CC BY
88
УДК 531/534: [57+61]
КИНЕМАТИЧЕСКИМ И СИЛОВОМ АНАЛИЗ СОРЕВНОВАТЕЛЬНЫХ УПРАЖНЕНИЙ ПРИ БЕГЕ С ПРЕПЯТСТВИЯМИ
Д.Н. Григоренко1, К.К. Бондаренко2, С.В. Шилько3
1 Кафедра пожарной аварийно-спасательной и физической подготовки Гомельского инженерного института Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь, 246029, Беларусь, Гомель, ул. Речицкое шоссе, 35а, e-mail: grigorenkogii@mail.ru Кафедра физического воспитания и спорта Гомельского государственного университета им. Ф. Скорины, 246019, Беларусь, Гомель, ул. Советская, 104, e-mail: kostyabond67@mail.ru
3 Отдел механики адаптивных материалов и биомеханики Института механики металлополимерных систем им. В.А. Белого Национальной академии наук Беларуси, 246050, Беларусь, Гомель, ул. Кирова, 32а, e-mail: Shilko_mpri@mail.ru
Аннотация. Оптимизация тренировочных нагрузок во многом определяется биомеханическими возможностями спортсмена, включая энергоэффективность организма, скорость и точность воспроизведения планируемых действий и т.д. В работе проведен кинематический и силовой анализ соревновательного упражнения «Преодоление 100-метровой полосы с препятствиями» с оценкой усилия в ахилловом сухожилии на различных участках дистанции. Полученные данные позволяют определить параметры адресной тренировочной нагрузки, прогнозировать состояние связок и мышц спортсмена при выполнении сложнокоординационных действий и обеспечить профилактику травматизма.
Ключевые слова: соревновательное упражнение, структура движений, беговой шаг, центр масс, скелетные мышцы, ахиллово сухожилие.
Введение
Для различных видов спорта высших достижений чрезвычайно актуально биомеханическое обоснование рациональной техники выполнения соревновательных упражнений. Это позволяет ввести в рассмотрение не только качественные, но и количественные параметры, в совокупности определяющие уровень спортивного мастерства. Так, основными параметрами, характеризующими структуру движения при беге с препятствиями, являются время и скорость бега, число, длина и частота шагов на отдельных участках дистанции [3, 4, 5, 8]. Анализ этих показателей является одним из условий организации эффективной подготовки спортсменов.
Цель настоящего исследования - кинематический и силовой анализ движений высококвалифицированных спортсменов-спасателей в условиях преодоления 100-метровой полосы с препятствиями.
Настоящая работа продолжает цикл исследований авторов в области биомеханики спорта [1, 2, 7] по практической реализации концепции «адресной тренировочной нагрузки» [6] применительно к сложно-техническим видам спорта. В качестве исходных данных использованы показатели соревновательной деятельности
© Григоренко Д.Н., Бондаренко К.К., Шилько С.В., 2011
Г ригоренко Дмитрий Николаевич, начальник кафедры пожарной аварийно-спасательной и физической подготовки, Г омель
Бондаренко Константин Константинович, к.п.н., заведующий кафедрой физического воспитания и спорта, Гомель
Шилько Сергей Викторович, к.т.н., зав. отделом адаптивных материалов и биомеханики, Гомель
09806267
ведущих спортсменов Республики Беларусь на чемпионатах мира по пожарноспасательному спорту - в 2008 г. в г. Софии (Болгария), в 2009 г. в г. Уфе (Россия) и в 2010 г. в г. Донецке (Украина).
Методика и организация исследования
Соревновательное упражнение «Преодоление 100-метровой полосы с препятствиями» было условно разделено на четыре отрезка в зависимости от специфики выполняемых действий. Первый отрезок протяженностью 23 м характеризовался стартовым разбегом и был ограничен участком от старта (нулевая отметка движения) до начала «атаки забора». Второй отрезок протяженностью 5 м (от 23 до 28 м дистанции) включал «преодоление забора» с последующим бегом и подхватом пожарных рукавов. Третий отрезок дистанции (от 28 до 75 м) начинался с момента подхвата пожарных рукавов с последующим бегом по буму, соединением пожарных рукавов между собой и разветвлением. Четвертый отрезок протяженностью 25 м представлял собой максимально быстрое финиширование с одновременным соединением пожарного ствола с пожарным рукавом.
Исследование проводилось на учебно-тренировочной базе образовательного учреждения «Гомельский инженерный институт» Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь и в ходе соревнований различного уровня. В нем принимали участие спортсмены пожарно-спасательного спорта с квалификацией от кандидата в мастера спорта до мастера спорта международного класса. При выполнении соревновательного упражнения производили видеосъемку прохождения дистанции и регистрацию пространственно-временных параметров движения с последующей обработкой данных.
Выполнение упражнения «Преодоление 100-метровой полосы с препятствиями» характеризуется относительно небольшой продолжительностью при большой (и даже максимальной на отдельных отрезках) мощности и относится к группе скоростносиловых видов пожарно-спасательного спорта. Высокие спортивные достижения в данном случае определяются скоростно-силовыми способностями. Вместе с тем значительную роль играет техника преодоления препятствий и выработка особого ритма бега по дистанции.
Результаты исследования
В таблице представлены результаты сильнейших спортсменов-спасателей Республики Беларусь по итогам чемпионата мира 2010 г. Время преодоления стометровой полосы с препятствиями варьировалось в пределах 15,02-15,90 с со средним значением 15,61 с.
Техника выполнения упражнения «Преодоление 100-метровой полосы с препятствиями» определяется способом преодоления двух препятствий (забора и бума), выполнения ряда соединений (соединение пожарных рукавов между собой, подсоединение пожарного рукава к разветвлению и присоединение пожарного ствола к пожарному рукаву) и эффективностью бега по дистанции. Каждый элемент упражнения выполняется в определенном темпе и ритме.
Дистанцию спортсмен преодолевает за 60-64 беговых шага, включая 14-15 шагов от старта до забора (1-й отрезок), 4-4,5 шага от забора до подхвата пожарных рукавов (2-й отрезок), 27-29 беговых шага от подхвата пожарных рукавов до соединения разветвления (3-й отрезок) и 15-16 шагов на финише (4-й отрезок).
На первом отрезке дистанции 0-23 м необходимо набрать максимально возможную скорость на ограниченном участке и преодолеть двухметровый забор. Скорость выполнения упражнения составляет (6,7±0,07) м/с (около 94% от максимального значения) и достигается уже через 12-15 м после старта.
Кинематические параметры бега при выполнении упражнения «Преодоление 100-метровой полосы с препятствиями»
Длина отрезка дистанции, м Параметры Инициалы спортсмена Среднее значение со среднеквадратичным отклонением, X ± о
ТА. С.В. С.С. Е.Б. К.А. Ш.М. М.А.
0-23 1, с 3,42 3,40 3,40 3,42 3,46 3,48 3,46 3,43±0,03
V, м/с 6,73 6,77 6,77 6,73 6,65 6,61 6,65 6,7±0,07
п, ш 15 14 14 15 15 14 14 14,42±0,53
1, м 1,54 1,65 1,65 1,54 1,54 1,65 1,65 1,6±0,06
г, ш/с 4,39 4,12 4,12 4,39 4,34 4,03 4,05 4,21±0,16
24-28 1, с 1,75 1,63 1,63 1,64 1,76 1,78 1,66 1,69±0,07
V, м/с 2,86 3,07 3,07 3,05 2,84 2,81 3,02 2,96±0,12
п, ш 4,5 4,0 4,0 4,5 4,0 4,5 4,5 4,29±0,27
1, м 1,12 1,25 1,25 1,12 1,25 1,12 1,12 1,18±0,07
г, ш/с 2,58 2,46 2,46 2,75 2,28 2,53 2,71 2,54±0,16
29-75 1, с 7,08 7,06 7,11 7,02 7,12 7,02 7,12 7,08±0,04
V, м/с 6,64 6,66 6,61 6,70 6,60 6,70 6,60 6,64±0,04
п, ш 29 28 28 27 28 28 27 27,86±0,69
1, м 1,62 1,68 1,68 1,74 1,68 1,68 1,74 1,69±0,04
г, ш/с 4,10 3,97 3,94 3,85 3,94 3,99 3,80 3,94±0,1
76-100 1, с 3,50 3,52 3,48 3,50 3,54 3,58 3,54 3,52±0,03
V, м/с 7,15 7,11 7,19 7,15 7,07 6,96 7,07 7,10±0,08
п, ш 15,0 15,5 15,5 15,8 15,2 15,0 15,2 15,31±0,3
1, м 1,67 1,62 1,62 1,59 1,65 1,67 1,65 1,63±0,04
г, ш/с 4,29 4,41 4,46 4,52 4,30 4,19 4,30 4,35±0,11
0-100 1, с 15,75 15,61 15,62 15,58 15,88 15,86 15,78 15,73±0,12
V, м/с 6,35 6,41 6,41 6,42 6,30 6,31 6,34 6,36±0,05
п, ш 63,5 61,5 61,5 62,3 62,2 61,5 60,7 61,89±0,89
1, м 1,58 1,63 1,63 1,61 1,61 1,63 1,65 1,62±0,02
г, ш/с 4,04 3,94 3,94 4,00 3,92 3,88 3,85 3,94±0,07
Примечание: t - время бега на отрезках, с; V - скорость бега на отрезках, м/с; п - количество беговых шагов на отрезках; I - длина беговых шагов на отрезках, м; г - частота беговых шагов на отрезках, ш/с.
За 8 м до забора скорость несколько снижается вследствие подготовки к его преодолению. Шаги укорачиваются, корпус незначительно отклоняется назад. Происходит естественное торможение перед препятствием. Угол отклонения корпуса от вертикали составляет (79±3)° (рис. 1, а). Частота шагов приближена к максимальной интенсивности (96-97%) и составляет 4-4,5 ш/с. Наилучшие результаты показывают
Рис. 1. Подготовка спортсмена к преодолению забора
спортсмены, способные максимально приблизить скорость движения на этом отрезке к скорости, достигнутой за предыдущие 17 м. Сокращение длительности фазы амортизации достигается за счет предварительного напряжения и жесткости мышц, а также сохранения минимальных углов отклонения туловища от горизонтальной оси (86±2)° и сгибания ноги в коленном суставе (140±3)° (рис. 1, б). В то же время преодоление забора на очень высокой скорости сказывается на технической стороне выполнения упражнения. Избежать этого можно при минимальном отклонении туловища от вертикали (не более 20-25°) и мягкой постановке опорной ноги на забор со сгибом в коленном суставе на угол (117±3)° (рис. 1, в).
Важнейшим фактором эффективности техники бега на стометровой полосе с препятствиями является момент опоры, при котором потери скорости должны быть минимальны. Длительность контакта ноги с опорой в фазе амортизации также должна быть минимальной. Сокращение амортизационной фазы при несущественной потере горизонтальной скорости может быть достигнуто приближением плюсневой части стопы к проекции центра масс тела. Расстояние между точкой постановки стопы и линией проекции общего центра масс не должно превышать 0,35 м (см. рис. 1, б).
Угол отталкивания определяется характером действий в период прохождения проекции вертикали и скоростью движения маховой ноги. В фазе амортизации и отталкивания мышцы действуют последовательно в уступающем и преодолевающем режиме, трансформируя потенциальную энергию спортсмена в кинетическую энергию.
На следующем отрезке дистанции 23-28 м (преодоление забора) скорость составляет около 44% от максимальной. В момент непосредственной атаки тело спортсмена активно подтягивается двумя руками к забору, маховая нога ложится на забор под углом (45±3)° с отклонением туловища в противоположную сторону от точки опоры, под углом (40±5)° относительно горизонтали забора (рис. 2, а, б), что предотвращает излишнее вертикальное перемещение над забором и тем самым потерю скорости движения. При преодолении забора значительная нагрузка приходится на руки, которые подтягивают туловище к препятствию и удерживают его в таком положении (см. рис. 2, б). После перемещения за забор туловище остается практически в горизонтальном положении, а плечи перемещаются вперед относительно проекции центра масс. Проекция плечевых суставов находится на расстоянии 0,75-0,80 м за проекцией забора (рис. 2, в). В этот момент выполняется активное отталкивание от забора толчковой ногой и опорной рукой.
Движение маховой ноги также свидетельствует о высокой эффективности техники бега и скорости преодоления препятствия. Сегменты маховой ноги (бедро, голень и стопа) создают инерцию движения вперед-вверх. Об эффективности и взрывном характере отталкивания свидетельствуют следующие параметры: угол подъема бедра (57±3)°, угол сгибания маховой ноги (150±3)°, угол наклона корпуса (58±2)° (рис. 2, г). Скорость спортсмена на данном участке составляет около 42% от максимальной и колеблется в диапазоне 2,8-3,1 м/с.
______________________________________________________________________________I___^
а б в г д
Рис. 2. Преодоление забора и приземление спортсмена на беговую дорожку
а б в г д е
Рис. 3. Подхват пожарных рукавов
В момент приземления угол наклона туловища находится в пределах (52±2)° (рис. 2, д). Общий центр масс тела расположен на расстоянии 0,15-0,20 м до точки опоры. Значительная нагрузка во время приземления приходится на опорную ногу. При постановке ноги на опору в момент приземления угол в коленном суставе в амортизирующей фазе равен (170±2)°, угол сгибания маховой ноги в коленном суставе (74±3)° (см. рис. 2, д). Угол между голенью опорной ноги и беговой дорожкой составляет (95±2)°, что снижает тормозящий эффект и отрицательное воздействие нагрузки при постановке ноги на опору (см. рис. 2, д).
На отрезке 28-75 м (подхват рукавов, бег по буму, соединение рукавов между собой и подсоединение рукава к разветвлению) отмечается повышение скорости бега до 93-94% от максимальной (6,6-6,7 м/с). Средняя длина бегового шага постепенно растет, достигая значения 1,6—1,7 м. Полученную после приземления и отхода от забора кинетическую энергию спортсмены используют для начала движения по беговой дорожке. Важной задачей в данный момент является быстрый подхват пожарных рукавов без потери скорости бега. Спортсмен выполняет 2,5-3 беговых шага от момента касания беговой дорожки до подхвата пожарных рукавов. Угол наклона туловища составляет (10±2)° относительно горизонтальной оси тазобедренных суставов (рис. 3, а). Основная нагрузка в момент подхвата рукавов приходится на опорную ногу. Угол в коленном суставе составляет около 120° (рис. 3, в). После подхвата пожарных рукавов активно выносится бедро маховой ноги и происходит ее сгибание в коленном суставе до угла (80±3)° (рис. 3, г). Угол сгибания локтевых суставов составляет (80±3)° (рис. 3, е).
До преодоления очередного препятствия спортсмен делает 5-5,5 беговых шага. Скорость движения постепенно нарастает и к моменту захода на бум достигает максимума для данного отрезка дистанции. На последнем шаге перед бумом корпус выпрямляется, руки в локтевых суставах сгибаются до угла (55±3)°, угол в коленном суставе опорной ноги в фазе амортизации (160±5)° (рис. 4, а). При следующем шаге угол в коленном суставе маховой ноги составляет (115±3)° (рис. 4, в). В момент первого касания бума вновь происходит наклон туловища до (58±2)° относительно линии горизонта, проходящей через линию тазобедренных суставов (рис. 4, г). Как и при преодолении забора, надлежащий выбор положения туловища позволяет избежать излишнего вертикального перемещения над бумом (см. рис. 4, в, г, д). Значимым моментом выполнения первого шага по буму является низкая посадка на опорной ноге (угол в коленном суставе (100±5)°) и наклон туловища (43±2)°) (см. рис. 4, д), что способствует плавному вбеганию. При заходе на бум опорная нога ставится ближе к началу бревна, что способствует сохранению набранной скорости, проекция плечевых суставов находится за проекцией оси опорной ноги (см. рис. 4, д).
Бег по буму отличается от бега по беговой дорожке большим наклоном туловища (55±5)° (рис. 5, а, б, в) и большей частотой шагов - до 3,5-4 ш/с. Перед сходом с бума углы в коленных суставах опорной и маховой ноги достигают минимальных значений (115±5)° (рис. 5, г) и (48±3)° (рис. 5, д) соответственно. Увеличенная частота шагов позволяет спортсмену преодолеть бум за 5 беговых шагов без существенной потери бега (6,2-6,6 м/с).
Отличительной особенностью схода с бума является низкое подседание на опорной ноге на последнем шаге, наклон туловища до 48-50° (рис. 6, а), широкий «выпад» на сходню с углом между бедрами в (112±2)° и поднятием колена маховой ноги до угла (20±2)° относительно оси тазобедренных суставов (рис. 6, б).
Рис. 4. Забегание на бум
Рис. 5. Бег по буму
Для максимального использования скорости, набранной при движении по буму, необходимо обеспечить мощное отталкивание от сходни, подъем бедра маховой ноги до угла (30±5)° относительно плоскости тазобедренных суставов и сгибание ноги в коленном суставе до угла (92±3)° (рис. 6, г).
Подготовка к выполнению упражнения у разветвления отличается постепенным снижением центра масс за счет сгибания ног в коленном и тазобедренном суставах и наклоном корпуса вперед (рис. 7, а). Для выполнения соединения пожарного рукава с разветвлением за 4-5 беговых шагов до разветвления спортсмен поднимает правую руку с полугайкой пожарного рукава до угла (25±5)° относительно горизонта оси плечевых суставов и направляет руку по прямой к соединительной головке разветвления (см. рис. 7, а). Происходит постепенное укорочение 23-27-го беговых шагов до минимума 0,50-0,60 м (рис. 7, б) и увеличение длины 28-29-го беговых шагов перед разветвлением до 0,9-1 м (рис. 7, г). Во время выполнения 29-го бегового шага угол в коленном суставе опорной ноги составляет (73±3)° (рис. 7, в). В дальнейшем происходит опускание общего центра масс тела за счет сгибания опорной ноги в коленном суставе до (67±3)° и увеличение наклона туловища до (32±2)° (см. рис. 7, г).
За 2-3 беговых шага до разветвления и в момент соединения с ним центр масс тела движется параллельно беговой дорожке. Это позволяет плавно подойти к разветвлению и обеспечить точность соединения (рис. 7, д, е, ж, з). В момент встречи правой руки с разветвлением центр масс тела переходит с опоры на две ноги на впереди стоящую ногу (см. рис. 7, е).
На финишном отрезке (75-100 м) спортсмены показывают максимальную скорость бега и высокую частоту беговых шагов. Эти показатели составляют 6,96-7,15 м/с и 4,0-4,5 ш/с соответственно (рис. 8). Обращает на себя внимание способность спортсменов высокого класса наращивать скорость в момент присоединения пожарного ствола к рукаву, не опуская взгляд на место соединения полугаек.
При выполнении упражнения в части разветвления, во время преодоления забора и бума существенную нагрузку испытывают не только скелетные мышцы, но и сухожилия, в особенности ахиллово сухожилие. Это обусловлено изменением скорости и направления движения, а также угла между плоскостью стопы и поверхностью опоры.
При изменении состояния скелетных мышц (растяжении и сокращении) механическое напряжение передается от саркомера к сухожилию. Напряжение в сухожилии колеблется от 20-25% при сокращении скелетной мышцы до 90-95% при ее максимальном растяжении. Низкая, в сравнении со скелетной мышцей, эластичность сухожилия ограничивает величину усилия пороговым значением около 5000 Н.
По данным исследований авторов, такое усилие достигается при сходе с бума и преодолении забора в момент постановки ноги во время приземления за препятствием, когда критический угол между стопой и плоскостью опоры составляет (30±2,3)° (рис. 9). В условиях мышечного утомления, равно как и в условиях утомления сухожилий, снижается эластичность тканей и, как следствие, повышается вероятность получения травмы. Поэтому количественные критерии выполнения упражнений в зависимости от их интенсивности являются основой планирования как микро-, так и мезоциклов.
Выводы
Представленные данные позволяют охарактеризовать структуру бега на соревновательной дистанции пожарно-спасательного спорта «Преодоление 100-метровой полосы с препятствиями» в условиях соревновательной деятельности следующим образом:
1. Особенностью дистанции является чередование отрезков с различной частотой бегового шага, скоростью и ритма бега, когда разгон сменяется торможением. Соревновательный результат зависит от скорости бега на данных отрезках, техники преодоления препятствий и затрат времени на подготовку и преодоление этих препятствий.
2. На участке дистанции 0-23 м достигается около 94% максимальной скорости (6,7±0,07) м/с. У сильнейших спортсменов стартовый разбег и достижение максимальной скорости отмечается через 12-15 м.
3. На участке дистанции 23-28 м скорость минимальна относительно остальных отрезков дистанции и составляет (2,96±0,12) м/с.
4. На участке дистанции 28-75 м отмечается дальнейшее увеличение скорости бега. На фоне увеличения скорости, (6,64±0,04) м/с, повышается длина, (1,69±0,04) м, и частота беговых шагов, (3,94±0,01) ш/с. Скорость соединения разветвления увеличивается за счет уменьшения угла сгибания в коленном суставе опорной ноги на 28-29-м беговых шагах, что позволяет быстрее пройти финишный отрезок, однако вероятность соединения пожарного рукава с разветвлением значительно уменьшается.
5. На финишном участке дистанции 75-100 м на фоне увеличения частоты шагов, (4,35±0,11) ш/с, и незначительного уменьшения длины шага, (1,63±0,04) м, спортсмены-спасатели достигают максимальной скорости, (7,1±0,08) м/с.
6. При сходе с бума и преодолении забора в момент постановки ноги во время приземления за препятствием, когда критический угол между стопой и плоскостью опоры составляет (30±2,3)°, в ахилловом сухожилии возникает усилие, близкое к пороговому.
Представляется, что информация такого рода о кинематических и силовых параметрах, полученная тренерами и спортсменами по итогам соревнований, позволяет определить оптимальный режим тренировок, снизить травматизм и психоэмоциональные нагрузки.
Список литературы
1. Бондаренко К.К., Лисаевич Е.П., Шилько С.В., Бондаренко А.Е. Изменение кинематики гребка при утомлении скелетных мышц // Российский журнал биомеханики. - 2009. - Т. 13, № 2. - С. 24-33.
2. Бондаренко К.К., Хихлуха Д.А., Бондаренко А.Е., Шилько С.В. Влияние утомления мышц на кинематику движений при гребле на байдарке // Российский журнал биомеханики. - 2010. - Т. 14, № 1. - С. 48-55.
3. Григоренко Д.Н., Бондаренко К.К. Нормирование тренировочных средств в подготовке спортсменов пожарно-спасательного спорта // Совр. олимп. спорт и спорт для всех: материалы XI Междунар. науч. конгр.: в 4 ч. - Минск, 2007. - Ч. 4. - С. 24-26.
4. Зациорский В.М., Аруин А.С., Селуянов В.Н. Биомеханика двигательного аппарата человека. - М.: Физкультура и спорт, 1981. - 143 с.
5. Мирзоев О.М. Сравнительный анализ кинематических параметров бега на 100 м у сильнейших спринтеров мира и России в условиях соревновательной деятельности / Сб. трудов ученых РГ АФК. -М., 1999. - С. 51-58.
6. Плескачевский Ю.М., Шилько С.В., Бондаренко К.К. Роль биомеханики в спорте высших достижений // Механика-2009: материалы 4-го Белорус. конгресса по теор. и прикл. механике 22-24 декабря 2009 г., Минск. - Минск, 2009. - С. 79-91.
7. Шилько С.В., Черноус Д.А., Бондаренко К.К. Метод определения in vivo вязкоупругих характеристик скелетных мышц // Российский журнал биомеханики. - 2006.- Т. 10, № 4.- C. 47-55.
8. Hanley B., Bissas A. Kinematic characteristics of elite men's and women's 20 km race walking and their variation during the race // Sports Biomechanics. - 2011. - Vol. 10, No. 2. - P. 110-124.
THE KINEMATIC AND POWER ANALYSIS OF THE COMPETITIVE
EXERCISES AT HURDLE RACE
D.N. Grigorenko, K.K. Bondarenko, S.V. Shilko (Gomel, Belarus)
Optimization of training loads is in many respects defined by biomechanical possibilities of a sportsman, including power efficiency of the organism, speed, and accuracy of reproduction of planned actions, etc. The kinematic and power analysis of competitive exercise «Overcoming 100 m obstacle course» with a force estimation in the Achilles tendon on various sites of a distance is carried out in the paper. The obtained data allow us to determine parameters of address training load, to predict a condition of tendons and muscles of the sportsman at performance of difficult-coordination actions and to provide traumatism preventive maintenance.
Key words: competitive exercise, structure of movements, running step, mass centre, skeletal muscles, Achilles tendon.
Получено 04 июля 2011
