CC BY
0Научная статья УДК 378.6:34
https://doi.org/10.24412/2658-638X-2024-2-122-126 EDN: https://elibrary.ru/qnpzuh NIION: 2018-0077-2/24-465 MOSURED: 77/27-024-2024-02-664
Область науки: 5. Социальные и гуманитарные науки
Группа научных специальностей: 5.8. Педагогика
Шифр научной специальности: 5.8.7. Методология и технология профессионального образования
Имитационное моделирование энергетического обеспечения циклических движений у спортсменов
Анатолий Васильевич Малиновский1, Сергей Иванович Мануйлов2
1 Барнаульский юридический институт МВД России, Барнаул, Россия, natalie-barnaul77@bk.ru
2 Алтайский государственный педагогический университет, Барнаул, Россия, natalie-barnaul77@bk.ru
Аннотация. Представленный в статье материал - это теоретический практический аспект имитационного моделирования энергетического обеспечения циклических движений у спортсменов. Продолжая цикл исследований по проблеме оптимизации двигательной деятельности людей разного возраста, настоящая статья знакомит с новым подходом к ее решению, основанным на имитационном моделировании энергетического обеспечения двигательной деятельности. Из проведенного исследования авторы делают заключение, что имитационное моделирование энергетического обеспечения движений повышает эффективность теоретических исследований и может служить полезным инструментом для прогнозирования оптимальных вариантов спортивной тактики.
Ключевые слова: математическое и имитационное моделирование, модель, энергетическое обеспечения циклических движений у спортсменов
Для цитирования: Малиновский А. В., Мануйлов С. И. Имитационное моделирование энергетического обеспечения циклических движений у спортсменов // Психология и педагогика служебной деятельности. 2024. № 2. С. 122-126. https://doi.org/10.24412/2658-638X-2024-2-122-126. EDN: QNPZUH.
Original article
Simulation modeling of energy supply for cyclic movements in athletes
Anatoly V. Malinovskiy1, Sergei I. Manuilov2
1 Barnaul Law Institute of the Ministry of Internal Affairs of Russia, Barnaul, Russia, natalie-barnaul77@bk.ru
2 Altai State Pedagogical University, Barnaul, Russia, natalie-barnaul77@bk.ru
Abstract. The material presented in the article is a theoretical practical aspect of simulation modeling of the energy supply of cyclic movements in athletes. Continuing the cycle of research on the problem of optimizing the motor activity of people of different ages, this article introduces a new approach to solving it, based on simulation modeling of the energy supply of motor activity. From the study, the authors conclude that simulation modeling of the energy supply of movements increases the effectiveness of theoretical research and can serve as a useful tool for predicting optimal options for sports tactics.
Keywords: mathematical and simulation modeling, model, energy support of cyclic movements in athletes
For citation: Malinovsky A. V., Manuilov S. I. Simulation modeling of energy supply for cyclic movements in athletes. Psychology and pedagogy of service activity. 2024;(2):122-126. (In Russ.). https://doi.org/10.24412/2658-638X-2024-2-122-126. EDN: QNPZUH.
Продолжая цикл исследований по проблеме оптимизации двигательной деятельности людей разного возраста [1], настоящая статья знакомит с новым подходом к ее решению, основанным на имитационном моделировании энергетического обеспечения двигательной деятельности. Известно, что математическое моделирование является важным резервом совершенствования техники и тактики движений. Однако опубликованные
модели отображают кинематику [2] или динамику [3] циклических движений и не учитывают закономерностей их энергетического обеспечения. Но при напряженной мышечной работе успех существенно зависит от энергетического потенциала и эффективности его использования. Поэтому адекватная и практически полезная модель должна описывать как механику движений, так и закономерности их энергетического обеспечения.
© Малиновский А. В., Мануйлов С. И., 2024
122 PEDAGOGICAL SCIENCES
Предлагаемая модель базируется на законе сохранения энергии. Приняты следующие допущения: 1) энергообеспечение мышечной работы осуществляется тремя энергетическими системами: фосфагенной, лактацидной и окислительной; 2) при расходовании и восполнении энергетических запасов фосфагенная система имеет приоритет перед лактацидной; восполнение энергетического запаса анаэробных энергетиче-
ских систем осуществляется за счет энергии окислительного процесса; 3) априори известны: масса тела, максимальное потребление кислорода (МПК), емкость лактацидной (Ьо) и фосфагенной ^о) систем, анаэробный порог, константы врабатывания и восстановления для потребления кислорода, зависимость механической эффективности от мощности внешней механической работы (рис. 1, 2);
Рис. 1. Возрастные изменения физиологического профиля, характеризующего энергетические системы нетренированных (заштриховано) и тренированных людей: сводные данные из литературы и собственных экспериментальных исследований
(черные квадратики)
Рис. 2. Зависимость коэффициента механической эффективности от мощности внешней механической работы у спортсменов разного возраста (результаты собственных исследований)
4) механическая энергия тела (при моделировании циклических локомоций) складывается из кинетической, потенциальной и энергии движения конечностей относительно общего центра масс; 5) известны характеристики соревновательной трассы: профиль и тип покрытия и коэффициент скольжения (для бега на лыжах и коньках) или коэффициент трения качения (для езды на велосипеде); 6) тактические варианты соревновательной деятельности различаются динамикой скорости передвижения (или динамикой мощности внешней механической работы), а длину и частоту шагов спортсмен выбирает самостоятельно; по нашим наблюдениям, опытные спортсмены, как правило, предпочитают наименее энергоемкое для данной скорости сочетание длины и частоты шагов; этот факт
находится в соответствии с принципом минимума энерготрат [4].
В основу модели положена система дифференциальных уравнений, описывающих кинетику потребления кислорода (О2) и наличного потенциала фосфагенной (Б) и лактацидной (Ь) энергетических систем [5].
Рассматриваемая модель не применима в тех случаях, когда физическая работоспособность человека лимитируется не возможностями энергетических систем, а иными факторами (например, в условиях жары, при ишемической болезни сердца и т. п.). При синтезе модели учтено, что метаболическая энергия с потерями преобразуется сначала во внешнюю механическую работу, а затем в полезную работу (или в передвижение по дистанции). Закономерности преобразования
метаболической энергии во внешнюю механическую работу инвариантны к виду циклических движений. Напротив, закономерности преобразования мощности (Ы) внешней механической работы в скорость передвижения по дистанции существенно зависят от вида локомоции.
Рассматриваемая модель транслирована на алгоритмические языки. Адекватность модели проверена при сравнении результатов имитационного моделирования с результатами экспериментального исследования высококвалифицированных легкоатлетов (взрослых и юношей) в лабораторных условиях (на велоэргоме-тре) и в условиях, приближенных к условиям спортивных тренировок и соревнований.
Модель нашла практическое применение при изучении энергетического обеспечения напряженной мышечной работы и при выявлении оптимальных вариантов динамики скорости и механической мощности, что необходимо для оптимизации тактики циклических локомоций. Возможны два варианта: поиск эффективной тактики и поиск рациональной тактики [6]. В первом случае тестируют конкретного спортсмена и затем путем имитационного моделирования находят его индивидуально-оптимальную тактику. Во втором случае выявляется рациональная тактика, т. е. наилучшая для большинства людей одного возраста, пола, квалификации и уровня тренированности [10].
Моделируя в компьютерной программе различные варианты тактики, удалось расширить границы знаний об оптимальных режимах двигательной деятельности. Ранее было экспериментально показано, что при мышечной деятельности большой относительной мощности целесообразно равномерное распределение сил. Этот результат справедлив и для нагрузок умеренной мощности. В зоне субмаксимальной относительной мощности ситуация сложнее, и экспериментальные исследования не привели разных авторов к единой точке зрения. Так, AriyosЫ с соавторами пришли к выводу о целесообразности постепенно снижать механическую мощность от начала до конца упражнения, Ю. К. Драв-ниек, напротив, подтверждает рациональность равномерной тактики; в своих оценках он опирается на величину кислородного запроса [7].
Результаты имитационного моделирования внесли ясность в обсуждаемый вопрос (табл. 1). Установлено, что независимо от возраста и уровня физической подготовленности наиболее экономичным режимом мышечной деятельности субмаксимальной относительной мощности остается режим, при котором мощность явной механической работы постоянна. Если же основным критерием оптимальности является не экономичность, а механическая производительность (как это имеет место на соревнованиях по циклическим видам спорта), то оптимальная тактика субмаксимального упражнения отличается от равномерной. Механическая производительность предельной мышечной работы по закону сохранения энергии тем выше, чем ближе энергетический расход к предельно достижимому в каждый момент времени.
Таблица 1
Механическая производительность предельной мышечной работы субмаксимальной относительной мощности у тренированных людей разного возраста (результаты имитационного моделирования)
Продолжительность работы, с Возраст, лет Предельный объем механической работы, кДж
при постоянной мощности три оптимальной по производительности динамике мощности
60 11-12 15-17 20-25 11,5 24,3 29,3 12,3 27.8 33.9
11-12 49,1 50,2
300 15-17 94,9 98,1
20-25 114,5 118,1
На рис. 3 представлены оптимальные (по механической производительности) графики динамики механической мощности, рассчитанные для людей разного возраста, выполняющих предельную (до отказа) мышечную работу продолжительностью 5 мин. Наиболее производительная раскладка отличается от равномерной существенно повышенной стартовой мощностью. Выигрыш по механической производительности лежит в пределах 2-3 % при 5-минутной предельной работе и возрастает при сокращении продолжительности упражнения (табл. 1).
Рис. 3. Оптимальная по механической производительности динамика механической мощности при выполнении 5-минутной предельной работы: А - тренированные
мужчины 20-25 лет, Б - дети 11-12 лет В процессе имитационного моделирования были вскрыты причины, по которым повышение механической мощности в начальной фазе упражнения вызывает увеличение производительности. Они состоят в предельно быстрой активизации всех трех основных энергетических систем. Заметно сокращается период врабатывания для потребления кислорода. Временной интервал от начала работы до начала активности лак-тацидной энергетической системы сокращается практически до нуля. В результате суммарная энергопро-
дукция энергетических систем максимизируется. Тем самым создаются предпосылки для выполнения максимального объема внешней механической работы [9].
Из сказанного вытекают ясные рекомендации спортсменам, соревновательная деятельность которых протекает в зоне субмаксимальной относительной мощности, т. е. длится от 30 с до 5-6 мин. Рассмотрим эти рекомендации на примере семи различных раскладок скорости у велосипедиста в гонке преследования (взрослых высокотренированных спортсменов) на 4 км (рис. 4). Рисунок снабжен цифрами, характеризующими эффективность различных раскладок. В том числе: технический результат, метаболические и механические энерготраты. Очевидно, что тактика постоянной скорости наименее энергоемка. А для достижения наивысшей механической производительности и, следовательно, наивысшего спортивного результата необходимо со старта развивать как можно более высокую скорость.
Рис. 4. Динамика скорости велосипедиста в гонке преследования на 4 км при разной величине стартовой скорости (по результатам имитационного моделирования)
В заключение сделаем два замечания. Во- первых, оптимальная динамика скорости индивидуальна; она зависит от возраста и физической тренированности. Рекомендуемая разница между стартовой и средне дистанционной скоростью тем больше, чем выше емкость и мощность фосфагенной и лактацидной энергетических систем.
Во-вторых, как показывает анализ специальной литературы и практический опыт тренеров [8], высококвалифицированные велосипедисты в индивидуальной гонке преследования на 4 км избирают тактику, весьма близкую к оптимальной по производительности.
Таким образом, имитационное моделирование энергетического обеспечения движений повышает эффективность теоретических исследований и может служить полезным инструментом для прогнозирования оптимальных вариантов спортивной тактики.
Выводы:
1. Разработана адекватная математическая модель энергообеспечения циклических движений, учитывающая закономерности энергетического обеспечения циклических движений и преобразования мощности
внешней механической работы в скорость передвижения по дистанции.
2. В процессе имитационного моделирования тактики циклических локомоций на диалоговых компьютерных программах установлено, что при субмаксимальной нагрузке оптимальный по механической производительности режим циклической мышечной работы характеризуется повышенной стартовой мощностью и существенно отличается от тактики постоянной мощности, которая оптимальна по критерию экономичности.
3. Возрастные особенности оптимальной тактики циклической мышечной работы определяются возрастными изменениями максимального потребления кислорода, анаэробного порога и емкости фосфагенной и лактацидной энергетических систем.
Список источников
1. Хромов В. А., Корнаушенко А. В. Особенности выполнение современной техники студентами-спортсменами различных дисциплин // Психология и педагогика служебной деятельности. 2022. № 2. С. 190-194.
2. Куров А. И., Клименко А. А., Амиров У А., Николаев Н. А. Использование идеомоторной тренировки по предмету физическая подготовка сотрудниками МВД России в процессе обучения // Ученые записки университета им. П.Ф. Лесгафта. 2020. № 7 (185). С. 198-203.
3. Супрунов С. И. Индивидуальный подход в обучении посредством педагогики неформального общения // Биологический вестник Мелитопольского государственного педагогического университета им. Богдана Хмельницкого. 2015. Т. 5. № 1а (14). С. 141-143.
4. Евтеев В. И. Некоторые аспекты управления учебным процессом на факультете физической культуры // Педагогический университетский вестник Алтая. 1999. № 1. С. 305-306.
5. Раченко А. В. Виды самостоятельной работы студентов ИФКиС // В сборнике: 2-я Всероссийская заочная научно-практическая конференция с международным участием, посвященная 50-летию Института физической культуры и спорта «Физическая культура и спорт: пути совершенствования». Материалы конференции. Алтайский государственный педагогический университет. 2016. С. 101-104.
6. Баянкин О. В., Супрунов С. И. Организационно-педагогические аспекты разработки новых форм привлечения молодежи к занятиям физической культурой и спортом // Вестник Алтайского государственного педагогического университета. 2022. № 2 (51). С. 5-10
7. Платонов В. Н., Прохорова Е. А. Адаптация к условиям Сибири тренировочного процесса триатлонистов // Педагогическое образование на Алтае. 2021. № 2. С. 124-126.
8. Платонов В. Н. Практическая подготовка будущих специалистов в области спорта // Известия Тульского государственного университета. Физическая культура. Спорт. 2020. № 12. С. 44-49.
9. Мананников С. В. Развитие и формирование профессиональных качеств сотрудников органов внутрен-
них дел на занятиях по лыжной подготовке. Здоровье человека, теория и методика физической культуры и спорта. 2015. № 1. С. 44-48.
10. Красилов О.В., Мананников С. В., Бала-кин Ю. П., Веденеева Е. П. О некоторых особенностях первоначальной подготовки женщин - сотрудниц ОВД при обучении в образовательных организациях системы МВД России. Вестник экономической безопасности. 2019. № 4. С. 409-412.
References
1. Khromov V. A., Kornaushenko A. V. Features of the implementation of modern technology by student-athletes of various disciplines // Psychology and pedagogy of service activity. 2022. No. 2. Р. 190-194.
2. Kurov A. I., Klimenko A. A., Amirov U. A., Nikolaev N. A. The use of ideomotor training on the subject of physical training by employees of the Ministry of Internal Affairs of Russia in the learning process // Scientific Notes of the P.F. Lesgaft University. 2020. № 7 (185). P. 198-203.
3. Suprunov S. I. Individual approach in teaching through pedagogy of informal communication // Biological bulletin of Melitopol State Pedagogical University. Bogdan Khmelnitsky. 2015. Vol. 5. No. 1a (14). Р. 141-143.
4. Evteev V. I. Some aspects of educational process management at the Faculty of Physical Culture // Pedagogical University Bulletin of Altai. 1999. No. 1. Р. 305-306.
5. Rachenko A. V. Types of independent work of IFKiS students // In the collection: the 2nd All-Russian correspondence scientific and practical conference with international participation dedicated to the 50th anniversary of the Institute of Physical Culture and Sports «Physical Culture and Sports: ways of improvement». Conference materials. Altai State Pedagogical University. 2016. P. 101-104.
6. Bayankin O. V., Suprunov S. I. Organizational and pedagogical aspects of the development of new forms of attracting young people to physical culture and sports // Bulletin of the Altai State Pedagogical University. 2022. № 2 (51). P. 5-10.
7. Platonov V. N., Prokhorova E. A. Adaptation to the conditions of Siberia of the training process of triathletes // Pedagogical education in Altai. 2021. No. 2. P. 124-126.
8. Platonov V. N. Practical training of future specialists in the field of sports // Proceedings of Tula State University. Physical Culture. Sport. 2020. No. 12. P. 44-49.
9. Manannikov S. V. Development and formation of professional qualities of employees of internal affairs bodies in ski training classes. Human health, theory and methodology of physical culture and sports. 2015. No. 1. P. 44-48.
10. Krasilov O. V., Manannikov S. V, Balakin Yu. P., Vedeneeva E. P. On some features of the initial training of female employees of the Department of Internal Affairs when studying in educational organizations of the Ministry of Internal Affairs of Russia. Bulletin of Economic Security. 2019. No. 4. P. 409-412.
Информация об авторах
А. В. Малиновский - начальник кафедры физической подготовки Барнаульского юридического института МВД России, кандидат педагогических наук, доцент;
С. И. Мануйлов - доцент кафедры спортивных дисциплин Алтайского государственного педагогического университета, кандидат педагогических наук, доцент.
Information about the authors
A. V. Malinovsky - Head of the Department of Physical Training of the Barnaul Law Institute of the Ministry of Internal Affairs of Russia, Candidate of Pedagogical Sciences, Associate Professor;
S. I. Manuilov - Associate Professor of the Department of Sports Disciplines of the Altai State Pedagogical University, Candidate of Pedagogical Sciences, Associate Professor.
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests.
Статья поступила в редакцию 22.02.2024; одобрена после рецензирования 22.04.2024; принята к публикации 30.04.2024.
The article was submitted 22.02.2024; approved after reviewing 22.04.2024; accepted for publication 30.04.2024.
