CC BY
265
БИОМЕХАНИКА И СПОРТ
УДК 796.012 ББК 75.0
Д 42
А.М. Доронин
К вопросу о совершенствовании биомеханической структуры специальных упражнений в спорте
Аннотация:
В статье представлено обоснование применения авторского тренажёра для повышения эффективности взаимодействия спортсмена с опорой в локомоторных движениях прыжкового характера.
Ключевые слова:
Скоростно-силовое упражнение, локомоторные движения, прыжки, эффективность, силовые движения, нагрузки на мышцы, двигательные действия, совершенствование методики, сила сопротивления.
В спортивных скоростно-силовых упражнениях на различных участках движения силовые и скоростные возможности мышц проявляются по-разному. В прыжке вверх с места наиболее эффективен тот вариант приложения силы, который соответствует минимуму расходуемой спортсменом энергии при равных условиях проявления импульса вертикальной составляющей силы реакции опоры (р). Это происходит, когда управляющее воздействие реализуется по принципу уменьшающегося отягощения. Различные режимы сопротивлений движению способствуют автоматическому изменению нагрузки на мышцы, а через нее - регулированию двигательных действий спортсмена при непосредственном выполнении упражнения [10].
Применение тренажерных устройств, позволяющих повысить избирательность воздействия на нервномышечный аппарат спортсмена путем использования различных сочетаний режимов работы групп мышц, является одним из прогрессивных направлений в совершенствовании методики развития скоростно-силовых качеств спортсменов [1].
Однако теоретические положения, позволяющие обосновать применение тренажёров в тренировке спортсменов, двигательная деятельность которых связана с выполнением локомоторных движений прыжкового характера, разработаны фрагментарно. Это, в свою очередь, оставляет неиспользованными значительные резервы повышения эффективности процесса разработки новых методик и формирования рекомендаций для тренера и спортсмена по применению тренажеров в учебнотренировочном процессе.
В связи с этим целью исследования являлось обоснование целесообразности применения нетрадиционных средств тренировки, направленных на повышение эффективности взаимодействия спортсмена с опорой в локомоторных движениях прыжкового характера. Для этого необходимо решить две основные задачи:
1) правильно выбрать природу внешних сил воздействия на спортсмена, а следовательно, и соответствующую конструкцию тренажера;
2) определить и обосновать, с биомеханической точки
зрения, рациональность воздействия внешних сил на опорно-двигательный аппарат нижних конечностей спортсмена во временном и пространственном аспекте с учетом специфики деятельности мышц в исследуемых упражнениях.
Известно, что сила как физическое качество характеризует способность спортсмена преодолевать внешнее сопротивление [7].
Внешнее сопротивление может быть представлено силами различной природы: 1) упругой деформации; 2) трения; 3) инерции.
Сила упругой деформации (Руир) зависит от степени растяжения упругого элемента (Г) и коэффициента жесткости (К). Эта сила не зависит от скорости движения тела. В простейшем случае зависимость имеет вид:
= К х Г
При конструировании тренажеров роль упругих элементов выполняют пружины [21, 23] или резиновые амортизаторы [19, 21].
Сила трения (Ртр), равна произведению коэффициента трения (Ктр) на нормальную силу (Л), т.е. силу, прижимающую тело к поверхности взаимодействия: р = к х Л
1 тр 1 у тр ^ 1' •
Сила сопротивления водной или воздушной среды находится в квадратичной зависимости от скорости движения тела в этой среде.
Сила (Рш) инерции в поступательном движении зависит от массы тела (т) и линейного ускорения (а):
= - т х а.
При вращательном движении сила инерции (Рш) будет зависеть от момента инерции тела (I) и углового ускорения (ю):
Рин = - I х Ю.
Силы инерции играют в локомоторных движениях решающую роль. В спринтерском беге, например, на преодоление сил инерции по данным Э.Озолина [8] расходуется 57 % энергии.
Распределение мышечной массы на нижних конечностях (больше у проксимальных звеньев, меньше у дистальных) способствует уменьшению момента инерции
нижней конечности и как следствие - инерционных сил, возникающих при движении. Это обстоятельство побудило нас выбрать инерционные силы в качестве основных внешних сил при конструировании тренажера.
При вращательном движении момент инерции (Мш) зависит от:
Mин = Еин х d=m х R х ю х d, где: m - масса груза; R - радиус инерции; ю - угловое ускорение; d - плечо силы.
Таким образом, одно и то же внешнее сопротивление можно получить, варьируя каждый из четырех параметров.
По существу два момента силы, а именно, момент силы тяжести и момент инерционных сил вращательного движения массы, могут определить величину дополнительной кратковременной нагрузки на мышцы нижних конечностей при выполнении упражнения с использованием механических устройств. Причем, при вращательном движении инерционной массы вниз, момент силы тяжести будет уменьшать это воздействие -уменьшая момент силы инерции, а при движении вверх -увеличивать (см. рис. 1).
Рис. 1. Угловые перемещения рьиага с грузом при амортизации (а) и отталкивании (б), где d - плечо силы и Ш - сила тяжести
Фактически, это происходит за счет уменьшения, а затем увеличения плеча силы тяжести (С). Кроме того, при изменении направления движения тела спортсмена от амортизации к отталкиванию, угловое ускорение меняет свой знак, что также ведет к увеличению величины инерционных сил.
Для обоснования наиболее эффективного варианта воздействия инерционных сил необходимо отметить, что большинство упражнений скоростно-силовой
направленности характеризуются максимальной реализацией двигательного потенциала спортсмена.
Как неоднократно отмечал Н.А. Бернштейн [5, 6], в интактном организме усилие, развиваемое мышцей, есть функция, зависящая, во-первых, от ее иннервационного состояния (Е); во-вторых, от длины в данный момент времени (£); в-третьих, от скорости, с которой эта длина изменяется во времени (Ь'ф):
^ = /(I; Щ); Е).
Причем, если степень возбуждения мышц (Е) максимальна, тогда усилие, развиваемое мышцами будет зависеть от длины и скорости ее изменения.
Как известно, усилие, развиваемое мышцей, будет максимальным при значительных величинах растяжения (зависимость «сила-длина») и скорости эксцентрического сокращения (зависимость «сила-скорость»).
Многочисленные исследования [9, 13, 14, 15, 16, 17, 18] показали, что при растяжении активной мышцы, кроме диссипации энергии на тепло, мышца может накапливать энергию, при этом повышается сила и скорость сокращения.
Поэтому для создания максимальной силы тяги мышцы следует отдать предпочтение эксцентрическому режиму ее сокращения. Этим объясняется стремление спортсменов использовать амортизацию в прыжках, замах в метаниях и т.д. Очевидно, что внешняя инерционная
нагрузка, создаваемая тренажером, должна воздействовать в момент завершения фазы амортизации (до начала увеличения угла в коленном суставе), например, в прыжке вверх (см. рис. 2А, Б).
Это позволит дополнительно растянуть мышцы-разгибатели, что в свою очередь приведет к увеличению накопления энергии упругой деформации в коллагеновых структурах и увеличению импульса силы, и, как следствие,
- увеличению скорости вылета тела. При этом следует учитывать, что оптимальное время внешнего воздействия на мышцу составляет около 50 мс [11, 12].
Следует считать нерациональным воздействие внешней нагрузки в последующем временном периоде, поскольку она будет препятствовать разгибанию ног в суставах и, следовательно, - механической реализации накопленной в фазе амортизации энергии упругой деформации мышц [3, 2, 4]. Из этого следует, что различные силы внешнего сопротивления способствуют преимущественному развитию тех или иных скоростносиловых качеств.
В результате вышеизложенных рассуждений нами была предложена математическая модель устройства переменного отягощения.
На штангу массой т} действует сила тяжести т£, сила натяжения цепи Т и сила со стороны спортсмена Е. На систему «звездочка-рычаг» при обходе по часовой стрелке действуют моменты сил: момент силы натяжения цепи (М1=Т Я); момент силы тяжести груза (М2 = - т£1Со,?д>); момент силы тяжести рычага (М3 = - т3 g Со^р/ 2); момент инерции груза (12 = т2 (I + Г / 2)); момент инерции рычага (13=т312 / 3); момент инерции звездочек
(74=(т4Я/+т42Я22+т43Я32) / 2, где: Яь Я2, Я3 - радиусы трех звездочек и т41, т42, т43 - их массы).
Зависимость угла р, отсчитываемого от горизонтали
против часовой стрелки от исходного положения штанги: где Я - один из радиусов Я1, Я2, Я3, на который накинута цепь.
Р= Ро + (у - Уо) / Я,
А
Б
Рис. 2. Зависимость «сила-скорость» для изолированной мышцы (А) и фазовая структура прыжка вверх с места и схема зависимости вертикальной составляющей силы реакции опоры (Ег) и изменений угла в коленном суставе (а) (Б)
Запишем систему уравнений для тренажера регулируемого отягощения (ТРО) и штанги, исходя из второго закона Ньютона:
\ТЯ-glCosр[(m2- т3)/2] = [т2 (I2+Г)/2 + т31/3+т4Я2/2] а
\
Е = т1 а+т1 g - Т,
где а - угловое ускорение звездочки, а = а/Я, а -ускорение штанги.
Отсюда:
Е = т1 а + т1 g + g I (т2 + т3/2) Сos[р + (У -У0) /Я] / Я +
+ [т2 (? + г2/2) + т312/2 + т4 Я2/2] а / Я2 . Обозначим:
4 = тг+[т2 (I2 + г2/2)+т312/2+(т41Я12+т42Я22+т43Я32)/2] / Я2, В = g I (т2 + т3/2)/Я, С = т1 g, ао = Ро - Уо/Я, к = 1 / Я.
Тогда уравнение примет вид:
4 у" + В Cos(a0 + ку) + с = Е.
В этом уравнении У - положение грифа штанги, измеряемое опытным путем и представляемое в виде
таблицы значений.
Обобщая результаты исследований, мы выбрали для конструирования тренажера два момента сил, а именно: момент силы тяжести (груза) и момент инерционных сил вращательного движения массы на рычаге, которые и обеспечивают регулируемую кратковременную нагрузку на мышцы нижних конечностей.
Нами разработано и изготовлено тренажерное устройство, позволяющее создавать различные виды переменных регулируемых отягощений, признанное изобретением [20].
Тренажерное устройство можно применять при выполнении различных специальных упражнений для скоростно-силовой подготовки спортсменов (приседания, прыжки вверх, тяги и т.п.).
Конструкция данного механического устройства позволяет значительно варьировать величину и характер внешней нагрузки (например, возрастающей в фазе амортизации и убывающей в фазе отталкивания или
убывающей в фазе амортизации и возрастающей в фазе отталкивания).
Рассматривая тренажерное устройство ТРО как средство воспитания силовых и скоростно-силовых качеств спортсмена, можно заключить, что предлагаемое устройство позволяет создать новый класс специальных упражнений.
Примечания:
1. Алабин, В .Г. Тренажеры и специальные упражнения в легкой атлетике / В.Г. Алабин, М.М. Кривоносов. - М.: Физкультура и спорт, 1976. -272 с.
2. Аруин, А.С. Биомеханические свойства скелетных мышц и сухожилий / А.С. Аруин, В.М Зациорский. - М: ГЦОЛИФК,
1980. - 64 с.
3. Аруин, А.С. Влияние упругих сил мышц на эффективность мышечной работы / А.С. Аруин [и др.] // Физиология человека. - 1977. - Т. 3, № 3. - С. 519-525.
4. Аруин, А.С. Эквивалентные биомеханические
характеристики мышц голеностопного сустава / А.С. Аруин [и др.] // Физиология человека. - 1978. - №6. - С. 1072-1079.
5. Бернштейн, Н.А. О построении движений / Н.А. Бернштейн.
- М.: Медгиз, 1947. - 254 с.
6. Бернштейн, Н.А. Проблема взаимоотношений координации и локализации / Н.А. Бернштейн // Архив биологически наук.
- 1935. - Т. 38. - С. 1-38.
7. Донской, ДД Биомеханика: учеб. для ин-тов физической культуры / Д.Д. Донской, В.М. Зациорский. - М.: Физкультура и спорт, 1979. - 264 с.
8. Озолин, Э.С. Спринтерский бег / Э.С. Озолин. - М.: Физкультура и спорт, 1986. - 159 с.
9. Прилуцкий, Б.И. Уступающий режим активности мышц при локомоциях человека: дис. ... канд. пед. наук / Б.И. Прилуцкий. - М., 1990. - 21 с.
10. Черкесов, Ю.Т. Проблема и методические возможности детерминации режимов силового взаимодействия спортсменов с объектами управляющей предметной среды: автореф. дис. ... д-ра пед. наук / Ю.Т. Черкесов. - М., 1993. -62 с.
11. Шалманов, А.А. Взаимодействие с опорой в прыжках как предмет обучения: автореф. дис. ... канд. пед. наук / А.А. Шалманов. - М., 1986. - 23 с.
12. Шалманов, Ал.А. Основные механизмы воздействия с
опорой в прыжковых упражнениях: метод. рекомендации для слушателей высшей школы тренеров, факультетов
усовершенствования и повышения квалификации / Ал.А. Шалманов, Ан.А. Шалманов. - М., 1990.
13. Bober, Т. Investigation of the take-off Technigue in the Triple Jump / Т. Bober // Biomechanics IV / Ed. by R.C. Nelson and C.A. Morehouse. - University Park Press, 1974. - V. 1. - P. 149154.
14. Elftman, H. The action of muscles in the body / H. Elftman // Biolocical Symp.-1941. - V. 3. - P. 191.
15. Hill, A.V. Production and absorption of work by muscle / A.V. Hill // Science. - 1960. - V. 131. - P. 897.
16. Komi, P. Neurophysiological and mechanical interactions in running / P. Komi //Abstr. of the 22 World Congress of Sport Medicine, Vienna. - 1982. - № 1. - P. 48.
17. Margaria, R. Biomechanics and Energetics of Muscular Exercise / R. Margaria // Biomechanics of Human Locomotion. -OxfordiClarendon Press, 1976. - P. 146.
18. Margaria, R. Possibilita' di sfruttamento dell' Elastioita' del musoolo conratto durante l'eseroino musoolare / R. Margaria, QA. Cavagna, F.P. Saibene // ComuniGazione alla 9 Riunione Nazionale della Soo Italiana di Biochimica. - Catania, 1963. - 363 p.
19. Merton, P.A. Speculations on the servo-control of movement / PA. Merton // The Spinal Cord. Ciba Symposium, 1953. - P. 247-260.
20. А.с. 1673142 (СССР). Устройство для тренировки
тяжелоатлетов (Черкесов Ю.Т., Поветкин Ю.С., Жуков В.И., Доронин А.М). - Бюл. -1991, № 32.
21. А.с. 751404 (СССР). Устройство для тренировки мышц (А.Г. Цициков, Ю.М Аветисов, Л.К. Кривова и др.). - Бюл. - 1980, № 28.
22. А.с. 810250 (СССР). Устройство для тренировки спортсменов с мячом (В.В. Иванов, И.П. Ратов, В.Н. Хайченко). - Бюл. -
1981, № 9.
23. Welder В .P. 848319 (CAN). Exercising device for the hands and fingers. - Publ. 04.08.70.
