2
ОБЩИЕ ОСНОВЫ НАЗЕМНЫХ ЛОКОМОЦИЙ
Введение
Все локомоции (locus - место; motio - перемещение) характеризуются перемещением тела в пространстве при помощи мышечных усилий человека или животного. Среди наземных перемещений наибольшее распространение имеют шагательные локомоции. К ним относятся перемещения относительно опоры без специальных приспособлений (ходьба, бег и прыжки, а также плавание), а также с механическими преобразователями движений (велосипед, гребля).
Для понимания взаимодействия человека с опорой необходимо разобрать общую динамику передвижения биомеханической системы человека как самодвижущегося механизма.
перемещение тело пространство мышечное усилие
Механизм отталкивания от опоры
Отталкивание от опоры выполняется путем:
· собственного отталкивания от опоры ногами (или ногой);
· маховых движений свободными конечностями и другими звеньями.
Эти движения тесно взаимосвязаны в едином двигательном действии - отталкивании от опоры (рис. 71). Основное уравнение, которое реализуется при этом - равенство действия и противодействия (III Закон Ньютона:F = - F). В случае отталкивания от опоры вес биозвеньев тела и сила инерции ускоряемых частей тела (динамический вес) действуют в направлении опоры. В свою очередь, со стороны опоры, в противоположном направлении, действует сила реакции опоры (R).
Для дальнейшего понимания механизма отталкивания от опоры необходимо напомнить о том, что движение тела совершается только за счет работы внешних сил (относительно тела). Если работа внешних и внутренних сил уравновешены, то тело находится в состоянии покоя. Для придания ему ускорения необходимо, чтобы рабочие силы (или их моменты) превышали эффект тормозящих сил (сил сопротивления). В случае отталкивания от опоры рабочими силами являются:
силы мышечных тяг;
сила инерции (маховые движения свободных звеньев тела).
Тормозящие силы это:
вес звеньев тела;
сила инерции при их ускорении.
Силы мышечных тяг толчковой ноги выпрямляют ее. Поскольку стопа фиксирована на опоре, голень и бедро передают ускоряющее воздействие отталкивания через таз остальным звеньям тела, и возникает его ускорение в направлении отталкивания. Чтобы ОЦМ тела изменил движение, необходимо (в соответствии с законом сохранения движения ЦМ системы) наличие внешней силы, приложенной к системе. Реакция опоры R при отталкивании как раз и является такой необходимой внешней силой.
2
Рис. 71. Силы, действующие на тело человека во время отталкивания от опоры. Статический вес тела (Р) уравновешивается силой реакции опоры статической (Rc). При возникновении ускорения биозвеньев тела (а), направленного от опоры, в направлении опоры действует сила инерции. Она суммируется со статической реакцией опоры и служит внешней силой для отталкивания тела от опоры
При рассмотрении тела человека как системы подвижныхбиозвеньев, можно видеть, что мышцы крепятся на одном звене биопары, а другим концом фиксированы на другом. Таким образом, сила мышечной тяги для каждого ускоряемого звена, является необходимой внешней силой.
Таким образом, на тело при ходьбе или беге действуют сила тяжести, сила реакции опоры, сила инерции ускоряемых звеньев и сила сопротивления воздуха.
Маховые движения при отталкивании обеспечивают:
перемещение ЦМ свободных звеньев в направлении отталкивания (при этом происходит и ускорение ОЦМ тела);
растяжение мышц антагонистов в фазе торможения, что обеспечивает удлинение времени действия силы тяги (здесь реализуется импульс силы - S = F· t).
Больший импульс дает выраженный прирост количества движения и большую скорость всей системы (тела человека).
Таким образом, в фазе разгона, с нарастанием скорости маховых звеньев, растет и скорость ОЦМ тела человека. Следовательно, чем выше скорость маховых звеньев, тем она больше сказывается на скорости ОЦМ тела.
В фазе торможения маховых звеньев (вектор ускорения направлен к опоре) возникает сила инерции, которая направлена против ускорения звеньев, то есть от опоры и, слагаясь с силой тяги мышц, способствует ускоренному отталкиванию от опоры.
Основным вариантом рекуперации энергии при выполнении шагательных движений является использование энергии упругой деформации, накопленной в мышцах в предыдущих фазах двигательного действия. При упругой деформации мышц, их растягивании приложенными силами, кинетическая энергия заторможенных звеньев переходит в потенциальную энергию упруго деформированных мышц и сухожилий.
В том случае, когда кинетическая энергия больше, то накапливается и используется большая величина упругой энергии.
Бег является ускоренной формой передвижения, которая характеризуется кратким подбрасыванием тела над опорой поочередно каждой ногой (Ч. Диллман). Согласно кинематической структуре цикл бегового шага имеет период опоры и период переноса. Их соотношение определяет ритм бега. Как правило, опорный период в два раза короче переносного. Наопоре реализуются две фазы: амортизация и отталкивание. В кинематическом плане их разграничивают по величине суставных углов опорной ноги (степень сгибания в коленном суставе и активность голеностопного). Период переноса состоит из четырех фаз: подъем, разгон, торможение и опускание.
Скорость, длина и частота шагов в беге
Скорость в шагательных движениях пропорциональна длине одиночного шага (L) и частоте их выполнения (T - темп). Следовательно, можно написать кинематическое уравнение любой локомоции шагательного типа: V = LT
У лучших бегунов-спринтеров длина одиночного шага составляет 210-220 см, а у стайеров - лишь немного меньше - 205 см. Что касается темпа движений, то здесь различия более выражены: 4,3 c-1 - в спринте и 2,8 c-1 - в беге на длинные дистанции. Как правило, увеличение скорости передвижения в беге зависит от обеих переменных (длины шага и их частоты). Однако, рост скорости бега после величины примерно 6 м/c, происходит в основном за счет прироста темпа (рис. 16).
Оптимизация кинематических параметров является важной задачей при совершенствовании техники этого вида локомоций. Скорость шагательных движений зависит от длины дистанции и подготовленности данного спортсмена. Этой величине скорости соответствуют оптимальные величины длины и частоты шагов. Они имеют индивидуальный характер, поскольку во многом зависят от пропорций тела.
Соотношение длительности разных частей бегового шага является результатом точного дозирования мышечных усилий: их своевременности, длительности, величины, а также быстроты их изменения. Наиболее четко определяемые показатели ритма - это соотношения длительности «опорного периода - переноса», «амортизации - отталкивание» (рис. 72).
2
Рис. 72. Пример ритмограммы бегового шага, как соотношение периодов переноса и опоры
Различные показатели ритма шагов раскрывают распределение усилий, позволяют выявить согласование усилий и самих движений, искать и находить оптимальные ритмы. Анализ показывает, что соотношение длительности периодов опоры и полета в беге составляет в среднем 1:2. Таким образом, время опоры почти в 2 раза короче, чем время полета.
В свою очередь каждый период бегового шага включает отдельные фазы. Так на опоре выделяют фазу амортизации и отталкивания. При беге с высокой скоростью фаза амортизации короче, что связано с более жесткой постановкой стопы на опору. В этом случае создаются лучшие условия для накопления энергии упругой деформации (с последующим ее использованием в фазу отталкивания).
Таким образом, можно заключить, что с увеличением дистанции, длительность опорного периода в основном изменяется за счет фазы амортизации. Если рассматривать эффективность индивидуальной техники бега, то можно выяснить, что ее совершенствование проявляется в укорочении фазы амортизации. Данные эффект способствует уменьшению потерь энергии упругой деформации (уменьшение релаксации) в опорной ноге.
Заданная скорость в ходьбе или беге может быть достигнута при различном сочетании длины и частоты шагов. Соответствующий график называется изоспидой; во всех точках этой кривой скорость одна и та же (рис. 73).
Рис. 73. Соотношение длины (горизонтальная ось) и частоты (вертикальная ось, темп) шагов в беге
Однако необходимо заметить, что энергетические затраты при разных сочетаниях длины и частоты шагов неодинаковы. При слишком коротких или очень длинных шагах (что соответствует недостаточной или чрезмерной силе отталкивания) энергозатраты на 1 м пути выше, чем при оптимальном (наиболее экономичном) сочетании длины и частоты шагов. Например, отклонение от оптимальной длины шага на 5% длины ноги, при беге со скоростью 3,8 м/с, увеличивает потребление кислорода в среднем на 0,2 мл/мин/кг (что составляет около 1 Дж на 1 м пути). Надо полагать, что это существенные затраты энергии.
Чтобы ответить на вопрос, почему от длины и частоты шагов зависит экономичность движений, нужно вспомнить, из каких составных частей складывается суммарная работа всех мышц. Слагаемыми работы мышц являются:
горизонтальная внешняя работа, или работа по изменению кинетической энергии (mv) тела в горизонтальном направлении (включая работу по преодолению внешних контактных сил - силы трения, силы сопротивления воздуха или воды);
вертикальная внешняя работа, или работа по изменению кинетической и потенциальной энергии тела в вертикальном направлении;
внутренняя работа, то есть работа по перемещению звеньев тела относительно ОЦМ (до 25% всех энергозатрат при беге);
работа внутренних органов (сердца, дыхательной мускулатуры и т.п.).
При беге, ходьбе, плавании и других циклических локомоциях полезной работой можно назвать только горизонтальную внешнюю работу. Остальные составляющие суммарной работы мышц сопряжены с непроизводительными затратами энергии. Чем они будут меньше, тем экономичнее движения (экономичность движений в самом общем виде оценивается отношением полезной работы к затраченной энергии). Важное значение для экономизации бега или ходьбы имеет:
устранение или уменьшение лишних движений;
ненужных сокращений мышц;
вертикальных колебаний тела.
Их постепенное устранение отчетливо наблюдается у детей в процессе роста и овладения ими двигательными навыками. То же самое наблюдается и при спортивной тренировке. Лишние движения, мало заметные при простом зрительном контроле, становятся явными при регистрации электрической активности мышц. Они проявляются в активизации мышц, не участвующих в выполнении данного движения. Например, при обучении гимнастическим упражнениям регистрируется высокая электрическая активность даже жевательных мышц. Размах вертикальных колебаний тела при беге относится к непроизводительным движениям, которым редко придают значение, поскольку каждое из них в отдельности требует немного усилий. Однако расчеты показывают, что суммарная вертикальная работа при беге или при ходьбе весьма велика. Например, в беге на дистанции 3000 м неподготовленный человек сделает примерно три тысячи шагов. Умножив это число на высоту подъема в каждом шаге (например, на 10 см), можно получить суммарную высоту подъема тела на высоту 300 м, что соответствует высоте 100-этажного здания. У высококвалифицированных бегунов на длинные дистанции вертикальные колебания ОЦТ не превышают 5 см.
Важным резервом экономичности движений является рекуперация энергии. Одно из проявлений рекуперации основано на упругих свойствах мышц и сухожилий. Энергия упругой деформации, накопленная в уступающей фазе движения при выполнении отрицательной работы (при растягивании мышц), используется затем при сокращении мышц. Тем самым уменьшаются метаболическиеэнергозатраты, и повышается экономичность движений. С механизмом рекуперации энергии связывают полученные в ряде исследований высокие значения коэффициента механической эффективности, равные 40-60% у человека и достигающие 76% у кенгуру. Эти цифры привлекают внимание в связи с тем, что максимальная эффективность мышечного сокращения не превышает 30%. Более того, считается, что при значении коэффициента общей механической эффективности больше 25% всегда используется энергия упругой деформации растянутых мышц.
Биомеханические основы ходьбы
Ходьба, как и бег, являются «фундаментальными» движениями человека. Анализ техники движений в ходьбе часто используются для изучения общих закономерностей циклических локомоций. Вместе с тем ходьба, как и скользящий шаг на лыжах и коньках, отличаются от прыжка и бега тем, что не имеет периодов полета. При ходьбе ОЦТ колеблется вертикально и горизонтально. Так как время опоры каждой ноги короче, чем время переноса, в каждом шаге возникает период двойной опоры (рис. 74).
| ЦЕНОВАЯ ПОЛИТИКА ПРЕДПРИЯТИЯ НА ПРИМЕРЕ ООО «ДНС РИТЕЙЛ» |