Реферат: Общие основы наземных локомоций

Рис. 74. Фазы ходьбы (смена одноопорного и двухопорного положений)

Скорости при ходьбе таковы, что ходьба обычная - 1,7 м/сек (6 км/час). Спортивная ходьба - 4,65 м/сек (16,5 км/час). При этом длина одиночного шага составляет от 0,95 до 1,30 м, а темп шагов - от 3,20 до 3,80 с^-1. При этом горизонтальная скорость (V) определяется как произведение длины одиночного шага (L) на темп или частоту шагов (T).

В спортивной ходьбе при большей скорости передвижения, чем в обычной ходьбе, период двойной опоры сокращено до минимума. С повышением частоты шагов спортивная ходьба может переходить в бег - двойная опора сменяется полетом. После того как стопа толчковой ноги отрывается от опоры, то опора осуществляется только на другую, ранее перенесенную ногу. В этом случае бывшая толчковая нога становится переносной и выносится вперед. До момента, пока носки стоп не поравняются, происходит задний шаг. Общий центр массы тела перемещается вперед по инерции, хотя возможно и некоторое его «подтягивание» за счет разгибания бедра опорной ноги и выносом переносной ноги вперед. Переносная нога, после того как носки стоп поравнялись (по горизонтали), выносится далее вперед к новому месту опоры. Это движение обозначается как передний шаг (табл. 4).

Таблица 4. Схема циклов, периодов и фаз в ходьбе

При его завершении продолжается активное разгибание бедра опорной (толчковой) ноги в тазобедренном суставе, за счет этого осуществляется наиболее энергичное продвижение тела вперед. Если взять для анализа вариант спортивной ходьбы, то здесь переносная нога ставится на опору и остается в течение всего времени опоры разогнутой или слегка согнутой в коленном суставе. Поэтому коленный сустав в отталкивании не участвует. Отталкивание от опоры выполняется за счет подошвенного сгибания стопы и поворота таза вперед в тазобедренном суставе опорной ноги. Далее осуществляется одиночная опора, которая сменяется постановкой стопы переносной ноги на опору (происходит реализация двойной опоры). Затем начинается отрыв стопы толчковой ноги от опоры. С началом опоры на другую ногу происходит амортизация, торможение тела при движении его к опоре. Постепенное торможение осуществляется вследствие уступающей работы мышц-разгибателей стопы (опускание носка на опору) и мышц, отводящих таз в тазобедренном суставе этой ноги (опускание таза вниз). Амортизация с торможением по вертикали неминуемо сопровождается и некоторым торможением по горизонтали.

Что касается маховых движений рук при ходьбе, то они обе совершают уравновешивающие движения с большим размахом, сопровождая повороты верхней части туловища навстречу поворотам таза.

Поскольку основным динамическим уравнением наземных локомоций является уравнение третьего закона Ньютона (F= -F), то силы действия ног на опору отображают всю совокупность внутренних и внешних сил, действующих на тело человека. Покрытие беговой дорожки и материал, из которого изготовлена обувь, тоже могут сказываться на величине силы действия на опору. Разница в величине вертикальной составляющей опорной реакции при ходьбе в обуви с жесткой подошвой и подошвой из эластичного материала может достигать 350 Н. Упруго-эластичное покрытие дорожки и обувь, обладающая амортизационными свойствами, делают технику ходьбы и бега в большей степени соответствующей критерию комфортабельности. Тем самым уменьшается механическая нагрузка на суставы и, особенно на межпозвоночные диски.

2

Рис. 75. Движения таза при ходьбе (вид «сверху») а - увеличение длины шага за счет поворота таза

Для оптимизации ходьбы прежде всего необходимо свести к минимуму непроизводительные энергозатраты путем выбора оптимальной скорости, длины шага и темпа, а также снижения вертикальных и поперечных колебаний ОЦМ. Для устранения непроизводительных перемещений тела целесообразно использовать повороты таза (рис. 75).

Благодаря поворотам таза, не только уменьшаются вертикальные и боковые колебания тела, но также удлиняется шаг и ускоряется постановка ноги на опору. При ходьбе и беге человек затрачивает энергию не только на горизонтальные, но на вертикальные и поперечные движения общего центра масс. В зависимости от фазы цикла движений, величина кинетической и потенциальной энергии тела изменяется. Характер этих изменений в ходьбе и беге принципиально различен. Кинетическая и потенциальная энергия в ходьбе изменяются в противофазе; например, в момент постановки ноги на опору максимум кинетической энергии совпадает с минимумом потенциальной, а в беге - синфазно (например, в высшей точке полета максимум кинетической энергии, совпадает с максимумом потенциальной). Следовательно, при ходьбе происходит особый вид рекуперации энергии. Здесь осуществляется переход части кинетической энергии в потенциальную энергию гравитации и обратно, а при беге этот вид рекуперации практически отсутствует. Зато при беге значительно более выражен другой вид рекуперации, когда кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию сокращающихся мышц, действующих подобно пружине.

Как правило, энергозатраты на 1 м пути при ходьбе меньше, чем при беге. При высоких скоростях бег экономичнее ходьбы. Зона, где более выгоден бег, отделена от зоны, где энергетически эффективней ходьба. Она называется граничной скоростью. Величина последней определяется числом Фруда (Ф), которое можно вычислить как:

Ф = V²/hg,

где - g - ускорение земного тяготения (м с^-2), V - скорость передвижения человека (м с^-1), h - высота ОЦМ над опорой в основной стойке (м). Если число Фруда меньше единицы (Ф<1), то энергетически более выгодна ходьба, а при Ф>1 выгоднее бег.

Биомеханические основы передвижения на лыжах

В лыжных гонках двигательными задачами, являются: обеспечение оптимальных скоростей передвижения на равнинных участках дистанции, подъемах и спусках, позволяющих показать наилучший возможный результат. В значительной степени эти же задачи остаются в силе для гонок в биатлоне и двоеборье. Однако в биатлоне добавляется еще задача обеспечения состояния организма, которое позволяет вести точную прицельную стрельбу по мишеням. Точность движений необходима на трассах гонки и в других видах лыжного спорта. Она имеет особенно большое значение в горнолыжных видах, где требуется прохождение различных участков трассы на большой скорости. Таким образом, во всех видах лыжного спорта необходимо решение задачи оптимальной скорости (по величине и направлению) и требуемой точности двигательных действий. Поскольку решение этих задач связано с эффективностью и точностью работы мышц, то важной задачей становится управление движениями лыжника в переменных условиях. Для выполнения двигательной задачи лыжник использует множество элементарных двигательных действий, объединенных в целостную систему. В ней все ее составные части (элементы) взаимодействуют друг с другом, оказываются взаимосвязанными. Именно, благодаря этим - системным связям достигается высокая эффективность техники лыжных ходов и достижение поставленной цели. Однако при формировании техники движения, организации управления движениями, в большей или меньшей степени, проявляются и взаимные помехи (рассогласованность работы мышц, сбивающие внутренние реактивные силы). Вследствие механического взаимодействия тела лыжника с его окружением (снег, воздух, лыжи и др.) возникают внешние силы: инерции внешних тел, проявление статического и динамического веса тела, реакции опоры, трения, сопротивления воздуха.

Важной внешней силой при движении лыжника является сила тяжести. Она направлена вертикально и считается приложенной к общему центру тяжести (ОЦТ). При отсутствии опоры (полет в прыжке с трамплина) она обусловливает свободное падение вниз. При нахождении на нижней опоре эта сила создает давления на опору (рис. 76). Когда тело имеет ускорение по вертикали (вниз или вверх), то его сила инерции прибавляется к силе тяжести тела или вычитается из нее. Сила тяжести тела лыжника на равнине прижимает лыжи к снегу и влияет на величину силы трения; на склонах она может быть разложена на составляющие: перпендикулярную к склону (нормальная, прижимающая) и на параллельную склону (касательная; при подъеме - срывающая, при спуске - скатывающая). С увеличением крутизны склона нормальная составляющая заметно уменьшается, а касательная существенно возрастает. Поскольку силу тяжести и статический вес невозможно изменить, то приходится считаться с их действием. При этом ни использовать их лучше, ни уменьшить их вредное влияние невозможно. Иное дело динамический вес, зависящий и от сил инерции.

2

Рис. 76. Действие силы тяжести (G), направленной к опоре и дополнительно силы инерции (Fин.), при ускорении (a) тела лыжника от опоры вверх

Как противодействие весу тела и силам инерции, приложенным к опоре, имеются реакции опоры, равные силе действия на опору по величине и противоположные ей по направлению. Статическая реакция опоры равна статическому весу тела и на равнине в состоянии покоя вертикальна. Динамическая реакция опоры обусловлена динамическим весом (статическим весом Р и вертикальной составляющей силы инерции Fин.) она больше или меньше статического веса и на равнине вертикальна.

Необходимо заметить, что силы инерции (Fин = - ma) тел (при разгоне тел, обладающих реальной массой, например, ботинки, лыжи, палки) и частей тела лыжника возникают при их ускорении, т.е. тогда, когда их скорости увеличиваются, уменьшаются, изменяется их направление. Ускорения часто встречаются в реальных движениях; их нет только при прямолинейном и равномерном движении, а также в состоянии покоя. Следовательно, силы инерции при движении лыжника действуют практически всегда. Таким образом, внешние силы инерции (внешних тел), возникающие, когда изменяется скорость (возникает ускорение) этих тел, и внутренние - при относительном изменении скорости частей тела. Сама по себе величина силы инерции (Fин.) равна произведению массы тела (m), имеющего ускорение, и самого ускорения (a). Сила инерции направлена противоположно ускорению. Она приложена к тому телу, которое, вызывает ускорение (так называемая «реальная» сила инерции). Сила инерции может проявляется в конкретных движениях лыжника, например, при махах руками. При этом маховые движения (рукой, туловищем, ногой), направленные от опоры во время отталкивания при разгоне конечностей и туловища, вызывают силы инерции, направленные к опоре. Действие такое же, как при движениях собственно отталкивания. Маховые движения способствуют большему напряжению мышц ног и рук, выполняющих отталкивание, а также лучшему сцеплению лыжи со снегом). Это особенно важно в технике классических ходов. Замедление скольжения (бугор, выкат, трение в свободном скольжении и др.) при отрицательном ускорении вызывает силы инерции тела лыжника, направленные вперед. Силы инерции поворота при изменении направления скольжения. Они направлены в сторону, противоположную центростремительному ускорению. Рассматриваемые как «фиктивные», они объясняют динамическое равновесие в положении наклона, поддерживают тело в наклоне, в то время как сила тяжести направлена на его опрокидывание внутрь дуги поворота.

Сила трения лыжи по снегу возникает как противодействие снега, приложенное к лыже. При действии лыжи на снег по касательной к его поверхности сила трения направлена на равнине вдоль лыжи, на гладком склоне - вдоль нее и поперек ее продольной оси. Сила трения статическая (сила трения сцепления), также зависит от нормального давления (P) лыжи на снег (Fт = kP). Однако в отличие от трения скольжения сила трения сцепления зависит и от «сдвигающей» силы (Fs). Эта сила, приложенная к лыже в покое, направлена на то, чтобы сдвинуть лыжу с места. Она равна силе трения сцепления и не может быть в состоянии покоя больше той, которая рассчитывается по приведенным формулам. Если нет сдвигающей силы, то в этот момент нет и силы трения сцепления. Когда сдвигающая сила больше силы трения сцепления, то лыжа срывается с лыжни, поэтому коэффициент сцепления позволяет определить только предельную силу сцепления (Fys), т.е. силу, больше которой в данных условиях быть не может.

Коэффициент сцепления определяет также и предельный угол, под которым может быть приложена сила к лыжне, чтобы не произошел срыв лыжи со снега (отдача). Он равен углу, образованному общей реакцией опоры и ее нормальной составляющей. Этот угол называется углом трения. Любая по величине сила, приложенная в пределах этого угла, не вызовет срыва лыжи. Кстати сказать, угол трения равен предельному углу наклона склона подъема, на котором сила сцепления удерживает лыжу при данном коэффициенте сцепления.

Угол трения

Реакция идеально гладкой поверхности, направлена по нормали к поверхности. На шероховатой поверхности могут возникать силы трения скольжения. Поэтому реакцию шероховатой поверхности представим в виде двух составляющих: нормальной реакции N (равна по модулю силе нормального давления) и перпендикулярной ей силы трения F.

Полная реакция R=N + F всегда отклонена от нормали к поверхности на некоторый угол a. На рисунке видно, что tga = F/N.Если тело лежит на горизонтальной шероховатой поверхности и на него не действуют никакие внешние силы, кроме силы тяжести, то F = 0, а полная реакция R = N и перпендикулярна опорной поверхности (рис. 77).

2

Рис. 77. Угол трения и взаимодействие сил при расположении тел на горизонтальной поверхности (обозначения в тексте)

Приложив к телу силу F₁, мы стремимся вызвать его движение, но оно не происходит, так как возникает сила трения F= - F₁, причем F<Fmax. С увеличением силы F₁ будет возрастать и сила F. Наконец, при F₁= Fmax наступит предельное состояние равновесия, при котором полная реакция R отклонится от вертикали на угол amax, называемый углом трения. Обозначив его через, получим tg = Fmax/N = f. Тангенс угла трения равняется коэффициенту трения. Полная реакция неидеальной связи при равновесии имеет направление в пределах угла трения.