Биомеханический анализ техники выполнения оборота назад под жердями в стойку на руках с прямыми руками и подъема дугой в упор на брусьях Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

О.И. Загревский

БИОМЕХАНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕХНИКИ ВЫПОЛНЕНИЯ ОБОРОТА НАЗАД ПОД ЖЕРДЯМИ В СТОЙКУ НА РУКАХ С ПРЯМЫМИ РУКАМИ И ПОДЪЕМА ДУГОЙ В УПОР НА БРУСЬЯХ

Томский государственный педагогический университет

В настоящее время процесс технического мастерства спортсменов немыслим без его биомеханического обоснования. Биомеханический анализ гимнастических упражнений позволяет обосновать пути овладения совершенной техникой. В этой связи нами проанализированы два базовых гимнастических упражнения: оборот назад под жердями в стойку на руках с прямыми руками и подъем дугой в упор на брусьях.

Опорный период этих упражнений был условно разделен нами на две опорные фазы:

- первая - спад из упора в вис согнувшись до прохождения общего центра масс (ОЦМ) гимнаста вертикали внизу;

- вторая - от вер! икали вниз} до момента вылета гимнаста в безопориое положение.

Проведем биомеханический анализ техники этих упражневйи.

Первая опорная фаза

Упражнения выполняет мастер спорта СССР С. Дет-ков (рис. 1).

Упражнения выполняются из исходного положения в упоре на брусьях. Руки при этом наклонены вперед на 20° от вертикали в первом упражнении и на 24° во втором (рис. 1, а, б; кадры 0). Туловище и ноги составляют почти прямую линию и расположены под углом 180 и 170° к горизонтали в первом упражнении и 182 и 173° - во втором.

Держателе прямым, голову слегка наклонив вниз, гимнаст начинает движение туловищем и ногами вперед-вниз. При этом, активно упираясь руками на жерди от себя вперед, он создает вращательное движение назад по ходу спада, в результате чего туловище не приближается к точкам опоры. В процессе вращательного движения происходит уменьшение угла в плечевых и тазобедренных суставах. В плечевых суставах при исполнении первого упражнения угол уменьшается от 70 до 20°, а в тазобедренных суставах - от 191 до 166° (рис. 1, а; кадры 0-9),

Аналогичная последовательность изменения утлов в суставах происходит и во втором упражнении. В плечевых суставах угол изменяется от 74 до 26°, а в тазобедренных - от 198 до 170° (рис. 1, б; кадры 0-8).

Продолжая вращательное движение относительно опоры, гимнаст нажимает руками на жерди вниз,

стараясь приблизить тело к опоре. При этом угол в плечевых суставах начинает увеличиваться, а в тазобедренных продолжает уменьшаться. И когда ОЦМ гимнаста находится под вертикалью внизу (рис. 1, а; кадр 18), угол в плечевых составах равен 50°, а в тазобедренных 87°. Во втором упражнении углы в суставах соответственно равны 58 и 65° (рис. 1, б; кадр 18).

Таким образом, в первой опорной фазе исследуемых упражнений у гимнаста была такая последовательность сгибательно-разгибательных движений в суставах: угол в плечевых суставах вначале уменьшался, а затем увеличивался, при непрерывном уменьшении угла в тазобедренных суставах.

Отсюда понятно, что при различной последовательности и амплитуде сгиб&тсльно-разгиоательны>. движений в суставах, за один и тот кг промежуток времени, скорости изменения углов в плсчсбша суставах будут различными (рис. 2).

В первом упражнении (оборот назад под жердями в стойку на руках), по мерс уменьшения угла ь плечевых суставах гимнаста, скорость его изменяется от 2,8 до 0.1 рад/с (рис. 2, в; кадры 0-9) к затем, с увеличением угла между руками и туловищем, она плавно увеличивается до -2.1 рад/с. Аналогична кривая скорости изменения утла в плечевых суставах при выполнении и второго упражнения, с небольшим отличием по их величинам от первого упражнения.

Анализ графика показывает, что, так как скорости изменения угла в плечевых суставах небольшие, работа мышц плечевого пояса протекает в условиях, приближенных к статическому режиму работы мышц.

График изменения скорости утла между ногами и туловищем показывает, что в первом упражнении, с уменьшением угла в тазобедренных суставах, скорость ч величивается до 6.0 рад'с (рис. 2, кадры 13—14), а затем уменьшается до 0.0 рад.'с (кадр 17). Подобная закономерность наблюдается и при выполнении второго упражнения, где она увеличивается от 0.1 до 7.0 рад/с (рис. 2, г; кадры 0-14), а затем постепенно уменьшается.

Следовательно, скорость изменения угла в тазобедренных суставах в рассматриваемом упражнении, по своим абсолютным величинам в 2.5-3 раза превышает скорость изменения угла в плечевых суставах.

а

О 1 3 5 ^ 7 «П 11 13

Рис. 1. Оборот назад под жердями в стойку на руках через прямые руки (а) и подъем дугой в упор (б)

Рассмотрим сейчас силовые характеристики, которые определяют такие скорости изменения углов в суставах (рис. 3).

В начале спада, при уменьшении угла в плечевых суставах, моменты мышечных сил отрицательны по своей величине. Их максимальное значение в первом упражнении равно 22 кГм (рис. 3, в; кадры 3-4) и во втором упражнении - 30 кГм (рис. 3, в; кадр 2).

Это означает, что в этой части упражнения работают мышцы-разгибатели плеч, стремящиеся увеличить угол между руками и туловищем. Гимнаст в это время активно давит руками на жерди от себя. Но, несмотря на это, угол в плечевых суставах уменьшается, из чего можно заключить, что мышцы работают в уступающем режиме. Здесь уменьшение угла в плечевых суставах происходит под действием момента силы тяжести, действующего на тело спортсмена относительно оси плечевых суставов, а также инерционных сил, которые по своим величинам превышают силу тяги мышц-разгибателей плеч.

И, начиная с момента увеличения угла в плечевых суставах, моменты мышечных сил имеют положительную направленность, что указывает на работу мышц-сгибателей плеч (рис. 3, в; кадры 8-20). Мышцы в это время выполняют работу, направленную на уменьшение угла между руками и туловищем. Но угол в плечевых суставах не только не уменьшается, но и увеличивается, что говорит о работе мышц-сгибателей плеч в уступающем режиме. Раскрытие

угла в плечевых суставах здесь происходит под действием момента силы тяжести и ног относительно оси плечевых суставов, и инерционных сил, величина действия которых больше величины моментов мышечных сил сгибателей плеч. О значительных напряжениях мышц-сгибателей плеч свидетельствуют моменты мышечных сил, увеличивающиеся до 35 кГм в первом упражнении (рис. 3, в; кадр 18) и до 40 кГм во втором (рис. 3, в; кадр 15).

Моменты мышечных сил в тазобедренных суставах в начале спада имеют отрицательную величину и колеблются от-4 до-6 кГм (рис. 3, г; кадры 0-7), что говорит о напряжении мышц-разгибателей бедра, направленном на увеличение угла между ногами и туловищем. Однако угол в тазобедренных суставах в это время не только не увеличивается, а даже уменьшается. Следовательно, в этой части упражнения фиксация ног относительно туловища осуществляется мышцами-разгибателями бедра, работающими в уступающем режиме.

Дальнейшее же уменьшение угла в тазобедренных суставах гимнаста происходит уже в результате действия не только момента силы тяжести ног и инерционных сил, айв результате напряжения мышц-сгибателей бедра. Наибольшая величина моментов мышечных сил в первом упражнении равна

18 кГм (рис. 3, г; кадр 12), а во втором упражнении

19 кГм (рис. 3, г; кадр 14). Затем моменты мышечных сил сгибателей бедра уменьшаются по своей величине, в результате чего скорость сгибания ног в тазобедренных суставах также уменьшается (рис. 2, г; кадры 14-17).

Сравнительный анализ угловых скоростей звеньев тела в первом и втором упражнениях показывает, что в первой опорной фазе они практически равны по своим величинам и имеют общую закономерность (рис. 4).

Таким образом, сравнительный анализ основных биомеханических характеристик упражнений в первой опорной фазе позволяет сделать вывод о типичности «раннего» спада при выполнении оборота назад под жердями в стойку на руках и при выполнении подъема дугой в упор. Следует отметить, что типичность спада для этих двух упражнений наблюдается за 0.08-0.12 с до прохождения ОЦМ вертикали внизу, после чего происходит разброс биомеханических характеристик исследуемых упражнений.

Вторая опорная фаза

После прохождения ОЦМ вертикали внизу спортсмен разгибается в тазобедренных суставах. Изменения углов в суставах до момента вылета спортсмена в безопорное положение следующие. В первом упражнении угол в тазобедренных суставах увеличивается от 87 до 191° в течение 0.37 с (рис. 1, а; кадры 18-26). Угол же в плечевых суставах умень-

0 5 9 13 17 21 25 27

о 3

о. 1

л

ь

о -1

О _Л

„5 ..

3

42 6

І

о. з

А

О о

ьг

О

-3

-6

-9

------- Ряді +. *

—+—Ряд2 ~+*' V* м*

х. "в и \ «* /і

І і 1 1 і і Н“ , НШ* 1111» + . \ /

1 4 Т ти,«лз іо+ ■ +ш9.9«! -’Ш 2й- "257 ч 4- і + 4*

'1“ х" І

Кадры 0

І + +

ш і" ~ \ "і І —+— РЯД2 І

' ++++- ■+ 4- + '+ «X

- іііі 1 4 7 і 1 1 ! 1 ! і ! 10 13 16 1 <0 1§± 22 25 ■+

•\ щ/

Кадры

Рис, 2, Скорости изменения угла в плечевых (в) и тазобедренных (г) суставах гимнаста при выполнении оборота назад под жердями (ряд 1) в стойку через прямые руки и подъема дугой в упор {ряд 2)

шается от 56 до 36° в течение 0,16 с (кадры 18-22), а затем вновь увеличивается до 56° в течение 0,16 е (кадры 22-26).

Во втором упражнении угол в тазобедренных суставах увеличивается от 58 до 160° (рис. 1, б; кадры 18-26), а в плечевых суставах незначительно уменьшается от 65 до 58° (рис, 1, б; кадры 18-21) и затем вновь увеличивается до 75° (кадры 21-26). Время второй опорной фазы 0.33 с.

Таким образом, последовательность сгибательно-разгибательных движений в суставах спортсмена при выполнении второй опорной фазы в двух упражнениях следующая: вначале происходит уменьшение утла в плечевых суставах в течение 0.1-0.) 2 с, а затем следует его увеличение в течение 0.21 с. Угол же в тазобедренных суставах гимнаста все это время непрерывно увеличивается.

Характер изменения угла между руками и туловищем показывает, что, по мере уменьшения утла в плечевых суставах, скорость его изменения увеличивается от 0.5 до 1.9 рад/с в первом упражнении (рис. 2, в; кадры 18-20) и от 1.2 до 1.7 рад/с во втором упражнении (рис. 2, в; кадры 17-18). После этого она постепенно уменьшается и с увеличением угла в плечевых суставах в первом упражнении становится равной максимальной величине -1 рад/с (рис, 2, в: кадр 24), а во втором - -2 рад/с (рис. 2, в: кадр 24),

Отсюда можно заключить, что, так как скорости изменения угла в плечевых суставах в исследуемых упражнениях не превышали абсолютной величины

2.0 рад/с, то работа мышц плечевого пояса протекала в условиях, приближенных к статическому режиму.

График изменения скорости угла в тазобедренных суставах з первом упражнения, показывает, что с началом разгибания ног скорость изменения угла увеличивается от 0.5 до -7,1 рад/с (рис. 2, <?: кадры 17-22) в течение 0.2 с. Во втором упражнении происходит аналогичное увеличение от 0.1 до -7.9 рад/с (рис, 2, кадры 18-22) в течение 0.16 с. А так как за более короткий промежуток времени скорость изменения угла больше при выполнений- второго упражнения, то это свидетельствует о более мощном разгибании ног в тазобедренных суставах в этом движении.

Как отмечалось, до вертикали внизу гимнаст развивает значительные мышечные напряжения сгибателями плеч, направленные на сохранение утла в плечевых суставах (рис. 3, в: кадры 14-18), И лишь только в момент прохождения вертикали величины мышечных сил становятся достаточными, чтобы обеспечить уменьшение угла в плечевых суставах. С этого момента начинается работа мышц-сгибателей плеч в преодолевающем режиме, длящаяся

0.083 с (кадры 16-20). В дальнейшем направленность мышечных сил меняется на противоположную, т.е. в работу включаются мышцы-разгибатели плеч, осуществляющие разгибание в плечевых суставах (рис. 3, в; кадры 20-26). В результате этого, через 0.083 с после начала работы мышц-разгибателей плеч начинается увеличение угла в плечевых суставах в первом упражнении и через 0.041 с - во втором.

Величины моментов мышечных сил при этом значительны. При выполнении оборота назад под жердями в стойку с прямыми руками они равны 15 кГм (рис. 3, в; кадр 22), а при выполнении подъема дугой

О 5 \\9 13 17 21 25 27

О 5 р 13 17 21 25 27

0 5 9 13 17 21 25 27

0 5 8 13 17 21 25 27

200

100 - о

ьг

2-100 ! -200 1-300 -400 -500

,+ + + . .... +1 / *г /

/ _# + * / / •

+ + 4- 7 1П 13 гтгтр- ■г'У ч 1й ! / і 1^1 1

--Ряді

—+—Ряд2 \ 1

“ +/ +

Кадры

8

«•

о- 5 н 4

3 2 1

О

о

О

Ч-»

і

о

ь;

О

"Ж**,

+

?+> + ё

+'+++:+ +

•«•Г

'+“±

++•+

л.

-++*т

.+ #

■ Ряді ■Ряд 2

_т_г_1—| , г [ ! ! ! !—I——|—Ї—1—5—I—I—Г-1—I—Г") И

1 4 7 10 13 18 19 22 25

Кадры

9

6

о.

£ 3

Ряд 1 -- —+—Ряд2 Т +,

*' ' '®. •-•V +, ; +++ +ч %

• V *• \

Т- її » і і і И '[ 1 1 1 1 1 Г” Г Т Г 1 I 1 Н 1 "Г 1 4 7 10 13 16 19 22 2)5 *т* .+

Рис. 3. Моменты мышечных сил в плечевых (в) и тазобедренных (г) суставах гимнаста при выполнении оборота назад под жердями в стойку на руках с прямыми руками (ряд 1) и подъема дугой в упор (ряд 2)

в упор 17 кГм (рис. 3, в; кадр 22). Сгибатели плеч в это время работают в преодолевающем режиме.

В тазобедренных же суставах после прохождения вертикали внизу моменты мышечных сил в двух упражнениях имеют отрицательные величины, что говорит о работе мышц-разгибателей бедра (рис. 3, г; кадры 18-26 и рис. 3, г; кадры 18-22). И так как угол между ногами и туловищем увеличивался, то мышцы работают в преодолевающем режиме. По своим величинам моменты мышечных сил в тазобедренных

Кадры

Рис. 4. Угловая скорость рук (в), туловища (г) при выполнении гимнастом оборота назад под жердями в стойку на руках с прямыми руками (ряд 1) и подъема дугой в упор (ряд 2)

суставах имеют значительные отличия. Если при выполнении первого упражнения их максимальная величина равна 27.9 кГм (рис. 3, г; кадр 18), то при выполнении второго упражнения 40 кГм (рис. 3, г; кадры 20-21).

В процессе увеличения угла в тазобедренных суставах величина моментов мышечных сил уменьшается. И за 0.083 с до вылета спортсмена в безопор-ное положение величина усилий при выполнении

подъема дугой в упор меняется на противоположную, что указывает на работу мышц-сгибателей бедра (рис. 3, г; кадр 25). Следовательно, торможение ног начинается на опоре.

Здесь интересно отметить тот факт, что активное разгибание ног в тазобедренных суставах во второй опорной фазе приводит к увеличению давления на жерди. Вертикальная составляющая силы реакции опоры перестает уменьшаться и даже несколько повышает свое значение, что свидетельствует о мощном разгибании ног в тазобедренных суставах при выполнении подъема дугой в упор (рис. 5, кадры 20-21). Об этом же свидетельствуют и моменты мышечных сил разгибателей бедра, величина которых в это время составляет 400 Н (ньютон). А последующее торможение ног довольно резко снимает вертикальную нагрузку на жерди: вертикальная составляющая силы реакции опоры за 0.12 с уменьшается от 1 680 до 240 Н (рис. 5, кадры 21-24).

Аналогичная закономерность изменения кривой вертикальной силы реакции опоры наблюдается и при выполнении оборота назад под жердями в стойку на руках, но только в момент разгибания ног в тазобедренных суставах нагрузка на жерди не увеличивается, а лишь перестает уменьшаться (рис. 5, кадры 21-22). Таким образом, здесь разгибание ног в тазобедренных суставах выражено в меньшей степени,

Для прихода в упор при выполнении подъема зу-гсй гимнасту требуется изменить направление вращательного движения, т.е. изменить кинетический момент относительно ОЦМ с положительного значения на отрицательное. Как же это происходит?

Анализ изменения кинетического момента показывает, что изменение вращательного движения осуществляется на опоре (рис. 6). Кинетический момент, равный 17.5 кгхм2/с (рис. 6, кадр 20) складывается из значений кинетических моментов звеньев тела, указывающих на вращательное движение против хода часовой стрелки. Для ног он равен 3.8 кгхм2/с, для туловища 9.8 кгхм2/с, а для рук 3.9 кгхм2/с. С изменением направления вращения ног, т.е. их вращением по ходу часовой стрелки, кинетический момент ног становится отрицательным (рис. 6, кадр 21). Аналогичным образом изменяются значения кинетического момента туловища (кадр 23) и рук (кадр 25).

Следовательно, для изменения вращательного движения гимнаст уже на опоре изменил величину кинетического момента на противоположную и в конце второй опорной фазы имел кинетический момент всего тела, равный -37.3 кгхм2/с (рис. 6, кадр 26), что свидетельствует с вращении тела по ходу часовой стрелки, т.е. по ходу движения. Так как момент инерции относительно ОЦМ в это время равен 10.5 кгхм2/с, то, следовательно, угловая скорость вращения тела в момент вылета в безопорное положение равнялась -3.53 рад/с.

X 2 500

§. 2 000

с

и 1 500

§

Я! 1 000

к т 500

О 0

■ Ряді -Ряд 2

9

,* ++ +

#+

/

------------------------------------------------------------------------+В.

■7

•+

-#-+■

-+?•/ _______'+

і і ґ І.ГТ'"Ґ ”І ! Г~ї , ! ГГ І Г

І І І І І Ч І+.+.

1 4 7 10 13 16 19 22 25

Кадры

Рис. 5. Вертикальная составляющая силы реакции опоры при выполнении оборота назад под жердями в стойку на руках с прямыми руками (ряд 1) и подъема дугой в упор (ряд 2)

х

а

Зг

х

Ф

-30

-40

■ !■•-*--* Ряді | —+ — Ряд2 І I —*— РядЗ

| —х— Ряд4

Кадры

Рис. 6. Кинетический момент рук (ряд 1), туловища (ряд 2),

ног (ряд 3), всего тела (ряд 4) при выполнении гимнастом подъема дугой в упор

Движение ОЦМ от вертикали внизу и до момента вылета спортсмена в безопорное положение в первом упражнении направлено вертикально вверх, а вс-втором - под углом 37е к горизонтали. В первом упражнении ОЦМ расположен на высоте 0.38 м от уровня жердей в конце второй опорной фазы, а во втором упражнении на высоте 0.17 м. Скорости вылета соответственно равны 2.9 и 0.99 м/с по вертикали. Полет в безопорном положении в двух упражнениях составляет 0.29 с. В момент постановки рук на опору, при выполнении оборота назад под жердями, ОЦМ находится на расстоянии 0.8 м от уровня жердей. При выполнении же подъема дугой в упор максимальная высота подъема ОЦМ равна 0.23 м.

Интересно выяснить вопрос, какая скорость ОЦМ нужна гимнасту, чтобы выйти сразу же в стойку на

руках? Расчеты показывают, что для этого гимнасту необходимо поднять ОЦМ на высоту 1.04 м от уровня жердей. И в случае расположения ОЦМ на той же высоте от уровня жердей в момент вылета (0.38 м), спортсмену необходимо приобрести скорость по вертикали равную 3.7 м/с. Для достижения этой скорости гимнасту можно пойти по пути увеличения скорости спада. Но в этом случае увеличится нагрузка на руки, что может привести к раскрытию угла в плечевых суставах, и спортсмен не справится с программой движения. Следовательно, для этого нужно специально готовить гимнаста путем применения в тренировке специальных упражнений, направленных на увеличение силовых качеств гимнастов.

Выводы

1. Техника выполнения первой опорной фазы в двух упражнениях типична, во второй - различна.

2. Главные управляющие движения в обороте назад под жердями в стойку на руках в двух опорных фазах - сгибательно-разгибательные движения в плечевых суставах. Главные управляющие движения в первой опорной фазе подъема дугой в упор - сгиба-тельно-разгибательные движения в плечевых суставах, во второй опорной фазе - разгибательно-сгиба-тельные движения в тазобедренных суставах.

3. При выполнении оборота назад под жердями в стойку на руках с прямьми руками и подъема дугой в упор отмечается незначительная скорость изменения угла между руками и туловищем. В результате этого мышцы-разгибатели и сгибатели плеч работают в режиме, приближенном к статическому. Это дает возможность гимнасту проявлять максимальные величины сил в плечевых суставах.

4. В процессе выполнения двух упражнений гимнаст развивает усилия мышцами-сгибателями плеч в пределах 35-40 кГм при суставном угле в плечевых суставах 30-60°. Эти показатели являются околопре-дельными, так как в этом случае используется 85-95 % максимальной величины силовых качеств гимнастов.

5. Для увеличения скорости вылета ОЦМ до 3.7-

4.0 м/с, что обеспечивает выполнение оборота назад под жердями с приходом непосредственно в стойку на руках, гимнастам необходимо повысить уровень силовой подготовленности мышц-сгибателей плеч до показателей, превышающих 40^43 кГм в диапазоне изменения угла между руками и туловищем 30-60°. Мышцы-разгибатели плеч должны развивать при этом усилия не менее 25-27 кГм.

6. Для увеличения параметров полетной фазы подъема дугой в упор целесообразно повышать уровень силовой подготовленности не только мышц-сгибателей и разгибателей плеч, но и разгибателей бедер.