Курс лекций по биомеханике том3

Реклама
107
Тема 12.СТРУКТУРА ДВИЖЕНИЙ ЧЕЛОВЕКА И УПРАВЛЕНИЕ ИМИ
1.Двигательное действие как система движений. 2. Виды структур в системе движений 3. Физическое упражнение как управляемая система 4. Управление движениями в переменных условиях 5. Координация движений человека 6. Формирование систем движений 7.Развитие двигательной активности и координации движений 8. Изменение движений при физическом воспитании
Закономерности объединения движений в систему изучаются как ее структура 1. От того,
как объединено множество движений в единое целое, зависит самое существенное — насколько
совершенно данное двигательное действие (акт).
Произвольные движения человека — целесообразные движения, соответствующие осознаваемой цели благодаря управлению. Направленность на достижение цели и отличает движения живых организмов от неуправляемого движения неживых объектов. В системе движений
управление тесно связано с ее структурой. Изучение структуры движений человека и управления
ими позволяет понять, как используются законы движений (механические и биологические) в двигательной деятельности человека для достижения цели.
1.ДВИГАТЕЛЬНОЕ ДЕЙСТВИЕ КАК СИСТЕМА ДВИЖЕНИЙ.
1.1. Виды систем
Система как единое целое закономерно объединяет в определенном порядке разнородные составные части (элементы), которые взаимодействуют друг с другом.
Слово «система» по-гречески означает «целое, составленное из взаимодействующих частей». Весь окружающий нас мир представляет собою огромное множество систем.
Двигательный аппарат человека включает более 200 костей (в соединениях которых свыше 100 степеней свободы движений), более шестисот мышц — это пример вещественной системы.
В теле функционируют многие системы органов, объединенные в единую систему — организм.
Процессы, происходящие в системах органов, также объединяются в системы. Биомеханику более всего интересуют системы движений, а также системы процессов управления. Это примеры другого вида систем — систем процессов.
Системы органов движения и самих движений обладают различными свойствами (например, упругость, вязкость мышц; целостность и расчлененность движений). Эти свойства не единичны, не обособлены, они взаимосвязаны, зависимы друг от друга — это системы свойств.
Наконец, и в движениях, и в управлении ими выявляются связанные друг с другом отношения: соподчинение (субординация), самоуправление (автономия) и др. Эти отношения также связаны в единое целое — систему отношений.
Таким образом, в двигательной деятельности человека представлены все виды систем
(вещественные, процессов, свойств и отношений).
Различают системы:
суммативные (части относительно мало связаны) и целостные (с очень тесной зависимостью частей);
статические (малоизменяемые, равновесные) и динамические (которые характеризуются
постоянным изменением);
простые (обычно в одинаковых условиях ведут себя одинаково) и сложные (преимущественно очень большие системы, которые в одинаковых условиях могут вести себя по-разному и
поэтому нуждаются в управлении).
Движения человека представляют собой целостные, динамические и сложные системы процессов.
1.2. Состав системы движений
В системе движений различают составляющие ее элементы, которые выделяют как
элементы пространственные и временные.
Все двигательные действия человека выполняются посредством движений тела в пространстве с течением времени. Мысленно их можно рассматривать, выделяя как составные части
целого в пространстве и во времени. Определить состав системы — это значит выделить по
тому или иному признаку ее элементы (составные части).
Пространственные элементы системы движений выделяют по изменению пространственных координат звеньев — это суставные движения. Самым простым является движение
одного звена в одном суставе вокруг одной оси, в одну сторону. Такое элементарное изолированное движение в практике используется очень редко. В двигательной деятельности в спорте всегда встречаются объединения, комплексы суставных движений. Движения объединяются в
одновременные группы (например, отталкивание во всех суставах ноги) и последовательные
1
Структура (лат.) — строение, устройство.
108
ряды (например, подседание, отталкивание, перенос ноги). Это комплексы элементов в пространстве, например движения рук, ног, туловища в беге или лыжном ходе.
Таким образом, пространственные элементы системы движений представляют собой
группы одновременных суставных движений, которые, сменяясь, развертываются во времени в последовательные ряды. Группы и ряды суставных движений представляют собой комплексы движений.
Временные элементы системы движений, части системы движений, выделяемые во
времени,— это фазы движений. Их выделяют по существенным, измеримым характеристикам движений. Фаза — это часть системы движений, выполняемых за время, в течение которого не произошло существенных изменений в их характере1 . В момент времени, когда
наступает существенное изменение (например, момент остановки лыжи после скольжения), заканчивается одна фаза и начинается следующая. Момент изменения движений служит границей двух
соседних фаз, он не имеет длительности. Смена фазы — это смена особенностей выполняемого
движения, смена частной задачи рассматриваемых движений.
Таким образом, временные элементы системы движений представляют собой фазы
движений как ряды движений более или менее постоянного характера. Фазы, объединяясь в
периоды, действия, составляют циклы движений, представляющие более крупные комплексы
движений.
Пространственные и временные элементы системы представляют собой одни и те же движения, из которых состоит система, только рассматриваются, выделяются они по разным признакам (в пространстве и во времени). Элементы движений как составные части системы — это тоже
движения, но меньшие по объему и более простые, чем целое, чем вся система. Элементы выделяются мысленно — для анализа состава системы, а также практически — для построения специальных упражнений.
Выше уже указывалось, что элементы объединены в комплексы, из которых построена целая система. Один и тот же элемент входит в несколько объединений: более крупные включают в
себя более мелкие. Такой ступенчатый, или иерархический, порядок объединения элементов характерен для всех сложных систем. Он типичен и для систем движений.
Так, определенные движения стопы в сочетании с движениями голени и бедра обеспечивают отталкивания ногой. Сочетание движений толчковой и маховой ног — это комплекс более
высокого порядка. Движения ног в сочетании с маховыми движениями рук еще более крупный
комплекс. Наконец, движения всех звеньев тела образуют целостную систему движений при отталкивании и прыжке. Предварительные действия (до отталкивания) и последующие входят в еще
более крупную систему.
Значит, составные части большой системы — это тоже своего рода системы, только
более мелкие, подчиненные. Они называются подсистемами. Таковы, например, синергии —
группы движений, решающих в системе движений частные двигательные задачи.
По сути дела, почти каждый элемент, выделяемый при анализе системы движений, кроме
самых малых, представляет собою уже более или менее сложную подсистему. В этом смысле
можно рассматривать подсистемы как элементы системы.
1.3. Структура системы движений
Структура системы — это наиболее сложившиеся и определяющие закономерности
взаимодействий упорядоченных компонентов системы (подсистем и их элементов). Структура системы определяет течение внутренних процессов, взаимодействие с внешним окружением, появление новых свойств и возможности развития системы.
Элементы в подсистемах, а подсистемы в системе движений находятся во взаимосвязях,
которые обусловливают структуру. Взаимодействия внутри каждой подсистемы и между подсистемами не только существуют, но и развиваются.
Внутренние взаимодействия обусловливают целостность системы. Движения в системе
согласованы в пространстве и во времени; силы, приложенные к кинематическим цепям тела,
находятся в известных соотношениях.
Движения выполняются в соответствии с окружающими условиями. Они складываются под
непосредственным влиянием внешних сил и сами в той или иной мере изменяют окружающие
условия — это внешние взаимодействия системы.
Все эти связи и отношения закономерны. Это не значит, что они постоянны,— они изменчивы, но изменчивость здесь не хаотическая, не случайная, а закономерная.
Объединенные в систему элементы получают новые свойства. Так, например, из усилий
многих мышц складывается общая сила действия человека. Совместное участие мышц в наращиВ отличие от принятого в теории колебаний определения фазы как величины, показывающей,
сколько времени прошло от начала цикла колебаний до данного момента, в биомеханике и практике спорта фаза — это часть системы движений, выделенная во времени.
1
109
вании скорости в биокинематической цепи создает новые скоростные возможности. По мере совершенствования системы движений все больше проявляются ее системные свойства. Каждый
элемент в отдельности не обладает такими свойствами. Они проявляются в системе благодаря
взаимодействиям в ней.
-——— Разделение на виды  Участие в формировании видов
Рис. 36. Структура системы и ее виды (ориг.)
Наконец, от того, в каком направлении развиваются взаимодействия в системе, насколько
они прочны, насколько они могут приспосабливаться к условиям, от многих других их особенностей зависят возможности дальнейшей перестройки системы — развития системы. Все рассмотренные здесь особенности взаимодействий в системе движений составляют ее структуру.
Изучение двигательной структуры глубже и полнее раскрывает совершенство системы,
чем только определение ее двигательного состава.
У каждой подсистемы имеется своя структура, входящая в общую структуру системы. В
этом смысле структура движений многоступенчатая. У общей структуры, как и структур подсистем, есть немало сторон, характеризующих кинематические, динамические и другие особенности
системы. В этом смысле общая структура движений многосторонняя; существует ряд сторон
структуры, или, как говорят, ряд видов структур, отражающих стороны общей структуры (рис. 36).
2. ВИДЫ СТРУКТУР В СИСТЕМЕ ДВИЖЕНИЙ
2.1. Кинематические структуры
Кинематическая структура — это закономерности взаимодействия движений (подсистем и их элементов) в пространстве и во времени.
В первую очередь поддаются наблюдению форма и характер движений, внешняя их картина. По кинематическим характеристикам (пространственным, временным, а также пространственно-временным) устанавливают кинематическую структуру.
Кинематическая структура — не сами движения и не их кинематические характеристики, а
взаимосвязи и взаимоотношения, которые существуют между движениями в пространстве и во
времени. Это взаимные зависимости между их кинематическими характеристиками. Закономерности структуры находят изучая характеристики (траектории, длительности, темп, ритм, скорости и
ускорения).
Соответственно различают структуры: пространственные, раскрывающие форму движений в пространстве, их связи; временные, показывающие, как организована во времени система движений; пространственно-временные — главные показатели быстроты изменения положения и движения. Каждая из этих структур имеет свое особое, частное, значение; лишь все вместе во взаимосвязи они образуют общую кинематическую структуру. При высоком совершенстве
кинематической структуры наблюдается тонкая пространственная и временная слаженность, согласованность системы движений.
2.2. Динамические структуры
Динамическая структура — это закономерности силового (динамического) взаимодействия частей тела человека друг с другом и внешними телами (среда, опора, снаряды,
партнеры, противники).
Изучая динамические характеристики движений, определяя приложенные силы, инерционные сопротивления, исследуют причины той или иной картины движений. По динамическим характеристикам устанавливают динамическую структуру.
Определяя массы тел и их распределение (инерционные характеристики), а также меры
взаимодействия тел (силы и моменты сил), можно исследовать силовые взаимодействия. Это значит, что можно определить источники сил, их величину, направление, место приложения, меру их
действия (импульс силы и работу), результат их действия.
110
Когда рассматривают совместное приложение ряда сил к звеньям тела, оценивают их взаимное влияние, эффект совместного воздействия, то определяют силовую структуру. При изучении мышечных сил, их совместного действия, сложных отношений, возникающих внутри групп
мышц и между их группами, определяют анатомическую структуру.
Высокое совершенство динамической структуры проявляется в своевременных и достаточных силовых воздействиях» что чаще всего можно заметить по внешней картине движений
2.3. Информационные структуры
Информационная структура — это закономерности взаимосвязей между элементами
информации (упорядоченными во времени и пространстве сообщениями), несущими как
сведения о движениях и условиях действия, так и команды о подготовке к действию и его
осуществлению.
В управлении движениями важнейшую роль играют информационные процессы. В мозг поступают сигналы от органов чувств, к мышцам следуют команды из мозга — все это потоки информации. Они вызваны многими внешними и внутренними раздражителями, в том числе кинематическими и динамическими факторами. Все потоки информации, взаимодействуя, сочетаются
закономерно, образуя сложнейшую информационную структуру движений.
Кинематические и динамические структуры сами имеют определенное информационное
значение и связаны между собой соответствующими информационными структурами.
В информационной структуре выделяют сенсорные структуры — синтезы чувствительных
сигналов, переработанные и обобщенные. Они отражают воздействия внешних факторов и внутреннего состояния организма.
Все воздействия, отражаясь в сознании человека, сочетаются со следами в его памяти. Так
образуется психологическая структура двигательного навыка. В нее входят знания и представления о собственной технике, технике других спортсменов, общих требованиях к ней и т. п.
Команды, которые мозг направляет мышцам и другим органам, обеспечивающим выполнение движений, составляют эффекторную структуру. Она во многом зависит от соотношения произвольного и автоматического управления в системе движений.
2.4. Обобщенные структуры
Обобщенные структуры—это закономерности взаимосвязей изучаемых сторон действия; их выделяют условно при изучении общей структуры системы движений.
Наиболее часто при изучении структуры движений используют исследование ритмической, фазовой и координационной структур, выделяемых для более целенаправленного выявления сторон двигательного действия.
Ритмическая структура — это закономерности временных отношений движений (соотношение их длительностей, временная последовательность и т. п.). В ней раскрывается порядок
следования фаз, соотношение их длительностей, расположение во времени силовых акцентов,
время и длительность приложения сил, слияние ритмов подсистем в единый ритм системы и др.
Ритмическая структура может использоваться в качестве ориентира при овладении системой
движений. Для квалифицированных спортсменов служит показателем их технического мастерства.
Фазовая структура — это закономерности взаимодействий фаз, определяющие целостность системы. Изменение фазовой структуры обеспечивает совершенствование системы
движений благодаря более точному согласованию всех кинематических и динамических характеристик. В фазовой структуре особенно существенно значение всех деталей движений для общего
эффекта действия.
Координационная структура включает в себя все перечисленные виды структуры
движений, внутренние взаимосвязи системы, а также всю внешнюю структуру — совокупность взаимодействий спортсмена с внешним окружением.
Совместное действие сил внутренних и внешних лежит в основе организации взаимодействия человека с внешним окружением. Он управляет этим взаимодействием, создавая единство
внутренней и внешней структуры — координационную структуру. Изучая движения без учета их
структурных связей, невозможно понять действительную организацию двигательного действия.
3. ФИЗИЧЕСКОЕ УПРАЖНЕНИЕ КАК УПРАВЛЯЕМАЯ СИСТЕМА
Одно из основных отличий движений живых организмов от движений неживых тел заключается в самоуправлении. Управление в сложных системах изучает кибернетика — наука о строении управляющих и управляемых систем и процессах управления в них.
3.1. Понятие об управлении
Изучение системы движений человека с точки зрения управления включает определение состава и структуры системы, ее состояния, поведения и определение управления
системой.
В кибернетике при изучении управления под системой понимают выделенное (иногда
условно) объединение взаимодействующих частей, составляющее функциональное целое.
111
Состояние системы описывается значениями ее характеристик, наблюдаемых в тот или иной момент времени. Поведение системы проявляется в смене ее состояний, изменении характеристик
(переход системы из исходного состояния в конечное). Управление системой — это процесс
перевода системы в новое, заранее заданное состояние (достижение цели), определение ее
поведения путем направленного воздействия, изменяющего ее характеристики.
Систему движений человека изучают с точки зрения управления обычно в такой последовательности: из каких составных частей она состоит и как они объединены (состав и структура системы); каковы характеристики ее движений (состояние системы); как выполняется процесс движения по данным регистрации характеристик (поведение системы); какие воздействия и каким путем приводят к достижению цели (управление системой).
Рассмотрим структурную схему управления. В простейшем случае имеется управляемая
подсистема (объект управления — О. У.), управляющая подсистема (аппарат управления — Л. У.)
и среда, в которой действует управляемая подсистема при достижении цели (рис. 37). Управляемая подсистема имеет «вход», через который в нее поступает управляющее воздействие (команда), и «выход», через который проявляется ее поведение как смена состояния. Связь (на рисунке
изображена стрелками) может быть только в одном направлении — прямая. Это схема разомкнутого контура связи (см. рис. 37, о). Такая система не имеет сведений о среде и не получает данных о результатах действия. Вследствие своей «слепоты» и «глухоты» она малоэффективна в
сложных переменных условиях.
В более сложной системе с замкнутым контуром связи есть каналы обратной связи
(см. рис. 37, б). По ним поступают сведения о предварительном состоянии и среды, и управляемой
подсистемы, а также о результате действия.
Самоуправляемая система включает в себя две подсистемы: управляемую (О. У.), выполняющую задачу, и управляющую (Л. У.), подающую команды, а также два канала обратной
связи: внешней (от среды к системе) и внутренней (между подсистемами). Обратные связи превращают каналы связи в замкнутые кольца; внешнее кольцо замыкается через среду.
Различают обратные связи: а) положительные — они усиливают эффект действия системы, подтверждают целенаправленность ее действия, побуждают вести линию поведения дальше
— и б) о т р и ц а т е л ь н ы е — они направлены на снижение эффекта настоящего действия системы, так как сигнализируют об отходе от необходимой линии поведения. Для целесообразного
управления бывает необходимо и усиливать, и снижать эффект действия. И тот и другой виды обратной связи могут осуществляться через одни и те же каналы
Движения спортсмена направлены на изменение условий внешнего окружения и на изменение положения собственного тела в окружающей среде. Однако спортсмен вступает во взаимодействие не со всей средой, а с ее частью — полем действия.
Часть поля действия, которое спортсмен изменяет физически,— это моторное поле. Оно
физически (механически) противодействует его движениям (полезные и вредные сопротивления).
Одна из частей поля действия сенсорное поле— источник внешней информации, воспринимаемой органами чувств спортсмена. Можно и нужно уметь изменять свое поле действия — то расширять его, то суживать— как в моторной, так и в сенсорной частях.
Исследуя движения человека, Н. А. Бернштейн впервые описал циклы (кольца) взаимодействия: а) периферический цикл (внешние и реактивные внутренние силы действуют на движущиеся звенья; движение последних изменяет сами названные силы) и б) центральный цикл
(сигналы от движущихся звеньев воздействуют на мозг; мозг посылает команды, изменяющие
движения звеньев).
В периферическом цикле взаимодействия складывается единая динамическая структура
при совместном действии сил внешних и внутренних. Во внутреннем цикле взаимодействия преодолеваются огромные сложности управления в биомеханической системе.
Н. А. Бернштейн считал, что «движение возможно лишь при условии тончайшего и непрерывного, не предусмотримого заранее согласования центральных импульсов с явлениями, происходящими на периферии тела».
3.2. Информация и ее передача
Информация в системе движений — это сообщения о состоянии и изменениях среды
и организма, а также команды к объекту управления. Информация вносит определенность и
упорядоченность, она воспринимается системой и используется для управления.
Информация — это не материя (не вещество и не поле), а ее свойство. Информация всегда имеет материального носителя; его изменение и есть сигнал, несущий информацию. Носители
сообщений об изменениях состояния организма и среды очень разнообразны.
Форма сигнала зависит от носителя и от способа переноса содержания сообщения. Если
носитель не сменяется, т. е. остается одним и тем же, например свет или звук, то его усиление или
112
ослабление, перерывы, изменения его качества называют м о д у л я ц и е й1 (изменение меры)
сигнала без смены его носителя; создается сигнал, несущий сообщение.
В каналах связи носитель информации меняется многократно (звуковое колебание, нервный импульс, физико-химические изменения в мышце и т. д.). У каждого носителя свои специфические сигналы; превращение одного рода сигнала в другой обычно происходит при смене его носителя, что называется кодированием2 сигнала.
Информация поступает на вход системы (прием информации). Вход обладает способностью к восприятию сообщений путем реакции на них. Прием именно нужной информации происходит в результате сложных процессов поиска, сбора и отбора сигналов. Важно научиться быстро и
точно получать только нужную информацию. Далее следует переработка информации (кодирование, перекодирование, декодирование), сопровождающаяся сложнейшим синтезом, обобщением потоков сведений, преобразованием их в команды. Движение информации завершается ее
передачей на объект управления (его вход) и выдачей на выходе всей системы в форме действия
спортсмена, направленного и на внешнее окружение, и на изменение состояния самого спортсмена (рис. 38). Одновременно информация направляется на хранение в запоминающее устройство
(«память системы»). Память в кибернетическом смысле — это сохранение любого следа воздействия в системе. Кратковременная память используется вскоре после поступления, долговременная хранится долго. Без хранения информации невозможно ничему научиться, невозможно совершенствование системы. Извлечение из памяти неизбежно при любом акте управления; оно
помогает, исходя из накопленного опыта, найти лучшее решение задачи. Предварительная информация отражает состояние системы и ее окружения до рассматриваемого действия, обеспечивает подготовку к нему. Текущая информация способствует целенаправленному управлению в течение действия.
Рис. 38. Движение информации в самоуправляемой системе (ориг)
Таким образом, в самоуправляемой системе осуществляется передача информации: а)
непосредственная — прием, переработка, выдача — и б) с задержкой — хранение в памяти и последующее извлечение из нее. Участие памяти является одной из основ совершенствования
упражнения.
3.3. Двигательная задача и программа действия
Двигательная задача — это обобщенные требования к двигательному действию, которые определяются характером предстоящего действия и общей последовательностью
его этапов.
В каждом двигательном действии человека осуществляется определенная двигательная
задача. Она может заключаться в достижении определенной конечной цели (забросить шайбу в
ворота) либо в выполнении заданного процесса движения (выполнить комбинацию на гимнастическом коне). Решение двигательной задачи представляет собою цель управления движениями.
Двигательная задача есть как бы образец того, чего еще нет («модель потребного будущего», по
Н. А. Бернштейну).
Задача может быть поставлена извне и заранее (требования соревнований, задание тренера); она может возникнуть произвольно у самого спортсмена. Могут быть такие сочетания внешних и внутренних причин, которые вызывают изменение двигательной задачи или появление новой.
Всегда в ее формировании так или иначе участвует информация:
а) о внешнем окружении, в котором надо выполнять задачу, б) о состоянии спортсмена и в)
о прошлом опыте (информация, извлеченная из памяти).
Если задача отвечает на вопрос: «Чего следует достичь?»,— то нужно еще получить ответ
на вопрос: «Как достичь?». Этот ответ является программой управления.
1
2
Модус (латин.) — мера.
Код (франц.) — сборник условных сигналов.
113
Программа управления — это состав и последовательность конкретных движений,
необходимых для решения задачи (выполнения спортивно-технического действия).
Программа управления создается в результате тренировки (накопление информации) и
может осуществляться только при соответствующих ей условиях. В кибернетике понятие «программа» отличается от обиходного (например, перечень знаний, которыми надо овладеть, или выступлений на концерте). В понятие «программа» в кибернетике (по аналогии с искусственными
устройствами) входят возможности поведения системы, заложенные, имеющиеся в ней самой. В
этом смысле программа может быть в основном продиктована извне, продумана до деталей самим спортсменом, сформирована в двигательном аппарате и нервной системе в процессе тренировки, найдена непосредственно в процессе выполнения двигательной задачи.
Программы создаются во множестве (общая и частные), но выполняются в тот или иной
момент лишь те, которые включаются управляющими воздействиями (командами). Общая программа, пущенная в ход пусковой командой, определяет состав и последовательность исполнительных команд мышцам. Частные программы определяют множество частных процессов при
управлении (восприятия и переработки информации; настройки на предстоящее действие; изменения возбудимости в каналах связи и т. п.). Различают также главную программу, отражающую
ведущую особенность предстоящего действия, и частные; главные программы формируются из
множества частных.
К главным программам относят, например: 1) программу подготовки — предварительные
изменения, необходимые для успеха действия, как до его начала, так и перед каждой очередной
фазой; 2) программу выбора — выбор в самом процессе действия варианта, наиболее пригодного
в зависимости от текущей информации; 3) программу слежения — выявление отклонений от оптимальной в данных условиях программы; 4) программу цели — мобилизация подсистем, способствующих выполнению оптимальной программы при помехах, которые требуют перестройки движений; 5) программу усиления— аварийная мобилизация резервных возможностей ради достижения цели при использовании даже не лучшего варианта.
Сигналы обратной связи в ходе выполнения движения передают текущую информацию о
решении задачи (достигнута ли цель) и о том, как выполняется программа управления.
Для выполнения задачи необходимо раньше, в процессе тренировки создавать множество
программ, причем очень сложных и разнообразных.
Итак, управление движениями осуществляется благодаря передаче информации —
устанавливается двигательная задача, выбираются необходимые, ранее выработанные
программы и создаются новые, передаются команды мышцам, ведется контроль над ходом
действия.
4. УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЯМИ В ПЕРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ
Физические упражнения, как управляемые системы движений, выполняются в переменных
условиях. В этих условиях правильное выполнение движений требует сложной организации
управления, обеспечивающей достижение цели, несмотря на возникающие препятствия.
4.1. Управляющие и сбивающие воздействия
Управляющие воздействия на движения способствуют достижению поставленной
цели, ведут к ней; сбивающие воздействия препятствуют ее достижению.
Команды от аппарата управления по нервам передаются мышцам. Мышцы путем изменения своего напряжения вызывают и изменяют соответствующие движения — это управляющие
воздействия. При наличии обратной связи в командах уже учтено действие других сил на управляемые звенья. Любая сила, если она обусловлена активностью системы и способствует достижению цели, может быть использована также в качестве управляющего воздействия.
В движениях всегда возникают сбивающие воздействия (возмущения). Они действуют
извне как чисто механически, так и в виде искаженной информации, мешающей решению задачи.
Сбивающие воздействия в каналах связи представляют собой помехи, которые затрудняют правильную передачу информации. Они могут возникать также и внутри организма при утомлении,
вследствие рассогласования сигналов, запаздывания информации и многих других причин. Часть
из помех связана с состоянием организма, часть — с непосредственным выполнением движения.
Мышцы напрягаются не только в ответ на приложение к звеньям внешних для них сил. Немалую роль играют рефлекторные напряжения, возникающие в ответ на активность мышц отдаленных звеньев (при определенных положениях этих звеньев и их изменениях).
Например, движения пояса верхних конечностей оказывают управляющее воздействие на
мышцы ног и туловища (по П. И. Никифорову); изменяя положение лопаток, можно снять ошибки в
движениях ног и туловища. Но неправильные положения лопаток могут вызвать и появление ошибок — управляющее воздействие сменится на сбивающее.
Таким образом, управляющие воздействия способствуют достижению цели посредством: рабочих напряжений мышц; использования сих помощью внешних и пассивных
внутренних си л; управляющих движений отдаленных звеньев. Сбивающие воздействия
114
препятствуют достижению цели. К ним относятся внешние механические силы; помехи в
каналах связи; факторы, связанные с состоянием организма; рассогласование в управлении; помехи, вызванные движениями о т д а л е н н ы х з в е н ь е в.
4.2. Отклонения и коррекции
Для выполнения движений характерно возникновение отклонений (расхождение
между реализуемой программой управления и фактическим выполнением движений), а
также коррекций (устранение возникающих отклонений и их предупреждение).
Вследствие сбивающих воздействий всегда имеются некоторые отклонения в выполнении
движений. Отклонения от программы при повторном выполнении движений одним лицом, разными
лицами, в переменных условиях неизбежны. Абсолютно точного повторения движения не бывает.
Значит, не бывает и точного выполнения программы. Отклонения как разброс характеристик
наблюдаются и в кинематике, и в динамике.
По своему значению изменчивость может быть случайной (существенной и несущественной), приспособительной, компенсаторной.
Случайная изменчивость вызвана возмущениями, не предвиденными полностью. К
существенным случайным отклонениям следует отнести те, которые служат помехами на пути к
цели и снижают результат движения. Несущественные случайные отклонения не мешают достижению цели, они лежат в пределах допустимых отклонений, не снижают результата.
В ответ на существенные отклонения благодаря обратной связи вырабатываются команды
для коррекции. Так называемые сенсорные коррекции (по Н. А. Бернштейну) наступают после отклонения, как реакция на сигнал о нем (post factum — в порядке последующей поправки). Хотя
отклонение и может быть исправлено, оно уже произошло и причинило известный ущерб. Поэтому
более ценны коррекции предварительные, которые предупреждают возникновение существенных
отклонений.
Приспособительная изменчивость и есть способ предупреждения отклонений посредством предварительного изменения движения (ante factum — в порядке предварительной подготовки). Происходит подготовка к встрече с помехами, и отклонения не наступает. Здесь важно
успеть подготовиться и точно дозировать необходимое изменение.
Однако само приспособление представляет уже какое-то изменение выполняемой программы. Это хотя и частичное, но все-таки тоже отклонение, и оно должно быть возмещено.
Компенсаторная изменчивость и есть возмещающие изменения. Они наступают одновременно с приспособительными, как бы уравновешивают их. В результате приспособительной
изменчивости помеха не сможет вызвать отклонение; компенсаторные же изменения не позволят
самим приспособительным стать помехами. По существу, приспособления и компенсации нужно
рассматривать как предупредительные поправки (коррекции) в программе, а не только как исправления отклонений от программы, ошибок.
Таким образом, борьба со случайной существенной изменчивостью ведется посредством сенсорных коррекций, устраняющих возникшее отклонение. Предупреждающие
коррекции (приспособление и его компенсация) не допускают появления отклонений.
4.3. Функциональная структура действия
Функциональная структура действия включает формирование двигательной задачи,
программирование ее выполнения, управление выполнением движений, контроль над ними
и коррекции в ходе движений.
В течение долгого времени господствовало упрощенное представление о двигательном
действии: на внешний раздражитель (стимул) организм отвечает заранее выработанной реакцией;
каков стимул — такова и реакция, связь между ними однозначная.
По современным представлениям для каждого действия формируется сложная функциональная система (П. К. Анохин). В ней устанавливается двигательная задача, которую, определяет текущая информация с использованием опыта прошлого. Далее, в соответствии с задачей и
информацией о текущем состоянии определяется п р о г р а м м а. И задача, и программа могут
сложиться молниеносно в соревновательной борьбе, если спортсмен подготовлен к этому. Они
могут формироваться в течение многолетнего процесса совершенствования технического мастерства. С точки зрения физиологии здесь используется формирование комплексов восприятий как
афферентных синтезов (объединений сигналов, приносимых в центры).
На основе формирования задачи и программы начинается двигательное действие. Сигналы по каналам обратной связи несут информацию об условиях, ходе выполнения и результате
движения. На их основе осуществляются контроль над движениями, внесение необходимых коррекций при отклонениях.
По Н. А. Бернштейну, контроль и коррекции ведутся на разных подчиненных друг другу
уровнях мозга (уровни построения д в и ж е н и й ). П. К. Анохин выдвинул идею об акцепторе
действия: аппарате для афферентного синтеза, который дает предсказание предстоящих результатов и обусловливает контроль на основе предвидения будущего по ходу прошедшего.
115
Все элементы функциональной системы находятся в сложном взаимодействии: задача
влияет на программу; программа — основа для контроля; контроль изменяет при необходимости
программу. Одна и та же задача может быть решена с применением разных программ. Все эти
структурные взаимодействия осуществляются при ведущей роли нервной системы по принципу
рефлекса. Современная рефлекторная теория опирается на широкое понимание системности и
приспособительности, которые И. П. Павлов называл динамической стереотипией.
Моделирование будущего представляет собою не точный, а вероятностный прогноз. Связь
между воздействиями и поведением не может быть однозначной (действие статистических, вероятностных, законов). Поэтому одновременно осуществляется и управление как обеспечение поведения системы (достижение цели), и регулирование, понимаемое как борьба против возмущающих воздействий.
Управление определяет линию поведения; регулирование предупреждает и устраняет отклонения от нее. В процессе управления и регулирования могут изменяться, перестраиваться и
сменяться программы. Это делает управление действием очень гибким, подвижным и чрезвычайно сложным.
Все движения выполняются в соответствии с законами механики, но то или иное выполнение их, выбор способа определяются законами не столько механики, сколько науки об управлении
(кибернетики). Совершенствование (оптимизация) управления направлено на обеспечение
наилучшего решения задачи.
5. КООРДИНАЦИЯ ДВИЖЕНИЙ ЧЕЛОВЕКА
Координация движений1 рассматривается в биомеханике как процесс согласования
движений, приводящий к достижению цели. Исходя из современного понимания механизмов
управления движениями, выделяют взаимосвязанные процессы согласования — нервную, мышечную и двигательную координации.
5.1. Нервная координация
Нервная координация — это согласование нервных процессов, приводящее в конкретных условиях к решению двигательной задачи посредством управления движениями
через мышечные напряжения.
. В движениях человека упорядоченность, сообщение им целесообразности начинается с
управления, осуществляемого нервной системой. Поэтому определяющей стороной координации
движений служит нервная координация.
Характерные черты нервной координации проявляются в ее системности (стереотипия) и
приспособительности (динамичность).
Системная объединенность нервных процессов носит многоуровневый характер (субординация - сверху вниз; обратное влияние — снизу вверх). Кроме «вертикальных» связей огромное значение имеют и «горизонтальные» — в пределах данного уровня. Сформировавшиеся подсистемы управления надолго. сохраняются в «памяти» нервной системы, проявляясь как набор
накопленных двигательных навыков. Приспособительность характеризуется гибким изменением
подсистем управления: это и способность к перестройке, совершенствованию, и прилаживание
(адаптация) к конкретным условиям действия.
Приспособительность не исключает системности, а основывается на ней. Неприспосабливающаяся система — уже не стереотип, а «штамп» (по И. П. Павлову): она не способна эффективно действовать в переменной среде. Изучение нервной координации относится к области физиологии движений.
5.2. Мышечная координация
Мышечная координация — это согласование напряжений мышц, оказывающих воздействия на звенья тела как в соответствии с сигналами нервной системы, так и под действием приложенных сил (внешнее и внутреннее силовые поля).
Установлено, что напряжения мышц не зависят однозначно от нервных импульсов (команд
управления). На напряжение мышцы оказывает влияние много других факторов, в первую очередь
степень деформации мышцы. Поэтому, хотя мышца и служит передаточным этапом информации
от мозга к звену (от аппарата управления к объекту управления), мышечная координация не однозначна нервной.
Наиболее характерной чертой мышечной координации служит групповое взаимодействие
мышц.
В результате овладения движениями складываются мышечные синергии: более или менее постоянные взаимодействия групп мышц, т. е. подсистемы общей системы взаимодействия
1 В практике нередко применяют термин «координация» для обозначения уже сложившейся системы
движений. Такое применение неправильно, так как координация — не сами движения, а процесс согласования их.
116
мышц. Системная приспособительность в мышечной координации зависит как от таких же свойств
в нервной координации, так и от чисто механических взаимодействий групп синергистов и антагонистов. На мышечную координацию существенно влияет наличие многоосных суставов (смена
функций мышц) и многосуставных мышц (сочетанное действие на соседние суставы). Крайне важна внутримышечная координация —согласование тяги элементов мышцы (мионов), от которого
зависит сила тяги каждой мышцы.
5.3. Двигательная координация
Двигательная координация — это согласование движений звеньев тела в пространстве и во времени (одновременное и последовательное), соответствующее выполняемой
двигательной задаче в конкретных условиях (внешнее окружение и состояние спортсмена).
Двигательная координация не однозначна нервной и мышечной, хотя и зависит от них.
Координация может осуществляться в отдельные фазы непосредственно в периферическом цикле взаимодействия в самих органах движения, без детализированного участия центральных команд (замыкание через среду—поле действия спортсмена). Координация осуществляется и на мышечном уровне в группах синергистов, во взаимодействиях с группами антагонистов,
в мышечных цепях с участием многосуставных мышц. Координация в самом главном осуществляется посредством преобразования информации в нервной системе по рефлекторному принципу.
Задача и программа в переменных условиях часто не могут быть предопределены заранее.
Тогда в процессе координации осуществляется иногда не только выполнение заранее намеченного, но и поиск и выполнение поэтапных решений задачи и построения программы.
6. ФОРМИРОВАНИЕ СИСТЕМ ДВИЖЕНИЙ
Овладение физическим упражнением с точки зрения биомеханики Представляет собою
формирование новой системы движений. Этот процесс включает первоначальное построение системы движений (овладение движениями) и дальнейшую перестройку ее (совершенствование
движений).
6.1. Построение системы движений
Построение новой системы движений происходит на основе:
а) использования ранее сформированных подсистем; б) подавления старых подсистем, непригодных для решения новой задачи;
в) формирования совершенно новых подсистем; г) установления структуры новой
системы движений.
Человек обладает сравнительно небольшим количеством прирожденных безусловных двигательных рефлексов: например, па растяжение мышца отвечает напряжением, на болевое раздражение конечность отвечает сгибанием. По мере созревания нервной системы и накопления
двигательного опыта на эту основу постепенно наслаиваются условно-рефлекторные связи, обеспечивающие стояние, ходьбу и многие другие системы движений.
Возникновение новой системы означает образование новых взаимодействий, объединяющих частные движения в новую систему, соответствующую новой задаче и условиям действия.
Человек использует подсистемы движений, сформированные ранее для решения других задач,
приспосабливая их к новой задаче. Одновременно подавляются (тормозятся) другие ранее
сформированные подсистемы, которые не могут быть использованы, так как мешают выполнению новой задачи. Кроме того, формируются совершенно новые подсистемы движений, необходимые именно для решения новой двигательной задачи. При построении новой системы движений сочетаются все перечисленные процессы, что приводит к возникновению новых взаимодействий как внутренних, так и особенно взаимодействий с внешним окружением. При объединении всех частных структур подсистем движений возникают большие трудности. Они зависят от
различий в характере подсистем движений, обусловленных их происхождением. От этих различий
зависят взаимная совместимость подсистем, быстрота согласования, устойчивость к помехам,
возможности осознаваемого контроля над ними и др.
6.2. Перестройка системы движений
Перестройка систем движений обусловлена всеми видами двигательной деятельности, в особенности целенаправленным физическим воспитанием, а также возрастным физическим развитием; с изменениями в двигательном и управляющем аппаратах перестраиваются и системы движений.
Становление новых систем движений представляет собой перестройку функциональных
отношений в организме. Совершенствование двигательной деятельности также целиком построено на перестройке координационных отношений.
Под воздействием физического воспитания повышается уровень физического развития,
что проявляется и в морфологических особенностях и в функциональных возможностях. В результате тренировочной работы реализуются возможности воспитания двигательных задатков.
117
Доказано, что способности организма к морфологической и функциональной перестройкам
зависят от возраста. При правильном физическом воспитании для каждого возрастного периода
характерны оптимальные сдвиги в обеспечении совершенства двигательной деятельности. Пути и
средства перестройки координационных структур будут рассмотрены позже.
7.Развитие двигательной активности и координации движений
У новорожденных двигательный аппарат имеет определенную степень зрелости, что позволяет выполнять целый ряд простейших движений (рис. 15.27).
В первые недели жизни у ребенка появляются условные рефлексы, которые отличаются
крайней непрочностью, слабостью, и приобретают относительное постоянство лишь к 3—4 месяцам.
Развитие двигательной активности и координации движений. Двигательная активность и координация движений у новорожденного далеко не совершенна. Набор движений весьма
ограничен и носит безусловно-рефлекторный характер. В этом возрасте выражен плавательный
рефлекс, максимальное проявление его наблюдается к 40-му дню, и в воде ребенок способен совершать движения и держаться на воде до 10—15 мин. Но ребенка необходимо поддерживать за
голову, так как его мышцы шеи еще очень слабы (он еще не держит голову). В дальнейшем безусловные рефлексы угасают, а им на смену формируются различные двигательные навыки. .
Нарастание тонуса затылочных мышц позволяет двухмесячному ребенку, положенному
на живот, поднимать голову. К 2,5—3 месяцам начинается развитие движений рук в направлении к видимому предмету (игрушке), а к 5—6 месяцам ребенок точно протягивает руку к предмету, с какой бы стороны он ни находился.
В 4 месяца развиваются движения перевертывания со спины на бок, а в 5 месяцев — на
живот и с живота на спину.
В возрасте 4—6 месяцев ребенок ползает, в положении на животе поднимает голову и
верхнюю часть туловища.
В 6—7 месяцев начинает вставать на четвереньки. С развитием мышц туловища и таза
ребенок в возрасте 6—8 месяцев начинает сидеть и делает попытки вставать, стоять и опускаться, придерживаясь руками за опору.
В период подготовки к ходьбе анатомо-физиологические особенности ребенка затрудняют
процесс овладения равновесием: мышечная система нижних конечностей еще слаба, ножки короткие и полусогнуты; общий центр тяжести (ОЦТ) располагается более высоко, чем у взрослого человека; стопы также меньше, чем у взрослого. Поэтому в период обучения ходьбе очень важно
помочь ребенку в поддержании равновесия. К концу первого года ребенок свободно стоит и, как
правило, начинает самостоятельно ходить, Началом самостоятельной ходьбы можно считать тот
день, когда ребенок впервые пройдет несколько шагов. Но в этот период устойчивость его при
ходьбе и прямостоянии незначительна. Равновесие ему удается сохранять, балансируя руками,
разведенными в стороны и широко расставленными ногами.
К 3—4 годам совершенствуется координация движений, что позволяет ребенку при ходьбе
и стоя сохранять равновесие, не прибегая к помощи рук.
В возрасте 4—5 лет ребенку доступны разнообразные и сложные по координации движения: бег, прыжки, гимнастические и акробатические упражнения, катание на коньках и т. д. В
этом возрасте ребенок осваивает и более точные движения, связанные с развитием мелких мышц
кисти, предплечья и т. д.
К 6—7 годам заметно увеличивается сила мышц разгибателей туловища, бедра и голени.
Важнейшим в формировании двигательных факторов является ходьба, игры, бег и сочетание
ходьбы с бегом, прыжками.
Развитие движений у ребенка обусловлено не только развитием ОДА и ЦНС, но и тренировкой (применение гимнастических упражнений, игр, закаливания и т. д.). Естественные локомоции (ходьба, лазание, игры, бег, прыжки и др.) и их координация формируются у детей до 2—5 лет.
При этом большое значение имеют систематические занятия гимнастикой, играми, особенно в первый год жизни ребенка. Следует отметить, что координационные механизмы и в дошкольном возрасте еще несовершенны
В возрасте 5—8 лет заметно увеличивается точность и меткость движений (метание мяча
и других предметов).
В период от 8 до 11 —12 лет продолжается дальнейшее совершенствование двигательных
навыков, особенно в беге, ходьбе, прыжках, метании, гимнастических и акробатических упражнениях.
Вместе с тем, у школьников по сравнению с дошкольниками, увеличивается время вынужденной неподвижности (гиподинамия). На этом этапе важной является роль активных движений
как фактора здоровья (бег, игры, ходьба на лыжах, плавание и другие виды локомоций).
Показано, что у дошкольников и младших школьников при увеличении возраста и скорости
бега в фазе отталкивания увеличивается скорость выпрямления опорной ноги, а при более высо-
118
кой скорости характерны также большой угол разгибания в коленном суставе и большее продвижение тела вперед от опорной ноги в момент отрыва ее от земли. С возрастом, особенно у лиц
преклонного возраста, эти показатели значительно меняются.
Центр тяжести (ЦТ) при беге движется по волнообразной колеблющейся кривой. С увеличением возраста величина подъема тела или вертикальное перемещение ЦТ, становится меньше,
тогда как горизонтальное перемещение увеличивается.
Формирование координационных механизмов движений заканчивается к подростковому
возрасту. При систематических тренировках происходит совершенствование движений и их координация.
В старшем школьном возрасте пропорции тела уже приближаются к показателям взрослых. К 14—16 годам появляются зоны окостенения в эпифизарных хрящах, в межпозвоночных
дисках. В 16 лет замедляется рост у девушек, а у юношей — в 17— 18 лет.
Чрезмерные физические нагрузки, особенно подъем тяжестей (гантелей, гирь, штанги и
др.) ускоряют процесс окостенения и могут отрицательно влиять на рост и развитие. В подростковом и юношеском возрасте наблюдается возрастание мышечной массы и силы. Физические перегрузки в 7—10—15-летнем возрасте могут привести к деформациям суставов нижних конечностей
(стоп, голеностопных и коленных суставов) в связи с изменениями структуры ОДА, в том числе, и
позвоночника. Девочкам в возрасте 13—14 лет следует с осторожностью применять физические
нагрузки с подъемом тяжестей (атлетизм, гантели, штанга и др.). В подростковом возрасте между
мальчиками и девочками отмечаются существенные различия в показателях мышечной силы.
Отмечены также возрастные изменения временной структуры шага; в частности, до 30 лет
время опоры немного и постепенно увеличиваются, а затем остается приблизительно постоянным
(K.U. Smith et al., 1960; K.U. Smit., D. Greene, 1962). У пожилых людей, занимающихся бегом, полного разгибания в тазобедренном и коленном суставах до завершения отталкивания не происходит. Кроме того, маховая нога выносится вперед незначительно, бегун держит ее вблизи опорной
ноги.
7. ИЗМЕНЕНИЕ ДВИЖЕНИЙ ПРИ ФИЗИЧЕСКОМ ВОСПИТАНИИ
Изменение движений в процессе физического воспитания находится под прямым влиянием
применяемых средств и методов. Многообразие последних, зависящее отчасти от разнообразия
видов спорта, не позволяет в настоящее время прийти к достаточно обоснованным обобщениям.
Более изучены общие закономерности отражения возрастных и половых различий в изменениях
движений.
7.1. Возраст и структура движений
Структура движений в детском возрасте относительно быстро совершенствуется, в
среднем возрасте стабилизируется, в старших возрастах постепенно распадается.
В каждом возрастном периоде изменения движений развиваются не линейно, а волнообразно, с ускорениями, задержками, отражающими активную приспособляемость организма в процессе перестройки двигательных структур.
2O
30
Возраст, лет
: ———— мужчины
— — - — женщины
50
Рис. 39. Изменение с возрастом параметров быстрого бега (по В. К. Бальсевичу)
С возрастом изменяются форма и строение тела. Вследствие увеличения его размеров
становятся больше линейные перемещения и вместе с тем инерционные сопротивления. Рост мышечной массы повышает силовые возможности. Изменения нервной системы обусловливают изменения двигательной функции. Возрастные изменения разных показателей происходят неравномерно. В целом к 25— 30 годам прекращается прогрессивное естественное развитие (эволюция). В возрасте от 25— 30 до 50—60 лет наблюдается относительная стабилизация показателей
119
с небольшим ухудшением. Для возрастного периода от 50 до 70 лет характерно наиболее быстрое
обратное развитие движений (инволюция), которое в последующие годы происходит уже не так
быстро (рис. 39). Однако все это отмечается лишь при отсутствии значительной тренировки, лишь
под влиянием преимущественно возрастных факторов.
Исследования возрастных изменений структуры движений пока малочисленны, но они рисуют довольно ясную картину. В детском возрасте установлены (на материалах ходьбы Т. С. Поповой) стадии развития динамической структуры: а) иннервационного п р и м и т и в а: крайняя
бедность центральных команд; координация очень несовершенна (1—2 года); б) постепенного
развития иннервации: согласование импульсов точнее, количество их больше, движения увереннее, богаче деталями (3—4 года); в) избыточного образования структур: появление излишних,
отсутствующих у взрослых, деталей управления (5—6 лет) и г) обратного развития недоразвитых
элементов: исчезновение лишних элементов и становление структуры ходьбы, типичной для
взрослых (8—10 лет).
Старческие изменения ходьбы имеют стадии инволюции: 1) произвольная компенсация
пониженной эффективности отдельных движений; 2) постепенное исчезновение ряда динамических структур в сочетании с уменьшением силы и размаха движений при повышенной торопливости; 3) углубляющийся распад и обеднение структур.
Закономерности эволюции и инволюции ходьбы, как наиболее общей системы движений
человека, связанные с возрастом, могут проявиться в развитии и других двигательных действий,
так как зависят от общих возрастных изменений организма.
7.2. Влияние половых различий на структуру движений
Структура движений у женщин не только в количественном, но и качественном отношении
отличается от структуры движений у мужчин. Уступая мужчинам в силе, быстроте и выносливости,
женщины превосходят их в пластичности движений.
Половые различия наиболее заметно проявляются в период полового созревания. Начиная с 9—11 лет, постепенно нарастает отставание двигательной функции у девочек и девушек по
сравнению с мальчиками и юношами (см. рис. 39). Физическое воспитание выравнивает различия
между полами в двигательной функции. Оно обеспечивает в современном спорте высшие мировые достижения в возрасте 15—18 лет в тех видах спорта, где требуются быстрота и точность.
Для женщин характерны меньший линейный размах движений, меньшее проявление
силы. Считают, что в плавных движениях координация у них лучше, чем у мужчин. Эти различия в разные возрастные периоды не строго одинаковы и зависят от особенностей, связанных с
возрастом и спецификой выполняемых упражнений.
7.3. Влияние тренировки на структуру движений
Строго говоря, нельзя рассматривать в «чистом виде» возрастные и половые различия в
структуре движений. Так называемые нетренированные, которых исследуют для сравнения с тренированными, отличаются от последних тем, что не занимаются систематически, организованно
спортом. Но для детства человека характерна значительная активность. Именно она способствует
морфологическому и функциональному развитию организма, Взрослый человек, не занимающийся спортом, также получает немалую физическую нагрузку (в трудовых и бытовых условиях).
Хотя ее не считают тренировкой, но она оказывает на двигательные возможности человека значительное влияние.
Сопоставление структур движений нетренированных и тренированных, с одной стороны,
очень просто — по всем без исключения показателям тренированные превосходят нетренированных. Но, с другой стороны, как можно сравнивать, например, структуры движений прыгуна с шестом и человека, никогда не державшего шест в руках? Сравнение может и должно вестись в ходе
тренировки, при сопоставлении данных спортсменов разной квалификации. Различие в структуре
движений представляет собой характерные признаки мастерства, относящиеся как к группам видов техники, так и к каждому упражнению.
120
Тема 13. УПРАВЛЕНИЕ НЕПЕРЕМЕСТИТЕЛЬНЫМЙ ДЕЙСТВИЯМИ
1. Управление позой и ее медленными изменениями 2. Равновесие тела человека 3. Сохранение и восстановление положения тела человека
В биомеханике двигательные действия человека при занятиях физическими упражнениями рассматриваются как системы движений. Эти движения можно условно разделить на 5 основных групп: сохранение положения тела, движения на месте и вокруг оси, локомоторные и перемещающие движения. Каждая из групп имеет свои характерные закономерности. При изучении двигательных действий как систем движений нужно знать и использовать эти закономерности.
1. Управление позой и ее медленными изменениями
Статические напряжения. Управление статическим напряжением мышц—дело не простое, особенно в тех случаях, когда требуются точность положений, большие усилия, переменные
усилия, когда недопустимо дрожание. Трудность сохранения суставных углов объясняется в основном адаптивным повышением абсолютных и дифференциальных порогов проприорецепторов.
Способность тонко дифференцировать изменения взаимного расположения звеньев тела позволяет обнаруживать и выправлять искажения позы. Если при сохранении ее главная двигательная
задача заключается в сохранении взаимного расположения двух-трех звеньев тела, расположение
других звеньев может быть вариативным (при изменении одних суставных углов компенсаторно
изменяются другие). Таким искусством спортсмен овладевает по мере совершенствования навыка.
Трудность сохранения позы усугубляется необходимостью совершать дыхательные движения:
из-за них приходится все время менять напряжение мышц, «ответственных» за позу. Другая
трудность сохранения позы—утомление при ее фиксации, вызванное большими усилиями. Сохранять позу достаточно долгое время можно только при значительном функциональном резерве.
На схеме 9 показана система механизмов регуляции позы.
Регуляция позы
Регуляция суставных углов
Целевая регуляция позы
Схема 9.
1 — автоматизированные тонические регуляции, 2 — осознаваемые коррекции угла по его «установочной»
величине, 3—взаимокомпенсаторные регуляции, 4 — регуляции по пространственному расположению контрольных точек и звеньев тела, 5 — регуляции по пространственной ориентации звеньев тела и взаимной
ориентации его контрольных точек, 6—регуляции по изменению нагрузки на звенья рабочих динамических
цепей, 7—неосознаваемые коррекции позы, 8 — осознаваемые коррекции позы, 9 — предваряющие тонические коррекции, 10 — предваряющие коррекции позы
Со статическим напряжением приходится сталкиваться, естественно, не только при фиксации взаимного расположения всех звеньев тела, но и тогда, когда необходимо сохранять неизменным хотя бы один суставной угол. В качестве примера можно назвать оборот назад из упора в
стойку на руках на перекладине. В данном упражнении угол между руками и туловищем нужно сохранять приблизительно неизменным на протяжении большей части оборота (тело за это время
поворачивается вокруг поперечной оси более чем на 200°). Поэтому высоки требования к силе
гимнаста: совсем не легко фиксировать этот угол, когда требуется усилие, быстро меняющееся в
широком диапазоне (по величине и направлению). Достаточно сказать, что в начале и в конце
движения тела с фиксированным данным углом усилие, нужно направлять на то, чтобы он не
уменьшился; при прохождении же тела под грифом перекладины необходимо большое усилие для
преодоления момента силы тяжести туловища и ног относительно плечевой оси, а также инерционных сил, вызванных быстрым вращением тела вокруг грифа, чтобы угол не увеличивался. Сохранение суставных углов неизменными в условиях непрерывных изменений внешних и внутренних суставных моментов вообще типично для спортивной гимнастики (вспомним задачи сохранения динамической осанки).
При неизменных или медленно меняющихся нагрузках на суставы суставные углы сохраняются неизменными благодаря автоматическим механизмам тонических рефлексов (с участием
121
мышечных веретен: например, уменьшение угла влечет за собой удлинение мышц-разгибателей1,
веретена2 которых реагируют на это усилением афферентных импульсов; в результате напряжение мышц-разгибателей возрастает, а напряжение мышц-сгибателей падает; это вызывает увеличение угла, влекущее за собой противоположные тонические изменения). Сохранение величины
суставного угла достигается за счет его поочередного увеличения и уменьшения: величина угла
колеблется около среднего (должного) значения. Здесь очень наглядно выступает принцип регуляции по рассогласованию (или «по отклонению», «по ошибке»). Чем сильнее напряжены группы
мышц-антагонистов, тем строже работает этот механизм. Однако мышцы быстрее утомляются, а
это снижает точность регуляций.
Так осуществляется стабилизация суставного угла, если для его фиксации не нужно менять величину и направление мышечных усилий. В противном случае спортсмен должен предвидеть ход их развития, конечно, с использованием своего предшествовавшего двигательного опыта.
Действия парастатического3 характера. Следует сразу обратить внимание на то, что в
процессе таких действий почти всегда часть звеньев динамической цепи работает в статическом
режиме, поэтому к ним относится все только что сказанное. В преодолевающем движении предельная сила меньше, чем в статике, а в уступающем — больше. Следовательно, парастатическое
суставное движение в уступающем режиме намного легче выполнить, чем противоположно
направленное преодолевающее (в этом случае работают одни и те же мышцы). Притом чем медленнее уступающее движение, тем труднее выполнить его при той же самой нагрузке; чем
медленнее преодолевающее движение, тем легче.
Хотя парастатический режим работы силовых звеньев близок к статическому, все же немаловажные различия имеются. Прежде всего, надо учесть, что во время движения с достаточно
большим размахом изменяется состав работающих мышц, не говоря уже об их длине и силовых
плечах. Если движения происходят сразу в нескольких суставах, длина некоторых двухсуставных
мышц может меняться довольно быстро, невзирая на малую скорость изменения суставных углов.
Удлинение мышцы мало влияет на ее предельное напряжение. В случае же укорочения мышцы
состояние ее может приблизиться к ретракции (такое укорочение, при котором она уже не может
развить силу тяги), в связи с чем другим мышцам приходится работать за нее.
От распределения скоростей суставных движений обычно в той или иной мере зависят
внешние суставные моменты (чаще всего моменты сил тяжести). Поэтому спортсмен должен так
соотносить эти скорости, чтобы моменты сопротивлений относительно осей всех суставов рабочей
кинематической цепи были преодолимы, соответствовали функциональным возможностям звеньев соответствующей динамической цепи. При этом, конечно, надо учитывать и текущее изменение
этих возможностей в связи с зависимостью «сила—скорость».
При уступающих движениях спортсмен может подбором скоростей суставных движений
поддерживать соответствие своих силовых возможностей силовому запросу 1 упражнения. С другой стороны, увеличив силовые возможности, он может развивать туже силу в заданных уступающих движениях, выполняемых с меньшей скоростью, либо в преодолевающих движениях,
выполняемых с большей скоростью. Это существенно прежде всего в спортивной гимнастике и
акробатике, но немалую роль играет и в других видах спорта. В частности, скорость парастатических движений борцов, когда один сопротивляется превосходящему его по силе (в данной двигательной ситуации)2, а другой преодолевает это сопротивление, устанавливается соответственно с
требованием выравнивания силовых возможностей (см. рис. 35).
Превосходство может быть результатом лучшей физической подготовленности, но может
быть результатом и меньшей величины моментов сопротивления или участием других мышц.
Одновременно сближаются концы мышц-сгибателей, их веретена расслабляются, что вызывает снижение
тонуса сгибателей и повышение тонуса разгибателей, т. е. «удваивает» описываемый эффект.
2 Мышечное веретено—рецепторное образование в мышце, реагирующее на изменение ее длины.
3 Парастатические действия основаны на очень медленных движениях (например, дожимание из креста в
упор либо отпускание из упора в крест), когда мышцы работают в режиме, близком по характеру к изометрическому. Применение в этом смысле термина «квазистатический» представляется неудачным по двум причинам:
1) часть «квази» придает термину неподходящее значение «мнимый», «ложный»; 2) термин «квазистатический» давно применяется в физике, но имеет другое содержание, соответствующее скорее режиму стабилизации суставных углов, т. е. режиму, в биомеханике называемому статическим.
1
Силовой запрос двигательного действия — требования, которые оно предъявляет к силовым возможностям спортсмена.
2
Превосходство может быть результатом лучшей физической подготовленности, но может быть результатом
и меньшей величины моментов сопротивления или участием других мышц
1
122
Спортсмен часто может управлять величиной момента сопротивления, уменьшая плечо
действующей внешней силы, например выжимая стойку не с прямыми, а с согнутыми руками или
не с прямыми, а с согнутыми ногами.
2.РАВНОВЕСИЕ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА
В физических упражнениях человеку нередко необходимо сохранять неподвижное положение тела: например, исходные положения — стартовые; конечные положения — фиксирование
штанги после ее поднятия и т. п.; промежуточные — упор углом на кольцах и др. Во всех таких
случаях тело человека как биомеханическая система находится в равновесии. В равновесии могут
находиться и тела, связанные с сохраняющим положение человеком (например, штанга, партнер в
акробатике).
Чтобы сохранить положение тела, человек должен находиться в равновесии. Положение
тела определяется его позой3, его ориентацией и местоположением в пространстве, а также
отношением к опоре. Следовательно, для сохранения положения тела человеку нужно фиксировать позу и не допускать, чтобы приложенные силы изменили позу и переместили его тело с
данного места в каком-либо направлении или вызвали его поворот относительно опоры.
2.1. Силы уравновешиваемые при сохранении колошения
К биомеханической системе приложены силы тяжести, опорной реакции, веса и мышечной тяги партнера или противника и другие, которые могут быть и возмущающими, и
уравновешивающими силами в зависимости от положения звеньев тела относительно их
опоры.
Во всех случаях, когда человек сохраняет положение, находится в равновесии изменяемая
система тел (не абсолютно твердое тело или материальная точка).
В условиях занятий физическими упражнениями при сохранении положения к телу человека чаще всего приложены силы тяжести его тела и веса других тел, а также силы реакции опоры,
препятствующие свободному падению. Без участия мышечных тяг сохраняются только пассивные
положения (например, положения лежа на полу, на воде).
При активных положениях система взаимно подвижных тел (звеньев тела) благодаря
напряжениям мышц как бы отвердевает, становится подобной единому твердому телу; мышцы
человека своей статической работой обеспечивают сохранение и п о з ы, и положения в пространстве. Значит, в активных положениях для сохранения равновесия к силам внешним добавляются
внутренние силы мышечной тяги.
Все внешние силы делят на возмущающие (опрокидывающие, отклоняющие), которые
направлены на изменение положения тела, и уравновешивающие, которыми уравновешивается
действие возмущающих сил.
Силы мышечной тяги чаще всего служат силами уравновешивающими. Но в определенных
условиях они могут быть и силами возмущающими, т. е. направленными на изменение и позы и
расположения тела в пространстве.
2.2. Условия равновесия системы тел
Для равновесия1 тела человека (системы тел) необходимо, чтобы главный вектор и
главный момент внешних сил были равны нулю, а все внутренние силы обеспечивали сохранение позы (формы системы).
Если главный вектор и главный момент равны нулю, тело не сдвинется и не повернется,
его линейное и угловое ускорения равны нулю. Для системы, тел эти условия также необходимы, но уже недостаточны. Равновесие тела человека как системы тел требует еще сохранения позы тела. Когда мышцы достаточно сильны и человек умеет использовать их силу, он
удержится в очень трудном положении. А менее сильному человеку такой позы не удержать, хотя
по расположению и величине внешних сил равновесие возможно. У разных людей существуют
свои предельные позы, которые они еще в состоянии сохранять.
2.3. Виды равновесия твердого тела
Вид равновесия твердого тела определяется по действию силы тяжести в случае
сколь угодно малого отклонения: а) безразличное равновесие — действие силы тяжести не
изменяется; б) устойчивое — оно всегда возвращает тело в прежнее положение (возникает
момент устойчивости); в) неустойчивое — действие силы тяжести всегда вызывает опрокидывание тела (возникает момент опрокидывания); г) ограниченно-устойчивое — до потенциального барьера положение тела восстанавливается (возникает момент устойчивости), после него тело опрокидывается (возникает момент опрокидывания).
Поза — взаимно относительное расположение звеньев тела, не зависимое от ориентации и местоположения тела в пространстве и отношения его к опоре
1
Следует подчеркнуть, что равновесие при сохранении положения нужно рассматривать не только в случае
покоя, но и в случае сохранения позы в движении (например, движение слаломиста по повороту).
3
123
В механике твердого тела различают три вида равновесия: безразличное, устойчивое и
неустойчивое. Эти виды различаются по поведению тела, незначительно отклоняемого от уравновешенного положения. Когда тело человека полностью сохраняет позу («отвердение»), к нему
применимы законы равновесия твердого тела.
Безразличное равновесие характерно тем, что при любых отклонениях сохраняется равновесие. Шар, цилиндр, круговой конус на горизонтальной плоскости (нижняя опора) можно повернуть как угодно, и они останутся в покое. Линия действия силы тяжести (G) в таком теле (или, как
говорят, короче линия тяжести) всегда проходит через точку опоры, совпадает с линией действия
силы опорной реакции (R); они уравновешивают друг друга. В спортивной технике безразличного
равновесия ни на суше, ни в воде практически не встречается.
Устойчивое равновесие характерно возвратом в прежнее положение при любом отклонении. Оно устойчиво при сколь угодно малом отклонении по двум причинам; а) центр тяжести тела поднимается выше (h), создается запас потенциальной энергии в поле земного тяготения; б)
линия тяжести (G) не проходит через опору, появляется плечо силы тяжести (d) и возникает момент силы тяжести (момент устойчивости М уст=Gd), возвращающий тело (с уменьшением потенциальной энергии) в прежнее положение. Такое равновесие встречается у человека при верхней
опоре. Например, гимнаст в висе на кольцах; рука, свободно висящая в плечевом суставе. Сила
тяжести тела сама возвращает тело в прежнее положение.
Неустойчивое равновесие характерно тем, что сколь угодно малое отклонение вызывает еще большее отклонение и тело само в прежнее положение вернуться не может. Таково положение при нижней опоре, когда тело имеет точку или линию (ребро тела) опоры. При отклонении
тела: а) центр тяжести опускается ниже (—h), убывает потенциальная энергия в поле земного
тяготения; б) линия тяжести (G) с отклонением тела удаляется от точки опоры, увеличиваются
плечо (d) и момент силы тяжести (момент опрокидывания Мопр. =Gd); он все дальше отклоняет
тело от прежнего положения. Неустойчивое равновесие в природе практически почти не осуществимо.
В физических упражнениях чаще всего встречается еще один вид равновесия, когда имеется площадь опоры, расположенная внизу (нижняя опора). При незначительном отклонении тела
центр его тяжести поднимается (+h) и появляется момент устойчивости (Mуст=Gd). Налицо признаки устойчивого равновесия; момент силы тяжести тела вернет его в прежнее положение. Но это
продолжается лишь при отклонении до определенных границ, пока линия тяжести не дойдет до
края площади опоры. В этом положении уже возникают условия неустойчивого равновесия: при
дальнейшем отклонении тело опрокидывается; при малейшем отклонении в обратную сторону —
возвращается в прежнее положение. Границе площади опоры соответствует вершина «потенциального барьера» (максимум потенциальной энергии). В пределах между противоположными барьерами («потенциальная яма») во всех направлениях осуществляется ограниченноустойчивое равновесие.
2.4. Устойчивость твердого тела и системы тел
Устойчивость объекта характеризуется его способностью, противодействуя нарушению равновесия, сохранять положение. Различают статические показатели устойчивости
как способность сопротивляться нарушению равновесия и динамические как способность
восстановить равновесие.
Статическим показателем устойчивости твердого тела служит (в ограниченноустойчивом равновесии) коэффициент устойчивости. На рис. 51, а опрокидывающий момент
создается опрокидывающей силой (Fопр), приложенной на плече (h) относительно линии опрокидывания (О), вокруг которой происходит отклонение тела. Момент устойчивости относительно той же
линии опрокидывания возникает с начала приложения силы Fопр. Наибольшим он становится в
начале опрокидывания (предельный момент устойчивости), далее плечо силы тяжести G умень-
124
шается и момент устойчивости уменьшается до нуля (в граничном положении — ОЦТ над линией
опрокидывания).
а — коэффициент устойчивости тела; б, в — угол устойчивости (}; г — статическая и динамическая устойчивость системы тел; д — поверхность опоры (пунктир) и площадь эффективной опоры (заштрихована) (ориг.)
Коэффициент устойчивости равен отношению предельного момента устойчивости к
моменту опрокидывающему. Когда коэффициент устойчивости покоящегося тела равен единице
и больше нее, опрокидывания нет. Если же он меньше единицы, равновесие не может быть сохранено.
Однако сопротивление только этих двух механических факторов (двух моментов сил) для
системы тел, если она может изменять конфигурацию, не исчерпывает действительной картины.
Предположим, что сопротивляющийся борец (рис. 51, г), согнув ноги, опустит строго вертикально
центр тяжести своего тела. От этого ни сила тяжести его тела, ни ее плечо, а значит, и момент
устойчивости не изменятся. Но понизится точка приложения Fonp плечо этой силы уменьшится,
меньше станет ее момент. Таким способом борец может увеличить коэффициент устойчивости
своего тела путем уменьшения опрокидывающего момента. Отклонив назад тело, он не изменит
опрокидывающий момент, но увеличит плечо силы тяжести своего тела и момент устойчивости.
Здесь он тоже выиграет в статической устойчивости. Борец, напрягая мышцы и упираясь в ковер,
создает еще внешнюю горизонтальную силу (силу трения), направленную в его сторону, уменьшая
этим действие опрокидывающей тяги. Последнее зависит также от готовности мышц борца противодействовать внезапному ее приложению. Обманными действиями можно резко ухудшить их готовность и малой тягой вызвать опрокидывание. Самое существенное для биомеханической системы не в пассивном использовании силы тяжести тела, а в активных мышечных тягах, сохраняющих и изменяющих позу тела. В системе тел каждое звено должно быть в равновесии, сохраняя
ее конфигурацию (позу тела человека).
Следовательно, коэффициент устойчивости тела и зафиксированной системы тел
характеризует статическую устойчивость как способность сопротивляться нарушению
равновесия. У человека при определении устойчивости всегда надо еще учитывать активное противодействие мышечных тяг и готовность к сопротивлению.
Динамическим показателем устойчивости твердого тела служит угол устойчивости.
Это угол, образованный линией действия силы тяжести и прямой, соединяющей центр
тяжести с соответствующим краем площади опоры (см. рис. 51, б, в). Станем отклонять
тело, пока линия тяжести не дойдет до границы площади опоры (граничное положение тела —
вершина потенциального барьера). У тела, поставленного стоймя (рис. 51, б), база устойчивости
(/i) меньше, чем у того же тела, лежащего плашмя (/2) (см. рис. 51, в). Значит, линия тяжести ближе к границе, за которой начнется опрокидывание. Центр тяжести надо поднять для опрокидывания в первом случае на меньшую высоту (h1), чем во втором (h2) Угол устойчивости в первом
случае (1) явно меньше, чем во втором (2).
Физический смысл угла устойчивости состоит в том, что он равен углу поворота (<р), на который надо повернуть тело для начала его опрокидывания. Угол устойчивости показывает, в каких
пределах еще восстанавливается равновесие. Он характеризует степень динамической устойчивости: если угол больше, то и устойчивость больше. Этот показатель удобен для сравнения степени устойчивости одного тела в разных направлениях (если площадь опоры не круг и линия силы
тяжести не проходит через его центр).
Сумма двух углов устойчивости в одной плоскости рассматривается как угол равновесия в
этой плоскости. Он характеризует запас устойчивости в данной плоскости, т. е. определяет размах
перемещений центра тяжести до возможного опрокидывания в ту или другую сторону (например, у
слаломиста при спуске на лыжах, гимнастки на бревне, борца в стойке).
В случае равновесия биомеханической системы для применения динамических показателей устойчивости нужно учесть существенные уточнения.
Во-первых, площадь эффективной опоры человека не всегда совпадает с поверхностью опоры. У человека, как и у твердого тела, поверхность опоры ограничена линиями, соединяющими крайние точки опоры (или внешние края нескольких площадей опоры) (см. рис. 51, д). Но у
человека часто граница площади эффективной опоры расположена внутри контура опоры, так как
мягкие ткани (стопа босиком) или слабые звенья (концевые фаланги пальцев в стойке на руках на
полу) не могут уравновесить нагрузку. Поэтому линия опрокидывания смещается кнутри от края
опорной поверхности, площадь эффективной опоры меньше площади опорной поверхности.
Во-вторых, человек никогда не отклоняется всем телом относительно линии опрокидывания (как кубик), а перемещается относительно осей каких-либо суставов, не сохраняя полностью
позы (например, при положении стоя —движения в голеностопных суставах).
В-третьих, при приближении к граничному положению нередко становится трудно сохранить позу и наступает не просто опрокидывание «отвердевшего тела» вокруг линии опрокидыва-
125
ния, а изменение позы с падением. Это существенно отличается от отклонения и опрокидывания
твердого тела вокруг грани опрокидывания (кантование).
Таким образом, углы устойчивости в ограниченно-устойчивом равновесии характеризуют динамическую устойчивость как способность восстановить равновесие. При определении устойчивости тела человека необходимо также учитывать границы площади эффективной опоры, надежность сохранения позы до граничного положения тела и реальную линию
опрокидывания.
В физических упражнениях часто встречается удерживающая связь (жесткая). Тогда условия сохранения равновесия требуют учета двусторонней связи путем рассмотрения соответствующих реактивных сил, вызванных такой связью.
3.СОХРАНЕНИЕ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА
Человек может не только сохранять равновесие, но и восстанавливать его в случаях нарушения. Отличие равновесия биомеханических систем от равновесия твердых физических тел заключается не в наличии особых законов механики для живых систем, а в более сложном их использовании благодаря особенностям живых систем.
3.1. Пассивное и активное уравновешивание
Уравновешивание происходит в неживых системах только пассивно, а в живых организмах — главным образом активно. Уравновешивающие силы могут действовать как
собственно уравновешивающие, а также как и останавливающие отклонение и восстанавливающие положение.
В идеальных условиях в покое при равновесии физического тела все приложенные силы
постоянны по величине, они уравновешены и тело сохраняет полный покой в инерциальной системе координат. При покое тела в неинерциальной системе отсчета анализ равновесия осложняется необходимостью учета фиктивных сил инерции. Но и в этом случае для неживых физических
тел уравновешивание сил происходит чисто механически — пассивно.
В реальных условиях внешние силы нередко изменяются, и даже такой объект, как Останкинская телевизионная башня, сохраняя равновесие, при сильном ветре (переменная сила) не
остается полностью неподвижным. Возмущающие силы вызывают деформации. И если действие
возмущающих сил изменяется, то и противоположное действие уравновешивающих сил может
измениться. Ветер деформирует Останкинскую башню; возникают силы упругой деформации,
останавливающие отклонения, а потом и восстанавливающие ее форму; башня при ветре раскачивается.
Пассивное уравновешивание сил происходит не только при полном покое, но и при возможных отклонениях (колебаниях).
Живые организмы, в том числе и человек, уравновешивают внешние силы не только пассивно, но и активно — силами мышечной тяги. На изменение возмущающих внешних сил они реагируют изменением напряжения мышц, направленным на сохранение и восстановление равновесия. Мышечные тяги не остаются неизменными, поэтому и уравновешивание ими возмущающих сил непостоянно. Мышечные тяги сами могут играть роль возмущающих сил, сами же выполняют функции останавливающих и восстанавливающих сил.
Таким образом, в живых организмах уравновешивание сил происходит при активном
управлении силами биологического происхождения — мышечными тягами.
3.2. Равновесие колебательного типа
Для тела человека характерно равновесие колебательного типа (имеют место макрои микроколебания) с отклонениями от среднего равновесного положения и возвращением к
нему.
Тело человека при сохранении положения постоянно испытывает отклонения. Каждое дыхательное движение перемещает части тела. Каждое сокращение сердечной мышцы вызывает
волну артериальной крови, которая сотрясает тело (на этом основан механический способ регистрации работы сердца). Постоянное рассогласование тяги мышечных групп вызывает медленные
колебания (0,5—1 герц). Это относительно медленные движения в суставах; их можно записать на
неподвижном листе бумаги при помощи карандаша, укрепленного острием вверх на голове (цефалография). Наконец, любые возмущающие силы могут вызвать отклонение с последующим восстановлением положения. Все это макроколебания, доступные зрительному наблюдению.
Кроме них существуют незаметные глазу микроколебания — «физиологический тремор»
— с частотой от 7 до 9 герц. Причина микроколебаний — непостоянство мышечной тяги и реакция
мышц на отклонения.
Раньше удерживание неподвижного положения тела силою мышц рассматривали как покой. С точки зрения механики, мышцы не совершали никакой работы (путь точек приложения сил
мышц равен нулю). Физиологи, говоря о «статической работе» мышц, условно измеряли ее величиной силы, помноженной на время ее действия. Когда обнаружили колебательный режим сохранения положения неподвижного тела, стали полагать, что если имеется и сила тяги мышц и нема-
126
лый путь точек их приложения при колебаниях, то совершается внешняя механическая работа по
перемещению колеблющегося тела.
3.3. Управление сохранением положения
Сохранение положения тела человека достигается управлением уравновешивающими силами при компенсаторных, амортизирующих и восстанавливающих движениях. В результате ОЦТ тела человека при колебаниях остается в зоне сохранения положения или
возвращается в нее из зоны восстановления положения.
В сохранении положения для тела человека характерны колебания, в пределах которых
действуют условия равновесия. Поэтому ОЦТ не занимает положения в одной единственной точке, а перемещается в определенных зонах.
Оптимальная зона положения ОЦТ — наиболее соответствует задаче сохранения требуемого положения. Соответствующее положение не всегда наиболее удобное; нередко оно даже
более трудное, чем при известных отклонениях от требуемого; это самая малая зона.
Зона сохранения положения — перемещения ОЦТ в пределах этой зоны еще не приводят к полному нарушению положения (например, над «потенциальной ямой» в ограниченноустойчивом равновесии). Но приближение ОЦТ к ее границам угрожает потерей равновесия; границы этой зоны определяются условиями равновесия системы тел и возможностями сохранения
позы. Она больше, чем оптимальная зона, и включает ее в свои пределы.
Зона восстановления положения — перемещение ОЦТ в эту зону для механической системы необратимо, так как в ней уже нарушаются условия равновесия. Неживое тело из этой зоны
не может само вернуться в прежнее положение. А человек, использовав необходимые внешние
силы, еще может восстановить положение. Эта зона окружает снаружи зону сохранения положения, но не включает ее в свои пределы.
Для лиц разной физической подготовленности зоны неодинаковы. Для менее подготовленных зона сохранения положения уменьшена; у них меньше площадь эффективной опоры, и
они при меньших отклонениях потеряют возможность удержать позу. Для них зона восстановления
положения также сужена, так как у них меньше сил и ловкости, чтобы суметь восстановить полохение.
В борьбе за сохранение положения используется как ослабление действия возмущающих
сил, так и усиление действия уравновешивающих сил.
Компенсаторные движения1 возникают в тот момент, когда возмущающие силы смещают часть звеньев тела. Компенсаторные движения предупреждают возможное выведение ОЦТ из
зон сохранения положения или даже из оптимальной. Компенсаторные движения нейтрализуют
эффект возмущающих сил. Они выполняются одновременно с движениями, грозящими потерей
равновесия, и, как правило, автоматически (рис. 52, а).
Амортизирующие2 движения позволяют ОЦТ перемещаться в зоне сохранения положения. Эти движения растягивают во времени действие возмущающих сил, уменьшают их эффект.
Часто они увеличивают действие уравновешивающих сил. Они, как и компенсаторные движения,
происходят одновременно с действием возмущающих сил (см. рис. 52, б).
Восстанавливающие движения возвращают ОЦТ из зоны восстановления положения в
зону сохранения положения. Они могут также перемещать ОЦТ и внутри последней (например, в
оптимальную зону).
Все три группы движений, которые сохраняют и восстанавливают положение, нередко сочетаются в комбинированные действия. Например, когда у гимнастки, выполняющей упражнение
на бревне, часть звеньев под действием силы тяжести отклоняется в одну сторону, другие в то же
время компенсаторно смещаются в другую сторону. Ускоренные же движения звеньев создают
внутренние силы инерции этих звеньев; передаваясь по кинематическим цепям к опоре, они изменяют и внешнюю силу — реакцию опоры (появляется горизонтальная составляющая). В последнем случае используются восстанавливающие движения.
Амортизирующие движения применяют при воздействии внешних сил: например, в борьбе — под воздействием противника. Они особенно важны при положении неподвижном относительно неинерциальной системы отсчета, например когда в скоростном спуске на лыжах спортсмен стоит «неподвижно» на лыжах. Лыжи в движении находятся под действием увеличивающихся и уменьшающихся реакций опоры (изменения рельефа трассы). Заранее перемещая ОЦТ
навстречу возмущающей силе, спортсмен затем уступающей работой мышц «поддается тормозя»,
перемещая ОЦТ в пределах зоны сохранения положения. Он постепенно посредством амортизирующей работы рассеивает энергию возмущающей силы.
В восстанавливающих, движениях используются внешние силы, без них ОЦТ не может
вернуться в зону сохранения положения. Такие силы можно вызвать ускоренным движением зве1
2
Компенсация (лат.) — возмещение.
Амортизация (лат.) — погашение,
127
ньев: например, при ходьбе по натянутой проволоке резким нажимом рукой на шест, удерживаемый горизонтально,— сила инерции шеста служит «опорой» для восстановления нарушающегося положения.
Восстанавливая положение, человек перемещает ОЦТ и опору: либо ОЦТ — над опорой,
либо опору — под ОЦТ, либо и то и другое вместе.
Восстанавливающие движения нередко не только устраняют отклонения от равновесного
положения, но и вызывают противоположное отклонение (гиперкоррекция). Новое восстановление (вторичная коррекция) вновь переходит через среднее положение; происходит ряд затухающих колебаний (балансирование).
Колебательные движения (микро- и макроколебания) в известном смысле также есть восстанавливающие движения, когда после отклонения звено возвращается к среднему положению.
Таким образом, сохранение положения — не покой, а активный управляемый двигательный процесс.
Тема 14. ДВИЖЕНИЯ НА МЕСТЕ
1 Закономерности перемещения ОЦТ при постоянной опоре. 2. Фазовая структура движений на
месте 3. Последовательность разбора движений 4. Движения при верхней опоре 5.Движения при нижней
опоре
Движения на месте характеризуются наличием неизменной опоры и соблюдением условий
равновесия. Эта группа движений тесно связана с сохранением положения тела; звенья, находящиеся в контакте с опорой, не изменяют своего положения. В то же время в группе движений на
месте проявляются многие закономерности, свойственные всем движениям человека.
1 ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ОЦТ ПРИ ПОСТОЯННОЙ ОПОРЕ
При любом движении человека перемещаются друг относительно друга звенья тела, перемещаются их центры тяжести и почти всегда ОЦТ (и совпадающий с ним центр масс). Перемещение ОЦТ происходит в соответствии с законами сохранения движения.
1.1. Сохранение и изменение движения центра масс системы
Закон сохранения движения центра масс системы (ЦМС): если главный вектор сил,
действующих на систему, равен нулю, то движение ЦМС сохраняется неизменным.
Если F0=0, то а=0 и v=const, или, иначе говоря, система сохраняет или покой, или постоянную скорость (равномерное и прямолинейное движение) в данной системе отсчета. Тело человека в полном покое не бывает (как показано в гл. VI), да и равномерное и прямолинейное движение, как правило, у него не сохраняется. Силы, приложенные к телу человека, и их моменты изменяются; практически они не бывают равны нулю.
Из закона сохранения движения ЦМС следует вывод: для изменения движения ЦМС
необходимо приложить к системе внешние силы.
Если внешние силы отсутствуют или взаимно уравновешены (главный вектор равен нулю),
движение не изменяется. Но, если главный вектор не равен нулю, скорость ЦМС изменяется.
При активных движениях человека на месте возникает и изменяется движение ЦМС,—
значит, приложены внешние силы, без которых оно невозможно. Следовательно, всякое изменение скорости ЦМС (по величине и направлению) — свидетельство приложения внешних
сил.
1.2. Взаимодействие опоры, опорных и подвижных звеньев
Для изменения движения ЦМ подвижных звеньев и перемещаемых тел необходимо
приложение внешних для них сил; это могут быть и внутренние относительно тела человека силы и внешние.
В движениях на месте опора неизменна, стало быть, есть и опорные звенья, имеющие
связь с опорой. Опорные звенья обычно неподвижны относительно опоры (стопы при стоянии на
полу; кисти при захвате перекладины в висе). Другие звенья тела движутся относительно опорных
звеньев тела и опоры; это подвижные звенья. Они могут быть связаны с перемещаемыми телами
(например, гантелями, штангой).
Взаимодействие подвижных и опорных звеньев измеряется внутренними для человека силами. Действие на опорные звенья самой опоры — это внешняя для всего тела сил а. К внешним
же силам относится действие перемещаемых тел на подвижные звенья. Для каждого из звеньев
действие на него соседних звеньев, опоры или перемещаемых тел есть проявление внешних для
данного звена сил.
Здесь очень важно различать внешние для всего тела человека силы и внешние для каждого звена силы. ЦМ каждого объекта изменяет свое движение, если к этому объекту приложены
внешние относительно него силы. Эти силы — внутренние для системы тел объектов. Сами по
себе (без внешних сил) они не могут быть причиной изменения движения всей системы (ее ЦМ).
128
Таким образом, при движениях человека на месте возникает и изменяется движение
ОЦТ тела человека, как следствие приложения к звеньям тела неуравновешенных внешних
относительно звеньев сил.
1.3. Роль реактивных внешних сил
Реактивные внешние силы (нормальные опорные реакции, силы трения) при движениях на месте уравновешивают действие подвижных звеньев на опорные. Эти силы сами
изменяются соответственно ускорениям подвижных звеньев и перемещаемых тел.
Как уже известно, силу тяжести тела в покое уравновешивает реакция опоры. Опорные
звенья неподвижны: они уравновешены относительно опоры реактивными внешними силами —
нормальными реакциями опоры.
При движениях подвижных звеньев и перемещаемых тел возникают их ускорения, а следовательно, и силы инерции противоположного направления. Когда силы инерции направлены в
сторону опоры, они вызывают динамическую составляющую опорной реакции; последняя складывается со статической составляющей опорной реакции и общая опорная реакция больше статической. Когда силы инерции имеют направление от опоры, опорная
реакция уменьшается на величину сил инерции — общая опорная реакция меньше статической.
В случаях, когда ускорения подвижных звеньев направлены не по нормали (не перпендикулярно), а под острым углом к плоской поверхности опоры, возникают соответствующие силы
трения. Например, ускорение тела направлено вперед, тогда его сила инерции направлена назад,
а сила трения, приложенная к телу как противодействие силе инерции, направлена вперед. Перемещаемые тела, как и подвижные звенья, при своих ускорениях тоже вызывают изменения реактивных сил опоры.
Таким образом, движения на месте сопровождаются изменениями внешних реактивных сил вследствие действия на опору сил инерции ускоряемых звеньев.
1.4. Сохранение и изменение количества движения системы
Закон сохранения количества движения: в изолированной материальной системе1
количество движения остается неизменным.
Если F=0, то mv=const.
Первый вывод из этого закона подтверждает то, что уже известно из закона сохранения
движения ЦМС, а именно: без внешней силы не может быть изменения движения ЦМС. О том
же говорят 1-й и 2-й законы Ньютона.
Для нашего анализа здесь важен второй вывод: для изменения скорости системы
внешняя сила должна действовать в течение некоторого времени; скорость изменяется не
силой, а ее импульсом1.
Строго говоря, любая сила действует во времени; взаимодействия тел вне времени нет. И
любая сила приложена к телу, обладающему какой-то массой; тел, не имеющих массы, не существует. Так как все движения в суставах происходят вокруг оси, то рассматривать следует не количество движения, а момент количества движения (кинетический момент). Пока же для упрощения
ограничимся рассмотрением количества движения.
Чтобы обеспечить увеличение количества движения подвижных звеньев, нужно
иметь тело опоры достаточно большой массы; это позволит создать необходимый импульс силы.
1.5. Преодолевающие и уступающие движения
В преодолевающих движениях тяга мышц направлена в сторону движения звена, в
уступающих — в противоположную сторону.
Движения человека могут выполняться с преодолевающей (положительной) работой
мышц. Мышцы укорачиваются, преодолевая силы сопротивления, приложенные к звеньям
(например, жим штанги). Такие движения ранее называли активными, пассивными —движения,
выполняемые без сокращения мышц, например при помощи внешних для человека сил.
Нередко бывают пассивные движения, при которых мышцы никакой роли не играют (свободное падение человека, пассивное «падение» расслабленной руки). Но часто встречаются
«пассивные» движения, в которых человек напряжением мышц-антагонистов тормозит или останавливает движение, вызванное внешними для человека силами (опускание штанги на помост).
Тогда антагонисты совершают уступающую (отрицательную) работу, растягиваясь, как бы «уступают» движущим внешним силам.
Сумма всех внешних сил, приложенных к изолированной материальной системе, равна нулю.
Кстати сказать, сам Ньютон свой 2-й закон записал в виде m(v1—V0)=Ft. Распространенная запись этого закона: F==ma принадлежит работавшему в России математику Леонарду Эйлеру (1707—1783), члену Петербургской Академии Наук.
1
1
129
Движения последней группы нецелесообразно называть пассивными: мышцы, растягиваясь, совершают иногда огромную работу; их активность (в биологическом смысле) очень велика.
Не следует смешивать понятия «активные силы» в смысле механическом (способные вызвать
движение) и в смысле биологическом (тяги мышц).
Правильнее делить движения, в которых участвуют мышечные тяги, на преодолевающие
(с положительной работой мышц) и уступающие (с отрицательной работой мышц); и те и другие
— движения активные. Пассивными же движениями следует называть лишь движения без активного участия мышечных сил (свободное падение, полет по инерции и т. п.).
Таким образом, источниками движущих сил в преодолевающих движениях служат
только мышечные тяги. Тормозящие силы могут быть весьма разнообразными: при упражнениях
с отягощениями — их вес и силы инерции; при упражнениях с эспандером — силы упругой деформации; при упражнениях с сопротивлением партнера— вес и сила инерции его тела, его мышечные силы; при упражнениях без снарядов — вес и силы инерции собственных частей тела и даже
тяги своих мышц-антагонистов.
Источниками движущих сил в уступающих движениях могут быть любые силы, а
тормозящими служат преимущественно тяги мышц-антагонистов.
Деление на преодолевающие и уступающие движения условно. И в преодолевающем движении могут тормозить мышцы-антагонисты. И в уступающем движении в числе движущих сил могут оказаться и мышечные тяги. Очень часто движение, начавшееся как преодолевающее, заканчивается как уступающее; мышцы, разогнавшие звено, в определенный момент выключаются, а
мышцы-антагонисты, включившись, затормаживают движение, действуя против возникающих при
торможении сил инерции (движение свободной ноги в беге).
В медленных движениях ускорения невелики,— значит, и силы инерции малы. Поэтому
уступающая (тормозящая) работа в конце движения малозаметна. В быстрых же движениях ускорения при остановке звеньев большие, возникают значительные силы инерции. При этом мышцы,
растягиваясь, проявляют свои эластические свойства (упругость, вязкость и Др.). Силами упругой
деформации мышцы могут остановить движение и вызвать обратное движение, упругую «отдачу».
В быстрых возвратных движениях со сменой уступающего движения на преодолевающее силы
инерции и силы упругой деформации играют существенную роль (реверсивный режим).
1.6. Обеспечение равновесия
Движения на месте выполняются с неизменной опорой и сохранением равновесия,
подвижные звенья движутся так, что ОЦТ остается в пределах зоны сохранения положения,
в крайнем случае — зоны восстановления положения.
Как известно, сохранение положения представляет собой ряд непрерывных движений на
месте (микро- и макроколебания). При этих колебаниях, стараясь сохранить равновесие, уменьшают отклонения. В движениях на месте, выполняя основную двигательную задачу, необходимыми движениями подвижных звеньев обеспечивают сохранение равновесия, не изменяя опоры.
Различие в этих двух группах движений (кроме основной задачи действия) — в размахе движений;
сходство — в обеспечении равновесия.
В движениях на месте сохраняется положение опорных звеньев. Компенсаторные, амортизирующие и восстанавливающие движения широко используются в движениях на месте, особенно
тогда, когда возникает опасность нарушения равновесия.
Движения подвижных звеньев не выводят ОЦТ за пределы зоны равновесия, лишь в крайнем случае он выходит в зону восстановления положения.
2. ФАЗОВАЯ СТРУКТУРА ДВИЖЕНИЙ НА МЕСТЕ
В различных движениях на месте могут быть различные фазовый состав и структура системы движений. Тем не менее можно выделить типичные фазы и их взаимосвязь, которые встречаются как в движениях на месте, так и в других группах движений.
2.1. Фазы разгона и торможения
По характеру движений на месте различают фазы разгона и торможения; между ними иногда наблюдается фаза относительно равномерного движения. В зависимости от задачи движения делятся на подготовительную, основную и завершающую фазы.
При разгоне скорость рабочей точки растет; при торможении она уменьшается. Характер
ее изменения зависит от задачи движения, от формы траекторий точек звеньев, от многих конкретных условий.
При движении для достижения максимальной скорости разгон продолжается до решающего момента, отнесенного поближе к концу движения. При движении для достижения максимальной силы воздействия (силы, передаваемой рабочей точкой) граница разгона не обязательно совпадает с достижением максимума силы. При движении с целью достижения конечной точности движения разгон может продолжаться до самого достижения цели. При необходимости текущей точности движения (по его ходу) разгон может быстро смениться фазой равномерного
движения.
130
Даже неторопливое движение из состояния покоя начинается с подготовительных изменений в движущихся, а также и в опорных звеньях. Возникает опережающее напряжение антагонистов, которые своей тягой как бы «заряжают», готовят к активности мышцы-синергисты. Наблюдается иногда возвратное микродвижение типа замаха. В иных случаях эта подготовительная фаза
выражена очень отчетливо (например, при начале жима штанги из положения ее на груди).
После выполнения задания движение нередко не прекращается; звенья продолжают движение по инерции, но с торможением (например, после выпуска снаряда при метании). Кроме того,
бывает необходимо принять новое исходное положение для следующего движения, что выполняется движением или возвратного, или иногда совершенно иного характера. Это — завершающая фаза. Выполнение задачи всего движения происходит после подготовительной фазы и
перед завершающей, это — основная фаза.
2.2. Граничные позы и их роль
Граничные позы — мгновенные положения тела в момент смены фаз. Они служат
исходными положениями для последующих и конечными положениями для предыдущих
фаз.
Разделяя движение на фазы, устанавливают моменты, когда происходит изменение тех
или иных характеристик, например прекращается ускоренное движение подвижных звеньев, начинается их замедленное движение. Моменты сил мышц, до того вызывавшие положительное ускорение, с этого мгновения вызывают уже отрицательное ускорение. Разгон сменился торможением.
Мгновенное (промежуточное) положение характеризуется граничной позой. Эта поза служит границей между фазами разгона и торможения. Для первой она служит конечным положением, которого надо было достичь к концу фазы, для второй — исходным положением, от которого
во многом зависит успешность выполнения торможения.
В сложных спортивных действиях, в которых сменяются последовательные фазы, граничные позы служат показателями успешности хода выполнения движения.
Граничные позы поэтому часто служат своего рода пунктами технического контроля и самоконтроля спортсмена.
2.3. Передача скоростей в биокинематичесних цепях
В составных движениях биокинематических цепей скорости передаются от звена к
звену через места прикрепления мышц и рабочие точки звеньев. Последовательность
наращивания скорости зависит от геометрии движения и участия в них инерционных и
упругих сил, что определяется двигательной задачей.
Движения звеньев в суставах можно рассматривать приближенно как вращательные (пренебрегая изменением радиуса вращения). Поэтому следует различать угловую скорость звена
и линейную скорость его рабочей точки. В кинематических цепях рабочей точкой каждого
очередного звена служит точка контакта его со следующим звеном. В биокинематических цепях
тела такого рода рабочие точки лежат в суставах, соединяющих соседние части тела. Через рабочую точку предыдущего звена скорость передается последующему. Кроме того, естественно, на
скорость каждого звена влияют силы тяги мышц, прикрепляющихся к нему.
Последовательность наращивания скорости в биокинематических цепях определяется
двигательной задачей. При этом важно учитывать геометрию движений, поскольку скорости рабочих точек в заданных направлениях не пропорциональны угловым скоростям звеньев в суставах.
Так, по мере выпрямления двузвенной пары при одной и той же угловой скорости первого звена линейная скорость рабочей точки падает. Это значит, что для сохранения одной и той же
линейной скорости необходимо резкое увеличение угловой скорости.
На развитие и передачу скорости в цепях влияют инерционные и упругие силы, возникающие в биомеханической системе. Ускорения в фазе разгона сопровождаются появлением инерционных сил. Во время торможения также возникают инерционные силы, но уже противоположного
направления. Силы инерции проявляются как при разгоне, так и при торможении, оказывая влияние на напряжение мышц. Упругие силы, если они вызваны своевременно, способствуют и разгону, и торможению. В частности, при маховых движениях с ускорениями, направленными от опоры,
силы инерции увеличивают нагрузку на опорные звенья и связанные с ними мышцы (см. 58.4), чем
вызывают возникновение упругих сил.
Таким образом, наращивание и передача скоростей в биокинематических цепях
зависят в значительной мере от возникающих инерционных сил звеньев и упругих сил
мышц.
Наибольшая скорость рабочей точки цепи достигается при оптимальной последовательности разгона звеньев, при которой движение начинается с самых больших звеньев. Поскольку ускорение одних звеньев растягивает и напрягает мышцы других звеньев, создается множество возможных вариантов сочетаний одновременных и последовательных включений в работу мышечных
групп. В спортивных движениях устанавливаются оптимальные варианты последователь-
131
ности ускорений в системе звеньев, зависящие от геометрии движений и взаимного влияния
нарастания напряжения групп мышц.
3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ РАЗБОРА ДВИЖЕНИЙ
Последовательность разбора движений включает определение исходного и конечного положений, кинематических и динамических характеристик, фазового состава движений, условий
равновесия и движений и действующих мышц, а также оценку эффективности выполнения задачи.
3.1. Определение исходного и конечного положений
Прежде всего определяются исходное положение, из которого начинается движение, и конечное положение, на котором прекращается, завершается движение. От исходного положения
зависят возможности выполнения последующего движения: запас потенциальной энергии в поле
земного тяготения; возможный размах движений в суставах; готовность групп мышц к преодолевающей или уступающей работе; условия равновесия и сохранения положения опорных звеньев
тел а и др.
Определение положения тела требует определения позы, ориентации тела в пространстве, отношения тела к опоре.
3.2. Определение кинематических и динамических характеристик
Количественные характеристики, полученные посредством их регистрации и последующей
обработки, раскрывают изменения положения тела и его частей во времени и пространстве с учетом инерционных свойств и взаимодействия частей тела друг с другом и всего тела с внешними
телами. Количество характеристик всегда ограничено техническими условиями регистрации, поэтому следует заранее выбирать из возможных характеристик те, которые полнее раскрывают
особенности решения двигательной задачи.
3.3. Установление фазового состава
По характеристикам находят моменты существенного изменения движений. В эти моменты
отмечают характерные признаки смены фаз, уточняя этим границы фаз. Особенности граничных
поз, соответствующих границам между фазами, помогают яснее представить условия, в которых
начинается выполнение очередной фазы. На этом основании выявляют основную задачу фазы и
устанавливают ее наименование. Целесообразно выделение фаз как для движения систем звеньев, так и для всей системы движений тела в целом — в зависимости от сложности движений.
3.4. Условия равновесия и движения и определение действующих мышц
В движениях на месте опора сохраняется неизменно, поэтому условия равновесия представляют особый интерес. В любых движениях сбивающие силы могут нарушить равновесие на
месте или в передвижении. Следовательно, разбор условий равновесия необходим всегда.
К условиям движений звеньев и всего тела надо отнести соотношение движущих, тормозящих и направляющих сил; следует определить их источники, места приложения, направление
действия, совместные действия. Силы редко регистрируют или определяют непосредственно.
Определяя инерционные и кинематические характеристики, можно сделать приближенные расчеты или в крайнем случае дать общий анализ физической сущности возникающих взаимодействий.
Особенно нужно проследить за ролью внешних сил в качестве тормозящих и движущих, за использованием инерционных и упругих сил.
Завершающей частью биодинамического анализа служит определение участия мышц в
движении. Оно всегда выявляется косвенным путем — по электромиограммам, динамограммам,
кинематическим характеристикам. В результате можно составить довольно достоверную картину
активности и взаимодействия мышц.
3.5. Оценка эффективности выполнения задачи
На основании разработанных данных оценивается качество выполнения двигательной задачи и нередко вносятся уточнения и в саму задачу, и особенно в программу ее выполнения,
ВИДЫ ДВИЖЕНИЙ НА МЕСТЕ
Движения на месте различают по отношению тела к опоре (верхняя и нижняя опора), по
направлению движения (вверх или вниз) и по характеру движений (преодолевающие и уступающие). Возможны различные сочетания этих признаков, а также направление движения не только
по вертикали. Движения на месте как самостоятельные упражнения применяются не очень часто.
Но движения на месте как фазы сложных действий встречаются нередко.
4. ДВИЖЕНИЯ ПРИ ВЕРХНЕЙ ОПОРЕ
При верхней опоре возможны движения по способу притягивания к опоре (преодолевающие движения) и с отдалением от опоры (уступающие движения).
4.1. Механизм притягивания
Возбужденная мышца напрягается и, если может преодолеть сопротивление, сокращается,
сближая места прикрепления. Сближаются и два звена, соединенные мышцей. Притягивание —
способ совершения мышцами положительной работы.
При верхней опоре человек обычно имеет удерживающую связь с закрепленным физическим телом (подвес). Звенья, соединенные с подвесом (гимнастическим снарядом, уступом скалы
132
и т. п.),— опорные. При движениях на месте они чаще всего остаются неподвижными. Остальные звенья тела — подвижные, они перемещаются относительно опорных. Опорными звеньями
служат обычно кисти рук (при захвате пальцами); в спортивной гимнастике опорными звеньями
могут служить почти все части тела.
Движение по способу притягивания происходит благодаря увеличению напряжения
мышц, которые ускоряют своей тягой подвижные звенья, сближают их с опорными. Одновременно возникают силы инерции ускоряемых звеньев и динамическая составляющая опорной
реакции, которая противодействует тяге мышц, передаваемой через опорные звенья.
4.2. Уступающие движения при верхней опора
По действием внешних сил тело человека может совершать уступающие движения, отдаляясь от опоры.
При уступающем отдалении тела от верхней опоры уменьшается напряжение мышц.
Возникает избыток силы веса над силой тяги мышц. Направленное вниз ускорение подвижным
звеньям придает сила — разность между весом тела и силами тяги мышц вверх, Если бы весь вес
тела вызывал ускорение, то было бы свободное падение подвижных звеньев вниз.
Под действием ускоряющей силы подвижные звенья, опускаясь, растягивают мышцу. Работа, которую она совершает на пути своего действия, отрицательная, поскольку направлена в
сторону, противоположную движению. Положительную работу совершает избыток веса подвижных
звеньев над тягой мышцы, приложенной к рычагам.
Уступающее движение под действием веса как постоянной силы происходит вследствие уменьшения напряжения мышцы. Ускоряющей силой служит избыток веса над силой тяги
мышцы. При ускорении возникает сила инерции (направлена вверх) и уменьшается общая опорная реакция.
4.3. Подтягивание в висе и опускание
Рассмотрим в качестве примера движений при верхней опоре подтягивание в висе и опускание. Первая часть этого движения происходит по механизму притягивания к верхней опоре.
Необходимо установить, какие движения в суставах преодолевающие и работа каких мышц их вызывает. Коль скоро в исходном положении руки вытянуты вверх, то пояс верхних конечностей поднят вверх, лопатки отведены от позвоночника и повернуты нижними углами вперед. Ключицы с
лопатками при подтягивании будут опускаться тягой мышц: широчайших спины и больших грудных, приводить и поворачивать лопатки будут ромбовидные. В обоих движениях участвуют нижние
части трапециевидных мышц. Одновременно широчайшие спины и трехглавые плеча разгибают
плечи, а двуглавые плеча и другие сгибатели сгибают предплечья.
Опускание в положение виса выполняется при уступающей (отрицательной) работе тех же
самых мышц с перемещением подвижных звеньев в обратном направлении. При уступающей работе мышцы в состоянии развить большее напряжение, чем при преодолевающей. Поэтому уступающее движение при том же отягощении выполнить легче.
5.ДВИЖЕНИЯ ПРИ НИЖНЕЙ ОПОРЕ
При нижней опоре возможны отталкивание от опоры (преодолевающие движения) и приближение к опоре (уступающие движения).
5.1. Механизм отталкивания
При отдалении звеньев друг от друга силой тяги мышцы места ее прикрепления сближаются; приближение одного конца двуплечего рычага сопровождается отдалением другого его конца.
Отталкивание — способ совершения мышцами положительной работы.
Обычно связь опорных звеньев с нижней опорой бывает неудерживающая; стопу, например, прижимает к грунту только вес верхних звеньев тела.
Так же как и в механизме притягивания, опорная реакция как внешняя сила совершенно
необходима, но она не вызывает движения. Человек и при отталкивании, как и при притягивании,
самодвижущаяся система. Источник энергии движения внутренний. Тело человека— не твердое
тело, которое может перемещаться только под действием внешней силы; оно представляет собой
систему тел, каждое из которых изменяет положение под действием всех приложенных к нему сил.
Таким образом, при активных движениях человека не существует одной единственной силы, движущей все его звенья как систему тел.
Движение по способу отталкивания происходит благодаря увеличению напряжения мышц: они, сближая свои концы, отдаляют подвижные з в е н ь я от опорных.
Одновременно возникают силы инерции ускоряемых звеньев. В результате увеличивается опорная реакция, противодействующая весу подвижных звеньев и их силе инерции, передаваемым через рычаги на опорные звенья.
5.2. Уступающее приближение к опоре
Как и в случае уступающего отдаления от верхней опоры, при уступающем приближении к
нижней опоре мышцы совершают работу под действием верхних звеньев тела. Избыток веса над
133
действием тяги мышц служит ускоряющей силой, приближающей тело к опоре. Как и при каждом
ускорении, возникают силы инерции и изменяется опорная реакция.
5.3. Сгибание и выпрямление рук в упоре лежа
Рассмотрим в качестве примера движений при нижней опоре сгибание и выпрямление рук
в упоре лежа. Очевидно, что движение вниз ОЦТ тела при нижней неудерживающей опоре может
осуществляться под действием силы тяжести только подвижных частей тела. Голова, шея, туловище и ноги фиксированы во всех суставах напряжением мышц-антагонистов и движутся как вниз,
так и вверх как единое целое. Лопатки фиксированы относительно грудной клетки. Основные движения в суставах при сгибании рук — разгибание в плечевых и сгибание в локтевых и лучезапястных — протекают при уступающей работе мышц-антагонистов.
Выпрямление рук в упоре лежа, естественно, представляет собою преодолевающее движение, протекающее с сокращением мышц, ранее выполнивших уступающую работу. Теперь они
совершают положительную преодолевающую работу. Вследствие малой скорости движения (около 0,5 м/сек) и относительно большой длительности (около 2 сек.) ускорения, а значит, и силы
инерции будут невелики.
Тема 15. ДВИЖЕНИЯ ВОКРУГ ОСИ И ПЕРЕМЕЩАЮЩИЕ ДВИЖЕНИЯ
1. Условия вращательного движения 2. Способы управления движениями биомеханической системы вокруг осей 3. Управление вращением тела 4.Механизмы скоростных движений
5.Виды перемещающих действий
Движения вокруг оси широко представлены в физических упражнениях (вращательные
упражнения в гимнастике, акробатике и др.). В движениях тела человека в пространстве всегда
имеются оси вращения, вокруг которых движутся звенья тела. При переменном радиусе вращения
— это сложное движение, которое рассматривают как вращательное вокруг оси и поступательное
вдоль радиуса вращения.
1. УСЛОВИЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ
Поскольку в состав движений вокруг оси всегда входит вращательное движение, необходимо рассмотреть сначала его закономерности для твердого тела и биомеханической системы.
1.1. Источник центростремительного ускорения
Удерживающее тело, действуя на вращающееся, искривляет траектории его точек по
направлению к центру. Действие удерживающего тела измеряется центростремительной
силой, вызывающей центростремительное ускорение.
При криволинейном движении направление вектора линейной скорости точки тела непрерывно изменяется. Происходит поворот вектора скорости в сторону центра вращения. Вектор скорости изменяется по направлению — налицо нормальное (центростремительное) ускорение.
Причина этого ускорения — поворачивающая центростремительная сил а. По 3-му закону Ньютона, сила есть мера взаимодействия двух тел: одно тело — вращающееся, другое тело — удерживающее. Действие последнего служит источником центростремительных ускорений. Действие
удерживающего тела — причина искривления траекторий точек вращающегося тела.
1.2. Оси вращения
Ось вращения может быть закрепленной, связанной с удерживающим телом, и свободной, когда нет внешнего удерживающего тела (в свободном полете).
Ось вращения нередко представляет собой внешнее для человека материальное тело, закрепленное неподвижно. Гимнаст, например, держится за гриф перекладины непосредственно,
имеет с ним прямой контакт. Линия, проходящая через точки подвеса гимнастических колец, также
является закрепленной внешней осью; гимнаст с нею связан уже не непосредственно, а через тросы колец. Но в обоих случаях это закрепленные внешние оси.
При вращении звеньев тела человека в суставах ось вращения всегда проходит внутри тела. Одно звено связано с другим суставно-связочным аппаратом и мышцами, переходящими через
сустав. Здесь имеются закрепленные внутренние оси.
При вращении всего тела спортсмена в свободном полете ось вращения проходит через
ОЦТ тела, но ни с каким внешним телом не связана. Она движется с ОЦТ по любой его траектории. Ось вращения тела человека, не имеющего опоры, свободная.
Вращательное движение твердого тела с кинематической стороны характеризуется расположением оси вращения. От расстояния каждой точки тела до оси вращения (радиус вращения)
зависят их линейные скорости и ускорения; они прямо пропорциональны радиусу вращения (v=wr;
a=r).
Закрепленные оси вращения (внешние и внутренние) характеризуют вращательное движение твердого тела также и с динамической стороны. Они связаны с удерживающим телом, которое
вызывает искривление траектории точек, изменяет направление их скоростей.
1.3. Взаимодействие вращающегося и удерживающего тел
134
Центростремительная сила — это мера действия удерживающего тела на вращающееся. Она вызывает искривление траектории в зависимости от массы, скорости и радиуса
вращения. Центробежная сила (инерции) — противодействие вращающегося тела искривлению его траектории — приложена к удерживающему телу. Обе силы приложены к разным
телам, и поэтому не уравновешивают одна другую.
Удерживающее тело действует на вращающееся центростремительной силой, которая
направлена перпендикулярно движению ОЦТ в сторону вогнутости траектории (центра кривизны).
Центростремительная сила есть мера действия удерживающего тела на вращающееся; она приложена к вращающемуся телу в месте связи с удерживающим телом. Вращающееся тело получает центростремительное ускорение, вызванное действием центростремительной силы.
В свою очередь, вращающееся тело оказывает неуравновешенное сопротивление своей
силой инерции, направленной прямо противоположно центростремительной силе и приложенной к
удерживающему телу. Это — центробежная сила --сила инерции вращающегося тела.
Центробежная сила всего тела равна сумме центробежных сил всех его частиц. Центростремительная сила больше, если у вращающегося тела масса больше, поворот круче и особенно
если велика скорость вращения (квадратичная зависимость).
В теле человека при вращательном движении каждое звено, расположенное ближе коси
вращения, для соседнего звена, расположенного дальше от оси вращения, играет роль удерживающего тела.
При вращении в свободном полете нет внешнего удерживающего тела, нет и внешней центростремительной силы. Все внутренние силы в теле взаимно уравновешиваются и не оказывают
влияния на траекторию ОЦТ. Но они удерживают частицы тела около оси вращения. Центробежные силы частиц одной половины тела служат центростремительными силами для частиц другой
половины, расположенной по другую сторону от оси.
В биомеханической системе при вращении действуют многочисленные центростремительные и центробежные силы частей тела, его органов и тканей (в том числе и жидких). В
результате возникают деформации и напряжение. Когда центростремительные ускорения больше,
увеличиваются напряжения тканей, передающих нагрузки (мышцы, суставно-связочный аппарат),
и деформации.
При увеличении Fцс части тела приближаются к ОЦТ, уменьшается радиус вращения (группирование). При уменьшении Fцс движение происходит в обратном направлении (разгруппирован
и е). Здесь к вращательному движению каждого звена тела присоединяется поступательное —
вдоль радиуса: приближение частей тела к оси и отдаление от нее, т. е. укорочение и удлинение
радиуса вращения. Изменение радиуса вращения превращает вращательное (простое) движение
в составное движение вокруг оси.
Такое движение вокруг оси с изменением радиуса вращения, по сути дела, встречается не
только в полете, но и почти во всех движениях человека. Кинематические цепи конечностей укорачиваются и удлиняются (сгибаясь и разгибаясь). Да и в каждом суставе, строго говоря, нет постоянной геометрической оси вращения, так как форма суставных поверхностей не бывает геометрически правильной. А при больших нагрузках гиалиновые суставные хрящи еще вдобавок деформируются. Поэтому даже в каждом суставе движение не чисто вращательное; траектории точек
звена имеют переменную кривизну.
Во многих случаях изменениями радиуса вращения, как очень малыми, можно. пренебречь. Но вместе с тем в большей части движений изменения радиуса вращения велики и играют
существенную роль. Здесь уже нельзя ими пренебрегать и сводить сложное движение вокруг оси к
простому вращательному. Наоборот, необходимо выявить, как с изменением радиуса изменяется
движение вокруг оси.
Следовательно, в теле человека центростремительные силы, направленные к его оси вращения, могут, изменяя позу, уменьшать радиус вращения (группирование), тогда простое движение (вращательное) превращается в сложное (одновременно вокруг оси и вдоль радиуса),
2. Способы управления движениями биомеханической системы вокруг осей
Способы управления движениями всей биомеханической системы вокруг осей в целом и для ее частей делятся на две группы: а) с изменением кинетического момента системы и б) с сохранением кинетического момента системы.
Для изменения кинетического момента системы необходимо приложение внешней
силы. Используют следующие возможности: 1) приложение к системе момента внешней силы —
внешний толчок без изменения позы, для чего необходим источник внешней силы — внешнее физическое тело (сила тяжести, действие среды, сила другого человека и др.); 2) изменение действия
внешней силы путем активного изменения позы (например, изменения момента силы тяжести и
момента инерции системы, достигаемые приближением тела к оси или отдалением от нее); 3) активное действие спортсмена (отталкивание или притягивание), создающее момент внешней
силы (например, отталкивание при сальто, перевороте). В первом способе не требуется мышечной
135
активности, вызывающей движение, спортсмену нужно только сохранить позу. Во втором способе
именно мышечная активность спортсмена позволяет изменить и использовать механические
условия движения вокруг оси. В третьем способе спортсмен сам создает необходимый момент
внешней силы. Во всех случаях приложены к системе и изменяют ее движение внешние силы. Все
эти способы применимы при опоре, а первый и в полете как в случае предварительного вращения,
так и без него.
Для изменения движения биомеханической системы вокруг оси по принципу сохранения
кинетического момента существуют способы управления: а) с изменением момента инерции
всей системы и б) с созданием встречных движений частей системы.
В случае предварительного вращения, то есть когда кинетический момент системы не равен пулю, изменение момента инерции достигается изменением радиуса инерции. Широко известный прием — группирование — уменьшает момент инерции и увеличивает угловую скорость,
разгруппирование производит прямо противоположный эффект. При отсутствии опоры движения
группирования и разгруппирования всегда представляют собой встречные движения.
Способы, основанные на создании встречных движений частей системы, не требуют
исходного кинетического момента. Их можно разделить на две группы. Во-первых, встречное
простое вращение вокруг одной оси посредством скручивания тела и его раскручивания
вокруг продольной оси. Естественно, что эти движения имеют анатомически ограниченный размах. Во-вторых, встречные сложные вращения вокруг нескольких осей, создаваемые круговыми движениями — кружениями конечностей и изгибаниями туловища (например, при выполнении поворотов в прыжках в воду.
Скручивания и раскручивания могут выполняться и при опоре и без нее (в полете). Одни
части тела поворачиваются в одну сторону, другие в это же время в противоположную. Ориентация в пространстве каждой из поворачивающихся частей изменяется, но общая ориентация всей
системы в целом обычно сохраняется.
Кружение конечностей и изгибания туловища могут выполняться и порознь и совместно. В
обоих случаях при достаточно интенсивном и длительном движении частей тела возможны существенные изменения ориентации всей системы (до 360°, 720° и более).
Угловое ускорение звена или всей системы зависит от соотношения приложенного к объекту момента внешней относительно него силы и его момента инерции относительно оси вращения.
Значит, в создании углового ускорения могут быть использованы изменения момента внешней силы, момента инерции и того и другого одновременно.
Совершенно очевидно, что все способы изменения движения системы вокруг оси, вызываемые изменением позы тела, обусловлены работой внутренних сил системы, мышечными силами
человека. Во всех случаях перемещения частей системы по радиусу относительно оси вращения
изменяется момент инерции. Но сводить все эти способы только к влиянию изменения момента
инерции не следует.
Дело в том, что с изменением конфигурации тела его момент инерции, радиус центра
тяжести и приведенная длина маятника изменяются не одинаково (рис. 63). Поэтому в зависимости от характерных особенностей выполняемого упражнения изменение скорости вращения в движениях вокруг оси целесообразно делать выбранным способом в соответствующем месте траектории, т. е. в момент, наиболее пригодный для выполнения этой задачи данным способом. А для
этого надо изучать в конкретных упражнениях условия, при которых более выгоден тот или иной
способ влияния на вращение.
Таким образом, способы управления движениями биомеханической системы вокруг оси
можно свести к следующим.
С изменением кинетического момента системы:
1) приложением внешней силы (импульса момента) ускорение или замедление вращения
всего тела при сохранении позы;
2) изменением условий действия внешней силы (приближение к закрепленной оси и отдаление от нее) ускорение или замедление вращения всего тела;
3) активным созданием момента внешней силы (отталкивание от опоры или притягивание к
ней) ускорение или замедление вращения всего тела.
С сохранением кинетического момента системы:
4) группированием и разгруппированием (приближение к свободной оси и отдаление от
нее) ускорение и замедление вращения всего тела;
5) скручиванием и раскручиванием тела вокруг продольной оси (одновременный встречный поворот) изменение ориентации частей тела в пространстве;
6) круговыми движениями конечностей и изгибаниями туловища создание сложного вращения всего тела.
В конкретных задачах и условиях их выполнения часто применяются сочетания разных
способов изменения вращения биомеханической системы.
136
3. Управление вращением тела
Вращательные упражнения различают прежде всего по отношению тела к опоре. От связи
с опорой зависит, имеются ли обусловленные ею внешние силы, изменяющие вращение, закреплена ли ось вращения. Поэтому данную группу упражнений делят на упражнения при опоре и без
опоры (в полете). При анализе этих упражнений очень важно учитывать законы движений вокруг
оси, относящиеся к сочетанию вращательного движения (вокруг оси вращения) с поступательным
(вдоль радиуса вращения). Вращательные упражнения широко распространены в спортивной технике. Элементы их встречаются почти в каждом спортивном упражнении, коль скоро движения
звеньев выполняются вокруг оси суставов.
Повороты. Сложность поворотов далеко не всегда определяется их величиной, хотя при
прочих равных условиях такая зависимость проявляется очень четко. Сложность может быть координационного плана, она может заключаться в сохранении устойчивости тела, в ограниченности
времени выполнения, в большом силовом запросе.
Сложности координационного плана появляются тогда, когда нет хорошей опоры для развития необходимого вращающего момента либо когда поворот приходится выполнять на фоне
другого частного действия, достаточно сложного или трудносочетаемого с поворотом. Примеры:
поворот в стойке на одной ноге или тем более на одной руке; повороты при ведении мяча на бегу
(баскетбол); поворот во время кувырка или сальто. Во всех этих случаях нужен, конечно, специфический навык, но в то же время во втором и в третьем случаях требуется и неспецифическое умение распределять внимание между двумя различными действиями.
Очень часто выполнить сам по себе поворот несложно, по трудно сохранить устойчивость
тела во время поворота и после него. Таковы повороты в сложных равновесиях (на руках, на одной ноге, на ограниченной опоре), в быстром движении, в прыжке, заканчивающемся статическим
положением, особенно сложным равновесием. Выполняя такого рода поворот, следует очень
«жестко» держать тело и точно рассчитывать величину и особенно направление вращающих моментов, обязательно имея в виду конечное положение. Следует помнить, что быстрые повороты
на большой угол могут вызвать сильное раздражение вестибулярного аппарата, приводящее к
определенному непроизвольному перераспределению мышечного тонуса и потому к затруднениям
в сохранении устойчивости. Если при поворотах без перемены места опоры трудность состоит в
сохранении положения ц. т. тела неизменным (или по крайней мере в небольшой области допустимых перемещений), то при поворотах, связанных с переменой места опоры, — в умении переместить ц. т. тела точно в заданную область (выбранную с учетом количества движения и кинетического момента тела).
Иной раз требуется совершить поворот на большой угол за очень короткое время. Чтобы
успеть это сделать, надо начинать поворот как можно раньше: необходимые мышечные напряжения и опорные взаимодействия в таких случаях нужно развивать еще до того, как станет заметным
сам поворот. Ведь необходимо время на напряжение мышц, на «микродвижения», связанные с
деформациями опорных, да и других звеньев биомеханической цепи, на малозаметные «скручивания» таза или пояса верхних конечностей, как бы предшествующие основной части поворота, на
«закручивающие» движения руками или ногой (ногами).
Когда основным препятствием для выполнения поворота является его большой силовой
запрос (в борьбе, в некоторых элементах спортивной гимнастики), следует, во-первых, увеличить
плечо вращающей силы (конечно, в разумных пределах): это позволит развить нужный момент,
снизив мышечные усилия; во-вторых, уменьшить момент инерции поворачиваемого тела (или системы тел).
Угловой скоростью тела можно управлять путем изменения его момента инерции относительно оси вращения:
Выполнение безопорных поворотов без переворачивания (в прыжке, в соскоке) может быть
основано на трех различных механизмах. Первый — «закручивание» (сообщение вращательного
импульса) от опоры, как при опорном повороте. Второй (поворот туловища на угол менее 180°) —
широкое разведение ног и рук, момент инерции которых относительно продольной оси тела в этом
случае много больше, чем у туловища: поворот туловища влечет за собой лишь небольшой, противоположно направленный поворот ног и рук. Поворот же конечностей вокруг их про- _ дольных
осей противоположно направлен и потому частично взаимно компенсируется. Третий механизм—
последовательное круговое сгибание тела: так называемые конусообразные движения ногами и
туловищем в одном направлении, позволяющие в соответствии с законом сохранения кинетического момента повернуть ноги и туловище вокруг их продольных осей в противоположную сторону.
Так удается совершить поворот на угол до 360°, если времени для этого достаточно.
Повороты с одновременным переворачиванием осуществляются как с использованием
первого и третьего из названных механизмов, так и (в большей степени) механизма, впервые описанного В. Т. Назаровым, а затем Н. Г. Сучилиным. В этом случае для сообщения телу вращения
137
вокруг продольной оси нужно вывести ее из плоскости переворачивания тела, что достигается
специальными движениями руками или отталкиванием от опоры.
Переворачивания. Переворачивания делятся на опорные (без потери контакта с опорой:
перекаты, кувырки, перевороты, переворачивания с полной поддержкой партнера), безопорные
(основная часть их совершается в безопорном состоянии: сальто, опорные прыжки с переворачиванием, соскоки с переворачиванием), опорно-безопорные (основная часть их совершается в
опорном состоянии, но имеются и безопорные фазы: перевороты с фазой полета, переворачивания с частичной поддержкой партнером, соскоки с опорным — в основном — переворачиванием).
При выполнении опорно-безопорных переворачиваний решающую роль играют опорные
периоды, во время которых спортсмен сообщает телу нужные количество движения и кинетический момент. Как правило, в такого рода переворачиваниях надо стараться большую часть вращения тела произвести в безопорном периоде, в то же время максимально используя энергообеспечивающие возможности опорного периода. Но бывают и исключения: например, при выполнении
фляка желательно свести до минимума безопорные периоды, особенно первый.
Трудность опорно-безопорных переворачиваний иногда состоит в необходимости обеспечить накопление телом энергии для выполнения безопорной части (например, в опорных прыжках
переворотом); иногда — в сложных условиях опорной части (например, фляк с поворотом в вольных упражнениях или фляк в сед ноги врозь на бревне), а иногда—в точном завершении (на
бревне, например).
В опорной части опорно-безопорного переворачивания часто выгодны маховые движения
и большой момент инерции тела относительно центральной оси: так удается накопить больший
кинетический момент. В безопорном же периоде легче совершить поворот тела вокруг поперечной
оси в том случае, если уменьшить момент инерции тела. Это достигается сгибанием или группировкой тела. Следует помнить, что кинетический момент тела в безопорном периоде предопределяется главным кинетическим моментом1 этого тела при завершении предшествовавшего опорного периода, а не кинетическим моментом относительно оси вращения. Движение же ц. т. тела
определяет его траекторию в безопорном периоде.
Выполняя переворачивание, спортсмен вынужден согласовывать между собой четыре параметра: приобретенный телом перед отрывом от опоры кинетический момент, время от момента
прекращения контакта с опорой до приземления (входа в воду), главный момент инерции тела и
необходимый угол поворота тела. Из них последний жестко задан, второй только в некоторой мере
зависит от высоты взлета тела (лишь в прыжках на батуте и в акробатических прыжках время полета определяется высотой взлета). В основном спортсмен управляет первым и третьим параметрами, варьируя их с учетом второго и четвертого как заданных.
При выполнении многократных переворачиваний и переворачиваний с поворотом на
большой угол очень трудно обеспечить нужное положение тела в момент приземления или входа
в воду (приход на любую опору для простоты можно также называть приземлением). Чтобы справиться с этой трудностью, необходимо научиться очень точно определять момент приземления
или входа в воду по общему времени полета, а также зрительно контролировать ориентацию в
пространстве и положение своего тела в безопорном периоде.
Действия в длительном полете. Представляется целесообразным под «длительным полетом» подразумевать (весьма условно) безопорное состояние длительностью более 0,5 с, когда
уже имеется реальная возможность обнаруживать недостатки в ходе выполнения упражнения и
вносить необходимые коррективы. Из этой группы действий следует исключить (также условно)
действия, основу которых составляют переворачивания. Действия в длительном полете могут
быть направлены на решение двигательных задач нескольких типов.
Удержание заданной позы. Для решения этой задачи спортсмен должен контролировать
свою позу зрительно, а главным образом с помощью проприорецептивной чувствительности. Во
время сложных вращений, приземлений и значительных изменений взаимодействия с опорой
удержать заданную позу зачастую не удается даже высококвалифицированным спортсменам.
Наиболее типичные ошибки: неверное положение ног (разведены, согнуты, перекрещены); неверное положение головы; несколько согнутое (вместо прямого) положение тела. Общий характер и
детали позы обычно диктуются эстетическими соображениями.
Управление вращательным движением тела. Здесь имеется в виду как управление
небольшими поворотами и переворачиваниями, так и предотвращение поворота или переворачивания тела: борьба с поворотом может осуществляться с помощью «конусообразных» движений
(см. II. 3. 4) в сторону поворота, а также за счет увеличения момента инерции тела относительно
его продольной оси; противодействие, переворачиванию достигается круговыми движениями руками (в сторону опрокидывания) в боковых плоскостях или «беговыми» движениями ногами (так
называемые «ножницы» или «бег по воздуху» в прыжках в длину). Механическая сущность «бего1
Главным кинетическим моментом тела называют его кинетический момент относительно центральной оси.
138
вых» движений ногами состоит в том, что мах назад выполняется прямой ногой, а мах вперед—
согнутой, момент инерции которой раза в три меньше. В результате у туловища «отбирается» та
или иная часть кинетического момента (согласно закону сохранения кинетического момента), т. е.
осуществляется противодействие его опрокидыванию вперед.
Подготовка к приземлению, входу в воду, переходу в вис. Эта задача решается изменением позы, что и само по себе не так уж просто, когда требуется точность действий. Но нередко
подготовка к приземлению или входу в воду связана со значительным изменением момента инерции тела при быстром его вращении, и нужно точно рассчитать, когда это сделать. Наконец, при
приземлении необходимо резко перестроить систему напряжений мышц почти всего тела, что требует времени (десятые доли секунды). Значит, начинать эту перестройку необходимо еще в полете, предвосхищая ситуацию приземления.
Вращения тела вокруг несвободной оси. Они характерны для гимнастических упражнений
на снарядах. Особенность этих действий в том, что движение тела происходит вокруг неподвижной или подвижной и управляемой опорной оси. Они весьма многообразны, и здесь можно коснуться только некоторых общих особенностей управления ими.
В упражнениях в висе увеличение маха достигается однонаправленным посылом ног или
всего тела после прохождения нижней вертикали. Такое же движение до прохождения нижней
вертикали или обратно направленное после нее приводит к уменьшению маха. Уменьшение момента силы тяжести относительно оси вращения при движении тела снизу вверх— к его увеличению. Уменьшение момента инерции тела относительно оси вращения увеличивает его угловую
скорость в обратной пропорции. Следовательно, приращение скорости (положительное или отрицательное) будет тем больше, чем больше скорость движения тела во время уменьшения или соответственно увеличения момента инерции.
Сжимание пальцами грифа перекладины или жерди брусьев разной высоты может существенно уменьшить мах. При движении махом назад хватом сверху или махом вперед хватом снизу не следует сжимать гриф или жердь пальцами: это ведет к «отставанию» кисти, а в конечном
счете — к ее раскрыванию и опасному ослаблению хвата. Нужно стараться повернуть всю кисть по
ходу движения, как бы стремясь сделать хват более глубоким.
Известная часть энергии при рассматриваемых частных действиях тратится на трение, на
различного рода деформации тканей тела, на ошибочные движения и др. Чтобы выполнить полный оборот, а тем более накопить избыточную энергию, необходимо с затратой мышечных сил
увеличивать ее специальными движениями, прежде всего направленными на преодоление инерционных сил и силы тяжести. Если нужно сообщить телу скорость, направленную вверх, следует
активными воздействиями на снаряд обеспечить телу вращательный импульс, направленный противоположно имеющемуся вращению. Поэтому подлег тела обычно сопряжен с уменьшением скорости его вращения, а нередко и с переменой направления вращения на обратное. Пример такого
рода действий — соскок лётом через перекладину.
Обороты в упоре в биомеханическом плане намного сложнее: движение основных масс тела происходит вокруг подвижной оси, которая чаще всего перемещается по окружности или близкой к ней кривой вокруг параллельной ей фиксированной оси. Таким образом, нужно управлять
одновременно вращательными движениями тела вокруг общей оси плечевых суставов и перемещениями плечевой оси (в упражнениях на перекладине, брусьях, кольцах, бревне, вольных упражнениях). В маховых упражнениях на коне (типа скрещений) тело вращается вокруг переднезадней
оси, которая сама все время перемещается во фронтальной плоскости.
В кругах двумя ногами тело вращается как вокруг переднезадней, так и вокруг поперечной
осей, которые, в свою очередь, перемещаются одновременно в боковом и переднезаднем направлениях. В конечном счете ц. т. тела как в маховых, так и в круговых элементах, выполняемых без
перемены места опоры, перемещается главным образом вверх-вниз, а вперед-назад и в стороны
— крайне незначительно. Так что в маховых упражнениях вращение тела можно считать происходящим вокруг его переднезадней центральной оси, смещающейся лишь в вертикальном направлении, в круговых—одновременно вокруг двух центральных осей: поперечной и переднезадней
(происходит движение тела по двум конусным поверхностям с общей вершиной вблизи ц. т. тела:
верхнюю поверхность описывает туловище, нижнюю—ноги).
Управление (в энергетическом плане) при маховых упражнениях на коне осуществляется
отталкиванием одноименной маху рукой вверх, коррекцией положения плеч с целью избежать
значительного перемещения ц. т. тела в горизонтальном направлении, боковыми сгибаниями тела,
повышающими эффективность отталкивания руками. При круговых же упражнениях (в установившемся режиме) управление осуществляется некоторым «подкручиванием» во время двойной опоры (для компенсации рассеяния энергии), незначительным отталкиванием руками перед очередным перемахом (тело несколько сгибается в одноименную сторону), коррекцией положения плеч с
целью стабилизации положения ц. т. тела.
139
В упражнениях с переменой места опоры спортсмен посылает ц. т. тела в сторону новой
опоры, с учетом, однако, последующего ее изменения, если оно должно быть.
Упражнения на брусьях разной высоты часто связаны с перелетами или переходами с
жерди на жердь. При этом необходимо так рассчитать поступательное и вращательное движение
тела в фазе полета, чтобы прийти в упор или вис на другой жерди в требуемой позе и с нужной
ориентацией тела в пространстве. Энергия сообщается телу либо движениями в плечевых суставах, поддерживаемыми (в качестве маховых) движениями в тазобедренных суставах, либо резким
разгибанием при опоре о жердь животом или бедрами.
В упражнениях на брусьях разной высоты встречаются обороты (полные, неполные) —
действия без хвата руками — опорой бедрами. Это могут быть целые элементы либо (чаще) отдельные их фазы.
4.ПЕРЕМЕЩАЮЩИЕ ДВИЖЕНИЯ
Перемещающие движения служат для перемещения внешнего физического тела (снаряд,
противник, партнер) с требуемой (нередко максимальной) скоростью в необходимом направлении.
Перемещающие движения (как и локомоторные) могут представлять собой самостоятельные упражнения (например, легкоатлетические метания). Перемещающие движения составляют
основу большинства действий в спортивных играх (перемещения мяча), видах борьбы (броски
противника), они имеют место в акробатике (групповые упражнения) и других видах спорта.
В связи с различным характером, весом и формой перемещаемых объектов (снарядов,
спортсменов) и с задачами, обусловленными правилами соревнований и тактикой, различна и
внешняя форма перемещающих движений.
По способу выполнения их можно разделить на движения: а) с разгоном перемещаемых
объектов и б) с ударным взаимодействием. В обоих способах с точки зрения биомеханики необходимо придать заданную (или максимальную) скорость перемещаемому объекту в необходимом
направлении.
4.МЕХАНИЗМЫ СКОРОСТНЫХ ДВИЖЕНИЙ
4.1. Суммирование движений и скоростей
Необходимой скорости рабочей точки биокинематической цепи достигают посредством приложения согласованных усилий на пути ускорения перемещаемого тела.
Перемещающие движения, как правило, выполняются посредством составных движений
многих звеньев биокинематических цепей. Даже замаскированные из тактических соображений
скрытые кистевые передачи (в хоккее, баскетболе) выполняются с участием хотя и укороченных,
но все же биокинематических цепей.
При суммировании движений звеньев в составном движении решаются сложные задачи. Во-первых, нужно получить заданную траекторию рабочей точки при одновременных
и последовательных движениях во многих суставах из множества дуг, описываемых звеньями при суставных движениях, при участии сотен мышц. Во-вторых, создать оптимальные условия (мгновенные позы, направления движений) для приложения ускоряющих
усилий в рабочей точке. Обе эти задачи подчинены третьей — получить к концу траектории
рабочей точки заданную (или максимальную) по модулю и определенным образом направленную скорость.
Сложение скоростей происходит по правилам сложения вращательных движений. Однонаправленные движения увеличивают скорость конечного звена цепи; при разнонаправленных движениях (возвратных) скорость конечного звена снижается. Также снижают скорость и паузы в движениях звеньев биокинематической цепи (временные фиксации).
Начальная скорость (вылета) перемещаемого тела не всегда должна быть максимальной.
Наибольшая по модулю скорость нужна в основном для решения задачи наибольшей дальности
перемещения (например, метания). Иногда она необходима из тактических соображений (броски в
борьбе).
Направление начальной скорости в ряде упражнений имеет решающее значение (точность
попадания в цель мячом в спортивных играх). В других случаях одинаковая точность необходима
не во всех направлениях. Например, от изменения угла вылета молота в вертикальной плоскости
зависит дальность броска, а направление вылета молота в горизонтальной плоскости ограничено
довольно широкими пределами сектора метания (45'). Наконец, бывает необходимо уточнить не
только угол вылета ОЦТ снаряда, но и наклон его плоскости в пространстве («угол атаки» диска).
Сообщение наибольшей начальной скорости и обеспечение точности сложно связаны одно
с другим. После известных пределов дальнейшее увеличение скорости может снижать точность
движений.
4.2. Последовательность ускоряющих движений
Последовательность движений звеньев при перемещении внешних тел зависит от
двигательной задачи; при быстрых перемещениях различают предварительный разгон
снаряда и финальный разгон.
140
Перемещающие движения бывают локальные, местные, когда они выполняются движениями ограниченного числа звеньев. Локальные движения используются либо когда не нужна большая ускоряющая сила, либо в отдельных задачах (игры) для маскировки двигательного действия.
В последнем случае, когда участвует мало мышц и невелик путь ускорения, бывают нужны значительные усилия для получения достаточного ускорения.
При достижении максимально возможной начальной скорости вылета перемещаемого снаряда в системе движений проявляется тонкая согласованность. В наращивание скорости включается большое количество (обычно почти все) звеньев тела. В глобальных (общих) перемещающих
движениях вначале крупные и медленные группы мышц развивают значительные усилия, приложенные к более инертным звеньям; далее включаются в работу быстрые, но менее сильные мышцы, успевающие придать ускорение менее инертным звеньям, уже обладавшим большой скоростью.
В быстрых перемещающих движениях можно различить предварительный разгон
снаряда и финальный разгон.
В течение предварительного подготавливаются условия для финального разгона: а) наращивается скорость снаряда; б) спортсмен принимает исходную позу для финального разгона и в)
мышцы приводятся в состояние готовности для финального разгона.
В течение финального разгона спортсмен из удобной исходной позы за короткое время на
ограниченном пути ускорения создает значительные напряжения и прилагает завершающие усилия для повышения скорости снаряда к моменту вылета.
4.3. Баллистическая работа мышц
Баллистическая работа мышц в финальном разгоне обеспечивается их предварительным растягиванием. Для нее характерны большие усилия, быстро спадающие по мере
увеличения скорости ускоряемого тела.
Среди видов преодолевающей работы особое место занимает баллистическая, отличающаяся как бы взрывным характером нарастания напряжения. Усилия мышц в кратчайшее время
нарастают до своего максимума. Как правило, такого напряжения достигают, предварительно растягивая мышцу. Напряжение, возникающее при упругой деформации, тормозит растягивание
мышцы. Далее это же напряжение вызывает движение звена, происходит сокращение мышцы. Когда мышца значительно растянута, даже небольшое дополнительное увеличение длины вследствие высоконелинейной упругости приводит к тому, что напряжение мышцы резко нарастает.
Большое напряжение мышц вызывает соответствующее ускорение звеньев. Исходная поза
для начала финального разгона как раз и позволяет развить наибольшее напряжение мышц и
обеспечить последующее ускорение тела на пути разгона. При этом чем больше путь приложения
максимально достижимой ускоряющей силы, тем лучше.
Однако быстрые изменения длины мышц, углов между звеньями и углов тяги мышц приводят к двум последствиям: а) напряжение мышц может снизиться и б) быстрота сокращения
мышц «отстает» от нарастающей быстроты движения ускоряемого тела. При сообщении телу
ускорения рабочее движение неизбежно медленнее максимально быстрого движения холостого
хода — одинакового по траектории, но без полезного сопротивления1. В легкоатлетических метаниях осуществляется длительное воздействие на снаряд благодаря последовательности включения движений в суставах и согласованному напряжению групп мышц.
4.4. Наращивание начальной скорости
Угол вылета снаряда для максимальной дальности полета меньше 45° из-за угла местности и влияния аэродинамических сил.
Необходимо не только сообщить перемещаемому объекту скорость, но и придать ему
направление движения, определяемое задачей двигательного действия, в частности задачей
обеспечения максимальной дальности полета.
Дальность полета (s) снаряда, брошенного под углом к горизонту, определяется (без учета
сопротивления воздуха) модулем начальной скорости (Vо) и углом вылета (), она равна:
s=v02 sin2  /g=2vxvy/g
где у —ускорение свободного падения тела; Vx и Vy—соответственно горизонтальная и
вертикальная составляющие начальной скорости.
4.5. ПЕРЕДАЧА КОЛИЧЕСТВА ДВИЖЕНИЯ
Накопление количество движения
Накопление количества движения телом спортсмена и ускоряемым объектом происходит в предварительном разгоне (одновременное накопление количества движения и тела
В холостом ходе движения сопротивления меньше, чем в рабочем, поэтому и прилагаемые предельные
усилия тоже меньше; но в холостом ходе скорость движения больше, так как в этом случае меньше масса
разгоняемого тела.
1
141
спортсмена и снаряда) и финальном разгоне (передача части количества движения тела
снаряду).
В перемещающих движениях с наращиванием их скорости происходит накопление количества движения (mw) как тела спортсмена, так и ускоряемого объекта. Количество движения тела
спортсмена в финальном разгоне частично передается ускоряемому объекту. Поэтому спортсмену
важно в предварительном разгоне накопить количество движения как объекта, так и собственного
тела.
Действия для осуществления этой задачи схематически можно разделить на две части: а)
локомоторные движения спортсмена (бег. скачок, поворот) и б) движения на месте, когда уже нет
собственного передвижения спортсмена от одного места опоры до другого. Во время финального
разгона спортсмен в отдельных случаях может и оторваться от опоры. Но масса его тела (при относительно легких снарядах) намного больше массы объекта, в связи с чем отрыв от опоры до
вылета снаряда существенной роли не играет.
В движениях на месте завершается подготовка исходной позы финального разгона. При
этом целесообразно, чтобы снаряд был расположен как можно дальше от пункта его вылета, а
мышцы, которым предстоит совершить баллистическую работу в финальном разгоне, были как
можно больше растянуты и напряжены.
Такая подготовка осуществляется во многих случаях поэтапным обгоном звеньями, расположенными ближе к опоре, звеньев, расположенных ближе к рабочей точке. Более того, этот
обгон системами звеньев друг друга именно и подготавливает группы мышц к последовательной
работе в финальном разгоне.
Способы передачи движения
Передачу движения перемещаемому телу выполняют: приданием начальной скорости полета движением с разгоном объекта (метания); приданием начальной скорости объекту кратковременным взаимодействием (удары); переводом тела в заданное положение
без полета (штанга, борьба).
Накопление телом спортсмена количества движения и передача его объекту по существу
дела происходит одновременно. Только в разные фазы перемещающих движений и в разных
условиях они имеют свои особенности.
Общеизвестно, что наибольшая дальность полета в безвоздушном пространстве при угле
вылета равном 45°. На дальность полета влияет сопротивление воздуха, особенно при метании
диска и копья, где проявляется заметная аэродинамическая сила (планирующие устройства
•снарядов), а также угол местности1, который характеризует превышение точки выброса над точкой приземления. В связи с этим для достижения максимальной дальности угол вылета должен
быть меньше 45°; в метании копья—около 35—38°, диска — 33—36°, ядра — 38—39° и молота —
43—44°. В метании копья и особенно диска важен еще и угол атаки снаряда. Расчеты полета диска, произведенные на электронной вычислительной машине (В. Н. Тутевич), показали, что
наибольшая дальность может получиться при различных сочетаниях угла вылета диска и угла его
наклона к горизонту (рис. 76).
В метаниях относительно легких снарядов в течение всего предварительного разгона перемещаемый снаряд обычно несколько сзади тела спортсмена. Спортсмен в разбеге (бег, скачок
или поворот), отталкиваясь ногами от опоры, наращивает скорость своего перемещения. Ускоряемый снаряд благодаря своим силам инерции, приложенным к спортсмену в рабочей точке его тела, противодействует движению рабочих звеньев относительно туловища.
С начала финального разгона спортсмен придает снаряду скорость в заданном направлении большую, чем скорость продвижения таза и туловища. Так выполняются метания снарядов,
вес которых относительно веса тела спортсмена невелик.
Легкие снаряды с большой упругостью (мяч, шайба) приводятся в движение часто посредством удара. Время контакта при ударе очень мало. Здесь требуется иногда максимальная дальность или скорость полета мяча, иногда наибольшая точность его попадания в цель.
В случае перемещения тел значительного веса (равного и больше веса спортсмена —
партнеры и противники, штанга) построение системы движений отличается закономерностями
иного характера. Задача состоит в приведении перемещаемого тела в заданное положение.
Во всех случаях достигают заданной величины и направления скорости перемещаемого
объекта.
5.ВИДЫ ВЕРЕМЕЩАЮЩИХ ДЕЙСТВИЙ
С точки зрения биомеханики перемещающие действия отличаются довольно разнообразными условиями их выполнения. В движениях со штангой ее вес в соревновательных условиях
нарастает от попытки к попытке до предельного; контакт со штангой до конца упражнения (фикса1 Угол местности образуется линией горизонта и линией, соединяющей точку приземления снаряда с точкой
вылета. Для копья, диска и молота он около 2°, для ядра — 6—10°,
142
ция) постоянный. В бросках в борьбе вес противников значительный; контакт — до конца проведения приема. В легкоатлетических метаниях различны вес и форма метаемых снарядов; контакт со
снарядом — до придания ему максимальной скорости. Броски мяча (баскетбол, ручной мяч, водное поло и др.) — также с сохранением контакта до вылета снаряда. Как видно, задачи и условия
их решения в этих группах упражнений различны.
Особую группу составляют ударные действия с предельно кратковременным контактом.
Преимущественно это удары по мячу ногой, рукой, ракеткой или клюшкой по мячу или шайбе2.
Общее для всех перемещающих действий — наращивание скорости рабочей точки (вместе с ускоряемым телом или к моменту удара по нему).
5.1.ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ТЕЛ С РАЗГОНОМ
Фазы перемещения тел с разгоном
Исходное стартовое положение определяется точно в тех случаях, когда короток путь
наращивания скорости, строго зависящей от всех движений с самого их начала. Таковы, например,
исходные положения в рывке штанги, толкании ядра. В играх, где требуется лишь эффективность
броска, а ситуации разнообразны, такой жесткой определенности в исходных положениях не может быть.
Фаза предварительных действий наиболее четко определена в упражнениях, где требуется максимальная начальная скорость вылета снаряда. Эта фаза включает совместный разгон и
обгон звеньев и завершается исходной позицией финального разгона (усилия). В других группах
упражнений предварительные действия играют роль либо тактического обыгрывания (подготовка
броска в борьбе), либо важнейшего стартового разгона (тяга штанги).
Фаза финального усилия— решающая в создании максимальной скорости вылета снаряда
в нужном направлении (легкоатлетические метания) или приведении противника в заданное положение (бросок в борьбе).
Поскольку разнообразие перемещающих движений в спорте очень велико, рассмотрим
только группу легкоатлетических метаний, в принципе сходных между собой. Они различаются
способами выполнения, зависящими от особенностей снарядов.
Фазы предварительного разгона снаряда
В легкоатлетических метаниях, в какой бы форме ни выполнялся разбег (бег, скачок,
поворот) как предварительный разгон снаряда, разбег выполняется в виде совместного
разгона со снарядом.
В легкоатлетических метаниях для предварительного разгона снаряда при его сопровождении применяется прямолинейный разбег (бег — в метании копья, скачок — в толкании ядра) и
криволинейное движение снаряда с поворотами метателя (метание диска и молота).
Разбег в метании копья не ограничен; практически он составляет около 25 м у женщин и 30
м у мужчин. За 9 м (у женщин), 12 м (у мужчин) выполняют отведение копья — переводят его из
положения над плечом в положение сзади. Предпоследний шаг (скрестный) на правую ногу сопровождается поворотом таза вправо.
Разбег при толкании ядра выполняют стоя спиной в направлении толкания от задней части
круга (диаметр 213,5 см) скачком на правой ноге. Скачку помогает предварительное подседание
на правой ноге и мах левой ногой при отталкивании правой.
При метании диска разбег производят в круге (диаметр 250 см) из положения спиной в
направлении метания (удлиняется путь разгона). Поворот начинают после предварительного замаха рукой с диском вправо-назад. Во время него происходит стартовое вращение на двух ногах,
на левой ноге и собственно поворот. Активная работа ног выводит ось таза вперед относительно
оси плеч; происходит обгон звеньев (рис. 78).
Метатель молота выполняет разбег в круге (диаметр 213,5 см) во время предварительного
вращения молота вокруг тела и следующих за ним трех или четырех поворотов с одно- и двухопорными фазами в каждом при непрерывном контакте с грунтом и плавном повышении скорости.
Финальный разгон
В финальном разгоне мышцы, максимально растянутые и напряженные, сокращаясь, выполняют выбрасывание (или выталкивание) снаряда, придают ему начальную скорость полета.
Из соответствующей исходной позиции в легкоатлетических метаниях осуществляется финальный разгон. В метании копья он включает сначала поворот таза и переход в положение
«натянутого лука». Копье еще больше отстает от выведенного вперед таза. Далее следует сокращение растянутых сгибателей туловища и стремительное выбрасывание копья рукой.
Близки к этой группе (но не входят в нее) упражнения, где не ставится задача придать ускорение
снаряду или другому спортсмену: удары в боксе, удары и уколы в фехтовании. Здесь основная
цель — точность удара, а в боксе, кроме этого, и сила его.
2
143
При толкании ядра сначала поворачивают таз влево со скручиванием туловища, затем
следует поворот плечевой оси и выталкивание ядра рукой.
При метании диска сначала поворачивается таз влево, обгоняя плечевую ось. Далее продолжается поворот плечевой оси, затем рука догоняет плечевую ось и, наконец, следует выбрасывание диска рукой.
При метании молота в финальном разгоне, как и в предыдущих поворотах, плечевую ось
сначала поворачивают налево. Далее, наклоняясь назад, выбрасывают молот.
После выпуска снаряда во всех метаниях выполняют завершающие действия, тормозящие
продвижение метателя за планку или край круга.
Толкание ядра
Последовательность движений при толкании ядра можно описать, разделив упражнение на
три фазы: скачок, поворот туловища и выпрямление руки (рис. 15.42). Дальность полета ядра
зависит от траектории ядра, от стартовой точки до момента выпуска ядра, скорости скачка (т. е. в
первой фазе упражнения), скорости выпуска ядра выпрямленной рукой, высотой выпуска ядра,
массы спортсмена и др.
S. Francis (1948) выявил, что средняя высота выпуска ядра была' на 152 мм выше среднего
роста обследованных спортсменов (183 см).
Тема 16. Биомеханика локомоций
1.Сущность и виды локомоций 2.Физиологические аспекты управления локомоциями
3.Биодинамика ходьбы 4.Биодинамика бега 5. Биодинамика прыжка 6.Биомеханика различных видов спорта
1.Сущность и виды локомоций
Локомоции (от лат. locus — место и motio — движение) — совокупность согласованных
движений животных и человека, вызывающих активное их перемещение в пространстве;
важнейшее приспособление к обитанию в разнообразных условиях среды
Локомоторные движения могут быть основными в некоторых видах спорта (бег, плавание и
др.); системы движений, представляющих активное перемещение в пространстве, принято называть локомоциями. Локомоторные движения применяются в видах спорта, в которых, обеспечивая
передвижение спортсменов, они играют вспомогательную роль (спортивные игры, гимнастика и
др.). Они значительно отличаются друг от друга в зависимости от задачи и условий передвижения.
Но во всех случаях взаимодействия человека с опорой (дорожка, лыжня) и другими внешними телами (велосипед, лодка и др.), а также средой (преимущественно водной — плавание) эти движения происходят по способу отталкивания или притягивания или их сочетания.
Все локомоторные движения делят на ациклические (однократные) и циклические 2 (повторяющиеся).
Среди локомоций наибольший удельный вес имеют наземные передвижения. Их закономерности в большей или меньшей степени учитываются при изучении всех видов локомоторных
движений.
Локомоции можно классифицировать по целому ряду признаков. Передвижения различают
наземные и водные. Наземные бывают со скольжением (лыжи, коньки) и без скольжения (прыжок,
ходьба, бег), а также с постоянной опорой (ходьба, лыжи) и с отрывом от опоры (прыжок, бег). В
некоторых передвижениях используются механические приспособления для передачи и преобразования движения (цепная передача велосипеда, весла академической лодки).
3.Биодинамика ходьбы
Ходьба — автоматизированный двигательный акт, осуществляющийся в результате сложной координированной деятельности скелетных мышц туловища и конечностей.
Отталкиваясь от почвы, нога приводит тело в движение — вперед и несколько вверх и
вновь совершает размах в воздухе.
При ходьбе тело поочередно опирается то на правую, то на левую ногу.
Акт ходьбы отличается чрезвычайно точной повторяемостью отдельных его компонентов,
так что каждый из них представляет точную копию в предыдущем шаге.
В акте ходьбы деятельное участие принимают также верхние конечности человека: при
выносе вперед правой ноги правая рука движется назад, а левая — выносится вперед. Руки и ноги
человека при ходьбе совершают движения в противоположных направлениях.
Движение отдельных звеньев свободной ноги (бедра, голени и стопы) определяется не
только сокращением мышц, но и инерцией. Чем ближе звено к туловищу, тем меньше его инерция
В циклических движениях одна и та же система движений (цикл) повторяется, составляя непрерывный ряд движений.
2
144
и тем раньше оно может последовать за туловищем. Так, бедро свободной ноги перемещается
вперед раньше всего, поскольку оно ближе всего к тазу. Голень, будучи дальше от таза, отстает,
что ведет к сгибанию ноги в колене. Точно так же отставание стопы от голени вызывает сгибание в
голеностопном суставе.
Последовательное вовлечение мышц в работу и точная координация их сокращений при
ходьбе обеспечиваются у человека ЦНС и главным образом корой больших полушарий головного
мозга. С точки зрения нервного механизма, ходьба представляет собой автоматизированный цепной рефлекс, в котором афферентная импульсация, сопровождающая каждый предыдущий элемент движения, служит сигналом для начала следующего.
Функциональный анализ ходьбы. Ходьба — это сложное циклическое локомоторное
действие, одним из основных элементов которого является шаг.
При ходьбе, как и при других видах локомоторного движения, перемещение тела в пространстве происходит благодаря взаимодействию внутренних (сокращение мышц) и внешних
(масса тела, сопротивление опорной поверхности и др.) сил. В каждом шаге, совершаемом правой
и левой ногой, различают период опоры и период маха. Наиболее характерной особенностью
всех видов ходьбы по сравнению с бегом и прыжками является постоянное опорное положение
одной ноги (период одиночной опоры) или двух ног (период двойной опоры). Соотношение этих
периодов обычно равно 4:1. Как период опоры, так и период маха может быть разделен на две основные фазы, а именно: период опоры — на фазы переднего толчка и заднего толчка, разделенные моментом вертикали; маха — фазы заднего шага и переднего шага, между которыми
также находится момент вертикали.
Фаза переднего толчка. После заключительной фазы переднего шага начинается постановка стопы на почву при почти выпрямленном, но не закрепленном коленном суставе и согнутом,
слегка отведенном и супинированном бедре. Стопа становится на опорную поверхность пяткой,
после чего она совершает двойной перекат: с пятки на носок и снаружи внутрь. Этот перекат происходит под влиянием силы тяжести тела и последовательного включения в работу короткой малоберцовой мышцы, поднимающей наружу край стопы и далее мышц — длинной малоберцовой,
задней большеберцовой, длинного сгибателя большого пальца стопы и длинного сгибателя пальцев, поддерживающих продольную дугу (свод) стопы. Такое движение стопы имеет двоякое значение: увеличение длины шага и растягивание мышц заднего отдела голени, участвующих в отталкивании тела. В начальном периоде опоры приобретает большое значение рессорная функция,
выполняемая суставами стопы и незакрепленным суставом колена. Далее под действием тяжести
и инерции тела нога несколько сгибается в коленном суставе и разгибается в голеностопном суставе при уступающей работе четырехглавой мышцы и мышц заднего отдела голени, что еще более повышает буферные свойства конечности.
Момент вертикали. К моменту вертикали нога выпрямляется и приводится за счет сокращения большей части мышц бедра и отчасти под влиянием силы тяжести. В это время стопа
опирается на грунт всей подошвой, причем большинство ее мышц своим сокращением способствует сохранению сводов и участвует в функции удержания равновесия тела.
Фаза заднего толчка тела (отталкивание от опорной поверхности). В связи с этим контактирующая с грунтом конечность удлиняется за счет разгибания во всех ее суставах. В тазобедренном суставе вновь происходит некоторое отведение, но в отличие от переднего толчка, сопровождаемое небольшим поворотом бедра (внутрь). Ведущая роль в этой фазе принадлежит четырехглавой, полусухожильной, полуперепончатой, длинной головке двуглавой и главным образом
ягодичным мышцам.
Фаза заднего шага. В начале этой фазы (непосредственно после окончания заднего толчка) маховая нога находится в положении разгибания, некоторого отведения и поворота внутрь, что
приводит к повороту таза вместе с туловищем в противоположную сторону. Из этого положения
нога, производящая шаг, начинает совершать сгибание в тазобедренном и коленном суставах, дополняемое незначительным поворотом ее наружу, что взаимосвязано с вращением таза в сторону
маховой ноги. В это время основная нагрузка падает на мышцы: подвздошно-поясничную, приводящие, заднего отдела бедра и отчасти на разгибатели стопы.
Момент вертикали. Маховая нога выпрямлена в тазобедренном суставе и достигает
максимального сгибания (по сравнению с другими фазами) в суставе колена. Сокращены главным
образом мышцы заднего отдела бедра.
В фазе переднего шага мышцы заднего отдела бедра расслабляются и благодаря силе
инерции и кратковременному баллистическому сокращению четырехглавой мышцы голень выбрасывается вперед. После этого начинается новый цикл движения.
Центр тяжести тела (ЦТ) при ходьбе (рис. 15.18, а) наряду с поступательными движениями
(вперед), совершает еще движения боковые и в вертикальном направлении. В последнем случае
размах (вверх и вниз) достигает величины 4 см (у взрослого человека), при этом туловище опуска-
145
ется больше всего именно тогда, когда одна нога опирается всей подошвой, а другая вынесена
вперед. Боковые движения (качания в стороны) центра тяжести доходят до 2 см.
Колебания ОЦТ тела в стороны связаны с перемещением на опорную ногу всей массы тела, благодаря чему траектория ОЦТ тела проходит непосредственно над площадью опоры. Чем
ходьба быстрее, тем эти колебательные движения меньше, что объясняется влиянием инерции
тела.
Размер шага в среднем принимается за 66 см, при спокойной ходьбе продолжительность
его — около 0,6 сек.
Помимо мышц нижних конечностей при ходьбе включаются в динамическую работу почти
все мышцы туловища, шеи и верхних конечностей.
В связи с последовательным чередованием растяжения, сокращения и расслабления различных мышечных групп, что происходит во время ходьбы, значительная нагрузка на всю мышечную систему обычно не вызывает выраженного утомления. В значительной мере это также объясняется тем, что ритмические движения всего тела облегчают нормальную вентиляцию легких и
улучшают кровообращение всех органов, включая центральную нервную систему (ЦНС). Таким
образом, ходьба — это наилучший вид физической тренировки.
При ходьбе человек взаимодействует с опорной поверхностью, при этом возникают силовые факторы, называемые главным вектором и главным моментом сил реакции опоры. Типичные
графики вертикальной и продольной составляющих главного вектора опорной реакции при ходьбе
в произвольном темпе в норме представлены на рис. 15.18. Для графика вертикальной составляющей главного вектора опорной реакции характерно наличие двух вершин, соответствующих переднему (опора на пятку) и заднему (отталкивание передним отделом стопы) толчкам. Амплитуды
этих вершин превышают массу человека и достигают 1,1 — 1,25Р (Р — масса человека).
Продольная составляющая главного вектора сил реакции опор имеет тоже две вершины
разных знаков: первая, соответствующая переднему толчку, направлена вперед; вторая, соответствующая заднему толчку, направлена назад. Так оно и должно быть — отталкиваясь опорной ногой, человек устремляет все тело вперед. Максимумы продольной составляющей главного вектора
опорной реакции достигает 0,25Р.
Есть еще одна составляющая главного вектора опорной реакции — поперечная. Она возникает при переступании с одной ноги на другую и ее максимум достигает 8—10% от массы человека.
Временная структура шага. Локомоции человека — процесс периодический, в котором
через приблизительно равные промежутки времени повторяются сходные положения тела.
Наименьшее время, прошедшее от данного положения до его повторения, является временем
цикла. При ходьбе и беге время цикла называют по числу сделанных шагов «временем двойного
шага». Каждая нога в своем циклическом движении находится либо на опоре, либо переносится на
новое-место опоры (рис. 15.19).
При беге момент опоры меньше момента переноса; наблюдается период свободного полета над опорой (см. рис. 15.19).
Внешние силы и силы реакции опоры
На тело человека, идущего или бегущего по поверхности Земли, действуют извне аэродинамические силы сопротивления атмосферы, силы реакции опоры.
Аэродинамические силы распределены по поверхности тела и возрастают приблизительно
пропорционально площади фронтальной проекции поверхности тела и квадрату скорости движения.
Одной из наиболее существенных сил является сила реакции опорной поверхности, воздействующая на стопы человека. В соответствии с кинетостатическим принципом Д'Аламбера, эти
силы равны и противоположны силам аэродинамического сопротивления, весу частей тела и силам инерции, появляющимся в теле вследствие изменения скоростей движения его частей. Поэтому величина опорных реакций может служить своеобразным индикатором, показывающим одновременное действие всех сил на организм при локомоции.
В течение опорного времени тело человека получает необходимый импульс, являющийся
результатом активного действия мускулатуры.
Опорные реакции неравномерно распределены на некоторой сравнительно небольшой
площади контакта между стопой и поверхностью опоры. Распределение изменяется в течение
времени опоры: вначале давление создается на пятку, затем при постановке всей стопы на опору
оно возникает в области плюсневых костей (см. рис. 15.19) и здесь в момент отталкивания от опоры давление достигает максимальной величины. Местоположение максимума давления на стопу
изменяется при изменении темпа локомоции, вида локомоции (бег, прыжки, ходьба и пр.). Наиболее часто этот максимум располагается посредине стопы в районе головок плюсневых костей (см.
рис. 15.19).
146
По правилам механики силовое взаимодействие между стопой и опорой может быть представлено одним равнодействующим вектором силы и одним равнодействующим вектором момента сил (см. рис. 15.19). При измерениях с помощью динамометрических платформ, установленных
на одном уровне с опорной поверхностью, регистрируются шесть эквивалентных компонент этих
двух векторов. Из них три компоненты являются проекциями вектора равнодействующей силы:
вертикальная сила — это проекция на нормаль к поверхности платформы (совпадающая с гравитационной вертикалью), продольная и боковая силы — проекции, расположенные в горизонтальной плоскости, соответственно, по направлению движения и перпендикулярно направлению
движения тела (рис. 15.20). Остальные три компоненты — это проекции равнодействующего вектора момента сил на те же направления. Так как продольная и боковая компоненты момента сил
зависят только от величины вертикальной силы и от значения координат предполагаемой точки
приложения этой силы на плоскости динамометрической платформы, то, приравнивая указанные
компоненты момента нулю, находят уравнение для вычисления двух координат точки приложения
вертикальной силы.
При ходьбе графики компонент опорной реакции имеют два максимума (рис. 15.21). Первый максимум удерживает тело от падения вперед и возникает на опоре приблизительно в конце
отталкивания с носка противоположной ноги. Сила реакции опоры приложена к пятке тормозящей
ноги и направлена вверх-назад и слегка внутрь стопы. Момент сил во время опоры на пятку сравнительно невелик, а направление его действия выражено нечетко. Второй максимум на графиках
компонент опорных реакций, названный задним толчком, возникает в конце опорной фазы ноги
приблизительно перед началом перенесения опоры на противоположную ногу. При заднем толчке
реакция опоры приложена в области плюсне-фаланговых суставов и направлена вверх-вперед и
слегка внутрь стопы. Преодолевая инерцию тела и вес, эта сила разгоняет тело в направлении
движения, а также способствует боковому движению в сторону противоположной ноги, пятка которой ставится на опору.
Между главными максимумами находится пауза в изменениях величины опорной реакции.
В это время стопа полностью стоит на опоре и в некоторый момент времени, названный моментом
вертикали, тело находится над стоящей стопой, а переносная нога проходит рядом с опорой. Сила
реакции опоры приложена вблизи середины стопы и направлена вертикально вверх. Момент сил
реакции опоры препятствует развороту стопы носком наружу.
Отмечены небольшие величины боковой силы и момента сил. Это связано с тем, что локомоции осуществляются преимущественно в сагиттальной плоскости, а небольшие боковые силы
возникают из-за стремления тела компенсировать небольшие отклонения от сагиттального
направления.
Отмечено, что за одиночный шаг среднее по времени значение вертикальных сил равно
весу тела и это физически очевидно, так как иначе тело опускалось бы или поднималось. Точно
так же выявлено, что средние значения продольных и боковых сил, а также момента сил реакции
опоры приблизительно равны нулю.
Исследования многих авторов показывают, что центр тяжести (ЦТ) перемещается подобно
шарику в желобе с полуэллиптическим сечением, занимая наивысшее положение на правой или
левой стенке желоба в момент вертикали и наинизшее на дне желоба — во время двойной опоры.
Кривая перемещения ЦТ напоминает синусоиду, причем ее амплитуда составляет от 4 до 6 см.
При беге ЦТ перемещается как бы по стенке перевернутого желоба и занимает свое самое
низкое положение во время опоры и самое высокое положение в середине свободного полета тела (рис. 15.23). На проекции сбоку кривая перемещений ЦТ, так же как и при ходьбе, напоминает
синусоиду. Однако ее амплитуда, как следует из ориентировочного правила для величин опорных
реакций при локомоциях, больше, чем при ходьбе, и составляет приблизительно 10—12 см (Д.А.
Семенов, 1939; Н.А. Бернштейн и др., 1940; J. Saunders et al. 1953).
Следует отметить, что исследования движений ОЦТ тела иногда выявляют небольшую
асимметрию ходьбы у здоровых людей, эта асимметрия резко возрастает у больных (J. Gersten et
al, 1969), и ее регистрация вместе с наблюдением других кинематических нарушений может служить диагностическим целям (М. Murray, 1967; М.П. Полян, А.С. Витензон, 1969; и др.).
Периодичность траектории движения ОЦТ тела характеризуется не только временем цикла, но и расстоянием, на которое ЦТ сместится в пространстве за время локомоторного цикла, и, в
частности, за время двойного шага.
Ихнографическим методом исследования установлено, что следы стоп при ходьбе располагаются на следовой дорожке иначе, чем при беге (Д.А. Семенов, 1939; D.P. Roche, 1972 и др.).
Во время нормальной ходьбы стопа ставится на опору с пятки, но при беге такая постановка
наблюдается только когда скорость невелика, это можно увидеть при беге пожилого человека. При
быстром беге человек обычно опирается (отталкивается от грунта) пальцами стопы. Следы при
беге лежат (расположены) ближе к средней линии, а разворот стоп, в отличие от ходьбы, практически отсутствует.
147
При ходьбе длина шага зависит от многих причин, одной из существенных является длина
ног (или рост человека), подвижность (амплитуда) в тазобедренном и голеностопном суставах и т.
д. Широкая постановка ног и сильный разворот носков укорачивают длину шага (Д.А. Семенов,
1939). Длина одиночного шага изменяется приблизительно от 0,5 до 1 м и при ходьбе в удобном
темпе составляет 0,7—0,8м (R.Drillis, 1951;M.P.Murrayetal., 1964;K.Chatinier et al, 1970 и др.). С
увеличением темпа ходьбы длина шага сначала возрастает (приблизительно до 0,9 м при темпе
150 шагов в минуту), а затем несколько уменьшается (Д.А. Семенов, 1939).
Исследования (D. Grieve, 1968; М. Milner, А. Quanbury, 1970 и др.) показали, что между частотой и длиной шага при ходьбе существует прямая зависимость.
При беге с ростом темпа длина шага увеличивается незначительно: в среднем от 2 до 2,2
м у мужчин и от 1,7 до 1,9 м у женщин (Д.А. Семенов, 1939).
Естественной зависимостью между длиной L одиночного шага, темпом п и средней скоростью и поступательного перемещения человека является формула v = Ln.
Средняя скорость, с которой в большинстве случаев передвигается человек, находится в
пределах 1,3—1,6 м/с (R. Drillis, 1951; К. Chatinier et al. 1970); ее величина близка к скорости
наиболее экономной ходьбы, устанавливаемой в результате анализа энерготрат организма.
4.Биодинамика бега
Бег — способ передвижения, при котором фаза опоры одной ногой чередуется с
безопорной фазой полета, когда обе ноги находятся в воздухе.
Временные фазы бега (А)
Кинематографическим методом выявлены фазы бега, или цикл движений, начинающийся
касанием одной из ног земли и продолжающийся до тех пор, пока эта же нога вновь не коснется
земли (см. рис. 15.23). Каждый цикл включает фазу опоры на одну ногу и фазу маха (т. е. возвращение ноги вперед), когда тело не опирается на эту ногу.
На рис. 15.23, б показан полный двигательный цикл. Он начинается в момент отталкивания
правой ногой (А) и заканчивается в положении (Д), когда левая нога снова покидает землю. Момент постановки и отталкивания используются для выделения различных фаз бегового цикла.
При умеренных скоростях бега мах ногой длится примерно втрое дольше, чем опорный период (C.J. Dillman, 1970; D. Slocum, S.L. James, 1968). В течение фазы возвращения вперед имеется два периода, когда тело находится в воздухе: один — непосредственно после отрыва данной
конечности, и второй — следующий за отрывом от земли противоположной ноги.
Опорный период (Б). Период опоры (от Б до В), при котором тело продолжает двигаться
вперед. В последней стадии фазы опоры (В) тело снова выталкивается вперед. Второй безопорный период заканчивается, когда правая нога касается земли (Г) и затем тело поворачивается относительно опорной ноги до тех пор, пока она не отталкивается от земли, давая начало новому
циклу бега.
От скорости бега зависит, какая часть ступни первой касается земли. Так, кинематографический анализ бега показывает, что при малых скоростях нога ставится на опору с пятки или на
всю ступню, а при более высоких скоростях опора начинается с латеральной стороны ступни.
Движение в суставах опорной конечности, определяемых кинематографическим методом
свидетельствуют, что немедленно после контакта ступни с землей в течение короткого промежутка
времени в коленном суставе продолжается сгибание, а в голеностопном происходит тыльное сгибание. Когда центр тяжести (ЦТ) обгоняет опорную ногу и опорное бедро наклоняется вперед от
вертикали, голеностопный сустав сгибается, а в коленном и тазобедренном суставах происходит
разгибание, в результате чего ЦТ продвигается в направлении вверх и вперед.
Отмечено (D.B. Slocum, S.L. James, 1968), что в опорной фазе точкой опоры рычажной системы нижней конечности является поясничный отдел позвоночника.
Период опоры при увеличении скорости бега значительно уменьшается. В опорном периоде выделяют фазы амортизации и отталкивания. В фазе отталкивания суставы опорной ноги разгибаются. При беге выявлены вертикальные колебания тела, которые носят волнообразный характер (по движениям головы, таза, центра тяжести).
Отмечено, что в период опоры ЦТ снижается, а в фазе отталкивания — поднимается. Вертикальное снижение во время периода опоры не такое большое, как вертикальное падение в фазе
полета.
Маховое движение ноги (В). Анализ бега спринтеров показывает, что когда маховая конечность движется вперед, то сгибание колена и пронос пятки выполняются бегуном ближе к тазу.
Второй характерной чертой является высокий подъем колена; бедро поворачивается до горизонтали перед телом в момент, когда противоположная опорная нога покидает землю (F.C. Clouse,
1959; J. Dittmer, 1962;W.O.Fenn, 1931;D.Slocum,S.L.James, 1968 и др.). У гол между бедром и горизонталью, проведенной через тазобедренный сустав, становится меньше, когда бедро поднимается ближе к горизонтали.
148
Движение ноги при беге можно разделить на две фазы. Во время контакта с землей нога
поддерживает тело и выталкивает его вперед. После отталкивания нога движется из положения
сзади в положение впереди туловища — эта фаза маха (переноса) или фаза возвращения ноги.
Когда стопа касается земли, суставы ноги (тазобедренный, коленный, голеностопный)
кратковременно сгибаются, амортизируя приземляющееся тело. Как только тело продвинулось
достаточно вперед, конечность разгибается, двигая тело вверх и вперед.
Длительность сгибания и разгибания колена во время периода опоры уменьшается при
увеличении скорости. Обнаружено, что во время опоры высококвалифицированные бегуны полностью и быстро разгибают тазобедренный сустав, делая это раньше, чем стопа покидает землю
(точку опоры, место отталкивания).
Обнаружено, что при максимальном проталкивании высококвалифицированный спортсмен
выносит коленный сустав маховой ноги вверх-вперед тела.
В начале фазы маха, когда бедро быстро сгибается в тазобедренном суставе, происходит
также быстрое сгибание голени в коленном суставе.
Длина и частота шага (Г). Поскольку скорость бега равна произведению длины на частоту шагов, C.J. Dillman (1970) отметил, что длина шага от отрыва правой ноги до отрыва левой
ноги во всех случаях превышала 192 см.
Частота шага увеличивается со скоростью бега и она выше в короткий период начального
ускорения, чем при беге на дистанции. Но линейная зависимость между частотой шага и скоростью бега наблюдается лишь до скорости примерно 6,1м/с. Увеличение скорости за этой точкой
происходило больше за счет частоты, чем длины шага (W. Fenn, 1930; Р. Hogberg, 1952; R.
Osterhoudt, 1969 и др.).
G.H. Dyson (1971) показал, что частота шага соревнующихся спортсменов высокого класса
меняется в пределах 4,5—5,0 шагов в секунду.
3
4
5
6
7
8
9
Горизонтальная скорость бега, м/с
Рис. 15.24. Зависимость между длиной шага и горизонтальной скоростью бега (М. Satoetal,
1974; C.W. Buchanan, 1971; R.G. Osterhoudt, 1968)
На рис. 15.24 показана связь между длиной одиночного шага и скоростью бега. Кривая рисунка показывает, что при низких скоростях (3,5—6,5 м/с) длина шага увеличивается практически
линейно по мере того, как дискретно растет скорость. При больших скоростях по мере того, как
бегун дискретно увеличивает скорость бега, длина одиночного шага меняется относительно мало,
а некоторые исследователи сообщают о небольшом уменьшении длины шага при максимальных
скоростях (пунктирная линия на рис. 15.24). С ростом скорости частота одиночных шагов увеличивается. На рис. 15.25 показана зависимость между частотой шагов и скоростью. В зоне низких скоростей (3—6 м/с) отмечается небольшое увеличение частоты шагов по мере дискретного возрастания скорости. Если же скорость увеличивается от умеренно быстрой до максимальной (6—9
м/с), наблюдается пропорционально большее увеличение частоты шагов.
Наблюдения показывают, что при одной и той же скорости лучшие бегуны имеют более
низкую частоту шагов.
Вертикальные движения центра тяжести (ЦТ) (Д). Центр тяжести (ЦТ) тела при беге
движется по волнообразной колебательной кривой (M.C.Beck, 1966;F.C.Clause, 1959 и др.). С увеличением скорости бега величина подъема тела, или вертикальное перемещение ЦТ,
149
4
5
6
Скорость бега, м/с
Рис. 15.25. Зависимость между частотой шагов и скоростью бега (М. Saltoetal, 1974; C.W.
Buchanan, 1971; R.G, Osterhoudt, 1968)
становится меньше, тогда как горизонтальное перемещение увеличивается. ЦТ движется вверх,
пока нога выпрямляется в фазе опоры, и достигает максимальной высоты в момент отрыва от
земли непосредственно после нее. Затем ЦТ движется вниз и вперед, достигая низшей точки
непосредственно после касания земли опорной ноги (см. рис. 15.23, а). W.O. Fenn (1930) нашел,
что общий подъем ЦТ у взрослых спринтеров-мужчин за время опоры равен примерно 6 см.
Положение туловища (Е). Наклон корпуса способствует более сильному проталкиванию
вперед, вот почему спринтеры стартуют с колодок и низкого старта (рис. 15.26). Наклон туловища
у ряда выдающихся спринтеров по данным R. Wickstzom (1970) лежал в пределах 12—20° с тенденцией уменьшения (см. рис. 8.8, 8.9).
М. Gagnon (1969) определил, что лучшее время на первых 2,3 и 5,5 метра от стартовой линии достигалось в том случае, когда соответствующие расстояния были предельно малыми. Расположение центра тяжести в стартовой позиции возможно ближе к стартовой линии оказалось
фактором, наиболее тесно связанным со временем, требующимся на преодоление первых 5,5 м.
R.A. Des-rochers (1963), М. Gagnon (1969) обнаружили, что различия в расположении колодок влияют на длину и длительность первого шага, но не последующих.
Кинематические факторы бега. Факторы, влияющие на скорость бега, разнообразны.
Так, при беге на короткие дистанции важным является стартовое ускорение и поддерживание максимальной скорости до конца бега. А при беге на длинные дистанции спортсмен должен бежать со
скоростью, которая обеспечит ему возможность сохранить достаточно энергии, чтобы закончить
дистанцию.
При беге с определенной скоростью спортсмен выбирает определенную длину и скорость
одиночных шагов, так что комбинация этих двух величин создает (определяет) желаемую скорость.
Например, если длина шага спортсмена 2 метра и частота шагов 3 шага в секунду, его
средняя скорость за один шаг будет 6м/с.
В табл. 15.1 приведены качественная оценка и спортивные достижения для ряда скоростей
бега человека.
Таблица 15.1
Оценка скорости бега
Качественное описание
(взрослые мужчины)
Скорость
м/с
Медленная
4
13,2
6:42
—
до умеренно быстрой
5
6-8
16,40
19,69
26,25
5:22
4:28
—
11,4
Быстрая
До
Эквивалент- Время бега
ная скона 1 милю*
рость фу(1609,3 м)
ты/с
Время бега на
100 ярдов*
(91,44 м)
9
29,53
—
10,2
спринтерский
10
32,81
—
9,1
Вычисление основано на том, что вся дистанция преодолевается при постоянной скорости.
150
Антропометрические показатели и длина шагов. Длина ног существенно влияет на
величину одиночного шага. В табл. 15.2 приведены данные зависимости между длиной тела и ног,
с одной стороны, и длиной одиночного шага — с другой.
Таблица 15.2
Корреляция между длиной тела, длиной ноги и длиной шага
Исследователь Количество ис- Длина тела с
Длина ноги с
пытуемых
длиной шага
длиной шага
Ромпотти (1956)
40 (мужчины)
0,71
0,54
Ромпотти (1956)
12 (мужчины)
0,50
0,60
Гоффманн (1964)
56 (мужчины)
0,59
0,70
Гоффманн (1967)
23 (женщины)
0,63
0,73
К. Rompott (1956) обнаружил низкую отрицательную зависимость между длиной шага и весом тела, равную 0,20. К. Hoffmann (1964) отметил зависимость между максимальной длиной одиночного шага, с одной стороны, и ростом и длиной ноги — с другой.
Результаты этих исследований свидетельствуют, что имеется выраженная корреляция
между ростом, длиной ноги и величиной одиночного шага.
Энергетический обмен при ходьбе и беге (рис. 15.28). Организм получает энергию из
окружающей среды в виде потенциальной энергии, заключенной в химических связях молекул жиров, углеводов и белков. В результате сложных окислительных процессов образуется энергия.
Выявлено, что 80% энергии, используемой при мышечной деятельности, теряется в виде
тепла из-за малой эффективности ее превращения, и только 20% превращается в механическую
работу.
Мышечная работа существенно изменяет интенсивность обмена. Так, у спортсменов при
кратковременных интенсивных упражнениях, выявлено увеличение метаболизма в 20 раз по сравнению с показателем основного обмена, а при продолжительной работе—в 10 раз.
У людей метаболизм неуклонно меняется с возрастом. У детей он больше, в период полового созревания уменьшается и меньше всего он в старости.
Расчеты показывают, что человек, преодолевающий в день при обычной ходьбе расстояние в 5 км, нуждается в восполнении энергии, равной 5 МДж, а на терренкуре (ходьба с углом
подъема 15° и скоростью 2 км/ч) 60 мин — 450 ккал (при массе тела 70 кг).
Затраты энергии растут с увеличением скорости в степенной зависимости. Они увеличиваются при малых скоростях во второй степени, а при приближении к доступному для данного лица максимуму — в третьей и даже в четвертой степени,
5. БИОДИНАМИКА ПРЫЖКА
Основное назначение прыжка с точки зрения биомеханики — преодоление расстояния полетом. Во всех прыжках со взлетом осуществляют отталкивание, после которого следует полет
(собственно прыжок) и после приземления — амортизация.
5.1 Подготовка н отталкиванию
Подготовка к отталкиванию в прыжках заключается в переходе в начальное положение отталкивания, а также в необходимых случаях в накоплении кинетической энергии (разбег,
разгон).
В прыжках на максимальное расстояние в большей части случаев используют кинетическую
энергию, накопленную перед отталкиванием.
В легкоатлетических прыжках выполняют разбег, в прыжках на лыжах с трамплина — разгон (на
горе разгона). Разбег применяют и в некоторых других видах прыжков, даже когда не ставится задача преодолеть полетом максимальное расстояние. Иногда разбег завершается напрыгиванием
на упругую опору (трамплин).
Каков бы ни был разбег или разгон, во всех случаях к началу фазы отталкивания принимают
наиболее целесообразное начальное положение. Это положение, как правило, является мгновенным положением в движении.
Для разбега характерны направление и особенности наращивания скорости. Он обеспечивает
накопление кинетической энергии, необходимой для взлета после отталкивания. Но роль разбега
не только механическая. Одна из наибольших трудностей разбега для прыгунов — выработка ритма шагов. Шаги разбега, особенно последние, неравной длины. Длина каждого шага, а стало быть,
его продолжительность и скорость закономерно отклоняются от средней.
Задачи отталкивания в различных видах легкоатлетических прыжков различны, вследствие чего начальное положение отталкивания также бывает различным.
5.2. Отталкивание
Отталкивание в прыжках вызывает ускорение ОЦТ тела спортсмена и перемещает его в
направлении последующего полета.
151
В фазе отталкивания выпрямление толчковой ноги (или обеих ног) отдаляет ОЦТ тела спортсмена от места опоры, придает ему кинетическую энергию, необходимую для отрыва от опоры.
Отталкивание ногой почти всегда сопровождается маховыми движениями свободных конечностей (рук и переносной ноги). Эти движения также смещают и ускоряют ОЦТ тела и повышают эффект выпрямления толчковой ноги.
Перед выпрямлением ноги обычно происходит подседание на ней. Из неподвижного исходного положения оно выполняется сначала с увеличением скорости; далее возникает амортизация (погашение совместного действия сил инерции и тяжести) при замедлении подседания. Когда
отталкивание следует после приземления
(в движении), амортизация, как замедление подседания, происходит с самого момента приземления (контакта с опорой). Принято амортизацию вместе с выпрямлением ноги включать в фазу отталкивания, хотя, строго говоря, сама амортизация еще не отталкивание, а только служит подготовкой к нему. При амортизации, совершая уступающую работу, растягиваются и напрягаются
мышцы, которые потом сокращаются при отталкивании.
Отталкивание обусловливает вертикальную и горизонтальную скорость к моменту отрыва от
опоры в различных сочетаниях (различные углы вылета ОЦТ). После разбега в прыжках в длину,
тройном и некоторых других горизонтальная скорость не увеличивается, а уменьшается. В фазе
амортизации потери горизонтальной скорости больше, чем последующее ее приращение от выпрямления ноги и маховых движений.
Так называемая стопорящая постановка ноги (под острым углом к опоре) вызывает потери горизонтальной скорости,
но помогает созданию вертикальной. Ст о п о р я щ а я сила (горизонтальная составляющая опорной реакции) создает
двойной эффект: 1) замедляет продвижение тела (действие реакции Ry, перенесенной в ОЦТ— S) и 2) обусловливает
опрокидывание его вперед с подниманием вверх на толчковой). Кинетическая энергия тела прыгуна, затраченная на подъем тела вверх, переходит в потенциальную энергию (в гравитационном поле), создается вертикальная скорость подъема
тела — стопорящий подъем.
Рис. 71. Стопорящая сила (Rx) и ее момент (Rx h)
Стопорящая постановка толчковой ноги на опору после разбега, снижая горизонтальную скорость, способствует
напряжению мышц толчковой ноги. Кроме того, упругие деформации мышц стопорящей ноги обусловливают накопление и
потенциальной энергии упругой деформации. Упругие силы в соответствующее время еще более «подбрасывают» тело
вверх.
Во многих прыжках в последующей фазе полета происходят вращения тела спортсмена вокруг
осей, проходящих через его ОЦТ. В большей части случаев необходимые начальные вращения
создаются уже во время отталкивания. Они происходят вследствие: а) отталкивания ногой в
направлении не к ОЦТ и б) движений туловища и свободных конечностей.
Согласование движений отталкивания ногой, маховых, создающих начальное вращение и стопорящего подъема, зависит
от задачи и условий прыжка. Наибольшие усилия ноги, выполняющей отталкивание, приходятся на момент максимума
сгибания ее в коленном суставе (граница между подседом и выпрямлением). У мастеров высшей квалификации с этим
моментом совпадают максимумы ускорений рук и переносной ноги (рис, 72). Суммарное ускорение ОЦТ, вызванное выпрямлением ноги и маховыми движениями, продолжается на определенном пути. При сохранении усилий увеличение пути
ускоренного движения повышает начальную скорость взлета. Это достигается приближением ОЦТ к опоре к началу ускорения (подседание) и наибольшим отдалением его к концу ускорения (к моменту отрыва полное выпрямление толчковой ноги
и полный размах маховых движений).
152
Рис. 72. Согласование движений маховых и отталкивания:
а •— у новичка; б — у мастера спорта (по Ю. В. Верхошанскому)
5.3. Полет
Фаза полета длится с момента отрыва от опоры толчковой ноги до момента приземления
(касания опоры).
Спортсмен своими движениями может изменить и вызвать в р а щ е н и я вокруг осей, проходящих через ОЦТ. В полете могут, например, решаться такие задачи:
увеличить и уменьшить скорость вращения тела или вызвать вращение в новом направлении
(например, прыжки гимнастические, в том числе опорные, в воду, на коньках); перенести поочередно части тела через препятствие (прыжки в высоту); поднять звенья тела для более позднего
приземления (прыжки в длину и тройной) и другие. Способы подготовки к последующим действиям
и сами действия в полете очень разнообразны. Все движения в полете носят характер встречных
движений и траектории ОЦТ не изменяют.
5.4. Амортизация
Полет заканчивается моментом приземления, после которого возникает амортизация — взаимодействие с опорой (или водной средой при прыжках в воду).
Опора или вода затормаживают движущееся тело спортсмена; при отрицательном ускорении
возникают силы инерции тела спортсмена, направленные по ходу движения. Силы инерции вышерасположенных частей тела действуют на нижерасположенные. Навстречу на тело действуют
равные им динамические опорные реакции. Следует еще не забывать также о силах тяжести и
равных им статических реакциях опоры.
В результате действия сил с двух сторон происходит деформация тела спортсмена. При этом
также деформируются (растягиваются)
мышцы; своей уступающей работой они замедляют движение тела вниз. Происходит замедление
и остановка движения ОЦТ.
Амортизационная перегрузка зависит от величины кинетической энергии приземляющегося человека и длины пути амортизации. Отдаление ОЦТ от опоры к моменту приземления удлиняет
путь амортизации и уменьшает перегрузку.
Если после приземления и амортизации последует вновь оттталкивание, то амортизацию выполняют более жестко, на коротком пути. Мышцы-амортизаторы напрягаются больше; закончив
амортизацию, они сильнее напряжены и начинают преодолевающие движения с более высоким
эффектом (тройной прыжок, акробатические прыжки).
6.Биомеханика различных видов спорта
Плавание
При плавании все части тела вовлекаются в движение. Плавание основано на взаимодействии пловца с водой, при котором создаются силы, продвигающие его в воде и удерживающие на
ее поверхности.
Биомеханика плавания связана с тем, что силы, тормозящие продвижение, значительны,
переменны и действуют непрерывно, «Опора» на воду создается во время гребковых движений и
остается переменной по величине.
153
Спортивное плавание включает четыре вида: вольный стиль (кроль), плавание на спине,
брасс, баттерфляй.
Вольный стиль. Продвижение вперед происходит постоянно за счет смены работы рук и
ног. Руки действуют под водой для продвижения вперед, а противоположное движение — вынос
рук вперед — происходит над водой. Движение кисти под водой происходит без сильного отклонения в сторону при слегка согнутой руке. Оно заканчивается, когда рука выходит из воды у бедер.
Затем без остановки рука переносится вперед и снова включается в эффективную работу перед
плечом. Движения ног — вверх-вниз представляет собой малый тормозящий момент. Движение
начинается от таза и продолжается через бедро, коленный сустав, голень, голеностопный сустав
вплоть до пальцев ног. При ударе вниз стопа поворачивается внутрь для повышения Эффективности отталкивания.
Плавание на спине. Тело выпрямлено, плечевой пояс лежит несколько выше таза, голова
слегка подтянута к груди.
Движения рук. К началу подводного движения, продвигающего тело пловца вперед, руки
находятся на поверхности воды в выпрямленном положении над плечом. Кисть — в положении
отталкивания. Руки начинают подтягивать, при этом они слегка согнуты в локтевом суставе. В конце движения под водой руки опять почти выпрямлены. Во время всей работы в воде кисть проводится на глубине 20—30 см. Рука переносится над водой и, опускаясь в нее, начинает новую
рабочую фазу. Ритм смены рук здесь отличается от кроля. В то время как одна рука совершает
движение под водой, другая производит маховое движение над водой и затем погружается в воду.
Движения ног. Ноги совершают поочередно удары вверх и вниз. Здесь стопа по мере
надобности разворачивается внутрь во время удара вверх с тем, чтобы повысить действенность
отталкивания. Амплитуда движения составляет 30—50 см.
Брасс. Брасс — самый медленный стиль из четырех спортивных способов плавания. Это
объясняется прежде всего тормозящими моментами, возникающими при вынесении рук вперед, а
также слабо выраженным подводным движением.
Движения рук. Из вытянутого положения руки симметрично разводятся в стороны и несколько вниз; при этом внутренние поверхности кистей, развернутые во внешнюю сторону и слегка
закругленные, действуют как весла. Примерно на уровне плеч руки делают легкий мощный толчок
внутрь, подводятся близко к груди и широко разводятся вперед.
Движения ног. Из вытянутого положения голени одновременно и симметрично подводятся к тазу, при этом колени и пятки несколько разведены, ступни развернуты наружу и подтянуты к
большой берцовой кости. Из этого положения, при котором пятки находятся на расстоянии 30—40
см от таза, производится широкий толчок разведенными ногами в стороны. При этом особенно
сильно отталкиваются голенями и подошвами ступни. В затухающей фазе движения ноги опять
сводят вместе и выпрямляют.
Баттерфляй. Плавание баттерфляем выполняется с помощью порхающих над водой рук
одновременно с движениями ног и корпуса, которые напоминают движения хвостовых плавников
дельфина. К началу подводного движения обе руки находятся впереди плеч; они подводятся под
туловище одновременно. После того, как кисти обеих рук выносятся из воды в сторону от бедер,
руки как можно более напряженно вновь выводятся вперед до очередного погружения.
Движение ног начинается в поясничной части. Для увеличения силы отталкивания при
ударе вниз стопы повернуты внутрь, а при ударе вверх опять становятся продолжением голени.
Плавучесть точно так же как сила, обусловленная весом тела, приложена к его центру
тяжести (ЦТ), подъемная сила, обусловленная весом вытесненной им жидкости, приложена к точке, называемой центром плавучести.
При движении в жидкости твердого тела (например, шара) ближайший слой жидкости прилипает к нему и движется вместе с ним; остальные слои скользят друг относительно друга. Сила,
действующая на твердое тело, движущееся внутри вязкой среды (жидкость), и направленная противоположно скорости тела, называется сопротивлением среды.
Лобовое сопротивление. При движении какого-нибудь тела в жидкости, на него действует
сила, задерживающая его движение. Эту силу называют лобовым сопротивлением. Величина ее
зависит от природы жидкости и от размеров, формы и скорости движущегося тела.
Как показали эксперименты в аэродинамических трубах, лобовое сопротивление тела или
различных тел одной и той же формы можно определить по формуле Д = —рvАСд, где Д — лобовое сопротивление, р — плотность жидкости, v — скорость движения жидкости относительно тела,
А — характеристическая площадь и Сд — величина, называемая коэффициентом лобового сопротивления, которая зависит от формы тела и от числа Рейнольдса.
К сожалению, не существует единого определения А, которое было бы удобным при любой
форме тела. Используются следующие площади:
154
1) лобовая площадь, т. е. площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярно направлению потока. В случае цилиндра, имеющего высоту h и радиус г, лобовая площадь будет равна
яг2, если ось цилиндра параллельна потоку, и 2rh, если она перпендикулярна ему;
2) площадь наибольшей проекции, т. е. проекции по тому направлению, по которому площадь ее будет наибольшей; эту величину используют, когда имеют дело с обтеканием профиля
крыла; по сравнению с лобовой площадью она имеет то преимущество, что не изменяется при
наклоне профиля;
3) суммарная поверхность тела. Следует помнить, что в случае тонкой пластинки это будет
суммарная площадь обеих ее сторон.
Если есть сомнения, то важно указать, какая именно из этих площадей была использована
при вычислении коэффициента Сд.
Лобовое сопротивление — не единственная гидродинамическая сила, действующая на тела, которые движутся в жидкости или находятся в потоке. По определению оно имеет то же
направление, что и скорость движения жидкости относительно тела. Когда симметричное тело
движется вдоль своей оси симметрии, действующая на него гидродинамическая сила направлена
прямо и представляет собой лобовое сопротивление. Но когда симметричное тело движется под
некоторым углом к оси симметрии, гидродинамическая сила действует под углом к его пути. Ее
можно разложить на две составляющие, одна из которых направлена назад и представляет собой
лобовое сопротивление, а другая действует под прямым углом к первой.
Энергетика пловца. Когда человек плывет, он сообщает некоторое количество энергии
воде, чтобы продвинуться (проплыть) в ней. Это создает волну, которая в конечном счете потеряет всю сообщенную ей энергию в виде тепла, и поверхность воды снова станет спокойной. Затраченная таким образом при плавании энергия представляет собой совершенную работу плюс тепло, потерянное телом пловца.
Лыжный спорт
На лыжных гонках происходит сочетание свободного скольжения, отталкивания лыжами и палками от снега, маховых движений рук и ног и броска (перемещения) тела впередвверх.
Свободное скольжение (фаза I) происходит при тормозящем воздействии трения лыжи
по снегу и незначительном сопротивлении воздуха. Чтобы меньше терять скорость, нельзя делать
резких движений (рукой или ногой) направленных вверх-вперед. Свободное скольжение заканчивается постановкой палки на снег.
Начинается фаза скольжения с выпрямлением опорной ноги, (фаза II). Увеличивая наклон
туловища и нажим на палку лыжник стремится увеличить (повысить) скорость скольжения лыжи.
Подседание начинается еще (уже) при скольжении лыжи (фаза III), которая при энергичном разгибании опорной ноги в коленном и тазобедренном суставах быстро теряет (гасит) скорость и останавливается. Подседание, начатое в фазе III, продолжается и завершается в фазе IV,
сопровождаемое выпадом — движением переносной ноги вперед. С окончанием подседания
начинается выпрямление толчковой ноги в коленном суставе (фаза V), сопровождаемое завершающимся выпадом.
Следует отметить, что с повышением скорости передвижения изменяется ритм скользящего шага (сокращается время отталкивания лыжей. Подседание и выпрямление толчковой ноги делаются быстрее).
Основой лыжной техники является попеременный шаг с постановкой палок при каждом шаге. Он соответствует нормальному бегу, который с помощью лыж переходит в ритмичное скольжение. Толчок к скольжению дается мощным отталкиванием соответствующей ноги от снежного основания и толчок палками. Отталкивание всегда начинается тогда, когда обе ноги находятся приблизительно рядом. Однако эффективным оно бывает, если лыжа в этот момент имеет достаточное трение со снежным основанием благодаря правильной смазке. В то время как левая нога отталкивается, правая становится скользящей. При этом масса тела переходит с отталкивающейся
ноги на скользящую. Лыжник-гонщик скользит преимущественно на одной лыже. Только во время
короткого промежутка отталкивания ногой обе лыжи одновременно касаются снега.
Прыжки в воду
Прыжки в воду относятся к технико-композиционным видам спорта и включают в себя
прыжки с трамплина и с вышки. Прыжки выполняются из передней или задней стойки, с вращательными движениями, винтами, прыжки из стойки на кистях и т. д. (рис. 15.41).
Главным элементом техники прыжка с трамплина и вышки является разбег, толчок, фаза
полета и вход в воду.
Выполнение всего прыжка зависит от толчка. При этом направлением толчка определяется
последующая траектория полета, которую спортсмен не сможет изменить в ходе фазы полета.
Фаза полета начинается в момент отрыва ног от доски или от площадки и заканчивается касанием
поверхности воды. Фаза полета вводится толчком, который определяет оптимальную траекторию
155
полета и выполнение движений. Основным требованием к входу в воду является вертикальное
положение погружаемой части тела по отношению к поверхности воды для того, чтобы войти в воду почти без брызг.
Тяжелая атлетика
Тяжелая атлетика — вид спорта, требующий высокой точности воспроизведения упражнения как системы движений. Состязания по подъему (поднятию) тяжестей (штанги) — относятся к
таким видам спорта, в которых решающую роль играют в одинаковой мере физическая сила и техника.
Упражнения для развития силы довольно разнообразны, их можно выполнять при помощи
штанги, гирь, гантелей, тяговых снарядов (тренажеров) и т. д. Эти упражнения хорошо зарекомендовали себя во многих видах спорта и служат спортсменам для развития силы и выносливости
(скоростно-силовых качеств). Упражнения с большими тяжестями применяются в основном для
развития максимальной силы, а при помощи упражнений в высоком темпе развивается скоростная
сила, т. е. скоростно-силовые качества.
Целью штангиста является подъем штанги при одновременном сохранении равновесия
тела на маленькой площади опоры в период движений, связанных с подъемом. При этом движения различаются от фазы подъема к опорной фазе. На определенное время требуется относительно небольшая сила для воздействия на штангу, для того чтобы совершить необходимые
изменения в устойчивости ног при удержании штанги. Сила применяется в вертикальном направлении, но, поскольку штанга описывает кривую в виде буквы S на уровне корпуса тела, в действие
могут вступить также и горизонтальные силы. Ускорение штанги зависит от величины силы, которая воздействует на нее, а также от массы снаряда. Чем меньше масса снаряда, тем больше скорость при равном применении силы и наоборот. Достигнутая максимальная скорость является решающей для так называемой тяговой высоты штанги.
Силы, воздействующие на систему «штанга — корпус», должны использоваться в основном периоде тяговой фазы только для необходимых перегруппировок частей корпуса тела от фазы
подъема до подрыва. Воздействие мышечной силы на штангу обусловливает эластичную деформацию штанги. Возникают так называемые эластичные силы в снаряде. Они способствуют ускорению штанги и надежному перемещению ее. Штангист должен для использования эластичного действия штанги выработать определенное чувство ритма в период тренировок.
При перемещении штанги спортсмен достигает и преодолевает разные силы: а) вес штанги
(сила тяжести); б) сила инерции штанги, которая зависит от массы и от скорости штанги; в) сила
тяжести и сила инерции собственного тела.
Эти факторы являются решающими критериями для оценки техники и силы спортсмена.
Освоение техники упражнений способствует выработке правильной осанки.
Координация движений тяжелоатлета затрудняется в результате некоторых факторов:
1. Трудности при подъеме штанги предельного веса — это комплексный фактор: а) атлет
все время вынужден менять вес поднимаемой штанги, что заставляет изменять координацию мышечных напряжений; б) атлет не имеет возможности многократно повторять рывок и толчок с соревновательными вариантами веса штанги в связи с предельным характером нагрузки.
2. Значительные сдвиги в силовой подготовленности тяжелоатлетов в процессе тренировки заставляют соответственно менять технику подъема штанги в связи с большими изменениями
внутренних сил в системе «атлет — штанга».
3. Кратковременность всего упражнения или отдельных его частей ограничивает возможность текущих коррекций движений на основе функционирования обратной связи.
Для развития (тренировки) силы тех или иных мышц важным является исходное положение спортсмена.
При одной и той же силе действия в разных позах их величины сил и силовых моментов,
действующих в отдельных суставах, могут быть различными. При неправильно выбранной позе
момент силы, действующей на позвоночник и суставы может быть критическим и вызвать травму,
а если упражнения со штангой выполняются длительно, с большим количеством повторений, то
возникают заболевания опорно-двигательного аппарата (ОДА). При правильной технике выполнения упражнения этого не происходит.
Энергетика локомоций
Энергетический обмен осуществляется в результате преобразования питательных веществ в энергию. Энергия используется для обеспечения функции мышц. Интенсивность энергопродукции организма в целом зависит от количества выделенной энергии (внешняя работа, тепло)
и от количества запасенной энергии (депонирование питательных веществ, структурные преобразования) в единицу времени: общее количество выработанной энергии — это сумма внешней работы, тепловых потерь и запасенной энергии.
Механическая энергия передвижения человека обусловлена мощностью его мускулатуры и
мощностью внешних факторов.
156
Работа, развиваемая мышцами в определенный отрезок времени, соответствует изменению механической энергии тела, которая, в свою очередь, состоит из двух компонент: кинетической и потенциальной энергии тела. Кинетическую и потенциальную энергию при расчете определяют приблизительно по кинематике тела или по движению общего центра тяжести (ОЦТ) тела.
Потенциальная энергия во время ходьбы меняется. Так, во время двойной опоры она минимальна и максимальна в момент вертикали (т. е. отталкивания от земли). Выявлено, что ко времени
Таблица 15.7
Расход энергии при различных видах спортивной деятельности (ккал)
Виды спорта
Мужчины
Женщины
Гимнастика, фехтование
3600—4200
3000—3600
Волейбол, баскетбол
4200—4500
3600-3800
Бегуны на короткие дистанции, прыгуны,
метатели копья и диска
3700-4200
3200-3600
Бегуны на длинные дистанции
5000-5500
4200-4700
Бокс, борьба, тяжелая атлетика: в легком 4200-4500
весе
среднем
4800-5000
3700—4000
тяжелом
5600—6000
4600—5200
Горные лыжи, прыжки с трамплина
4400—4600
3800—4100
Лыжные гонки
5200—5800
4200—4800
Коньки
4400—4800
3700-4100
Гребля
5200-5600
4200-4800
Плавание
4200-4800
3600—4100
Стрельба
3900-4300
3300-3600
Конный спорт
3800-4200
3400-3800
Велоспорт
5400-6000
4100-4600
4100—4500
двойной опоры уменьшение потенциальной энергии приводит к возрастанию кинетической энергии
тела к моменту вертикали. Таким образом, создаются условия для экономного расходования мышечной энергии. Расчет механической работы мышц в течение локомоторного цикла осуществляется методами прямой и непрямой калориметрии, или по количеству потребляемого кислорода.
Как видно на рис. 15.28, скорость энерготрат в зависимости от скорости локомоций растет
нелинейно.
Любая механическая работа мышц (мышцы) всегда требует затраты энергии, независимо
от того, сокращается (или удлиняется) мышца, или она находится в изометрическом сокращении
(табл. 15.7).
Во время шагового цикла при ходьбе расход энергии меняется. Так, уменьшение механической энергии (работы) происходит в шаге при переднем толчке, когда мышцы ноги, преодолевая
инерцию падающего вперед тела, тормозят его и преимущественно растягиваются (см. рис. 15.19),
а во время заднего толчка основная часть мышц сокращается и тем самым продвигается (перемещает) тело вперед. В другие фазы ходьбы активность мышц значительно снижена.
Отмечено, что темп ходьбы, бега, длина шага коррелирует с длиной тела (т. е. с ростом и
особенно с длиной ног), что в результате сопровождается довольно высокой корреляцией между
энерготратами и весом идущего (или бегущего) человека (H.J. Ralston, 1958; С. Wyndham et al,
1971; W.H. Walt, C.H. Wyndham, 1973 и др.).
157
11.Структура движений человека и управление ими……………………………………………………..109
12. Управление непереместительными действиями……………………………………………………...120
13.Движения на месте………………………...………………………………………………………………..128
14. Движения вокруг оси и перемещающие движения……………………………………………………135
15. Биомеханика локомоций ………………………………………………………………………………… 146
Биомеханика как учебная и научная дисциплина. Направления развития биомеханики как
науки. Теоретические основы управления двигательными действиями человека.Коренберг(87-163)
Двигательный аппарат человека, соединение звеньев и степени свободы, биомеханика мышц.
Двигательные качества спортсмена, факторы, определяющие проявление двигательных качеств и
биомеханические требования к их воспитанию. Сохранение положения тела человека (Донской
с.167 и движения на месте (Донской с183, циклические и ациклические локомоции (Донской с.215.
Дуб.с.363-443). Механизмы создания и управления вращательными движениями(Донской с.199210 210-215); биомеханика бросков и метаний (Донской с.245-258); основные показатели спортивно-технического мастерства (Донской с.163-166; 258—276 Метролог. с.157-168); особенности двигательных возможностей человека
Скачать