Тема 2: Анализ механизма взаимодействия с опорой

Задание № 2
Анализ механизма взаимодействия с опорой
Теоретические сведения
В основе большинства локомоций лежит механизм взаимодействия с
опорой, осуществляемый по способу отталкивания (ходьба, бег, прыжки и
т.п.). Тренеру необходимо знать биомеханические закономерности
взаимодействия спортсмена с опорой, так как это дает ключ к формированию
и совершенствованию техники опорной фазы ходьбы, бега, прыжков.
Для изучения взаимодействия спортсмена с опорой и записи усилий,
развиваемых
им
при
отталкивании,
используется
методика
тензодинамографии (подробно с этой методикой студенты знакомятся в
курсе “Спортивная метрология”).
Тензодинамограмма (ТДГ) – это кривая изменения во времени усилий
F(t), развиваемых спортсменом в процессе взаимодействия с опорой.
В данной работе механизм взаимодействия с опорой изучается на
примере прыжка вверх с места толчком двумя ногами.
В качестве исходные данных используется тензодинамограмма
вертикальной составляющей силы давления на опору при выполнении
прыжка вверх с места (рис. 2.1.). Сила давления спортсмена на опору
согласно третьему закону Ньютона по модулю равна силе реакции опоры –
внешней силе, которая приложена к телу спортсмена.
Фазовый состав механизма взаимодействия с опорой
Фаза – это часть движения, выделенная во времени, в течение
которой решается самостоятельная двигательная задача. При анализе
прыжка вверх с места будем различать фазу взаимодействия с опорой и
фазу полета. В свою очередь фаза взаимодействия с опорой
подразделяется на фазы: амортизации и отталкивания.
Фаза амортизации является подготовительной для выполнения
непосредственно рабочей фазы – фазы отталкивания от опоры.
Hmax
hmax
Р(Н)
1
2
А
а
.
с
Рст
к
в
tразг. tторм
.
tаморт
Б
В
а(м/с2)
e
tот
с
Г
3
f
tполета
d
в
9,8 м/с2
e
Vd
V=0
Н(м)
n
t(с)
1т. 2
.
а
V(м/с)
d
Vc
t(с)
V=0
t(с)
Hmax
hmax
Рис. 3.1.
t(с)
Поэтому двигательные действия в фазе амортизации должны
обеспечить оптимальные условия для выполнения фазы отталкивания.
В фазе амортизации происходит сгибание ног в тазобедренных,
коленных и голеностопных суставах. При этом сильные, мощные мышцы
(ягодичные, четырехглавые, камбаловидные) растягиваются (уступающий
режим работы), в них накапливается энергия упругой деформации, которая
должна быть реализована для создания мышечной тяги непосредственно в
фазу отталкивания (преодолевающий режим работы мышц). В
преодолевающем режиме (фаза отталкивания) мышцы проявляют
наибольшую тягу, если их предварительное растяжение было достаточно
быстрым и переход от фазы амортизации к фазе отталкивания происходил
быстро без релаксации мышц и потери энергии в них.
Начало фазы амортизации – точка а на ТДГ; конец – точка 1 (рис.
2.1.А). Фаза амортизации состоит из двух фаз: фазы «разгона» ОЦТ и фазы
«торможения» ОЦТ.
Начало фазы “разгона” – точка а на ТДГ, конец – точка с. В фазе
разгона скорость ОЦТ возрастает (по модулю) от
Va  0 до V  Vc .
Направлен вектор скорости ОЦТ вертикально вниз. Вектор ускорения ОЦТ
в фазе разгона совпадает по направлению с вектором скорости.
Начало фазы торможения – точка с на ТДГ, конец – точка 1 (рис.
2.1.А). В фазе торможения вектор скорости ОЦТ не меняет направления
(направление вертикально вниз), но уменьшается по модулю от V  Vc до
V1  0 . Это связано с тем, что спортсмену необходимо остановить движение
ОЦТ вниз и перейти к фазе отталкивания. В фазе торможения вектор
ускорения ОЦТ направлен в сторону, противоположную вектору скорости,
т.е. вертикально вверх.
Фаза отталкивания – основная фаза движения. Этой фазе
соответствует участок ТДГ от точки 1 до точки d. Вектор скорости
ОЦТ в этой фазе меняет направление (направлен вертикально вверх), и по
модулю возрастает от нуля V1  0 (точка 1 на ТДГ) до Vd (точка d на ТДГ).
Разгон ОЦТ в фазе отталкивания происходит от точки 1 до точки d, в
которой сила давления на опору становится меньше Рст. (рис. 2.1.А).
Начало фазы полета соответствует точке е на ТДГ, конец – точке f. В
середине фазы полета ОЦТ достигает максимальной высоты Hmax. В этот
момент вектор скорости ОЦТ меняет направление и по модулю равен нулю.
Характеристика внешних и внутренних сил при взаимодействии
спортсмена с опорой
Для изменения движения ОЦТ тела к нему должна быть приложена
внешняя неуравновешенная сила (согласно теореме о движении ОЦТ). Такой
внешней силой для ОЦТ тела будет реакция опоры, а точнее ее
динамическая составляющая Rдин. Реакция опоры – это пассивная
(реактивная) сила. Сама по себе она не может вызвать движение ОЦТ. Но
если нет опоры, не от чего оттолкнуться, нет и реакции опоры. Следует
помнить, что реакция опоры – это внешняя сила, обеспечивающая движение
ОЦТ, но источник энергии движения нашей биомеханической системы –
внутренний, это биоэнергия мышечного сокращения.
В покое силу тяжести тела, которая передается на опору в виде веса
Рст, уравновешивает статическая реакция опоры Rст (рис. 2.1.А). Силы Рст
и Rст равны по величине, противоположны по направлению и приложены к
разным телам (Рст – к опоре, Rст – к телу спортсмена).
В процессе взаимодействия с опорой спортсмен оказывает на опору
динамическое давление Рдин. Характер изменения динамического давления
на опору отражает тензодинамограмма (рис. 2.1.А).
Рассмотрим, как организуется динамическое давление на опору Рдин а,
следовательно, и равная ему по величине динамическая реакция опоры Rдин.,
т.е. та внешняя сила, которая изменяет движение ОЦТ тела человека.
Движение ОЦТ рассматривается в неподвижной системе отсчета.
В рамках кинетостатики с началом движения подвижных звеньев с
ускорением возникают силы инерции Fин этих звеньев, по модулю равные
произведению массы движущихся звеньев на ускорение их центров масс
(ЦМ): Fин = – ma.
Сила инерции, как мера противодействия начавшемуся движению,
всегда направлена против ускорения ЦМ звена и приложена к связи, т.е. к
опорному звену, которое как бы “тянет” за собой первое звено.
Внутри нашего тела разыгрывается целое силовое поле частных сил
инерции отдельных звеньев. А равнодействующая частных сил инерции
приложена к опоре, как к связи, и по модулю равна произведению массы тела
на ускорение его ОЦТ. На рис. 2.1.А силы инерции подвижных звеньев и их
направления показаны штриховкой.
В фазе “разгона” вектор ускорения ОЦТ направлен вертикально вниз,
а значит вектор сил инерции тела спортсмена приложен к опоре и направлен
вверх. Динамическое давление на опору уменьшается на величину сил
инерции (участок ТДГ от точки а до точки с) и по модулю равно разности:
Pдин  Pст  Fин  mg  ma
В фазе торможения вектор ускорения ОЦТ меняет направление
(вертикально вверх). Вектор сил инерции тоже меняет направление (вниз), а
значит, динамическое давление на опору увеличивается на величину сил
инерции (участок ТДГ от точки с до точки 1) и по модулю равно сумме:
Pдин  Pст  Fин  mg  ma
В
соответствии
с
изменением
динамического
давления
Рдин,
изменяется и равная ему по величине, противоположно направленная и
приложенная к телу спортсмена динамическая реакция опоры Rдин, т.е. та
внешняя сила, которая обеспечивает движение ОЦТ спортсмена в результате
позвенной передачи импульса тела (количества движения) от опоры к ОЦТ
тела.
Один из критериев рациональной техники – умение использовать
реактивные силы. Применительно к анализу механизма отталкивания –
уметь использовать реактивные силы означает начать отталкивание в
тот момент, когда реакция опоры наибольшая, т.е. в тот момент, когда
опора “выталкивает” спортсмена с наибольшей силой (точка 1 на ТДГ).
Импульс силы отталкивания
В фазе отталкивания мышцы, предварительно растянутые при
амортизации, работают в преодолевающем режиме, разгоняют ОЦТ тела
вверх. Активность этих мышц при отталкивании определяет величину и
характер изменения динамической составляющей реакции опоры Rg (участок
ТДГ от точки 1 до точки d). Результат отталкивания (максимальный разгон
ОЦТ) определяется не только величиной Rg, но и временем ее действия ∆t,
т.е. величиной импульса силы.
Импульс силы – это мера действия силы на тело за данный
промежуток времени.
Усилие F(t), развиваемое спортсменом при взаимодействии с опорой,
является величиной переменной, изменяемой во времени, поэтому импульс
силы отталкивания – это определенный интеграл:
td
S   F (t )dt ,
t1
где: S – импульс силы;
F(t) – сила отталкивания (участок ТДГ от точки 1 до точки d);
t1 – момент начала отталкивания (точка 1 на ТДГ);
td – момент окончания отталкивания (точка d на ТДГ).
Импульс силы отталкивания S, как определенный интеграл,
вычисляется графически по ТДГ. Численно импульс силы равен площади,
образованной кривой изменения силы и осью времени, т.е. площади 1-2-d-к
(рис. 2.1.). Величина импульса силы отталкивания не зависит от формы
кривой силы отталкивания, а определяется только площадью под кривой.
В результате взаимодействия с опорой (создания на опоре импульса
силы) ОЦТ спортсмена приобретает импульс тела (количество движения)
mVd, где: m – масса спортсмена; Vd – скорость ОЦТ, достигаемая в
результате отталкивания в точке d.
Согласно теореме динамики, импульс тела, приобретаемый ОЦТ
спортсмена в результате взаимодействия с опорой, численно равен импульсу
силы отталкивания:
td
S   F (t )dt mVd *
t1
*Примечание. Справедливо при условии, что скорость ОЦТ в начале
отталкивания равна нулю V1=0.
Иными словами, значение скорости Vd, достигаемой ОЦТ в результате
отталкивания, определяется величиной импульса силы отталкивания, т.е.
величиной площади трапеции 1-2-d-к (рис. 2.1.А).
Основной двигательной задачей при выполнении прыжка вверх
является достижение наибольшей высоты H подъема ОЦТ в полетной фазе.
Высота подъема ОЦТ связана с величиной вертикальной составляющей
скорости ОЦТ следующим соотношением:
Vd2
H
.
2g
Учитывая, что величина Vd определяется величиной импульса силы
отталкивания, можно заключить, что эффективность решения двигательной
задачи и программа движения ОЦТ в полетной фазе H = H(t) закладывается
в процессе взаимодействия с опорой по следующей цепочке: чем больше
импульс силы отталкивания, тем больше приобретаемый ОЦТ импульс тела
m Vd, тем больше скорость ОЦТ Vd и тем выше прыжок.
Задача же создания необходимого импульса силы отталкивания, с
точки зрения биомеханики движения, состоит в выборе оптимального
соотношения между величиной силы и временем отталкивания в процессе
d
взаимодействия с опорой
S   F t dt и должна решаться индивидуально
1
для каждого спортсмена с учетом свойств его биомеханической системы
(например, соотношения быстрых и медленных волокон в мышце), уровнем
развития скоростно-силовых качеств, спортивной специализацией.
Выбор оптимального соотношения между силой и временем
отталкивания с учетом двигательных возможностей спортсмена является
центральным элементом в структуре механизма отталкивания и имеет
огромное педагогическое значение, являясь одним из решающих условий
постановки рациональной техники отталкивания. Короткое, динамичное,
взрывное отталкивание и медленный "жимовой" толчок различаются
величиной потери энергии. За время короткого взрывного отталкивания в
жестко организованной системе подвижных звеньев меньше диссипативных
потерь.
Тензодинамографическая методика позволяет решить основную задачу
динамики – по заданным силам, развиваемым спортсменом при отталкивании
(зарегистрированным на ТДГ), определить кинематические характеристики
ОЦТ в опорной и полетной фазах прыжка, а именно:
1) ускорение ОЦТ a = a(t);
2) скорость ОЦТ V=V(t);
3) перемещение ОЦТ (закон движения) H = H(t).
Решение этой задачи имеет чрезвычайно важное значение в
спортивной педагогике, т.к. позволяет оценить технику выполнения
движения, степень реализации двигательных возможностей спортсмена,
находить оптимальные варианты техники для конкретного исполнителя и
моделировать двигательные действия.
Исследование закономерностей взаимосвязи таких кинематических
характеристик ОЦТ, как a = a(t), V=V(t), H = H(t) позволяет изучить
кинематическую структуру отталкивания, что является важным
инструментом анализа и корректировки техники взаимодействия с опорой.
Цель работы: Произвести анализ механизма отталкивания от
опоры и дать оценку техники прыжка.
Исходные данные:
1. Тензодинамограмма (ТДГ) вертикальной составляющей силы давления
на опору при выполнении прыжка вверх с места толчком двумя ногами
(рис.2.2).
2. Вес испытуемого Р =________ (Н). (вес P указан на рис 2.2)
 с 
 дел 


Н 
 дел 


Рис. 2.2. Тензодинамограмма прыжка вверх с места
Порядок выполнения работы:
1. Определить масштаб записи тензодинамограммы по усилию и по
времени р =
50
Н 
 дел 


t =0,04
 с 
 дел 


2. Определить фазовый состав прыжка. Обозначения:
tр – фаза разгона общего центра тяжести (ОЦТ) при амортизации;
tт – фаза торможения ОЦТ при амортизации;
tам – фаза амортизации;
tотт – фаза отталкивания от опоры;
tпол – фаза полета.
Измерить по ТДГ длительность отдельных фаз прыжка. Результаты
измерений занести в таблицу 2.1.
Таблица 2.1.
Обозначение фазы
tр
tт
tам
tотт
tпол
Длительность фазы, с
3. Измерить по ТДГ силу давления на опору в характерных точках.
Результаты измерений занести в таблицу 3.2
Таблица 3.2
а
Характерные точки
с
b
1
2
d
e
Сила давления на опору, Н
4. Рассчитать импульс силы отталкивания.
Импульс силы отталкивания S есть определенный интеграл
td
S   F t dt
t1
где F(t) – сила отталкивания,
t1 и td - время начала и окончания отталкивания.
Импульс силы отталкивания S [Н с], как определенный интеграл,
вычисляется
графически
по
ТДГ
и
численно
равен
криволинейной трапеции 1-2-d-k (рис.2.2).
Определить масштаб импульса силы отталкивания:
s = рt =
где: s – масштаб импульса силы;
 Нс 
 дел 2 


,
р – масштаб записи тензодинамограммы по усилию;
t – масштаб записи тензодинамограммы по времени.
Рассчитать величину импульса силы отталкивания:
S = n  s =
Нс ,
где: n – число клеток внутри трапеции 1-2-d-k.
площади
5. Рассчитать величину максимальной скорости ОЦМ тела при
отталкивании. Vmax, учитывая, что S  Vmax  m ,
где: S – импульс силы; m – масса спортсмена m 
Vmax 
Pu
g
S ì 

m  ñ 
6. Рассчитать двумя способами максимальную высоту подъема ОЦМ
тела в прыжке:
2
а) по величине скорости отталкивания: Hmax =
Vmax
2g
=
2
gt пол
б) по величине времени полета: Hmax =
=
8
[м],
[м].
7. Провести анализ работы мышц нижних конечностей при
взаимодействии с опорой. Анализ работы мышц представить в таблице 2.3.
Таблица 2.3
Название фазы
Мышечные группы, несущие
основную нагрузку
Изменение
длины мышц
Режим работы
мышц
разгон
Амортиза
ция
торможен
ие
Отталкивание
ВЫВОДЫ.
В выводах следует отразить:
1. Закономерность взаимосвязи высоты прыжка и импульса силы
отталкивания.
2. Учитывая, что величина импульса силы отталкивания равна площади S1-2d-k под кривой отталкивания, как надо изменить технику отталкивания,
чтобы увеличить импульс силы. Варианты ответа:
 Резче переходить от амортизации к отталкиванию, чтобы исключить
явление релаксации мышц.
 Несколько увеличить время активной фазы отталкивания (промежуток
времени от точки 1 до точки 2)
 Для уменьшения диссипативных потерь жестко организовать систему
подвижных звеньев нижних конечностей.
Контрольные вопросы к заданию №2
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
Какие внешние силы приложены к телу спортсмена при взаимодействии с опорой?
Назовите точки приложения силы тяжести и веса спортсмена.
Дайте характеристику силы реакции опоры.
Как изменяется динамическая составляющая силы давления на опору в фазе разгона
ОЦТ при амортизации?
Куда направлен вектор скорости ОЦТ и как он изменяется по модулю в фазу разгона
ОЦТ при амортизации?
Как изменяется динамическая составляющая силы давления на опору в фазе
торможения ОЦТ при амортизации?
Куда направлен вектор скорости ОЦТ и как он изменяется по модулю в фазе
торможения ОЦТ при амортизации?
Куда направлен вектор ускорения ОЦТ в фазе разгона при амортизации.
Куда направлен вектор ускорения ОЦТ в фазе торможения при амортизации.
Дайте определение импульса силы отталкивания.
Какие механические факторы формируют импульс силы отталкивания?
Как измеряется величина импульса силы отталкивания.
В какой момент фазы отталкивания скорость ОЦТ максимальна?
Как отражается на величине импульса сила отталкивания явление релаксации мышц?
Как надо строить отталкивание, чтобы исключить явление релаксации мышц?
Какова закономерность взаимосвязи высоты прыжка и импульса силы отталкивания?
Какова закономерность взаимосвязи скорости отталкивания и импульса силы
отталкивания?
Для какой композиции мышечных волокон (соотношением быстрых и медленных
волокон) спортсмена характерно взрывное отталкивание?
Для какой композиции мышечных волокон спортсмена характерно медленное
«жимовое» отталкивание.
Как должна быть организована система подвижных звеньев аппарата движения
спортсмена для уменьшения диссипативных потерь и создания «взрывного
отталкивания.