% (с 48,5 до 43,3 мл/кг/мин при скорости бега 16 км/час) (Conley et al., 1984). Суммарно данные два фактора привели к тому, что относительное потребление кислорода на скорости 16 км/час было снижено с 65,1% до 58,6% от МПК, а соревновательные результаты на средние дистанции улучшились. В работе (Svedenhag and Sjödin, 1985) было обнаружено, что снижение потребления кислорода у элитных бегунов на выносливость на скорости 15 и 20 км/ч сопровождалось улучшением соревновательного результата, показанного на дистанции 5000 м. Для субэлитных или же малотренированных спортсменов подобная связь экономичности бега и спортивных результатов существует не всегда (Williams and Cavanagh, 1987). В частности, авторы данного исследования не обнаружили статистически значимой связи потреблением кислорода на скорости в 13 км/час и спортивными результатами на 10000 м (Williams and Cavanagh, 1987). Однако в целом принято считать, что для однородных групп спортсменом экономичность бега является хорошим предиктором 10 спортивных результатов в беге на выносливость (Conley and Krahenbuhl, 1980): у 12 тренированных бегунов была найдена статистически значимая высокая корреляция между потреблением кислорода на скорости 14, 16, 18 километров в час и результатом на 10000 м. 65% вариаций в результате на данную дистанцию получили объяснение через фактор экономичности бега, при чем более экономичные спортсмены демонстрировали лучшие результаты. Более того, экономичность бега, протестированная на низких скоростях, тем не менее, оказывается хорошим предиктором для спортивных результатов, выполняемых на значительно более высоких скоростях (Farrell et al., 1978). Наконец, в исследовании более техничных спортсменов из Кении в сравнении со спортсменами-европейцами были обнаружено (Weston et al., 2000), что, несмотря на более низкие величины МПК (на 13%), кенийские спортсмены обладали на 5% лучшей экономичностью, чем европейцы в случае использования величин потребления кислорода на килограмм, и на 8% лучше в случае использования величины на кг в степени 0,66. Благодаря этому кенийские стайеры были в состоянии поддерживать более высокую долю МПК при сходной концентрации лактата в крови. В исследовании (Di Prampero et al., 1993) была сформулирована интересная математическая модель, позволяющая прогнозировать спортивные результаты в беге на средние и длинные дистанции (до 5000 м). Метаболическая мощность (Er), превышающая расход в состоянии покоя и требуемая для перемещения тела, задается следующей формулой: (2.1) где Сr – требуемый расход энергии (в джоулях) для перемещения тела на один метр, а v – скорость в м/с. Величина Er выражена в ваттах. Для максимальных условий формула (2.1) примет вид: 11 (2.2) т.е. максимальная скорость спортсмена зависит от максимальной метаболической мощности и от расхода энергии Сr, ассоциирующегося с определенной скоростью. В аэробных условиях Ermax лимитируется величиной максимального потребления кислорода (МПК). Тем не менее, поскольку МПК не может быть поддерживаться бесконечно долго, то для пролонгированных соревнований выражение (2.2) примет вид: (2.3) где vend – это скорость на соревнования в беге на выносливость, F – это максимальная доля МПК, которая может быть поддержена во время всех соревнований, α – это коэффициент, переводящий потребление кислорода в Er (1 мл/мин = 0,35 Ватт, что справедливо при значении дыхательного коэффициента RER в 0.96). Отношение между максимальной внешней мощностью и распространением усилий спортсмена-велосипедиста во времени могут быть связаны следующей формулой: (2.4) где А – это величина механической работы, которая может быть выполнена за счет утилизации анаэробных источников энергии, В – это механическая мощность, поддерживаемая только за счет МПК, k = 0.1 s^-1 – это коэффициент, показывающий скорость разворачивание медленного 12 компонента кинетики потребления кислорода, и третье слагаемое в формуле (2.4) показывает, что величина МПК не может быть достигнута мгновенно, фактически данное слагаемое измеряет дефицит кислорода в начале соревнований. Аналогичный подход может быть адаптирован и к моделированию производства энергии для бегунов на выносливость: (2.5) где АnS – максимальное количество энергии, получаемое из анаэробных источников (алактатным и лактатным способом), МАР – максимальная аэробная мощность спортсмена. Если величина анаэробной емкости и МАР известны, а скорость, как известно, это результат деления расстояния на время, то можем вычислить: (2.6) и поскольку для всех беговых дисциплин в легкой атлетике d (дистанция) известны, то Еr связана обратной зависимостью с t. Обработка данных бегунов на средние дистанции позволяла получить следующие зависимости: (2.7) где Cr,tot – совокупная энергия, при чем второе слагаемое показывает энергию, требуемую для того, чтобы ускорить тело спортсмена из состояния покоя до скорости на финише (в джоулях/м/кг), М – масса тела, ɳ коэффициент, показывающий эффективность трансформации 13 метаболической энергии в кинетическую. Если принять данный коэффициент за 0,25, то формула может быть модифицирована: (2.8) Как видно более короткая дистанция и быстрые скорости вызывают существенный рост Cr. Например, для 100 м на уровне международных результатов (10 секунд), данная величина составляет 4 джоуля/м/кг. Для длинных и более спокойных дистанций, которые и составляют основной предмет исследования в данной работе, кинетическая энергия становится довольно малой величиной, т.е. для бега от 800 м до 5000 м со скоростью мировых рекордов, то вклад второго слагаемого будет составлять от 10 до 1% в расход энергии соответственно. Рисунок 2 – Вычисленные рекордные результаты (theoretical time), как функция фактического времени (time of performance) (Di Prampero et al., 1993) 14 На рисунке 2 можно видеть хорошее подтверждение гипотезы о том, что Ermax = Er. В случае, если мы добавим в формулу (2.7) расход энергии, связанный с сопротивлением воздуха, то получим следующую математическую зависимость: где Cr,na – расход энергии, не связанный с преодолением сопротивления воздуха, а k` - это коэффициент, который показывает, что расход энергии на преодоление сопротивления воздуха при росте скорости происходит нелинейным образом. Важный вывод, сделанный автором, заключается в том, что улучшение экономичности бега на 5% вызывает приблизительно 3,8% улучшение в спортивных результатах на средних и длинных дистанциях (Di Prampero et al., 1993). Указанная модель является полезным инструментом, который позволяет вычислять прогнозные результаты спортсмена в видах спорта на выносливость. Однако для прогноза спортивных результатов не обязательно строить энергетическую модель, где расчетные динамические факторы, связанные с расходом энергии на перемещение тела спортсмена, будут выступать в качестве важной части модели. Возможен и другой подход, связанный с математическим анализом взаимосвязей между биомеханическими характеристиками спортсмена и спортивными результатами. В частности, все биомеханические факторы, проанализированные в предыдущем разделе, могут выступать в качестве предикторов спортивных результатов (Kyrolainen et al., 2001; Scholz et al., 2008; Williams, 2008). Для этих целей используется регрессионный анализ. 15 В простейшем случае линейной регрессии основное уравнение будет выглядеть следующим образом: , где Y – это спортивный результат, а переменные X1, X2, … , XN – это набор кинематических и/или динамических характеристик соревновательного бега спортсмена; bi – это коэффициенты, показывающие значимость соответствующих факторов. Подбор значений коэффициентов b происходит методом наименьших квадратов, когда фактические значения Y (спортивных результатов на определенной дистанции) соотносятся со значениями соответствующих биомеханических характеристик. При этом квадрат отклонений между фактическими и расчетными значениями: выступает в качестве целевой функции. Численными методами данная функция минимизируется, подбором соответствующих параметров b. Для набора необходимого количества данных требуется использовать группу спортсменов, сходного уровня мастерства, или же осуществлять математический анализ данных одного спортсмена на протяжении некоторого периода его карьеры. Полученные значения коэффициентов при каждом из факторов проверяются на статистическую значимость. Корректность линейной регрессии проверяется через R2. Небольшие величины R2 говорят о том, что или был подобран неверный набор исходных данных (кинематических, 16 динамических, антропометрических параметров спортсменов), или же требуется использование методов криволинейной регрессии. Набор факторов конкретных факторов в уравнениях регрессии зависит от двух обстоятельств. Во-первых, возможностей технически замерять и обработать необходимые параметры. Датчики скорости, системы видеоанализа, тензометрические матрасы и платформы, системы инерционного анализа, оптопары и т.д. доступны не каждому тренеру, и таким оборудованием оснащен далеко не каждый центр тестирования. В этом случае набор конкретных переменных уже будет задаваться доступностью соответствующего оборудования. Второе обстоятельство связано с пониманием тренера процессов, происходящих во время бега. Так, например, изменение далеко не всех регистрируемых параметров играют существенную роль в продвижении спортсмена во время соревнований. Специалист, работающий с элитными спортсменами должен попросить тренера сформулировать набор ключевых переменных, зафиксировать их техническими средствами, и в дальнейшем обработать их математически. Более простым способом является использование коэффициентов корреляции в изменениях тех или иных биомеханических или антропометрических характеристик спортсмена и его соревновательных результатов. Найденное высокое значение коэффициента корреляции (статистически значимое) говорит тренеру о том, что существует высокая вероятность того, что данный фактор положительно влияет на прогрессию спортивных результатов спортсмена. Другой способ заключается в сравнении биомеханических характеристик сильных и слабых бегунов, в том числе с применением методов дискриминантного анализа (Berg, 2003; Cavanagh et al., 1977; Hayes and Caplan, 2012; Leskinen et al., 2009). Выявление типовых особенностей элитных спортсменов, дает основание предполагать, что более высокие спортивные результаты ассоциируются с данными биомеханическими 17 характеристиками. Более подробно данные методики будут рассмотрены в разделе 6. 18 3. Рекомендации по измерению вклада различных сочетаний длины и частоты шагов в механические затраты энергии на перемещение спортсмена Два довольно простых кинематических параметра, поддающихся регулярному контролю со стороны спортсмена и тренера является частота и длина шагов во время соревнований по легкой атлетике. Важный вопрос, волнующий тренеров заключается в том, какая именно частота шагов и какая именно длина шага для данного спортсмена является наилучшей во время соревновательной практики с заданной скоростью? Ученые-биомеханики, специалисты-практики и спортивные физиологи с разных позиций развивают походы для получения ответов на эти вопросы. В работе (Knuttgen, 1961) автор попытался ответить на вопрос о том, какие метаболические расходы энергии сопряжены с различными комбинациями частоты и длины шагов (см. таблица 1). Потребление кислорода и скорость бега связаны криволинейно, в тоже время расход энергии во время бега со скоростью от 9 до 14 км/час является преимущественно кинетическим по своей природе (Knuttgen, 1961). Для выявления оптимальной длины шагов (а при заданной скорости, значит и оптимальной частоты шагов) испытуемые спортсмены прошли два теста с газоанализом и пульсометрией. В первой серии испытаний спортсмены самостоятельно выбирали длину шагов, а во второй длина шага была жестко задана на уровне 77 см. Из данных таблицы 3.1 и рисунка 77 можно сделать важный вывод о том, что свободно выбранная длина шагов способствовала более экономичному передвижению. 19 Таблица 1 Потребление кислорода (VO2), ЧСС (pulse), длина шагов (stride length) при различных скоростях (speed) для заданной (pre-determined series) и незаданной (undetermined series) спортсмену длины шагов (Knuttgen, 1961) Кроме того, прирост скорости при свободно выбранной длине шага осуществлялся за счет прироста длины шага при довольно небольшом снижении частоты шагов. Сходный результат был получен в свое время для велосипедистов в ходе исследования свободно выбранной частоты педалирования против жестко заданной (Argentin et al., 2006; Garcin et al., 2008). 20 Рисунок 3 – Кислородная и пульсовая стоимость бега при заданной (x) и свободной (●) длине шага (Knuttgen, 1961); по вертикальной оси отложены потребление кислорода в л/мин (слева) и ЧСС (справа) ударов в минуту; горизонтальная ось – скорость (velocity, км/час) С одной стороны звучит логично, что долгие годы соревновательной и высокоинтенсивной тренировочной практики способствуют тому, что свободная выбранная частота и длина шагов является наиболее экономичной. Однако в исследовании велосипедной частоты педалирования было выявлено (Vercruyssen and Brisswalter, 2010), что для соревнований, продолжительностью менее 15 минут свободно выбранная частота (80-100 оборотов в минуту) является выше, чем частота, при которой потребление кислорода достигает минимальных величин (55-65 оборотов в минуту). С ростом же продолжительности соревнований, свободно выбранная частота постепенно снижается. С другой стороны, данные факты свидетельствуют о том, что выбранная свободной частота не обязательно является оптимальной. 21 Похожий исследованию M. Garcin подход был использован в работе (Streltsov, 2004), где была дана попытка эмпирического ответа на вопрос об оптимальной частоте шагов для бегунов на выносливость (см. рисунок 4). Было взято пять скоростей бега: 500 м/мин; 450 м/мин; 400 м/мин; 350м/мин; 300 м/мин. Первая – максимальная скорость, если перевести на 1 км, то это будет 2 мин. 400 м/мин – у мужчин это 3-й взрослый разряд, у женщин – 1-й взрослый. Последняя скорость – самая медленная, это 3-й юношеский разряд и у мужчин, и у женщин. Если 300 м/мин перевести на 1 км, то это будет составлять 3 мин 20 сек, что равняется 1-му юношескому разряду у мужчин и 2-му взрослому у женщин. В качестве аппаратуры было использовано: беговая дорожка, на которой можно было менять скорость бега, секундомер и шагомер. Подсчитав количество шагов, которые делают бегуны на каждой скорости за 50 метров и умножив на всю дистанцию, определяется общее количество шагов, а отсюда сразу же определяется количество выполненных шагов в минуту. Есть длина дистанции, количество выполненных шагов в минуту, поэтому легко было рассчитать продолжительность каждого шага в секунду. Рисунок 4 - Изменение длины шагов и их количества в зависимости от скорости бега : 1 – 500 м/мин ; 2 – 450 м/мин ; 3 – 400 м/мин ; 4 – 350м/мин ; 5 – 300 м/мин (Streltsov, 2004) 22 Построенные автором кривые позволили сделать вывод о том, что оптимальная частота шагов не зависит от дистанции и составляет 244 шага в минуту (Streltsov, 2004). Данные показатели близки к значениями, которые демонстрируют лучшие африканские бегуны и китайские бегуньи, однако для рослых европейских спортсменов данные величины не наблюдаются – частота шагов меньше (Skof and Stuhec, 2004) – в приведенной работе частота шагов известной представительницы бега на средние дистанции (Иоланды Чеплак) составила 3,6 герц или 216 шагов в минуту. Отсюда следует вывод о том, что либо бегуны на выносливость европейского типа используют субоптимальные частоты и длины шагов, либо мы нуждаемся в более совершенных и комплексных моделях, которые будут вычислять не только метаболические затраты энергии, но и механические. «При ходьбе и беге механическая энергия определяется скоростями движения тела и его звеньев и их расположением, т. е. кинетической и потенциальной энергией. При ходьбе и беге спортсмене затрачивает энергию не только на горизонтальные, но и на вертикальные и поперечные перемещения общего центра масс» (Уткин, 1989). По мнению российского биомеханика (Уткин, 1989), в зависимости от фазы цикла величина кинетической и потенциальной энергии тела изменяется. Характер этих изменений в ходьбе и беге принципиально различен. Кинетическая и потенциальная энергия в ходьбе изменяется в противофазе; например, в момент постановки ноги на опору максимум кинетической энергии совпадает с минимумом потенциальной, а в беге — синфазно (например, в высшей точке полета максимум кинетической энергии совпадает с максимумом потенциальной). Следовательно, при ходьбе происходит рекуперация энергии, т. е. ее сохранение путем перехода кинетической энергии в потенциальную энергию гравитации и обратно, а при беге этот вид рекуперации практически отсутствует. Зато при беге значительно более выражен другой вид рекуперации, когда кинетическая 23 энергия переходит в потенциальную энергию сокращающихся мышц, действующих подобно пружине. Рисунок 5 - Энергетическая стоимость метра пути при различных сочетаниях длины и частоты шагов: пунктир — изоспиды; сплошные линии— линии одинаковых величин частоты пульса; стрелками указаны оптимальные по экономичности сочетания длины и частоты шагов (Уткин, 1989) Энергозатраты на 1 м пути при ходьбе меньше, чем при беге, но только при низких скоростях передвижения. При высоких скоростях бег, наоборот, экономичнее ходьбы. Зона, где более выгоден бег, отделена от зоны, где более выгодна ходьба, граничной скоростью. Граничная скорость определяется числом Фруда (Ф), которое вычисляется по формуле (Уткин, 1989): 24 Ф v2 gL0 где g — ускорение земного тяготения (м/с2); v —скорость передвижения человека (м/с); Lo —высота общего центра масс тела в основной стойке (м). Если число Фруда меньше единицы (Ф<1), то выгоднее ходьба, а при Ф>1 выгоднее бег. Граничная скорость соответствует условию Ф=1 и, следовательно, может быть рассчитана по формуле (Уткин, 1989): Энергетические затраты зависят от многих факторов, в том числе от сочетания длины и частоты шагов. При слишком коротких или чересчур длинных шагах (что соответствует недостаточной или чрезмерной силе отталкивания) энергозатраты на 1 м пути выше, чем при оптимальном сочетании длины и частоты шагов. Например, отклонение длины шага от оптимальной величины на 6% при беге со скоростью 4 м/с увеличивает энергетические затраты, приходящиеся на метр пути в среднем на 1 Дж (Уткин, 1989). Ряд биомехаников трактуют движения бегущего человека с точки зрения маятникового механизма. Во время эксцентричной фазы во время опоры, механическая энергия накапливается в мышцах и связках. Во время концентрической фазы используется часть энергии, накопленной в мышцах и связках, а значит снижается общий расход энергии. Для определения наилучшей комбинации длины и частоты шагов следует воспользоваться идеей резонансной частоты. Резонансная частота является важной характеристикой осциллирующей системы. Резонансная частота – это частота, при которой после физического импульса система свободно 25 вибрирует (Dalleau et al., 1998). Экономичность бега имеет высокую корреляцию с жесткостью мышц (r = 0.80) и резонансной частотой (r = 0.79). Для расчетов резонансной частоты чаще используется так называемая пружинно-массовая модель бега (Brughelli and Cronin, 2008; Dalleau et al., 1998; Di Michele et al., 2012; Dutto and Smith, 2002; Ferris et al., 1999; Girard et al., 2011; Gottschall and Kram, 2005), см. рисунок 6. Рисунок 6 – Прыжинно-массовая модель бега (Dalleau et al., 1998); flight phase – фаза полета; contact phase – фаза опоры; z position – перемещение по вертикали, x position – перемещение по горизонтали В рамках данной модели во время эксцентрической фазы центр масс теряет часть механической энергии (WCM), которая запасается в форме эластичной энергии в пружине (Dalleau et al., 1998): WCM 1 2 K r , 2 26 где K – это жесткость прыжины, а Δr – величина ее укорачивания. Значит можно вычислить жесткость пружины через измерение механической работы и величину укорачивания. Используемая для тестов беговая дорожка состоит из жесткой металлической основы и предполагается, что жесткость беговой дорожки не влияет на жесткость ног. Укорачивание пружины измеряется посредством вычитания начальной длины от длины конечность в момент вертикали. Начальная дина пружины равна: , где tecc - это продолжительность эксцентричной фазы, v – средняя горизонтальная скорость центра масс (СМ) во время эксцентричной фазы, а zstrike – вертикальное положение центра масс во время начала контакта. Значит, укорачивание пружины будет эквивалентно: Резонансная частота (RF) пружинной системы будет вычисляться как: , где К – жесткость пружины, а mb – масса тела. Следует отметить, что рост массы тела вызовет падение резонансной частоты, а рост жесткости пружины, например, в результате программы плиометрических тренировок благоприятен для роста резонансной частоты, а следовательно для снижения энергетической стоимости бега (см. рисунок 7). Зная фактическую частоту 27 (SF) можно вычислить относительную разницу в частоте шагов (ΔF) через формулу: Важно отметить, что чем ближе фактическая частота к резонансной, тем меньше энергетическая стоимость бега (и лучше экономичность), см. рисунок 8. Рисунок 7 – Взаимосвязь между жесткостью (stiffness) толчковой ноги и энергетической стоимостью бега (energy cost of running) (Dalleau et al., 1998) Жесткость, резонансная частота и механическая работа вычисляются для каждой ноги отдельно (см. таблица 2). Асимметрия между двумя ногами также может быть вычислена по следующей формуле: 28 где Wl+ и Wr+ - положительная работа по перемещению центра масс выполненная правой и левой ногой соответственно. Нога, выполняющая большую механическую работу, называется толчковой, поскольку продвигает вперед и вверх центр масс. Рисунок 8 – Взаимосвязи между относительной разницей между фактической и резонансной частотой бега (relative frequency differences) и энергетической стоимостью бега (energy cost of running) (Dalleau et al., 1998) Таблица 2 Пример расчета резонансной частоты и механической работы, выполненной каждой из ног бегуна (Dalleau et al., 1998) 29 Propulsive leg – толчковая нога, stick leg – маховая нога, mean - среднее значение, SD – среднеквадратичное отклонение, Range – диапазон значений, Stiffness - жесткость, Resonant frequency – резонансная частота, Positive work – положительная работа, Negative work – негативная работа; * P<0.01 На рисунке 9 изображен пример кинематического анализа, используемого для вычисления параметров пружинно-массовой модели. 30 Рисунок 9 - Пример кинематического анализа, используемого для вычисления параметров пружинно-массовой модели (Dalleau et al., 1998); вертикальная позиция (vertical position); скорость (velocity); общая энергия (total energy); изменение длины ноги (leg length changes) Измерение жесткости ноги (основной шаг для вычисления резонансной частоты) может быть осуществлено и другими способами (Brughelli and Cronin, 2008). Хотя напрямую измерить механические свойства связок, мышц и суставов для живого человека не представляется возможным, 31 но можно использовать тензометрические датчики для измерений сил реакций опоры, что дает возможность вычислить жесткость ноги другим способом. Наконец, вопросом важным с практической точки зрения является также и влияние расход метаболической энергии при разных частоте и длине шагов. Ведь расход механической энергии может быть по-разному связан с расходом энергии метаболической. Данная проблема была исследована в работе (Tokmakidis et al., 1989) на примере девяти элитных спортсменов (см. рисунки 10-13). Проделанная работа позволила оценить высокую степень взаимосвязи между энергетическими затратами и скоростью бега (r = 0,934), а также высокую степень взаимосвязи между свободно выбранной длинной шага и скоростью бега (r = 0,945). Однако корреляция между скоростью бега и частота значительно ниже (r = 0,464). Промежуточный вывод, важный с точки зрения тренеров-практиков, заключается в том, что элитные спортсмены наращивают скорость преимущественно за счет длины шага. Что касается расхода энергии, то была выявлена высокая степень взаимосвязи между частотой шагов и кислородной стоимостью бега (Tokmakidis et al., 1989) (r = 0,998): , где частота шагов y выражена в шагов в минуту, а кислородная стоимость бега (х) в мл/кг/мин. Между длинной шагов и кислородной стоимостью бега можно вывести такую функциональную зависимость (Tokmakidis et al., 1989) (r = 0,992): 32 где длина шагов y выражена в метрах, а кислородная стоимость бега (х) в мл/кг/мин. Рисунок 10 – Индивидуальная и средняя (mean) частота шагов (stride frequency) как функция скорости бега (running speed) (Tokmakidis et al., 1989) 33 Рисунок 11 – Индивидуальная и средняя (mean) длина шагов (stride length) как функция скорости бега (running speed) (Tokmakidis et al., 1989) Рисунок 12 – Индивидуальная и средняя (mean) величина расхода энергии (energy cost) как функция скорости бега (running speed) (Tokmakidis et al., 1989) 34 Рисунок 13 – Средняя величина длины (stride length) и частоты шагов (stride frequency) как функция расхода энергии (energy cost) (Tokmakidis et al., 1989) Очевидно, что линейная зависимость длины и частоты шагов с расходом энергии, выявленная для беговой дорожки, может иметь вид криволинейной зависимости для условий стадиона и роста сопротивления воздуха при росте скорости бега. Однако данные вопросы будут проанализированы в следующем параграфе. Таким образом, различная частота шагов для заданной скорости (если задана скорость и частота, то задана и длина беговых шагов) имеет вносит свой вклад в механическую энергию, затрачиваемую спортсменом. Следовательно, различаться. и метаболическая Значит, использование энергия на продвижение математического будет моделирования позволяет подсказать тренеру и спортсмену направления наилучшей организации тренировочного процесса, направленного на достижение в соревновательных условиях наиболее оптимальной длины и частоты шагов, которое позволит экономить метаболическую энергию во время соревнований. 35 4. Особенности математического моделирования вклада сопротивления воздуха и воздействий ветра на энергетические затраты спортсмена в процессе бега В работе (Pugh, 1970) автор оценивает, что в совокупных расходах энергии спортсменов-бегунов на 5000 м 8% приходится на сопротивление воздуху. В другом исследовании расходы энергии на преодоление сопротивления воздуха были оценены в 4% для бегунов на средние дистанции и 2% для марафонцев (Davies, 1980). Когда скорость попутного ветра равен скорости бега, то в этом случае бег по стадиону создает одинаковый энергетический запрос для бегуна, что и бег по механической дорожке, а потребление кислорода будет иметь сходную величину в обоих случаях (Daniels et al., 1986). Разница же в результатах между бегом в лаборатории и стадионе возрастает по мере того, как возрастает скорость бега. При этом если бег на стадионе происходит в условиях разреженного воздуха, то энергетических запрос, связанный с перемещением бегуна в пространстве на субмаксимальных скоростях, снижается (Hagerman et al., 1975). В некоторых лабораториях установка мощных вентиляционных установок привела к тому, что стало возможным моделировать воздействие ветровых нагрузок на бегуна и замерять расход энергии, связанный с потреблением кислорода. В работе (Costill and Fox, 1969) были опубликованы результаты измерения симулированного встречного ветра и условий безветрия. Разница на субмаксимальной скорости (14,5 км/час) в потреблении кислорода составила 15%. Исследование (Chang and Kram, 1999) попыталось охарактеризовать вид зависимости потребления кислорода от силы, действующей в горизонтальном направлении: в попутном или встречном. Для этих целей 36 использовалась специальная установка на механической беговой дорожке (см. рисунок 14). Рисунок 14 –Схема исследовательской установки (Chang and Kram, 1999); force treadmil – безмоторная беговая дорожка; О2 Analyzer – газоанализатор; Applied Horizontal Force – прилагаемая горизонтальная сила; force transducer – преобразователь силы; Rubber tubing spring elements – пружинные элементы В результате была получена важная криволинейная зависимость (см. рисунок 15). Наилучшая аппроксимация усредненных данных 8 спортсменов дает полиномом второй степени (r = 0.99). Использование аэродинамической трубы в исследовании также позволило оценить рост метаболической стоимости бега как квадрат от скорости встречного ветра (Pugh, 1971), см. рисунок 16. 37 Рисунок 15 – Абсолютный (мл/кг/мин) и относительный (в %) уровень потребления кислорода при разных уровнях прилагаемой горизонтальной силы (Applied Horisontal Force) (Chang and Kram, 1999) Для тренеров и спортсменов представляют большой практический интерес не только расчеты расхода метаболической энергии, но и влияние ветра на скорость бега. Подобные формулы позволяют сопоставить скорость бега в безветренную погоду и бег против ветра. Предложим, что бегун бежит с равномерной скоростью U(W). Скорость бега зависит от скорости ветра W. А сила, развиваемая спортсменом для преодоления сопротивления воздуха, будет задана F(W) (Pritchard, 1993): где τ – временная константа, P – мощность. С нулевым ветром получим следующую формулу: 38 Рисунок 16 – Зависимость потребления кислорода (oxygen intake) от квадрата скорости ветра (square of wind velocity) на беговой дорожке со скоростью 1,25 м/с, 3,75 с/м, 4,47 м/с (Pugh, 1971) Обозначим , а также введем новую переменную T(W) – время бега против ветра со скоростью W. При нулевом ветре это даст: 39 Соответственно - это коррекция времени: Для легкоателтических соревнований по дорожке коэффициент дельта равен 0,03, значит формула сопоставления времени с ветром и в безветрие будет выглядеть следующим образом: Для ветра, дующего под углом к траектории бега спортсмена (W=v·j), формула силы f, действующей в направлении движения, будет такой (Pritchard, 1993): где Cd – зависит от числа Рэйнольдса, А(θ) – проекция площади тела спортсмена в направлении ветра. Приняв как допущение эту проекцию за плоскую плиту, получим формулу: 40 В реальности тело спортсмена, конечно, не выглядит как плоская плита ни с каких углов, однако расчеты показывают, что это хорошая аппроксимация (Pritchard, 1993). В велосипедных гонках по шоссе элементом тактической борьбы является так называемый драффтинг, прием, когда спортсмен в гонках укрывается за спиной лидера и тем самым снижает сопротивление воздуха и экономит энергию. В легкой атлетике вопросы, связанные с математическим моделированием вклада сопротивления воздуха и оценки воздействий ветра на энергетические затраты бегуна, также имеют значение с тактической точки зрения. Ряд исследований были проведены для расчета затраты энергии на преодоление сопротивления воздуха в безветренную погоду (Davies, 1980): 7,8% для бега (10 м / с), 4% на средние дистанции (6 м / с), 2% – бег на марафоне (5 м / с). Это существенное количество энергии, а при беге против ветра эти затраты еще больше увеличиваются. Таким образом, можно утверждать, что драфтинг не уместен при скорости, скажем, 4 м/с или медленнее, за исключением сильного встречного ветра. Выгодно ли «прижиматься» к спортсмену, бегущему впереди? См. рисунок 17 (Pugh, 1971) На графике видно потребление кислорода (который эквивалентен потреблению энергии) бегуном, который в одиночку бежит 4,5 м/с по аэродинамической трубе, в сравнении с аналогичным спортсменом, бегущим за ним на расстоянии один метр. Вполне очевидно, драфтинг - это большая экономия энергии. По некоторым расчетам (Pugh, 1970), при темпе бега 6,2 м/с, при драфтинге, в метре от впереди бегущего спортсмена, в спокойную погоду экономится примерно 80% энергии, которая иначе была бы потрачена на борьбу с сопротивлением воздуха. В таком темпе это примерно соответствует потере 1й секунды на 400 метров, в ветреные дни - больше. 41 Рисунок 17 – экономичность передвижения с использования драфтинга и при фронтальной тактике бега (потребление кислорода Vo2 (л /мин); поглощение кислорода Vo2 (мл/сек); Shielded – бегун заслоненный (кем -то впереди); Not shielded – не заслоненный; Площадь скорости ветра v2 (м/сек )2) (Pugh, 1971) Еще один важный вопрос: где спортсмен должны располагаться при беге, чтобы получить оптимальную позицию при драфтинге? Вот измерения динамического давления воздуха на различных расстояниях от человека, стоящего на беговой дорожке в аэродинамической трубе (см. рисунок 18). 42 Рисунок 18 – Расчеты по наиболее выгодной позиции бегуна при использовании тактики драфтинга (Pugh, 1971); distance – расстояние в сантиметрах Нужно обратить внимание на проценты, показывающие, какое давление воздуха ощущается в данной точке, по сравнению со значением, взятым точно за бегуном. Можно заметить, что на расстоянии за 40 и 80 см до бегуна, ветер практически совсем не ощущается. На расстоянии 100 см – увеличение несущественное и спортсмен по-прежнему хорошо защищен. И это практически предел максимально допустимой дистанции до впереди бегущего спортсмена. В работе (KYLE, 1979) однако были даны оценки, что 43 и на расстоянии 2 метра сопротивление воздуха оказывается на 40% меньше, а расход энергии на 3% ниже. На рисунке также можно увидеть, что при смещении бегуна в сторону, давление увеличивается достаточно быстро: при смещении в сторону на 40 см заметно небольшое увеличение, но уже при смещении на 70 - никаких преимуществ у бегуна нет (Pugh, 1971). Довольно сложно рассчитать какое преимущество будет у бегуна, если ветер не встречный, а под углом (особенно, если этот угол постоянно меняется, как при беге по стадиону). Но примерная цифра – экономия секунды на каждом круге при постоянной скорости в 6,2 м/с в безветренную погоду (Pugh, 1971). Данный эффект достаточно ощутим, поэтому так сложно лидировать на средней дистанции. 44 5. Влияние накопления усталости на изменение биомеханических характеристик спортсмена во время соревнований на выносливость Усталость, связанную с выполнением физической нагрузки можно классифицировать на усталость периферическую и центральную (Ament and Verkerke, 2009). В свою очередь периферическая усталость объясняется эффектами, воздействующими на внутреннюю среду и эффектами, производящие изменения в мышечном волокне. Первая группа эффектов, в частности, при нагрузки выше анаэробного порога вызывает (Ament and Verkerke, 2009): 1) Накопление лактата и ионов водорода. Образующиеся ионы водорода частично буфферезируются, что вызывает учащение дыхания. 2) Накопление аммиака. 3) Увеличение температуры тела, что приводит к выделению пота и постепенно ведет к дегидратации. Внутри мышечного волокна также происходит ряд изменений, среди них (Enoka and Duchateau, 2008; Fowles et al., 2002; Gandevia, 2001; KentBraun et al., 2011): 1) Накапливается неорганический фосфат в саркоплазме, что приводит к снижению силы мышечных сокращений за счет уменьшение актомиозиновых мостиков. 2) Накапливаются ионы водорода в саркоплазме, что также вызывает снижение силы мышечных сокращений за счет уменьшение актомиозиновых мостиков. В дополнение накопление ионов водорода вызывает затруднение в повторном поглощении кальция в саркоплазматическом ретикулуме. 45 3) Накопление ионов магния в саркоплазме, что в свою очередь препятствует выходу ионов кальция из саркоплазматического ретикулума. 4) Нейромышечная синаптическая передача блокируется. 5) Истощение запасов мышечного гликогена и гликогена в печени понижает уровень глюкозы в крови. А даже небольшое снижении уровня глюкозы имеет серьезные последствия для функционирования центральной нервной системы. Последствия накопленной усталости для центральной нервной системы также многообразны (Ament and Verkerke, 2009; Martin et al., 2010; Noakes, 2002; Noakes et al., 2009; Nummela et al., 2008): 1) Проводимость аксонов потенциалов могут быть заблокированы в аксональных разветвлениях, что приводит к снижению активации мышечной волокна. 2) Стимуляция нервов типа III и IV нервов (химио-и ноцицептивных афферентных клеток) индуцирует снижение рекрутирование мотонейронных пула. 3) Возбудимость клеток в коре головного моторной коры может измениться в ходе выполнения двигательных задач. 4) Синаптические эффекты серотонинергических нейронов могут усиливаться, вызывая повышенное чувство утомления. 5) Физическая активность способствует высвобождению цитокинов. IL-6, в частности, вызывает ощущения усталости. Данные процессы оказывают влияние на биомеханические характеристики спортсмена во время соревновательного бега. Для анализа тактической раскладки сил обычно используется так называемые графики бега с информацией о промежуточных временах прохождения отдельных отрезков дистанции. Обычно самой доступной информацией, которую можно получить с помощью видеоанализа или использования инерционных датчиков мощности являются данные о частоте 46 и длине шагов на разных участках дистанции. Развитие усталости зачастую приводит к западению скорости, видному из графика бега. Одновременно происходит изменения в длине и частоте шагов, которые фиксируется данными техническими средствами. Разумеется, снижение скорости может ассоциироваться с тактической раскладкой сил при беге на место, когда идут тактические перемещения, снижается темп с целью сэкономить силы для финишного спурта. Однако в этом случае снижение скорости происходит чаще всего за счет длины шага, а утомление влияет преимущественно на снижение частоты шагов (Bennet, 2002). Однако усталости во время марафонской дистанции, как было измерено в работах (Buckalew et al., 1985; Hausswirth et al., 1997), повлияла на западение длины шага при сохранении почти неизменной частоты. Очевидно, что средние, длинные и марафонские дистанции имеют свои собственные механизмы распространения утомления, которые и влияют на получаемые оценки. Вклад частоты и длины шага в западение скорости может быть различным. Приведем пример вычисления подобной информации. В беге на 3000 м спортсменкой был показан результат 10:30.0 по следующий график с положительными сплитами: Таблица 3 График бега на 3000 м на соревновательный результат 10:30,0 Номер Время километра, Скорость, Частота километра мин,:с м/с шагов, шаг/с 1 3:26.3 4,85 3,23 1,50 2 3:30.9 4,74 3,17 1,50 3 3:33.1 4,69 3,13 1,50 Длина шага, м В данном соревновательном примере вклад в западение скорости был осуществлен только за счет снижения частоты шагов. Позднее через год 47 спортивной подготовки данная бегунья показала результат 9,41,1 по следующему графику: Таблица 4 График бега на 3000 м на соревновательный результат 9:41,1 Номер Время километра, Скорость, Частота километра мин,:с м/с шагов, шаг/с 1 3:09.3 5,28 3,23 1,63 2 3:16.6 5,09 3,20 1,59 3 3:15.2 5,12 3,20 1,60 Длина шага, м Из таблицы мы видим, что падение скорости на 3,7% (с 5,28 до 5,09 м/с) произошло за счет как снижения частоты на 1,0%, так и за счет падения длины шага на 2,7%. В то время как некоторый рост скорости на последнем километре был достигнут за счет роста длины шага при неизменной частоте. Сравнивая две таблицы, можно сделать вывод о том, что прогресс в результате (рост средней скорости бега на 8,4%) был достигнут в основном за счет длины шага (на 6,2%) и в меньшей степени за счет частоты шагов (2,1%). Более точно, было бы заметить, что частота шагов во время усталости не упала во время бега на результат 9.41.1 в отличии от бега на результат 10.30.0. Подобные простые кинематические анализы влияния усталости на скорость, длину и частоту шагов как на разных отрезках соревновательной дистанции, так и на разных стадиях подготовки спортсмена доступны практически любому тренеру при использовании сравнительно недорогих инерционных датчиков Foot Pod Garmin или Polar S3 Stride Sensor W.I.N.D. . Однако использование более совершенных технических устройств расширяет возможности изучения того, как влияет усталость на биомеханические параметры спортсмена. В целом снижение экономичности бега к концу соревновательной дистанции является документированным фактом. В работе (Thomas et al., 48 1995) была поставлена задача оценить вклад изменений в кинетических параметрах в ухудшение экономичности бега во время соревнований на 5000 м. В частности использовались такие углы в ключевых суставах (см. рисунок 19) Рисунок 19 – Обозначения углов в суставах, используемых в исследовании характеристик бегуний в условиях усталости, развивающейся во время соревновательного бега на 5000 м (Thomas et al., 1995) Однако ни один из данных параметров не обнаружил статистически значимой связи между ухудшением экономичности бега и изменением в биомеханических параметрах. В большей части ухудшение экономичности бега к концу забега объясняется не влиянием биомеханических изменений, а действием физиологических сдвигов (Elliott and Roberts, 1980), прежде всего, рост температуры тела, а также развертывание так называемого медленного компонента кинетики потребления кислорода (Billat et al., 1998; Borrani et al., 2001; Cannon et al., 2011; Grassi et al., 2011; Jones et al., 2011; Jones and Poole, 2005; Marles et al., 2007; Poole et al., 1994; Poole and Jones, 2011; Pringle et al., 2003; Vanhatalo et al., 2011; Xu and Rhodes, 1999; Zoladz et al., 2008). Однако 49 вклад биомеханических сдвигов все же имеет место, особенно у спортсменов невысокой квалификации. Как периферические, так и нейромышечные процессы усталости приводят к изменениям биомеханических характеристик соревнующегося спортсмена (Elliot and Ackland, 1981; Elliott and Roberts, 1980; Mercer et al., 2003; Nicol et al., 1991; Tupa et al., 1995; Van Gheluwe and Madsen, 1997; Williams et al., 1991). Все дистанции, начиная с 400 м проявляют общие тенденции с точки зрения влияния утомления на биомеханические характеристики. Среди данные характеристики обычно выделяют такие кинематические и динамические параметры, как (Tupa et al., 1995): 1) снижение средней скорости бега и частоты шагов; 2) Снижение движущей силы; 3) Увеличение тормозящей силы при приземлении маховой ноги; 4) Увеличение вертикального перемещения тазобедренного сустава. Это создает дополнительную работу по вертикальному перемещению центра масса; 5) Возрастание градуса отталкивания в треугольнике, образованном толчковой ногой и проекцией центра масс. В другом исследовании (Elliott and Roberts, 1980) было выявлено, что во время контрольного бега на 3000 м уставшие бегуны не в состоянии поддерживать большую длину шага. Чтобы компенсировать данное явление и поддержать соревновательную скорость, спортсмены вынуждены увеличивать частоту шагов. Кроме того, была зафиксирована тенденция к росту времени на опоре и, соответственно, сокращение полетной фазы. Однако самым значимым результатом исследования было обнаружение того, что опорная нога во время отталкивания была более согнута, а бедро менее раскрыто во время завершения опорной фазы. И туловище при этом было наклонено сильнее вперед во время всего бегового цикла. В работе (Williams et al., 1991) также исследовались биомеханические характеристики спортсменов во время разных стадий 50 распространения утомления. Было обнаружено, что усталость влияет на значительное западение длины шага, рост максимального сгибания ноги в коленном суставе во время маха, а также увеличение максимального угла бедра во время сгибания в тазобедренном суставе. Однако в целом по группе исследуемых спортсменов кинематических утомление характеристиках. не Однако вызывало изменений отдельные в индивиды демонстрировали явные изменения в технике бега, которые и были зафиксированы в ходе кинематического анализа. Одной из характеристик влияния усталости на технику бега является появление «зажатости» в плечевом поясе, постепенно распространяющееся на другие части двигательной системы организма. Традиционно движение рук во время бега воспринимается как вспомогательное движение, призванное компенсировать закручивающий момент от движений ног (Arellano and Kram, 2011) (см. рисунок 20). Рисунок 20 – Задний вид положения стопы относительно серединной линии тела во время бега человека (Arellano and Kram, 2011). Реакция опоры (GRX) 51 может достигать размера 2-3 веса человеческого тела и создавать закручивающийся момент вокруг центра масс (COM) В целом данный вопрос связан с важным аспектом передвижения человека – сохранение стабильности (Bruijn et al., 2013; Bruijn et al., 2011; Hu et al., 2012; Manifar, 2012; Shafeie et al., 2012). Данные вопросы важны и с точки зрения робототехники (создание человекоподобных роботов) (Koopman et al., 2013), а также рисков падения во время ходьбы представителей юного или пожилого населения (Krasovsky et al., 2014). Однако сделанные в рамках данного исследовательского направления выводы и достижения математического моделирования важны и с точки зрения биомеханики бега. В частности поддержание бокового равновесия требует затрат энергии (Arellano and Kram, 2012). Разумеется, не только руки и боковые мышцы корпуса ответственны за поддержания динамического баланса. Группа из четырех мышц: 1) Gluteus Maximus, 2) Gluteus Medius, 3) Gluteus Minimus, and 4) Tensor Fascia Lata принимает важное участие в поддержании стабильного положения во время движения (Bennet, 2002) во время разгибания бедра. При этом боковые раскачивания могут фиксироваться средствами кинематического анализа (например, видео-фиксация движения), а могут измеряться и динамические характеристики (см. рисунок 21). Исследование (Elliot and Ackland, 1981), посвященное изменениям в биомеханических характеристиках элитных спортсменов во время бега на 10000 м позволило получить ряд результатов. Некоторое западение скорости, наблюдавшееся во время бега, происходило за счет укорачивания длины шага при сравнительно неизменной частоте шагов. Вертикальные колебания центра масс, позиция ног во время контакта с поверхностью, угловые позиции в суставах, а также позиции сегментов ног остались без статистически значимых изменений. Изменились параметры приземления: увеличилось расстояние касания стопы до проекции центра масс, а также 52 относительная возвратная скорость голеностопного сустава. Это свидетельствует о некотором снижении эффективности работы спортсмена во время тормозной фазы при приземлении. В исследовании (Le Bris et al., 2006) бегунов на средние дистанции было выявило, что утомление воздействует на два основных параметра – усиливаются колебания центра масс в боковых направлениях, а также усиливается так называемая нерегулярность шагов (т.е. под влиянием усталости пространственно-временные характеристики шагов изменяются). Рисунок 21 – Измерения силы, затрачиваемой на удержание тела во время ходьбы и бега от боковых колебаний (Arellano and Kram, 2012) Таким образом, для малотренированных спортсменов многие кинематические и динамические характеристики изменяются существенным 53 образом под влиянием утомления (Derrick et al., 2002). Однако у элитных спортсменов нарастание утомления воздействует на биомеханические параметры сравнительно незначительно, а ухудшение экономичности бега происходит главным образом под влиянием физиологических сдвигов. 54 6. Рекомендации по оценке эффективности техники передвижения спортсмена Отсутствие ошибок в технике бега является первым признаком эффективной техники соревновательного передвижения. Наличие избыточных вертикальные колебания центра масс, неострый угол в коленном суставе при «складывании» ноги в маховом движении, энергозатратное движение рук, высокая вертикальная сила реакции опоры во время бега, слабое использование энергии упругой деформации, наличие боковых колебаний, «сидящий» бег и некоторые другие проблемные моменты должны быть распознаны и оценены с точки зрения негативного влияния на спортивные достижения. Использование видео-анализа, средств компьютерной реконструкции бега, а также инерционных систем позволяет тренеру осуществить анализ техники бега на ошибки. Однако у элитных спортсменов не так часто встречаются ошибки в технике бега. Тем не менее, одни спортсмены передвигаются на дорожке более технично, чем другие. В работе (Williams and Cavanagh, 1987) было получено обоснованное подтверждение того факта, что более экономичные бегуны имеют идентичные динамические параметры высокоинтенсивного бега. Вторая существенная возможность оценить эффективность техники передвижения спортсмена заключается в сравнении его биомеханических характеристик с образцовыми техниками бега (или, по крайней мере, с техникой бега элитных спортсменов). Полезная методика по сравнительному анализу кинематических параметров спортсменов разного уровня мастерства была предложена в работе (Cavanagh et al., 1977). Возвратно-поступательные движения различных точек опорнодвигательного аппарата, а также изменение угловых характеристик, изображенные в виде диаграмм дают наглядное представление о разнице в 55 технике бега лучших спортсменов (elite) и бегунов с более низким уровнем мастерства (good): см. рисунки 22-27). Рисунок 22 – Диаграмма, показывающая средние значения углов в коленном (knree) и тазобедренном суставе (thigh) элитного спортсмена и хорошего бегуна (Cavanagh et al., 1977); буквы обозначают границы фаз бега f.s. – первый контакт с опорой, t.o. – завершение отталкивания; с.f.s. - первый контакт с опорой противоположной ноги; с.t.o. - завершение отталкивания противоположной ногой 56 Рисунок 23 – Сравнение средних величин угловых и пространственных характеристик для двух ключевых позиций во время опорной фазы: во время первого касания опоры (foot-strike) и для угла наклона опорной ноги в коленном суставе (knee flexion in support) (Cavanagh et al., 1977) 57 Рисунок 24 – Сравнение средних величин угловых характеристик для двух ключевых позиций во время полетной фазы: для «складывание ноги» (knee flexion in swing) и для выноса бедра маховой ноги (knee flexion in support) (Cavanagh et al., 1977) 58 Рисунок 25 – Диаграмма, показывающая средние значения углов в коленном (knree) и голеностопном суставе (ankle) элитного спортсмена и хорошего бегуна (Cavanagh et al., 1977); буквы обозначают границы фаз бега f.s. – первый контакт с опорой, t.o. – завершение отталкивания; с.f.s. - первый контакт с опорой 59 Рисунок 26 – Диаграмма, показывающая средний скручивающий момент (torque) в тазобедренном суставе во время полетной фазы у элитного спортсмена и хорошего бегуна (Cavanagh et al., 1977); swing time – время полета 60 Рисунок 27 – Диаграмма, показывающая средний скручивающий момент (torque) в коленном суставе во время полетной фазы у элитного спортсмена и хорошего бегуна (Cavanagh et al., 1977); swing time – время полета Наконец, третья методика оценки эффективности техники бега спортсмена заключается в сопоставлении биомеханических характеристик спортсмена (углов в суставах, реакций опоры, частоты и длинны шагов, угловые ускорения в движении отдельных суставов или сегментов и т.д.) с потреблением кислорода. Участие в контрольных соревнованиях или выполнение тестовых забегов на субмаксимальной скорости с портативным газоанализатором и средствами фиксации биомеханических параметров позволяет получить информацию о том, какие кинетические и динамические параметры спортсмена имеют корреляцию с экономичностью бега. В 61 качестве примера можно рассмотреть влияние различных частот бега на размеры потребления кислорода (см. рисунок 28). Рисунок 28 – Экономичность бега (running cost, А) и частота сердечных сокращений (heart rate, B) как функция частоты беговых шагов (stride frequency) в два разных дня для одного спортсмена (de Ruiter et al., 2013) Таким образом, в распоряжении тренера находится три инструмента, позволяющие оценить эффективность техники бега спортсмена. В свою очередь данная информация позволяет наметить направления ее совершенствования при использовании тех или иных тренировочных средств (см. следующий раздел). 62 7. Рекомендации по составлению спортивных тренировок, направленных на улучшение биомеханических характеристик спортсменов в процессе соревновательного бега на выносливость Улучшение экономичности бега является одним из детерминантом в росте мастерства на длинные, средние дистанции, а также в марафонском беге. Существует несколько возможностей воздействовать на данную физиологическую переменную посредством организации тренировочного процесса. Традиционно предлагается использование силовой подготовки: упражнения с максимальным весом (Barrett-O'Keefe et al., 2012; Hickson et al., 1988; Johnson et al., 1997; Marcinik et al., 1991; McCARTHY et al., 1995; Millet et al., 2002; Storen et al., 2008; Sunde et al., 2010), плиометрические упражнения (Berryman et al., 2010; Markovic et al., 2007; Marković et al., 2005; Potteiger et al., 1999; Saez-Saez de Villarreal et al., 2010; Saunders et al., 2006; Spurrs et al., 2003; Turner et al., 2003), изометрическая тренировка (Zoladz et al., 2012), а также развитие взрывной силы (Häkkinen, 1994; HÄKKUKINEN et al., 1985; Paavolainen et al., 1999; Sale, 2003). За счет данных тренировочных средств растет меж- и внутримышечная координация, более быстрая активация и расслабление рабочих мышц увеличивает паузу для их отдыха. Данные изменения в технике беге могут быть зафиксированы за счет использования электромиографического оборудования (HÄKKUKINEN et al., 1985). Кроме того, повышается эффективность процесса запасания и использования энергии упругой деформации во время соревновательного бега (Spurrs et al., 2003). Кроме того, плохую экономичность бега, выявленную в ходе физиологического и/биомеханического тестирования можно улучшить за счет тренировок и проживания в условиях гипоксии (Katayama et al., 2003; 63 Katayama et al., 2004; Saunders et al., 2004b), а также в условиях жары (Bailey and Pate, 1991). В обоих случаях движения бегуна становятся более экономичными, а также растет частота беговых шагов. Однако рост экономичности бега после тренировок в среднегорье и/или жаре сопряжен не только с изменениями физиологическими биомеханических адаптационными параметров, процессами но и с (уменьшение вентиляционных показателей для субмаксимальных скоростей, сдвиги метаболизма в сторону окисления жиров, снижение выработки лактата). Не все исследователи (Levine and Stray-Gundersen, 1997) подтвердили статистически значимые изменения в экономичности бега после тренировок или пребывания в условиях гипоксии, однако положительное воздействие на другие физиологические детерминанты (МПК, лактатный порог), тем не менее, делает эту группу тренировочных средств привлекательной с точки зрения использования бегунами на выносливость. Выявленные проблемные аспекты в технике соревновательного бега спортсмена должны быть элиминированы в ходе выстроенного для этой цели тренировочного процесса. Диагностированный недостаток в технике бега требует исправления. Для этих целей используется большой арсенал средств, среди которых специализированная силовая подготовка, специальные беговые упражнения, работа с метрономом на ритм, бег в затрудненных или облегченных условиях, бег в гору и некоторые другие средства (Barnes et al., 2013; Bennet, 2002). Однако встает вопрос о том, насколько то или иное тренировочное средство, выбранное тренером, помогает в достижении поставленной задачи? Мониторинг избранной группы показателей позволяет ответить на данный вопрос. И если набор тренировочных средств, призванный исправить ошибку бега не приводит к изменениям в биомеханических характеристиках спортсмена, то возникает необходимость изменить существующие тренировочные методы. 64 Компьютерная анимация движения спортсмена позволяет бегуну лучше понять особенности выполнения его движений, а также осуществить визуальный анализ тех или иных недостатков передвижения. Сочетания подобного визуального анализа компьютерного двойника спортсмена с традиционными тренировочными средствами способно повысить эффективность программы улучшения техники бега спортсмена. Для роста частоты можно рекомендовать управление руками (см. рисунок 29) Рисунок 29 – Изменения в траектории движения локтей в пространстве во время бега до (1) и после (2) работы тренера по ограничению амплитуды движений верхних конечностей; left, right elbow – левый и правый локоть В результате реализации данных рекомендации выросла частота (см. таблица 5) Таблица 5 Изменения в длине и частоте шагов под влиянием тренировок на управление движения рук во время бега 65 Speed – скорость (км/час), step length – длина шага (в м), steps – частота шагов (количество в минуту) Существуют и другие проблемы, связанные с движением рук, о которых мы писали в разделе, посвященному влиянию усталости на биомеханические характеристики. Однако проблема это комплексная и одни советы по изменению частоты или характера движения рук не позволят решить вопрос о несовершенствах в этом компоненте. В условиях усталости, соревновательного стресса, волевой контроль за движением рук будет снижен (а, возможно, и полностью утрачен), а значит, что существовавшие проблемы вернутся. Спортсмен «начнет» зажиматься, данное напряжение начнет распространятся по телу, что сначала вызовет рост потребления кислорода, а затем и существенное изменения техники бега (т.е. и нижние конечности будут подтверждены негативным воздействиям распространения напряжения от плечевого пояса). Следовательно, нужны и специальные упражнения, направленные на улучшение осанки, силовые тренировки на мышцы корпуса (пресс, мышцы спины, латеральные мышцы) (Romanov, 2002). Для роста частоты бега используется определенный арсенал тренировочных средств, среди которых бег с горы. Данное средство целесообразно использовать после соответствующей силовой работы по укреплению опорно-двигательного аппарата спортсмена, а также практиковать бег с горы по мягкому покрытию. Это необходимо, чтобы минимизировать риск травм. Шведскими лыжниками для наработки определенной частоты движений используются разнообразные ритмовые упражнения под метроном. Данный подход вполне оправдан и в легкоатлетических беговых дисциплинах. Кроме того, росту частоты будет способствовать и быстрый «съем стопы с опоры». Это достигается специальными плиометрическими упражнениями с акцентом на как можно быстрое подпрыгивание при касании с опорой, а также короткими 66 спринтерскими ускорениями (Markovic et al., 2007; Marković et al., 2005; Spurrs et al., 2003). Кроме того, как было показано ранее, усталость воздействует комплексно на организм спортсмена, а также на технику бега. Усталость приводит к изменению ряда биомеханических характеристик спортсмена, в т.ч. изменяется частота шагов, длина, усиливаются горизонтальные колебания, изменяются углы в суставах и др. Получив подобную информацию, тренер имеет возможность понять разворачивание процессов усталости у спортсмена, так как каждое из описанных выше изменений сопряжено с теми или иными слабыми звеньями в подготовке спортсмена (слабость отдельных мышечных группы, недостаточно развитые нейромышечные характеристики, слабая буферная емкость скелетных мышц и т.п.). Например, если в ходе кинематического анализа было выяснено, что спортсмен на фоне усталости укорачивает шаг, то существует две возможности для специализированная борьбы с данной силовая подготовка, проблемой. которая Во-первых, получила это название упражнения по развитию мышечной выносливости (Verkhoshansky, 2007, 2011). Устранения выявленных недостатков и ошибок в технике бега теми или иными тренировочными средствами будет приводить и к росту спортивных результатов (McCann and Higginson, 2008). 67
