CC BY
74
64
ВЕСНІК МДПУ імя І. П. ШАМЯКІНА
УДК 796.01(076.1)(075.8)
И. Л. Лукашкова
СОДЕРЖАНИЕ И СТРУКТУРА ИНФОРМАЦИОННО-БИОМЕХАНИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ОСНОВ ТЕХНИКИ ГИМНАСТИЧЕСКИХ УПРАЖНЕНИЙ
Статья посвящена актуальной проблеме совершенствования технической подготовки спортсменов. На примере модельного упражнения (оборот назад в стойку на руках на брусьях разной высоты) в работе представлены содержание и структура разработанных информационно-биомеханических моделей основ техники спортивных движений, включающих в себя видеоряд кадров двигательного действия, график биомеханических показателей движения, биомеханические сведения описательно-рекомендательного характера об основных нормативных компонентах техники модельного упражнения.
Введение
Среди многих проблем повышения эффективности процесса обучения спортивным упражнениям одно из центральных мест занимает поиск наиболее совершенных вариантов техники двигательных действий. Известно, что удельный вес каждой из сторон спортивной подготовки в различных видах спорта неодинаков. Так, в видах спорта со стабилизированной кинематической структурой (спортивная и художественная гимнастика, акробатика, прыжки в воду и т. д.) превалирует техническая подготовка, доля которой в общей структуре учебнотренировочного процесса доходит до 80% и более [1]—[4].
В связи с этим проблема технической подготовки спортсменов приобретает особую актуальность в тех видах спорта, в которых она является фундаментом тренировочного процесса. Обусловлено это, по крайней мере, тремя факторами [5]:
- во-первых, техника в таких видах спорта является предметом соревновательной оценки;
- во-вторых, постоянное совершенствование техники спортивных упражнений;
- в-третьих, появление новых, неизвестных ранее упражнений.
Особенно актуален этот вопрос в спортивной гимнастике, так как техника упражнений является предметом соревновательной оценки. Спортивная гимнастика, как вид спорта, имеет большой арсенал упражнений, представляющих собой обширную и разнообразную двигательную базу для исследования и установления общих биомеханических закономерностей техники спортивных движений, которые успешно могут быть экстраполированы на компонент технической подготовки и в других видах спорта. Вращательные движения спортсмена в условиях опоры составляют многочисленную группу упражнений из классификационных программ в видах спорта, связанных с искусством движений. При этом спортивные достижения во многом определяются уровнем научной разработанности системы технической подготовки спортсменов, что и обусловливает большой интерес специалистов к механизмам построения и управления вращательными движениями в условиях опоры [6]—[10].
Так, в работах ряда ученых в области спортивной тренировки подчеркивается, что освоенное спортсменом знание биомеханических закономерностей и основных механизмов построения спортивной техники, а затем воплощенное в проектно-смысловой программе построения двигательного действия способно выступать в качестве фактора, оптимизирующего процесс обучения двигательным действиям [11]—[14].
Для предоставления спортсмену информации о построении техники соревновательного упражнения С. В. Дмитриев предлагает использовать в учебно-тренировочном процессе информационно-биомеханические модели изучаемых двигательных действий. Основную содержательную часть этих моделей составляют нормативно-биомеханические показатели техники и образные элементы фазовой конструкции спортивного движения [11]. По нашему мнению, образные элементы в информационно-биомеханической модели соревновательного упражнения могут быть представлены также и видеорядом кадров, соотнесенных с параметрами изменения биомеханических характеристик двигательного действия. Более того, в содержании информационно-биомеханической модели должны учитываться сведения о биомеханических закономерностях построения техники спортивных упражнений определенной классификационной группы. На наш взгляд, полноценно отразить кинематические и динамические параметры
ПЕДАГАГІЧНЫЯ НАВУКІ
65
основных биомеханических характеристик осваиваемого гимнастического элемента смогли бы предварительно разработанные информационно-биомеханические модели, включающие в себя количественный анализ упражнения, основанный на общих биомеханических закономерностях построения движений спортсмена в условиях опоры.
Результаты исследования и их обсуждение
Целью исследования была разработка содержания и структуры информационнобиомеханических моделей основ техники оборота назад в стойку на руках с учетом выявленных общих биомеханических закономерностей движений спортсмена в условиях опоры.
На первоначальном этапе исследования выполнялась серия вычислительных экспериментов на ЭВМ с использованием математической модели синтеза движений спортсмена с программным управлением на кинематическом уровне [15]. На основании результатов моделирования вращательного движения, выполняемого из виса на перекладине, были установлены количественные зависимости, определяющие влияние кинематической структуры управляющих движений, начальной угловой скорости звеньев тела и масс-инерционных характеристик звеньев тела на траекторию биомеханической системы. Выявленные биомеханические закономерности движений спортсмена в условиях опоры в последующем учитывались при разработке содержания информационно-биомеханических моделей.
На следующем этапе осуществлялась видеосъемка гимнастических упражнений, материалы которых затем применялись для количественной оценки кинематических и динамических характеристик исследуемых двигательных действий. В качестве модельного упражнения, для которого разрабатывались информационно-биомеханические модели, был избран оборот назад в стойку на руках на брусьях разной высоты. Содержание информационнобиомеханических моделей основ техники гимнастического упражнения формировалось с учетом закономерностей системно-структурной организации движений спортсмена в условиях опоры, которые были установлены на основе компьютерного синтеза в вычислительных экспериментах на ЭВМ. Разработанные информационно-биомеханические модели основ техники оборота назад в упоре в стойку на руках на брусьях разной высоты включают в себя общие структурные элементы: видеоряд, соотнесенный с максимальными и минимальными параметрами изменения биомеханических характеристик упражнения; график, отражающий динамику биомеханических показателей движения; биомеханические сведения описательно-рекомендательного характера об основных нормативных компонентах техники модельного упражнения, сформулированные на основе анализа его кинематической и динамической структуры и установленных общих закономерностей движений спортсмена в условиях опоры.
Количественный состав и содержание информационно-биомеханических моделей основ техники оборота назад в стойку на руках, представленных ниже, определялись на основе вклада тех или иных биомеханических показателей в реализацию цели движения:
1) кинематическое управление в плечевых и тазобедренных суставах;
2) скорость кинематического управления в плечевых и тазобедренных суставах спортсмена;
3) обобщенная скорость звеньев тела спортсмена;
4) управляющие моменты мышечных сил в плечевых и тазобедренных суставах спортсмена;
5) координаты общего центра масс (ОЦМ) тела спортсмена;
6) угловая скорость радиуса-вектора ОЦМ тела спортсмена;
7) мощность управляющих воздействий в плечевых и тазобедренных суставах спортсмена.
Нормативные компоненты техники оборота назад в стойку на руках (модель № 1)
• При выполнении упражнения основную рабочую функцию принимают на себя сгибательно-разгибательные движения в плечевых суставах. Амплитуда их изменения на всей траектории движения в 2-3 раза больше аналогичного показателя в тазобедренных суставах.
• Удержание максимального сгибания в плечевых суставах (1500-1600) начинается, когда ОЦМ тела спортсмена приближается к прохождению горизонтального положения относительно опоры в первой части упражнения и прекращается в момент пересечения ОЦМ вертикального положения под опорой (рисунок 1, кадры 14-20).
66
ВЕСНІК МДПУ імя І. П. ШАМЯКІНА
I - плечевые суставы; I - тазобедренные суставы Кинематическое управление в суставах спортсмена Рисунок 1 - Модель № 1
• Максимум сгибания в тазобедренных суставах (600-700) при выполнении упражнения приходится на момент пересечения ОЦМ горизонтального положения относительно грифа перекладины в первой части оборота (рисунок 1, кадры 14-17).
Модель № 2
• Начальная фаза упражнения реализуется в условиях нарастания скорости кинематического управления в плечевых суставах, осуществляемых за счет значительных мышечных усилий в них (рисунок 2, кадры 0-8). Причем максимального значения (6 рад/с) скорость изменения угла в плечевых суставах достигает в первой половине упражнения, в момент, когда туловище и ноги расположены горизонтально (рисунок 2, кадр 8), а в тазобедренных суставах (4,5 рад/с) -в момент, когда ноги спортсмена расположены вертикально (рисунок 2, кадр 12).
I - плечевые суставы; I - тазобедренные суставы Скорость кинематического управления в суставах спортсмена Рисунок 2 - Модель № 2
ПЕДАГАГІЧНЫЯ НАВУКІ
67
• В связи с тем что значительная часть упражнения выполняется в условиях относительной фиксации суставных углов (плечевых - 1500-1600, тазобедренных - 600-700), требуется погасить скорость кинематического управления до минимальных значений. Диапазон ее изменения, требуемый для сохранения динамической осанки в вышеуказанных суставах, составляет от 0,7 рад/с до -2,2 рад/с (рисунок 2, кадры 16-22).
• Для точного выхода в стойку на руках при угловой скорости радиуса-вектора ОЦМ равной 11 рад/с (рисунок 2, кадр 20) интенсивное разгибание в плечевых суставах осуществляется со скоростью, близкой к -6 рад/с (рисунок 2, кадр 28), а в тазобедренных суставах —3,5 рад/с (рисунок 2, кадр 25).
• В заключительной части упражнения для создания достаточного контрвращения звеньев тела гимнастки необходимо наращивать скорость разгибательных движений в плечевых и тазобедренных суставах, что обеспечит точной выход в стойку на руках.
Модель № 3
• Для снижения нагрузки на плечевые суставы целесообразно использовать определенную степень сгибательного движения в тазобедренных суставах. Так, в процессе вращательного движения в первой части оборота в условиях опоры следует начинать сгибательное движение в тазобедренных суставах в момент прохождения туловищем и ногами горизонтального положения над опорой. И к моменту вертикального расположения туловища (рисунок 3, кадр 14) в силу сгибания в тазобедренных суставах угловая скорость ног достигает максимальных величин (12,5 рад/с).
fti)
PfWC
I - руки; I - туловище; I - ноги Обобщенная скорость звеньев тела спортсмена Рисунок 3 - Модель № 3 (Информационно-биомеханическая)
• Энергичные разгибательные движения в плечевых и тазобедренных суставах во второй части упражнения создают оптимальные условия для контрвращения туловища и ног, при этом угловая скорость звеньев тела спортсмена не только уменьшается, но и становится отрицательной с максимальными значениями соответственно в -1,5 рад/с и -2,0 рад/с (рисунок 3, кадры 32, 27). Такая совместная синергетическая активность в плечевых и тазобедренных суставах уменьшает управляющую мышечную нагрузку в плечевых суставах и обеспечивает приход звеньев тела в положение, близкое к вертикальному.
Модель № 4
• В начальной фазе упражнения уменьшение угла между руками и туловищем и поддержание выпрямленного положения между ногами и туловищем осуществляется положительно ориентированными моментами мышечных сил, направленными на уменьшение угла между звеньями тела (сгибательное движение). Их максимальная величина достигает 150 Нм в плечевых суставах и 90 Нм - в тазобедренных суставах.
• После прохождения туловищем и ногами горизонтального положения, для перемещения рук за опорную вертикаль спортсмен прикладывает отрицательно ориентированные моменты мышечных сил в плечевых суставах, достигающих -215 Нм и направленных на увеличение угла между руками и туловищем (разгибательное движение), что приводит к уменьшению скорости сгибательного движения в плечевых суставах (рисунок 4, кадры 6-16).
68
ВЕСНІК МДПУ імя І. П. ШАМЯКІНА
I - плечевые суставы; I - тазобедренные суставы Управляющие моменты мышечных сил в суставах спортсмена Рисунок 4 - Модель № 4
• После пересечения ОЦМ тела спортсмена горизонтального положения относительно грифа перекладины и до момента прохождения ОЦМ вертикального положения под опорой мышечные усилия в плечевых суставах (40 Нм) направлены на сохранение угла в них (рисунок 4, кадры 16-19).
• Выход в стойку на руках осуществляется активной работой в плечевых и тазобедренных суставах разгибательного характера с усилием, достигающим соответственно -140 Нм и -190 Нм. Этого достаточно для создания контртемпа вращения туловища и ног в противоположном направлении.
Модель № 5
• В начальной фазе упражнения для эффективного использования разгоняющего действия момента силы тяжести необходимо постепенное и максимально возможное удаление ОЦМ тела от опорной вертикали до момента пересечения ОЦМ горизонтального уровня грифа перекладины. В это время удаление ОЦМ по оси Ох от грифа перекладины достигает 28-30 см.
• Дальнейшее энергичное приближение ОЦМ тела гимнаста к грифу перекладины по оси Ох (рисунок 5, кадры 16-20) вызывает увеличение его угловой скорости от 8,5 рад/с до 11,0 рад/с.
I - по оси Ох; I - по оси Оу; Ш - результирующая Координаты ОЦМ тела спортсмена Рисунок 5 - Модель № 5
ПЕДАГАГІЧНЫЯ НАВУКІ
69
• После прохождения вертикального положения под опорой активное разгибание гимнаста в плечевых суставах сопровождается удалением ОЦМ тела от грифа перекладины по оси Ох. Наибольшего значения расстояние от опорной вертикали до ОЦМ (35-37 см) достигает в момент пересечения руками горизонтального положения относительно опоры.
• Рациональным является выполнение упражнения, при котором конечное положение спортсмена завершается принятием выпрямленного положения, а ОЦМ биосистемы проектируется на гриф перекладины.
Модель № 6
• Поддержание максимально возможной величины момента силы тяжести за счет наибольших значений плеча силы тяжести в первой половине упражнения сопровождается постепенным возрастанием угловой скорости радиуса-вектора ОЦМ тела спортсмена от 0,75 рад/с до 11,0 рад/с (рисунок 6, кадры 0-20).
Угловая скорость радиуса-вектора ОЦМ тела спортсмена Рисунок 6 - Модель № 6
• Наибольших величин (11,0 рад/с) угловая скорость радиуса-вектора ОЦМ биосистемы достигает в момент пересечения ОЦМ тела вертикального положения под опорой, чему способствует активное максимальное приближение спортсменом ОЦМ тела к грифу перекладины по оси Ох (рисунок 6, кадр 20).
• Во второй части упражнения энергичные разгибательные движения в плечевых и тазобедренных суставах (рисунок 6, кадры 20-37) приводят к снижению угловой скорости радиуса-вектора ОЦМ тела, что равносильно факту: удаление ОЦМ биомеханической системы от опоры способствует уменьшению угловой скорости радиуса-вектора ОЦМ.
Модель № 7
• Наиболее значительная по мощности работа в плечевых суставах (900 Вт) проявляется во второй части оборота, при выполнении кинематического разгибательного движения (рисунок 7, кадры 24-29), но по характеру мышечных усилий (рисунок 4, кадры 24-29) противодействующих этому процессу.
I - биомеханическая система; I - плечевые суставы; I - тазобедренные суставы Мощность управляющих воздействий в суставах спортсмена Рисунок 7 - Модель № 7
70
ВЕСНІК МДПУ імя І. П. ШАМЯКІНА
• Мощность работы в тазобедренных суставах существенно меньше и не превышает 440 Вт с однопиковым ее повышением (рисунок 7, кадры 22-23).
Выводы
Содержание пакета разработанных информационно-биомеханических моделей основ техники исследуемого упражнения представляет собой проектно-смысловую программу оборота назад в стойку на руках. Данная программа является важнейшим регулятивным средством освоения и образования систем спортивных движений, в которой содержится обоснованность рациональности и эффективности техники изучаемого упражнения. Здесь под рациональностью подразумеваются способы и средства понимания и интерпретации двигательного действия, а под эффективностью - конечный двигательный результат его выполнения.
Информационная ценность пакета разработанных моделей основ техники оборота назад в стойку на руках заключается в том, что их содержательная часть построена с учетом выявленных ранее биомеханических закономерностей движений спортсмена в условиях опоры и преподнесена в форме рекомендаций их практического освоения. Дидактическая эффективность содержания информационно-биомеханических моделей дополнительно усилена применением в них визуального образа движения, закрепленного в видеограммах упражнения, кадры которых соотнесены с экстремумами параметров изменения биомеханических характеристик двигательного действия.
Литература
1. Алекперов, С. А. Это реально! (К вопросу о прогнозировании техники сложных упражнений на перекладине) / С. А. Алекперов, А. Ф. Гринштейн // Мастерство гимнастов. - М. : Физкультура и спорт, 1969. - С. 106-108.
2. Гавердовский, Ю. К. Техника гимнастических упражнений : популярное пособие
/ Ю. К. Гавердовский. - М. : Тера-Спорт, 2002. - 512 с.
3. Гагуа, Е. Д. Тренировка спринтера / Е. Д. Гагуа. - М. : Олимпия Пресс, Терра-Спорт, 2001. - 72 с.
4. Евсеев, С. П. Изучение общих закономерностей техники гимнастических упражнений с помощью метода механо-математического моделирования / С. П. Евсеев, П. Г. Бордовский, А. Г. Конопелько // Техническая подготовка в современной спортивной гимнастике : сб. науч. тр. / ГДОИФК им. П. Ф. Лесгафта ; под ред. С. А. Алекперова, Ю. И. Наклонова. - Л., 1985. - С. 71-82.
5. Ипполитов, Ю. А. Методы обучения гимнастическим упражнениям на основе их моделирования : дис. ... д-ра пед. наук : 13.00.04 / Ю. А. Ипполитов. - М., 1988. - 362 л.
6. Гавердовский, Ю. К. «... И корабль плывет» / Ю. К. Гавердовский // Теория и практика физической культуры. - 1997. - № 11. - С. 47-48.
7. Покатилов, А. Е. Силовой анализ взаимодействия спортсмена с упругой опорой / А. Е. Покатилов, В. И. Загревский, Д. А. Лавшук // Теоретическая и прикладная механика : межведомствен. сб. науч.-метод. ст. / БНТУ ; под общ. ред. А. В. Чигарева. - Минск, 2009. - С. 63-68.
8. Райтер, Р. И. Исследования техники маховых упражнений на перекладине / Р. И. Райтер, В. И. Чукарин // Спортивная гимнастика. - Киев, 1977. - С. 45-61.
9. Тихонов, В. Н. Теоретические предпосылки к анализу техники маховых гимнастических упражнений / В. Н. Тихонов // Теория и практика физической культуры. - 1971. - № 5. - С. 17-21.
10. Халилов, А. А. Обучение сложным упражнениям на брусьях, выполняемым большим махом вперед на основе анализа их биомеханической структуры : дис. ... канд. пед. наук : 13.00.04 / А. А. Халилов. - Л., 1988. - 168 л.
11. Дмитриев, С. В. Двигательное действие спортсмена как предмет обучения и технологического моделирования в деятельности педагога-тренера : метод. пособие для инструкторов по физ. культуре и спорту / С. В. Дмитриев. - Н. Новгород : НГПУ, 1992. - 131 с.
12. Коренберг, В. Б. Основы спортивной кинезиологии : учеб. пособие / В. Б. Коренберг. - М. : Советский спорт, 2005. - 232 с.
13. Платонов, В. Н. Подготовка квалифицированных спортсменов / В. Н. Платонов. - М. : Физкультура и спорт, 1986. - 286 с.
14. Уткин, В. Л. Биомеханика физических упражнений : учеб. пособие для студентов фак. физ. воспитания пед. ин-тов / В. Л. Уткин. - М. : Просвещение, 1989. - 210 с.
15. Загревский, В. И. Биомеханика физических упражнений : учеб. пособие / В. И. Загревский, О. И. Загревский. - Томск : ТМЛ-Пресс, 2007. - 274 с.
Summary
The article is devoted to an actual problem of perfection of technical training of sportsmen. The content and the structure of the developed informational-biomechanical models of the main sports achievements is given on the example of a modeling exercise (a turn back to a handstand on bars of different height). These models include a video series of frames of motorial operation, the schedule of biomechanical metrics of locomotion; biomechanical data of descriptive-recommendatory character on the main standard components of modeling exercise engineering.
Поступила в редакцию 25.11.11.
