CC BY
51
В.И. Загревский, В.С. Шерин
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ ОСНОВНЫХ БИОМЕХАНИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТЕХНИКИ СТРУКТУРНОЙ ГРУППЫ ПЕРЕЛЕТОВЫХ УПРАЖНЕНИЙ «ТКАЧЕВ» НА ПРЕРЕКЛАДИНЕ
Рассматриваются основные биомеханические закономерности выполнения сложных гимнастических элементов на перекладине. Приводится количественная биомеханическая информация о технических особенностях выполнения каждого из исследуемых гимнастических элементов, анализируются рациональные способы построения упражнений и пути совершенствования их биомеханической структуры.
Основным критерием развития современной спортивной гимнастики стала «высококачественная сверхсложность» [1]. Для успешного выполнения гимнастических упражнений требуются высокоточные двигательные действия спортсмена в различных висах, упорах, а также в безопорном состоянии. К таким упражнениям относятся перелетовые элементы на перекладине с ярко выраженной фазой безопорного состояния гимнаста в полетной части упражнения. Сегодня обучение технике гимнастических упражнений строится на основе теоретических сведений об общих биомеханических закономерностях и экспериментальных данных о фазовой структуре изучаемых двигательных действий [2]. Недостаточные знания о биомеханической структуре перелетовых упражнений на перекладине тормозят процесс овладения спортсменами технически сложными элементами.
Цель исследования. Выявить биомеханические закономерности в построении рациональной техники различных упражнений структурной группы перелетов «Ткачев» на перекладине.
Гипотеза. Результаты биомеханического анализа кинематической и динамической структуры перелето-вых упражнений «Ткачев» на перекладине позволят выявить биомеханические закономерности их рационального выполнения, что будет способствовать интенсификации учебно-тренировочного процесса и повышению его эффективности.
В соответствии с гипотезой перед исследователями были поставлены следующие задачи.
1. Подобрать группу гимнастов, владеющих на соревновательном уровне техникой структурной группы перелетовых упражнений «Ткачев» на перекладине.
2. Провести видеосъемку выполнения исследуемых упражнений в условиях соревнований.
3. Выполнить биомеханический анализ исследуемых упражнений и по его результатам выбрать наилучшего исполнителя для дальнейшего сравнительного биомеханического анализа структурной группы пере-летовых упражнений «Ткачев» на перекладине.
Методы и организация исследования. В работе использовались следующие методы исследования: анализ литературных источников; видеосъемка исследуемых упражнений; экспериментально-аналитический метод определения геометрии масс тела человека; компьютерная обработка видеоматериалов регистрации движений спортсменов и построение видеограмм упражнений на ЭВМ; аналитические и численные определения кинематических и динамических характеристик исследуемых упражнений на ЭВМ.
Все вышеупомянутые методы исследований достаточно подробно освещены в специальной литературе [3, 4]. Исключение составляет метод аналитического и численного расчета кинематических и динамических характеристик соревновательных упражнений на ЭВМ. Технологической сложностью составления компьютерной программы вычисления кинематических и динамических характеристик соревновательных упражнений является многозвенный и разветвленный характер построения кинематических цепей в биомеханических системах. Мы ориентировались на работы [5, 6], в которых показано, что рассматриваемую трудность можно успешно преодолеть, если вычислительные алгоритмы построить на основе рекуррентных соотношений; алгоритм вычислений для каждого последующего звена строится на основе аналитического представления вычисляемой характеристики предыдущего звена и суммируемого с ним биомеханического параметра, представляемого в аналитическом виде для вычисляемого звена. Такой вид формирования вычислительных алгоритмов позволяет ЭВМ выполнять не только функцию вычислительного инструмента, но и выступать в роли конструктора математических моделей анализа и синтеза движений человека для многозвенных биомеханических систем [5].
Видеосъемки упражнений проводились в лабораторных условиях [4]. В исследовании приняли участие более 30 гимнастов. По материалам компьютерной обработки видеосъемки упражнений были определены кинематические (27) и динамические (15) характеристики исследуемых гимнастических элементов, на основании которых в дальнейшем выполнялся биомеханический анализ техники перелета «Ткачев»: «ноги врозь», «согнувшись», «прямым телом».
В качестве критерия эффективности техники исследуемых упражнений рассматривались биомеханические характеристики:
1) высота расположения общего центра масс (ОЦМ) тела гимнаста относительно грифа перекладины в высшей точке полетной части анализируемых гимнастических элементов;
2) расположение ОЦМ тела спортсмена в момент дохвата кистями рук за гриф перекладины и стабильное выполнение этой фазы упражнения;
3) мощность выполнения контртемпового, разгиба-тельного движения рук в плечевых и ног в тазобедренных суставах перед вылетом гимнаста в безопорную фазу (антикурбет) [2].
По критериям качественного выполнения исследуемого упражнения как визуальный образец была выбрана
техника лучшего исполнителя - А. Голоцуцкова, заслуженного мастера спорта России по спортивной гимнастике. Экспертами, оценивающими технику упражнений, выступили ведущие тренеры спортивных школ олимпийского резерва по гимнастике г. Томска и г. Се-верска. По результатам биомеханического анализа техника выполнения упражнений в исполнении А. Голо-цуцкова также была принята за эталон для гимнастов, осваивающих эти гимнастические элементы.
Результаты исследования. Результирующая силы реакции опоры и связи в суставах. На рис. 1 приведены графики результирующей силы реакции опоры и связи в суставах при выполнении исследуемых упражнений: «Перелет Ткачева ноги врозь», «Перелет Ткачева согнувшись», «Перелет Ткачева прямым телом».
В анализируемых упражнениях можно выделить три основных цикла изменения результирующей силы реакции опоры (табл. 1).
Н
8514
7568
6622
5676
4738
3784
2838
1892
940
0
Л
А г /
/ У 'О
7376
6454
5532
4618
3688
2766
1844
922
Опорный период
Ноги------ Туловище •
Безопорный
период
Руки
Опор
ный
период
я
Г-
4 8 12 16 20 24 28 32 36
Опорный
период
44 №, кадр
Безопорный
период
Н
5949
5288
4627
3966
3385
2644
1983
1322
661
0
-1322
-н -! - и
4 'А /
ЛГ -Є* Т А/ \);
-Л. ■ 'ч
4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 №, кад
Опорный
период
Безопорный
период
Ноги — Туловище .............. Руки --------
Туловище ...... Руки
Рис. 1. Результирующая силы реакции опоры и связи в суставах при выполнении упражнений «Перелет Ткачева»: А - ноги врозь; Б - согнувшись; В - прямым телом
Т а б л и ц а 1
Параметры отдельных циклов изменения результирующей силы реакции опоры (К) при выполнении упражнений «Перелет Ткачева»
А
Б
Н
В
№ цикла Упражнение Длительность цикла, с Значение Я в отдельных компонентах цикла Длительность «плато», с
«Вход» (Н) «Пик» (Н) «Выход» (Н) «Плато» (Н)
1 А 0,32 360 1800 1400 - -
Б 0,32 620 2250 1500 - -
В 0,36 600 2150 1400 - -
2 А 0,24 1400 3850 2000 - -
Б 0,28 1500 3600 1500 - -
В 0,28 1400 4325 1750 - -
3 А 0,24 2000 8500 - 3100 0,04
Б 0,28 1500 8000 - 2600 0,06
В 0,24 1750 6250 - 2500 0,06
Примечание. Здесь и в табл. 2: А - упражнение «Перелет Ткачева ноги врозь», Б - «Перелет Ткачева согнувшись», В - «Перелет Ткачева прямым телом».
Во всех анализируемых упражнениях закономерность изменения результирующей силы реакции опоры типична. Исключение составляет 3-е упражнение, в котором пиковое значение 2-й волны (4325 Н) существенно больше, чем в 1-м и 2-м упражнениях. В момент потери спортсменом контакта с грифом перекладины пиковая величина результирующей силы реакции опоры в 3-м упражнении (6250 Н) значительно меньше, чем в 1-м и 2-м.
Объяснение этого кроется в кинематике управляющих воздействий. Во время второго цикла изменения результирующей силы реакции опоры во всех трех упражнениях гимнаст выполняет разгибательные движения рук в плечевых и ног в тазобедренных суставах. Разгибательные движения в суставах в этой части упражнений являются подготовительными перед основным бросковым движением, которое обеспечивает успешное выполнение полетной части. Существенное различие пикового значения во втором цикле изменения результирующей силы реакции опоры (которое является наибольшим в упражнении «Перелет Ткачева прямым телом») заключается в следующем: выполняя
разгибательные движения в суставах во время схода, гимнаст удаляет ОЦМ тела от грифа перекладины, создавая «оттяжку» от опоры.
Эти управляющие движения создают наиболее эффективные условия для выполнения в последующем более короткого, но и более мощного хлестообразного сгибательного движения звеньями тела в суставах. В связи с этим увеличиваются угловая скорость ОЦМ тела, кинетическая энергия, а следовательно, и сила реакции опоры. В момент потери спортсменом контакта с грифом перекладины пиковая величина результирующей силы реакции опоры в 3-м упражнении значительно меньше, чем в 1-м и
2-м. Это связано с тем, что гимнаст значительно меньше воздействует кистями рук на гриф перекладины во время выполнения антикурбета перед вылетом в безопорную фазу упражнения. При создании противонаправленного вращения звеньев тела в полетной части гимнаст в
3-м упражнении быстрее и раньше, чем в 1-м и 2-м, заканчивает контакт кистей рук с грифом перекладины.
Таким образом, в 3-м упражнении (наиболее сложном) контрвращение задается от ног, а не от проксимальных звеньев, как в упражнениях «Перелет Ткачева
ноги врозь» и «Перелет Ткачева согнувшись». Следовательно, для более эффективного выполнения полетной части упражнения спортсмен должен создать контрвращение в условиях опоры разгибательными движениями звеньев тела в дистальных суставах, минимизируя разги-бательные движения в проксимальных суставах.
Кинетическая энергия. Закономерность изменения кинетической энергии в упражнениях «Перелет Ткачева ноги врозь» и «Перелет Ткачева согнувшись» типична: везде присутствует 4-цикловая структура волнообразных изменений кинетической энергии биосистемы (рис. 2).
Рис. 2. Кинетическая энергия биомеханической системы при выполнении упражнений «Перелет Ткачева»: А - ноги врозь; Б - согнувшись; В - прямым телом
Рассогласование отмечается лишь по численным значениям величины кинетической энергии биосистемы и длительности выполнения отдельных волновых циклов (табл. 2).
Т а б л и ц а 2
Параметры циклов изменения кинетической энергии биомеханической системы (К) в упражнениях «Перелеты Ткачева»
№ цик- ла Упраж- нение Длительность цикла, с Величина К в отдельных компонентах цикла, Дж
«Вход» «Пик» «Выход»
1 А G,24 340 93G 870
Б G,24 68G 1G3G 890
В G,24 66g 1G76 1020
2 А G,28 87G 1660 1440
Б G,28 89G 131G 1100
В G,32 1G2G 1830 1180
3 А G,2G 144G 1740 90
Б G,24 11GG 1410 0
В G,24 118G 1370 120
4 А G,G4 9G 480 -
Б G,G4 G 933 -
В - - - -
Третье упражнение выпадает из общей схемы
4-циклового изменения кинетической энергии, для него характерна 3-цикловая структура. Следует отметить, что подобная структурная схема организации изменения кинетической энергии основывается на более раннем разгибательном движении ног в тазобедренных суставах по сравнению с разгибательным движением рук в плечевых суставах.
В первых же двух упражнениях разгибательное движение ног в тазобедренных суставах совпадает по времени с разгибательным движением рук в плечевых суставах. Исходя из посылки, что чем сложнее упражнение, тем более тонкая организация управления необходима для его практической реализации, отметим следующую техническую особенность выполнения анализируемых упражнений: организация предполетной части на кинематическом уровне начинается для более
сложного упражнения с дистальных звеньев. Такие управляющие движения обеспечивают необходимую энергетическую минимизацию управляющих воздействий как для проксимальных суставов, так и для всей биомеханической системы.
Кинетический момент тела гимнаста и его звеньев относительно общего центра масс биомеханической системы. В упражнениях «Перелет Ткачева ноги врозь» и «Перелет Ткачева согнувшись» стартовое значение кинетического момента тела гимнаста относительно его ОЦМ составляло 15 кг-м2/с в первом упражнении (рис. 3, А, кадр 0) и 17 кг-м2/с во втором (рис. 3, Б, кадр 0). В упражнении «Перелет Ткачева прямым телом» анализируемая характеристика для начального момента времени значительно больше - 65 кг-м2/с (см. рис. 3, В, кадр 0).
Дальнейшее выполнение упражнений «Перелет Ткачева ноги врозь» и «Перелет Ткачева согнувшись» сопровождается незначительным повышением (на 15 кг-м2/с) величины кинетического момента тела гимнаста относительно его ОЦМ - соответственно до 25 кг-м2/с (рис. 3, А, кадры 010) и до 23 кг-м2/с (рис. 3, Б, кадры 0-12). Затем следует незначительное уменьшение кинетического момента. Для первого упражнения минимальное значение анализируемой характеристики равно 10 кг-м2/с (см. рис. 3, А, кадр 16) и повышается до 12 кг-м2/с (рис. 3, Б, кадр 17).
В упражнении же «Перелет Ткачева прямым телом» совершенно иная картина подготовительных действий, а соответственно, и динамика изменения кинетического момента тела гимнаста относительно его ОЦМ. От величины 65 кг-м2/с (см. рис. 3, В, кадр 0) происходит уменьшение кинетического момента до 0 кг-м2/с, а затем увеличение до отрицательной величины (-5,65 кг-м2/с, рис. 3, В, кадр 12). Это свидетельствует о том, что при положительном кинетическом моменте относительно грифа перекладины звенья тела вращаются относительно ОЦМ тела спортсмена в противоположном направлении. Отрицательное значение кинетического момента в этот момент времени из всех звеньев биокинематической цепи имеют только ноги (см. рис. 3, Б).
Рис. 3. Кинетический момент биомеханической системы и звеньев тела спортсмена относительно общего центра масс тела при выполнении упражнений «Перелет Ткачева»: А - ноги врозь, Б - согнувшись, В - прямым телом (руки------------------------------; ноги-------; система---; туловище--------)
Следовательно, это возможно только в случае, если спортсмен выполняет настолько энергичное разгибание ног в тазобедренных суставах и в поясничной области, что его ноги начинают вращаться относительно ОЦМ тела в противоположном по отношению к его движению направлении.
Дальнейшие двигательные действия спортсмена выполняются таким образом, что происходит быстрый прирост кинетического момента тела гимнаста и его звеньев относительно ОЦМ. За 0,44 с во всех 3 упражнениях кинетический момент тела достигает максимальных значений: 115 кг-м2/с (см. рис. 3, А, кадр 27) в
1-м упражнении; 110 кг-м2/с (рис. 3, Б, кадр 28) - во
2-м; 122 кг-м2/с (см. рис. 3, В, кадр 23) - в 3-м упражнении. Отличие в показателях не столь существенное.
Дальнейшее движение спортсмена по траектории упражнения сопровождается уменьшением кинетического момента тела относительно ОЦМ до момента перехода в безопорное состояние.
В момент потери контакта кистей рук гимнаста с грифом перекладины кинетический момент тела относительно его ОЦМ составляет: -25 кг-м2/с (см. рис. 3, А, кадр 36) в 1-м упражнении; -23 кг-м2/с (рис. 3, Б, кадр 38) - во 2-м, -42 кг-м2/с (см. рис. 3, В, кадр 32) - в
3-м упражнении. Отрицательные значения кинетического момента свидетельствуют о создании динамического контртемпа, который наиболее значителен в
3-м упражнении. Это можно объяснить тем, что для создания противовращения звеньев тела гимнаста в полетной части упражнения выпрямленным телом не-
обходимо наличие значительного начального вращательного импульса, векторный компонент
которого направлен в сторону, противоположную вращению продольной оси тела.
В трех анализируемых упражнениях отрицательное значение величины кинетического момента тела спортсмена относительно его ОЦМ в момент перехода в без-опорное состояние образуется только за счет разгиба-тельного движения ног в тазобедренных суставах. В это время значение кинетического момента ног равно: -90 кг-м2/с (см. рис. 3, А, кадр 36) в 1-м упражнении; -90 кг-м2/с (рис. 3, Б, кадр 40) - во 2-м; -60 кг-м2/с (см. рис. 3, В, кадр 32) - в 3-м упражнении. В это же время в силу действия реактивных сил разгибательного движения ног на туловище и руки «всплеском» увеличивается кинетический момент туловища и рук: 18 кг-м2/с - руки, 40 кг-м2/с - туловище (рис. 3, А, кадр 36) в 1-м упражнении; 20 кг-м2/с - руки, 40 кг-м2/с -туловище (рис. 3, Б, кадр 40) во 2-м упражнении; 10 кг-м2/с - руки, 10 кг-м2/с - ноги (см. рис. 3, В, кадр 32) в 3-м упражнении.
Заданный на опоре отрицательный вращательный импульс относительно ОЦМ биомеханической системы для всего тела спортсмена в полетной части упражнения перераспределяется на все звенья биосистемы. В соответствии с законом сохранения главного момента количества движения биомеханической системы в полетной части упражнения вращение продольной оси тела гимнаста происходит в направлении, противоположном ее вращательному движению в момент потери спортсменом контакта с опорой.
Кинематические параметры полетной части упражнений. Целевая установка тонкого двигательного ансамбля технических действий спортсмена на опоре при выполнении упражнений «Перелет Ткачева» ориентирована на создание достаточного контрвращения и высоты в полетной части упражнения. Двигательная задача заключается в том, чтобы обеспечить надежный дохват за гриф перекладины в завершающей фазе. И значительный вклад в реализацию зрелищности и технического совершенства полетной части упражнения вносят начальные условия движения.
Исходное положение ОЦМ тела гимнаста относительно оси ОХ (т.е. в момент вылета в безопорное состояние) равно: в первом упражнении 0,62 м; во втором - 0,58 м и в третьем - 0,76 м. Относительно оси ОУ эти показатели соответственно равны 0,78; 0,81 и 0,57 м.
В первом упражнении начальная линейная скорость вылета ОЦМ тела гимнаста по оси ОХ равна -2,43 м/с; по оси ОУ - 2,13 м/с, а результирующая скорость составила 3,23 м/с; во втором упражнении эти показатели соответственно равны: -2,66; 1,37; 3,00 м/с.; в третьем упражнении: -2,66; 2,36; 3,56 м/с.
Такие типичные начальные условия движения обеспечивают общее время полета в 1-м упражнении, равное
0,56 с, во 2-м - 0,52 с и в 3-м - 0,6 с. За это время перемещение ОЦМ тела гимнаста в горизонтальном направлении составило: в 1-м упражнении - 1,36 м; во 2-м - 1,39 м и в 3-м - 1,6 м. Наибольшая высота вылета ОЦМ тела относительно грифа перекладины в 1-м упражнении равна 1,01 м (перемещение по вертикали вверх - 0,23 м); во
2-м - 0,90 м (перемещение - 0,10 м); в 3-м - 0,86 м (пере-
мещение - 0,29 м). Эти данные свидетельствуют о том, что для эффективного выполнения наиболее сложного упражнения («Перелет Ткачева прямым телом») необходимо большее время в полетной части (в среднем от 0,04 до 0,12 с) по сравнению с первыми двумя упражнениями. Это достигается за счет увеличения результирующей линейной скорости ОЦМ тела гимнаста в момент «старта» до 3,5 м/с.
Момент дохвата кистями рук за гриф перекладины характеризуется следующими координатами ОЦМ тела спортсмена относительно грифа. Относительно оси ОХ расстояние от ОЦМ тела спортсмена до грифа составило: в 1-м упражнении 0,64 м; во 2-м - 0,81 м; в 3-м -0,84 м. Относительно оси ОУ расстояние от ОЦМ тела до грифа перекладины составило: в 1-м упражнении 0,42 м; во 2-м - 0,19 м; в 3-м - 0,22 м.
Следовательно, технически грамотное исполнение структурной группы упражнений «Перелет Ткачева» характеризуется таким завершением полетной части, при котором ОЦМ тела спортсмена в момент дохвата располагается как можно выше уровня грифа перекладины (0,2-0,4 м), а расстояние от ОЦМ тела до грифа в горизонтальном направлении варьирует от 0,6 до 0,9 м.
Резюме. Результаты биомеханического анализа кинематической и динамической структуры упражнений «Перелет Ткачева» на перекладине позволили выявить следующие биомеханические закономерности их рационального выполнения:
1. В момент потери кистями рук спортсмена контакта с грифом перекладины пиковая величина результирующей силы реакции опоры в упражнении «Перелет Ткачев прямым телом» значительно меньше, чем в 1-м и 2-м упражнениях. Это связано с тем, что во время выполнения антикурбета перед вылетом в безопорную фазу гимнаст значительно меньше воздействует кистями рук на гриф перекладины. Для создания противонаправленного вращения звеньев тела в полетной части гимнаст в 3-м упражнении быстрее и раньше, чем в 1-м и 2-м упражнениях, отпускает кистями рук гриф перекладины.
2. Динамика изменения результирующей силы реакции связи в плечевых и тазобедренных суставах соответствует динамике изменения результирующей силы реакции опоры, отличаясь от нее меньшими численными значениями. При этом у дистального сустава численное значение величины результирующей силы реакции связи меньше, чем у проксимального сустава.
3. При выполнении упражнений структурной группы «Перелет Ткачева» перед вылетом в безопорную фазу гимнаст выполняет контртемповое, разгибатель-ное движение рук в плечевых и ног в тазобедренных суставах (противоположное ходу вращения ОЦМ тела). В силу этого в полетной части упражнения звенья тела гимнаста вращаются в сторону, противоположную их вращательному движению в опорной части упражнения. Эта закономерность вращения звеньев тела в опорной и полетной частях упражнения является специфической особенностью техники выполнения перелета Ткачева.
4. Во всех трех анализируемых упражнениях отрицательное значение величины кинетического момента тела спортсмена относительно его ОЦМ в момент пе-
рехода в безопорное состояние образуется только за счет активного разгибательного движения ног в тазобедренных суставах.
5. Организация кинематической структуры предполетной части упражнения начинается для более сложного упражнения с дистальных звеньев. Такие управляющие движения обеспечивают необходимую энергетическую минимизацию управляющих воздействий как для проксимальных суставов, так и для всей биомеханической системы.
6. Заданный на опоре отрицательный вращательный импульс относительно ОЦМ биомеханической системы для всего тела спортсмена в дальнейшем в полетной части упражнения перераспределяется на все звенья биосистемы. Поэтому в соответствии с законом сохранения главного момента количества движения биоме-
ханической системы в безопорном состоянии, вращение продольной оси тела гимнаста в полетной части упражнения происходит в направлении, противоположном ее исходному вращательному движению в момент потери кистями рук контакта с опорой.
7. Стартовые условия отхода гимнаста из опорного в безопорное состояние (результирующая линейная скорость ОЦМ тела варьирует от 3,00 до 3,60 м/с; угол вылета составляет 38 - 45°) обеспечивают необходимую высоту подъема ОЦМ тела спортсмена над грифом перекладины (0,85 - 1,00 м), достаточное время полета (0,52 - 0,60 с) и комфортные условия для выполнения дохвата (высота ОЦМ над грифом перекладины 0,20 - 0,40 м; расстояние от ОЦМ до грифа перекладины 0,60 - 0,90 м) кистями рук за гриф перекладины.
ЛИТЕРАТУРА
1. Аркаев Л.Я., СучилинН.Г. Как готовить чемпионов. М.: ФиС, 2004. 328 с.
2. Гавердовский Ю.К. Техника гимнастических упражнений: Популярное учебное пособие. М.: Терра-Спорт, 2002. 512 с.
3. Донской Д.Д. Биомеханика: Учебное пособие. М.: Просвещение, 1975. 238 с.
4. Сучилин Н.Г., Савельев В.С., Попов Г.И. Оптико-электронные методы измерения движений человека. М.: ФОН, 2000. 126 с.
5. Загревский В. Расчетные модели кинематики и динамики биомеханических систем. Томск: ТГПУ, 1999. 150 с.
6. Загревский В.И., Лавшук Д.А., Загревский О.И. Построение оптимальной техники спортивных упражнений в вычислительном эксперименте
на ПЭВМ. Могилев: Могилев. гос. ун-т, 2000. 190 с.
Статья представлена научной редакцией «Психология и педагогика» 10 декабря 2007 г.
