CC BY
189ТРЕНЕР
УДК: 796.012
БИОМЕХАНИКА УТОМЛЕНИЯ В БЕГЕ
Профессор Е.Е. Аракелян
Российский государственный университет физической культуры, спорта и туризма, Москва Кандидаты педагогических наук, доценты В.В.Тюпа, О.Д. Михайлова, О.Н. Мнухина Московский городской педагогический университет, Москва
Abstract
FATIGUE BIOMECHANICS IN RUNNING
E.E. Arakelyan, professor Russian state university of physical culture, sport and tourism, Moscow V.V. Tupa, associate professor, Ph.D.
O.D. Mikhaylova, associate professor, Ph.D.
O.N. Mnukhina, associate professor, Ph.D.
Moscow state pedagogical university, Moscow
Key words: running, mechanics, fatigue, muscles, stretching, contraction, erect leg.
The purpose of the research was to
study the influence of fatigue on mechanics of running. Many indices of mechanics commonly relate to the value of running speed. Using them it may be possible to predict changes of the number of indices due to increase of running speed. But the data concern running not in the state of fatigue. At the same time the problem of change of running technique in the end of distance in the state of acute fatigue was of vital importance. It was shown that at the finish of 400 and 800m running the length and frequency of steps decreased and the leg hit the track further then usually and more straightened. Moreover, length of leg swing, force of take-off and forward component of external mechanical work decreased sufficiently at finish. At the same time vertical lifts of the body centre of gravity and hence the vertical component of external work increased. But it was not clear if these changes were due to general conformity with running not in the state of fatigue or were proportionate to running speed. The tired runner was easing the speed and all his indices of running form corresponded to the value of speed. In this case there were no specific changes in running technique.
The results shown that the fatigue specifics in 200, 400 and 800m running was in the broken relation between the power of muscles stretching and contraction. The local fatigue of hip muscles was the main reason of transition to lower speed. In finishing running the leg hit the track straightened in the knee joint, not so as when it was not tired. The idea of local muscle endurance was confirmed, that could be used to improve effectiveness in finishing running.
Ключевые слова: бег, механика, утомление, мышцы, растяжение, сокращение, выпрямленная нога.
Введение. К настоящему времени найдено множество уравнений, описывающих связь между показателями техники бега и его скоростью. Используя их, можно рассчитать изменения многих показателей соответственно увеличению скорости бега. Но это относится к бегу в неутомленном состоянии. В то же время очень актуален вопрос об изменении характеристик бега при уменьшении его скорости на финише дистанции, в фазе острого утомления. Этот вопрос изучен слишком мало, чтобы понять специфику утомления, Было показано, что на финише бега на 400 и 800 м уменьшаются длина и частота шагов, а нога ставится на грунт дальше, чем обычно, и более выпрямленной [9, 16]. Кроме того, на финише бега на различные дистанции достоверно уменьшаются размах движений ног, сила отталкивания и продольный компонент внешней механической работы. В то же время растут вертикальные колебания общего центра масс тела и, следовательно, вертикальный компонент внешней механической работы [1, 4, 11, 13].
Однако неясно, подчиняются ли эти изменения общим закономерностям бега в неутомленном состоянии. Может быть, они просто пропорциональны скорости бега? Из-за усталости бегун переходит на меньшую скорость и все характеристики техники бега соответствуют ей так, как если бы он передвигался по дистанции в неутомленном состоянии. В таком случае изменений техники бега нет, техника не искажается, не «ломается». Не исключено, что меньшая вертикальная работа и более острый угол отталкивания у стайеров высокой квалификации [23]обусловлены более высокой скоростью бега. Это следует из зависимости между скоростью бега и вертикальной работой, рассчитанной ранее [19]. Все эти неясности и определили выбор темы исследования.
Целью нашего исследования было найти специфическое влияние утомления на технику бега на короткие, средние и длинные дистанции, а его объектом - биомеханические характеристики бега в начале и конце дистанции, предметом - влияние утомления на технику бега.
1. Методы исследования. Определяли среднюю скорость бега, время опоры, полета, длину и частоту шагов, опорные реакции, перемещение и скорость общего центра масс тела аналогично методике [19, 26]. Аппаратура и методы расчета были описаны ранее [1, 4, 11, 25].
Зависимость показателей техники бега от его скорости в неутомленном состоянии устанавливали благодаря регрессионному анализу, а достоверность разности показателей бега в начале и конце дистанции — по t-критерию Стьюдента.
2. Организация исследования. Эксперименты были проведены на 115 бегунах-мужчинах различной квалификации, в том числе на членах национальной сборной. Их возраст - 18-23 года, рост - 1,77±0,08 м.
На дистанции 100 м бежали 20 человек (вес 71± 9 кг), на 200 м - 20 человек (вес 69 ±8 кг), на 400 м -25 человек (вес 70±7 кг), на 800 м - 23 человека (вес 68±7кг) и на 5000 м - 27 человек (вес 65±6 кг).
В начале эксперимента на 100 и 200 м предлагали пробежать 30 м с ходу с максимальной скоростью. Бегунам на 400, 800 и 5000 м - пробежать 30 м с той скоростью, с которой они начинают бег в начале дистанции. Во время этих попыток все бегуны должны были попасть ногой на платформу так, чтобы длина их шага и техника бега были обычными. Затем, после необходимого им отдыха, они бежали свою дистанцию на результат. Платформа находилась перед финишной линией. Если на финише бегун «засекал» или «выхлестывал» голень, не попадая на платформу естественным образом, то эту попытку не учитывали вообще.
Киносъемку применяли при беге 4 испытуемых высокой квалификации (национальная сборная) на 200 м, а также 4 испытуемых при беге на 800 м (сборная Москвы). Электромиограмму мышц ноги регистрировали при беге 8 испытуемых высокой квалификации на 800 м.
Электромиограмму (ЭМГ) подвергали анализу по методу Р.С. Персон. Рассчитывали их частоту и суммарную активность.
Забеги были проведены в легкоатлетическом манеже Российского государственного университета физической культуры, спорта и туризма. Тензо-платформа крепилась на бетонном основании, а ее поверхность была на уровне дорожки. На металлическую поверхность платформы был приклеен слой рекортана1.
3. Результаты. Сначала сравнивали данные бега в начале и на финише дистанции, а также проводили регрессионный анализ показателей техники бега в начале дистанции в неутомленном состоянии. Затем реальные показатели бега в утомленном состоянии сравнивали с показателями, рассчитанными по уравнениям регрессии. Уравнения применяли там, где обнаруживался высокий коэффициент корреляции.
1 Экспериментальные данные были получены совместно с Ф.А. Гусейновым и частично опубликованы ранее [1, 4, 11, 25].
При этом в уравнения регрессии вводили величины скорости бега на финише дистанции. Если различия между реальным и рассчитанным показателями были больше величины стандартного отклонения уравнения регрессии, то это значило, что показатель бега в состоянии утомления изменялся непропорционально скорости бега в неутомленном состоянии. Другими словами, здесь проявлялось специфическое изменение техники бега, которая «ломалась» в состоянии утомления.
Итак, начнем с изменения скорости бега (табл. 1).
Видно, что наибольшее снижение скорости бега произошло в длинном спринте, особенно на дистанции 400 м, где утомление самое острое. На этой дистанции падение скорости произошло за счет уменьшения длины и частоты шагов, при беге на 5000 м - за счет длины шагов. При беге на 100, 200 и 800 м скорость снизилась за счет частоты шагов. Первопричиной уменьшения этих показателей в состоянии острого утомления является, естественно, уменьшение силы сокращения мышц. А это может привести к переходу на непроизводительную технику бега, в частности к росту вертикальной работы, вызванной увеличением вертикальных колебаний общего центра масс (ОЦМ).
3.1. Вертикальная работа. Этот показатель является одним из признаков более экономичного бега при одной и той же скорости бега [15, 21], как и при сравнении техники бегунов на средние и длинные дистанции [7, 16]. При возрастании скорости бега вертикальная работа уменьшается [2, 18, 25]. Это происходит по следующей причине. При росте скорости бега неизбежно сокращается время опоры, поскольку продольное перемещение ОЦМ в периоде опоры постоянно для каждого индивидуума [19], меньшее время опоры автоматически ведет к уменьшению импульса вертикальной силы, несмотря на больший прирост ее средней величины [18, 26]. Поэтому при меньшем импульсе силы уменьшаются вертикальное перемещение ОЦМ и вертикальная работа. Бег становится плавным, угол вылета ОЦМ уменьшается [2]. И, наоборот, при снижении скорости бега вертикальная работа растет. Так ли это при беге в состоянии острого утомления? При беге на короткие дистанции это так, что видно из табл. 2, особенно на дистанциях 200 и 400 м.
По данным нашей выборки 115 бегунов, зависимость вертикальной работы от скорости бега в неутомленном состоянии выражается, как:
Wv = 1,155 - 0,098 V(±0,76), г = -0,88, (1)
где Wv - вертикальная работа, рассчитанная на единицу пути и единицу массы тела в Дж/кг/м, V - скорость бега (м/с), г - коэффициент корреляции.
Теперь рассчитаем величину вертикальной работы, подставляя значение скорости бега на финише каждой дистанции (см. табл. 1) в уравнение (1). Затем сравним разность между реальной и рассчитанной величинами вертикальной работы (табл. 3).
ТРЕНЕР_
Таблица 1. Изменение скорости бега, Х±о
Дистанция, м 100 200 400 800 5000
Начало 8,93±0,81 9,80±0,73 7,42±0,85 6,75±0,49 5,50±0,40
Финиш 8,42±0,76 7,42±0,88 5,87±0,71 6,31±0,49 4,95±0,44
Разность, м/с -0,51 -1,38 -1,55 -0,44 -0,55
Примечание. Здесь и в дальнейшем числа, выделенные жирным шрифтом, достоверны при уровне значимости р=0,01 и 0,05.
Таблица 2. Изменение положительной вертикальной работы, Х±о
Дистанция, м 100 200 400 800 5000
Начало 0,285±0,05 0,30±0,05 0,402±0,11 0,447±0,06 0,663±0,11
Финиш 0,322±0,03 0,428±0,08 0,580±0,15 0,477±0,05 0,714±0,09
Разность, % 13,0 42,7 44,8 6,7 7,1
Примечание. Здесь и в табл. 3 и 4 работу рассчитывали в Дж/кг/м.
Поскольку величины разности вертикальной работы не превышают величины стандартной ошибки уравнения (1), то вертикальная работа одна и та же на одной и той же скорости бега, несмотря на усталость бегуна или ее отсутствие. Специфики изменения работы в вертикальном направлении в состоянии утомления не наблюдается, то есть она автоматически выросла из-за перехода на более низкую скорость бега согласно общим закономерностям бега в неутомленном состоянии.
3.2. Продольная работа. Анализ этой работы, производимой для прироста продольной скорости 0ЦМ, не менее интересен. При увеличении скорости бега в неутомленном состоянии растут потери скорости ОЦМ в фазе торможения и увеличивается ее прирост в фазе отталкивания. Это приводит к росту положительной продольной работы [19, 25]. Следовательно, можно ожидать, что при снижении скорости бега в состоянии утомления продольная работа должна снизиться. Действительно, положительная продольная работа на финише упала, особенно при беге на 200 и 400 м (табл. 4).
Теперь следует проверить, есть ли непропорциональное уменьшение продольной работы при беге в состоянии утомления. Для этого нужно использовать уравнение, полученное при беге 115 неутомленных испытуемых:
Wf = 0,061 - 0,168 V (±0,246), г = 0,71, (2)
где Wf - продольная положительная работа (Дж/ кг/м).
Рассчитаем по уравнению (2) величину продольной работы в состоянии утомления. Из сравнения разности реальной и рассчитанной работы со стандартным отклонением уравнения (2) находим, что специфики изменения продолжительной положительной работы в состоянии утомления нет (см. табл.
3). Продольная работа на одной и той же скорости одинакова несмотря на состояние бегунов.
3.3. Мощность. Однако мы допускаем, что специфика утомления может проявиться при анализе мощности взаимодействия ноги с опорой, которая может опосредованно выражаться в мощности торможения и разгона ОЦМ. При этом мощность рассчитывается как частное от деления изменения механической энергии на время торможения и отталкивания соответственно.
Ранее было показано, что внешняя мощность и ее продольный компонент положительно коррелирует со скоростью бега на уровне р=0,89 и 0,86. Вместе с тем известно, что мощность отталкивания при беге определяется мощностью предварительного растяжения мышц в фазе торможения [20]. Отсюда можно ожидать, что при падении скорости бега в состоянии утомления мощность торможения и отталкивания упадет. Наше ожидание базируется на уравнениях:
Рй = -5,288 + 4,38 5,62), г = 0,75, (3)
Ра = -28,5 + 8,672 5,41), г = 0,92, (4)
где Рй и Ра - продольная мощность торможения и отталкивания соответственно (Вт/кг), рассчитанная как отношение изменения продольной механической энергии ко времени торможения и отталкивания на единицу массы тела испытуемого.
И опять наши ожидания были напрасными. Как видно из табл. 5, положительная мощность достоверно уменьшилась согласно уравнению (4), в то время как отрицательная слегка, но недостоверно изменилась.
На первый взгляд этот факт может доказать специфическое влияние утомления, потому что он противоречит уравнению (3). Но из сравнения рассчитанных и реальных величин можно видеть, что в
Таблица 3. Реальные и рассчитанные величины вертикальной и продольной положительной работы, Х±с
Показатель W верт. W прод.
Дистанция, м 100 200 400 800 5000 100 200 400 800 5000
Реальная 0,33 0,43 0,58 0,48 0,71 1,41 1,15 0,92 0,95 0,85
Рассчитанная 0,33 0,43 0,58 0,54 0,67 1,47 1,31 1,05 1,12 0,89
Разность 0,01 0 0 0,06 -0,04 -0,07 0,16 0,12 0,17 0,04
_ТРЕНЕР
Таблица 4. Изменение положительной продольной работы, Х±с
Дистанция, м 100 200 400 800 5000
Начало 1,603±0,25 1,593±0,26 1,256±0,25 1,184±0,27 0,954±0,25
Финиш 1,409±0,26 1,149±0,34 0,921±0,27 0,952±0,29 0,854±0,22
Разность, % -12,1 -27,9 -26,7 -19,6 -10,5
Таблица 5. Изменение отрицательной и положительной продольной мощности взаимодействия с опорой, Х±с
Показатель Р* р»
Дистанция, м 100 200 400 800 5000 100 200 400 800 5000
Начало Х 33,4 32,4 28,4 24,4 18,5 50,7 46,5 34,7 29,0 19,1
с 7,7 9,1 6,3 4,0 52,2 11,2 8,7 8,7 4,6 4,2
Финиш Х 34,8 30,5 26,3 24,1 16,2 42,0 31,7 21,2 21,7 15,4
с 9,1 9,7 8,3 2,6 4,1 9,9 10,6 7,2 5,5 3,9
Разность, % 4,2 -5,9 -7,1 -1,3 -12,4 -17,1 -31,9 -31,9 -25,5 -19,7
основном они изменились соответственно скорости бега (табл. 6).
Лишь отрицательная мощность на финише бега на 400 м существенно ниже. Формальная причина этого в том, что потери продольной энергии в очень большой фазе торможения на финише бега на 400 м были на 19-24 % больше, чем на финише бега на 100, 200 и 800 м. Это предопределило самую высокую мощность торможения. Однако это чрезмерное и непропорциональное скорости бега торможение выбивается из зависимости «скорость бега-мощность торможения». Оно свидетельствует о специфике изменения техники бега в утомленном состоянии.
Проведенный тип анализа все же вызывает сомнение. С одной стороны, мощность при одной и той же величине скорости бега одинакова, невзирая на то, устал испытуемый или нет. Однако, если мощность сокращения мышц зависит от мощности их предварительного сокращения, то, возможно, прямой анализ этой зависимости даст иной результат. Возможно, это позволит понять природу специфического влияния утомления на технику бега. По данным бега 115 испытуемых в неутомленном состоянии, зависимость между мощностью отталкивания и торможением выражается, как:
Ра = 1,801 + 1,288 Рй (± 9,06), г = 0,76. (5)
Подставив в формулу (5) реальные значения мощности торможения при беге на финише, получим рассчитанные величины мощности отталкивания. Сравним их (табл. 7).
В результате получаем непропорциональное соотношение мощности торможения и отталкивания при беге на 200, 400 и 800 м. Другими словами, растяжение утомленных мышц приводит к чрезмерно низкой мощности их сокращения. Например, при беге на 400 м мощность отталкивания должна быть 35,7 Вт/
кг, но реально она намного ниже - равна 21,2 Вт/кг. И это может зависеть от многих факторов, включая биомеханические свойства мышц, что снижает мощность их сокращения. Так, при беге на 400 м было зафиксировано самое острое утомление в результате наибольшего сдвига кислотно-щелочного равновесия крови [15]. А это приводит к подавлению функциональной активности нервных клеток, резкому падению содержания АТФ и КрФ и увеличению АДФ [3]. В результате сила мышц очень резко снижается. Таким образом, при беге на 200 - 800 м ярко проявляется специфика утомления.
3.4. Работа мышц. Утомление мышц изучали на 8 испытуемых высокой квалификации. Эти данные были изложены ранее [14]. Использовали такие информативные показатели, как суммарная активность и частота осцилляций ЭМГ [8].
Так, по мере роста квалификации бегунов на выносливость снижение напряжения мышц было связано с уменьшением суммарной биоэлектрической активности мышц. Этот показатель имеет положительную квадратическую связь со скоростью бега [24]. У наших испытуемых на финише суммарная активность ЭМГ прямой и двуглавой мышц бедра соответственно снизилась на 15,7 и 12,1 %, икроножной - на 9,3 %. Кроме того, частота осцилляций ЭМГ прямой и двуглавой мышц бедра снизилась на 8,9 и 22,6%, внутренней головки четырехглавой мышцы бедра и икроножной - на 24,4 и 29,6 %, передней большеберцовой - на 13,7 %.
Известно, что урежение осцилляций ЭМГ наблюдается при увеличении синхронизации сокращения двигательных единиц. Это можно наблюдать как при увеличении силы сокращения неутомленной мышцы, так и при сокращении утомленной мышцы, которая производит меньшую работу. Конечно, у наших
Показатель р»
Дистанция, м 100 200 400 800 5000 100 200 400 800 5000
Реальная 34,8 30,5 26,3 24,1 16,2 42,0 31,7 21,2 21,7 15,4
Рассчитанная 31,6 27,2 20,4 22,3 16,4 44,5 35,8 22,4 26,2 14,4
Разность -3,2 -3,3 -5,9 1,8 0,2 2,5 4,1 1,2 4,5 -1,3
Таблица 6. Реальные и рассчитанные величины мощности торможения и отталкивания при беге на финише, Вт/кг
ТРЕНЕР
Таблица 7. Реальные и рассчитанные величины мощности отталкивания и торможения, Вт/кг
Дистанция, м 100 200 400 800 5000
РЛ реальная 34,8 30,5 26,3 24,01 16,2
Ра реальная 42,0 31,7 21,2 21,7 15,4
Ра рассчит. 46,7 41,1 35,7 33,0 22,7
Разность 4,7 9,2 14,5 11,3 7,3
средневиков на финише бега мышцы были утомлены очень сильно. Таким образом, все эти факты показывают уровень утомления различных мышц.
3.5. Движение ног. У 4 спринтеров из национальной сборной была зарегистрирована скорость бега в начале и конце дистанции - 9,20±0,56 и 8,45±0,34 м/с соответственно. На финише было обнаружено достоверное уменьшение угловых показателей. Так, угол межу бедрами в момент вылета уменьшился со 120±3,4 до 98±9°, а угловая скорость сведения бедер (от момента вылета до момента постановки ноги) достоверно снизилась на 60 % - с 17,3±2,2 Рад/с.
Однако самым примечательным было изменение угла в коленном суставе в момент постановки ноги: на финише он вырос со 143±2,6 до 155±3,6°. Такая же закономерность была обнаружена ранее [16].
При беге на 800 м наблюдалось то же самое. Скорость бега 4 испытуемых высокой квалификации уменьшилась с 6,83±0,49 м/с в начале бега до 5,98±0,69 м/с в конце. Угол между бедрами в момент вылета изменился со 106±4,6 до 88±6,4°, а угловая скорость их сведения с 9,8±1,5 Рад/с достоверно уменьшилась на 50,4 %. Нога также ставилась жестче: угол в коленном суставе в момент постановки ноги увеличился со 143±1,7 до 152±2,7°. Эти результаты согласуются с данными А.И.Комарова [9]).
Итак, при беге на 200 и 800 м наблюдается одно и то же: угловая скорость и размах движения бедер на финише уменьшаются, а нога ставится на грунт более выпрямленной в коленном суставе, жестче.
Уменьшение размаха движения бедер и падение скорости их вращения не являются спецификой утомления. Согласно их зависимости от скорости бега в диапазоне 5 - 11 м/с в неутомленном состоянии они так и должны изменяться [10]. Однако более жесткая постановка ноги наблюдается при увеличении скорости бега, причем за счет более выпрямленной стопы. К тому же амортизация в голеностопном суставе растет, а в коленном суставе - снижается. Коэффициент корреляции между скоростью бега и углом в голеностопном суставе равен 0,95, между скоростью и увеличением угла в фазе амортизации в голеностопном и коленном суставах равны соответственно 0,72 и -0,83 [14]. И, наоборот, при беге в утомленном состоянии, при низкой скорости, наши испытуемые ставят ногу жестче, притом за счет выпрямления ноги в коленном суставе. Подобное было показано ранее при беге на 800 м [16].
4. Обсуждение результатов. Итак, главный факт нашей работы следующий. Специфика острого утомления при беге на 200, 400 и 800 м проявляется в нарушении соотношения между мощностью тормо-
жения и отталкивания, а также в постановке более выпрямленной ноги на грунт при беге на 200 и 800 м. Можно не сомневаться, что это происходит и при беге на 400 м. Понятно, что фаза амортизации (торможения) и фаза отталкивания происходят за счет цикла растяжения и сокращения мышц. Поэтому нарушение соотношения мощности торможения и отталкивания при утомлении обозначает нарушение пропорции между мощностью растяжения и сокращения мышц за время опоры.
Чтобы понять наши экспериментальные данные, нужно обратиться к работам, проведенным ранее [18-20]. Принудительное растяжение мышц возможно под действием внешней энергии, приложенной к ним. При этом механическая энергия может накапливаться в эластических элементах мышц, как в сухожилиях, так и в сократительных элементах, растягивая их. Энергия немедленно высвобождается при последующем сокращении мышц. Этот механизм рекуперации энергии очень выгоден, повышая эффективность бега соответственно росту его скорости [19].
Реализация этого механизма связана с биомеханическими свойствами мышц, а именно с их жесткостью, а также временем релаксации. Чем меньше время между растяжением и последующим сокращением мышцы и чем больше скорость ее растяжения, тем больше может утилизироваться накопленной энергии. Поэтому переход на более высокую скорость бега с неизбежным сокращением фаз торможения и отталкивания более выгоден, что и повышает эффективность бега.
Показано: чем жестче мышца, тем меньше потери энергии и больше величина сохраняющейся энергии. Жесткость мышцы положительно связана с ее силой [5, 6]. При беге используются преимущественно упругие свойства сухожильной части мышц [17]. В то же время положительный эффект предварительного растяжения мышц может объясняться не только рекуперацией энергии. Дополнительная активация мышц по стретч-рефлексу усиливает их сокращение. Он проявляется при условии, если время растяжения напряженной мышцы находится в интервале 20-50 мс [22].
Теперь вернемся к нашим экспериментальным данным. Когда бегуны находятся в состоянии острого утомления, уменьшение длины и частоты шагов определяется уменьшением силы мышц. Согласно данным бега наших средневиков больше всего устают мышцы бедра, что видно из сравнения суммарной активности мышц. Это понятно, так как мышцы бедра отвечают за разгон и торможение маховой ноги [3]. Мышцы бедра - самые массивные и поэтому самые энергоемкие. Так, за время бегового цикла при скорости бега 8,8 м/с мышцы тазобедренного сустава произвели 455 Дж, мышцы голеностопного и коленного суставов за время опоры - 192 и 31 Дж [12]. Поэтому понятно, что основная причина утомления при беге - интенсивная работа мышц бедра. При этом из-за утомления уменьшается частота шагов и бегун вынужден перейти на более низкую скорость.
В то же время показатели работы коленного и голеностопного суставов свидетельствуют, что основным амортизатором и движителем тела при взаимодействии с опорой является голеностопный сустав [12]. Это подтверждается большей величиной амортизации в нем - 33,7 ± 7,1° по сравнению с амортизацией в коленном суставе, равной 8,7 ± 2,4° при скорости бега 8,48 ±0,79 м/с у 18 испытуемых [14]. Добавим к этому, что в сухожилиях трехглавой мышцы аккумулируется до 75-90 % механической энергии, поглощаемой этой мышцей [17]. Причем в фазе торможения при беге эта мышца удлиняется на 3-4 см [14]. Отсюда вывод: повышение упругих свойств трехглавой мышцы - одно из необходимых требований.
При снижении скорости бега неизбежно увеличивается время опоры, прежде всего за счет времени торможения. Так, по данным бега 115 испытуемых в неутомленном состоянии это выражается уравнениями:
^ = 0,224 - 0,01 V (± 0,002), г = -0,92; (6)
£ = 0,126 - 0,009 V (± 0,009), г = -0,83; (7)
^ = 0,122 - 0,006 V (± 0,008), г = -0,75. (8)
При беге на 200, 400 и 800 м произошло самое значительное увеличение времени торможения: на 200 м - с 40±8 мс в начале до 56±11 мс на финише, на 400 м - с 61±1 до 80±15 мс и на 800 м - с 62±9 до 74±13 мс. При этом на финише бега на 400 м наблюдается самое большое увеличение - 19 %. Понятно, что увеличение времени торможения даже при беге в неутомленном состоянии приводит к уменьшению мощности отталкивания. Мышцы опорной ноги растягиваются за большее время, при этом хуже используется механизм рекуперации энергии. Да и дополнительная активация мышц по стретч-рефлексу становится проблематичной, так как время торможения выходит за пределы 50 мс. Что касается бега на финише, когда мышцы утомлены, то здесь возникает еще один отрицательный фактор - ухудшение упругих свойств мышц, что обычно проявляется при их утомлении [6]. То, что мышцы утомились на финише бега, подтверждается суммарной активностью и частотой ЭМГ. Эти показатели стали существенно ниже, чем в начале бега. В результате нарушилась зависимость между мощностью растяжения и укорочения мышц. Эффект рекуперации энергии с использованием упругих свойств мышц уменьшился и мощность отталкивания уменьшилась. Возможно, по этой причине уставшие бегуны вынуждены ставить ногу на дорожку жестче, более выпрямленной в коленном суставе. Вполне вероятно, что в этом проявляется специфическое приспособительное изменение техники бега в состоянии утомления. Благодаря этому жесткость ноги, проталкивающей тело бегуна вперед, увеличивается. В этом случае диссипатив-ные потери механической энергии, переходящей от тела бегуна к опорной ноге, должны стать меньше. И утомленные, «одеревеневшие» мышцы могут до некоторой степени сокращаться все же быстрее, компенсируя пониженную мощность отталкивания.
Этот факт кажется существенным в определении специфического влияния утомления на технику бега на финише.
Выводы
Утомление при беге характеризуется следующими особенностями.
1. Падение скорости бега обусловлено снижением частоты шагов на всех дистанциях и снижением длины шагов при беге на 400 и 5000 м.
2. Улучшается положительная вертикальная работа, обусловленная вертикальным перемещением ОЦМ тела при спринтерском беге.
3. Ухудшается положительная продольная работа, производимая для продвижения ОЦМ тела вперед.
4. Положительная продольная мощность отталкивания уменьшается на всех дистанциях. Отрицательная мощность торможения тела не изменяется.
5. При беге на всех дистанциях увеличивается время фазы торможения. Это ухудшает условия для работы механизма рекуперации энергии с использованием упругих свойств мышц.
6. При беге на 200, 400 и 800 м нарушается зависимость между мощностью растяжения и сокращения мышц. Это является причиной снижения мощности отталкивания.
7. Утомление мышц бедер - основная причина уменьшения частоты шагов. Последующий переход на низкую скорость бега уменьшает эффективность рекуперации механической энергии, особенно утомленных мышц.
8. При беге в состоянии острого утомления спринтеры и средневики ставят ногу на дорожку жестче, более выпрямленной в коленном суставе. Видимо, это до некоторой степени компенсирует уменьшение мощности отталкивания.
Заключение. Итак, утомленный бегун ставит ногу на дорожку более выпрямленной. Однако так и не ясно, является ли это неизбежным нарушением техники бега или это компенсаторная перестройка? Пока представляется возможным выдвинуть следующие предположения.
Первое. Бегун не в состоянии быстро и высоко выносить бедро маховой ноги. Однако голень, несмотря на меньшую скорость ее разгона, все же успевает выхлестываться вперед, как и раньше, так как время шага на финише возросло. В результате при постановке ноги на опору угол в коленном суставе увеличивается. В таком случае более выпрямленная в коленном суставе нога - не что иное, как искажение техники бега под влиянием утомления.
Второе. Более жесткую постановку ноги можно осуществить, не акцентируя подтягивания стопы ближе к себе, точнее, к вертикальной проекции ОЦМ на опору. Возможно, бегун делает это подсознательно для лучшего использования эффекта предварительного растяжения мышц ноги. В этом случае это является компенсаторной перестройкой техники бега.
Естественно, оба выдвинутых предположения нуждаются в отдельной экспериментальной провер-
ке. Для этого надо исследовать движения звеньев тела бегуна более точными оптическими методиками, применявшимися ранее [12]. Рекомендации
1. В практическом аспекте следует обратить внимание на повышение локальной выносливости мышц - сгибателей и разгибателей бедра с использованием соответствующих упражнений, связанных с локальным утомлением.
2. Улучшение упругих свойств мышц голеностопного сустава позволит увеличить длину шагов. Должны быть использованы различные упражнения типа подскоков небольшой интенсивности, которые следует применять осторожно и в течение длительного времени. Основной объект тренировки - ахиллово сухожилие.
Литература
1. Аракелян, Е.Е. Биомеханическая специфика утомления при беге на 400 м / Е.Е. Аракелян, Ю.Н. Примаков, В.В. Тюпа, А.А. Умаров, Ф.А. Гусейнов // Теория и практика физ. культуры . -1997. - № 7. - С. 42-45.
2. Аракелян, Е.Е. Вертикальная механическая работа в аспекте техники бега / Е.Е. Аракелян, Ю.Н. Примаков, А.А. Умаров, В.В. Тюпа // Теория и практика физ. культуры. - 1998. - № 2. - С. 46-48.
3. Батунер, Л.С. Особенности энергетического обмена при реституции после утомительной нагрузки /Л.С. Батунер // Физиологический журнал СССР. - 1979. - Т. 65. - № 1. - С. 128-132.
4. Гусейнов, Ф. Утомление и техника бега /Ф. Гусейнов, И. Миро-ненко, Ю. Травин, В. Тюпа, Ю. Тюрин // Легкая атлетика. - 1982.
- № 9. - С. 8-10.
5. Зациорский, В.М. Биомеханические свойства скелетных мышц (обзор: методы и результаты исследований) / В.М. Зациорский,
A.С. Аруин // Теория и практика физ. культуры. - 1978. - № 9. -С. 21-35.
6. Зациорский, В.М. Биомеханика двигательного аппарата человека / В.М. Зациорский, А.С. Аруин, В.Н. Селуянов. - М.: Физкультура и спорт. - 1981. -144 с.
7. Зациорский, В.М. Дискриминативные биомеханические характеристики при беге на средние дистанции / В.М. Зациорский, Н.А. Якунин, Н.Г. Михайлов //Теория и практика физ. культуры.
- 1982. - № 4. - С. 14-17.
8. Козлов, И.М. Электромиографическое исследование бега / И.М. Козлов. - В сб.: Физиологическая характеристика высокой работоспособности спортсменов. - М.: Физкультура и спорт. - 1966. - С. 62-69.
9. Комаров, А.И. Изменение двигательной структуры бега на средние дистанции под влиянием утомления и методы коррекции: автореф. дис. ... канд. пед. наук / А.И. Комаров. - М., 1974.
- 23 с.
10.Степанов, В.В. Исследование биомеханической структуры движений с целью повышения эффективности управления тренировочным процессом бегунов на короткие дистанции: ав-тореф. дис. ... канд. пед. наук / В.В. Степанов. - Л., 1977. - 21 с.
11.Тюпа, В.В. Изменение биомеханических характеристик бега на 800 м под влиянием утомления / В.В. Тюпа, Ю.Г. Травин, Ф.А. Гусейнов, Ф.П. Рябинцев // Теория и практика физ. культуры. -1982. - № 4. - С. 20-24.
12.Тюпа В. Практически аспекти в биомеханиката на спринтово бягане / В. Тюпа, Д. Димитров // Въпроси на физическата кул-тура. - 1988. - № 3. - С. 12-18.
13.Тюпа, В.В. Изменение техники бега под влиянием утомления /
B.В. Тюпа, Ф.А. Гусейнов, И.Н. Мироненко // Теория и практика физ. культуры. - 1989. - № 2. - С. 33-36.
14.Тюпа, В.В. Биомеханика бега (механическая работа и энергия): учеб. пособие для студентов ГЦОЛИФКа / В.В. Тюпа, Е.Е. Аракелян, Ю.Н. Примаков. - М., 1990. - 98 с.
15.Тюрин, Ю.Д. Изменения технического мастерства бегунов в процессе годичного тренировочного цикла / Ю.Д. Тюрин, В.В. Михайлов //Теория и практика физ. культуры. - 1978. - № 10. -
C. 12-15.
16. Чхаидзе, Л.В. Влияние утомления на структуру движения при беге /Л.В. Чхаидзе // Теория и практика физ. культуры. - 1948.
- № 10. - С. 457-462.
Bibliography
1. Arakelyan E.E., Primakov Yu.N., Tupa V.V., UmarovA.A., Guseynov F.A. Biomechanical specifics of fatigue at 400-m running. (In Russian) // Teoriya i praktika fizicheskoy kultury. - 1997. - № 7. - P. 42-45.
2. Arakelyan E.E., Primakov Yu.N., UmarovA.A., Tupa V.V. Vertical me-
chanical work in view of running technique. (In Russian) // Teoriya i praktika fizicheskoy kultury. - 1998. - № 2. - P. 46-48.
3. Batuner L.S. Specific features of energy metabolism at restitution after hard work. (In Russian) // Fiziologicheskiy zhurnal SSSR. - 1979.
- V. 65. - № 1. - P. 128-132.
4. Guseynov F., Mironenko I., Travin Yu., Tupa V, Turin Yu. Fatigue and running technique. (In Russian) // Legkaya atletika. - 1982. - № 9. - P. 8-10.
5. Zatsiorsky V.M., Aruin A.S. Biomechanical features of skeleton mus-
cles (survey: research methods and results. (In Russian) // Teoriya i praktika fizicheskoy kultury. - 1978. - № 9. - P. 21-35.
6. Zatsiorsky V.M., Aruin A.S., Selyanov V.N. Biomechanics of human motor apparatus. (In Russian) - Moscow: Fizkultura i sport. - 1981. -144 P.
7. Zatsiorsky V.M., Yakunin N.A., Mikhaylov N.G. Discriminative biome-
chanical characteristics at middle-distance running. (In Russian) // Teoriya i praktika fizicheskoy kultury. - 1982. - № 4. - P. 14-17.
8. Kozlov I.M. Electromyography of running. (In Russian) - In: Physiological characteristics of high exercise performance of athletes.
- Moscow: Fizkultura i sport. - 1966. - P. 62-69.
9. KomarovA.I. Change in motor structure of middle-distance running influenced by fatigue and methods of correction. Abstract of Ph.D thesis. (In Russian) - Moscow. - 1974. - 23 P.
10. Stepanov V.V. Study of biomechanical motor structure to increase effectiveness of control of training process of sprint runners. Abstract of Ph.D thesis. (In Russian) - Leningrad. - 1977. - 21P.
11. Tupa V.V, Travin Yu.G, Guseynov F.A., Ryabintsev F.P. Change of biomechanical characteristics of 800-m running influenced by fatigue. (In Russian) // Teoriya i praktika fizicheskoy kultury. - 1982.
- № 4. - P. 20-24.
12. Tupa V, Dimitrov D. Practical aspects of sprint biomechanics. // Voprosy na fizicheskata kultura. - 1988. - №3. - P. 12-18.
13. Tupa V.V, GuseynovF.A., Mironenko I.N. Change in running technique по influenced by fatigue. (In Russian) // Teoriya i praktika fiz-icheskoy kultury. -1989. - № 2. - P. 33-36.
14. Tupa V.V, Arakelyan E.E., Primakov Yu.N. Running biomechanics (mechanical work and energy). Study guide for students of SCO-LIPC. (In Russian) - Moscow: 1990. - 98 P.
15. Turin Yu.D., Mikhaylov V.V. Change in technical mastership of runners in the process of year training cycle. (In Russian) // Teoriya i praktika fizicheskoy kultury. - 1978. - №10. - P. 12-15
16. Chkhaidze L.V. The influence of fatigue on motor structure at running. (In Russian) // Teoriya i praktika fizicheskoy kultury. - 1948.
- № 10. - P. 457-462.
17. Alexander, R. Mc N, Bennet-C1ark, H.C. Storage elastic strain energy in muscle and of her tissues //Nature. - 1977. - Vo1. 265. - N 13. - Р. 114.
18. Cavagna, G.A. Travail mechanique dans la marche et la course // J. Physiol. (France). - 1969. - N 61. Suppl. - P. 43-74.
19. Cavagna, G.A., Thys Н, Zamboni A. The Sources of External Work in Level Walking and Running //J.Physiol. - 1976. - N 262. - P. 639-657.
20. Cavagna, G.A., Каnеkо, М. Mechanical work and efficiency in level walking and running // J. Physiol. - 1977. - N 268. - P. 467-481.
21. Kaneko, М, Ito А, Puchimoto, Т., Toyoka, J. Sprawnosc mechan-iczna w biegah dlugodystansowych // Sport Wychynowy. - 1981.
- N 1/193. - S. 9-13.
22. Kumamoto, М., Yamashita, М., Nagashi, G., Tokuchara, J. Latent Period of Electric Silence Caused by Sudden of Unloading during Voluntary Contraction in Normal Man // Biomechanics VI-A. - Baltimore: Ed. by Asmussen. - 1978. - P. 142.
23. Miura, М., Kobayashi, К., Miyashita, М., Matsui, Н,, Sodeyama, Н. Experimental study on biomechanics in long distance running // First Int. Symp. on problems of biomechanics in track and field. -Budapest. - Aprile 1973. - In: Review of our researches. - Nagoya.
- 1973. - P. 46-56.
24. Miyashita, М., Matsui, Е., Miura, М. The relation between electrical activity in muscle on speed of walking and running // J. Biomechanics II. - Karger, Base1. - 1971. - P. 192-196.
25. Fukunaga, Т., Matsuo, А., Yuasa, К., Fujumatsu, Н., Asachina, К. Mechanical power output in running // J. Biomechanics VI-B. - Baltimore. - 1978. - P. 17.
26. Fukunaga, T., Matsuo, A, Yuasa, K., Fujumatsu, H., Asachina, K. Effect of running velocity on external mechanical power output // Ergonomics. - 1980. - Vol. 23. - 2. - P. 123-136.
Информация для связи с автором:
Тел. 8(499)166-53-44
Поступила в редакцию 13.06.2009 г.
