К вопросу о совершенствовании биомеханической структуры специальных упражнений в спорте

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

К вопросу о совершенствовании биомеханической структуры специальных упражнений в спорте

А.М. Доронин

В спортивных скоростно-силовых упражнениях на различных участках движения силовые и скоростные возможности мышц проявляются по-разному. В прыжке вверх с места наиболее эффективен тот вариант приложения силы, который соответствует минимуму расходуемой спортсменом энергии при равных условиях проявления импульса вертикальной составляющей силы реакции опоры (F_z). Это происходит, когда управляющее воздействие реализуется по принципу уменьшающегося отягощения. Различные режимы сопротивлений движению способствуют автоматическому изменению нагрузки на мышцы, а через нее - регулированию двигательных действий спортсмена при непосредственном выполнении упражнения [10].

Применение тренажерных устройств, позволяющих повысить избирательность воздействия на нервно-мышечный аппарат спортсмена путем использования различных сочетаний режимов работы групп мышц, является одним из прогрессивных направлений в совершенствовании методики развития скоростно-силовых качеств спортсменов [1].

Однако теоретические положения, позволяющие обосновать применение тренажёров в тренировке спортсменов, двигательная деятельность которых связана с выполнением локомоторных движений прыжкового характера, разработаны фрагментарно. Это, в свою очередь, оставляет неиспользованными значительные резервы повышения эффективности процесса разработки новых методик и формирования рекомендаций для тренера и спортсмена по применению тренажеров в учебно-тренировочном процессе.

В связи с этим целью исследования являлось обоснование целесообразности применения нетрадиционных средств тренировки, направленных на повышение эффективности взаимодействия спортсмена с опорой в локомоторных движениях прыжкового характера. Для этого необходимо решить две основные задачи:

1) правильно выбрать природу внешних сил воздействия на спортсмена, а, следовательно, и соответствующую конструкцию тренажера;

2) определить и обосновать, с биомеханической точки зрения, рациональность воздействия внешних сил на опорно-двигательный аппарат нижних конечностей спортсмена во временном и пространственном аспекте с учетом специфики деятельности мышц в исследуемых упражнениях.

Известно, что сила как физическое качество характеризует способность спортсмена преодолевать внешнее сопротивление [7].

Внешнее сопротивление может быть представлено силами различной природы: 1) упругой деформации; 2) трения; 3) инерции.

Сила упругой деформации (F_упр) зависит от степени растяжения упругого элемента (L) и коэффициента жесткости (К). Эта сила не зависит от скорости движения тела. В простейшем случае зависимость имеет вид:

F_упр = К L.

При конструировании тренажеров роль упругих элементов выполняют пружины [21, 23] или резиновые амортизаторы [19, 21].

Сила трения (F_тр), равна произведению коэффициента трения (К_тр) на нормальную силу (N), т.е. силу, прижимающую тело к поверхности взаимодействия:

F_тр = К_тр N.

Сила сопротивления водной или воздушной среды находится в квадратичной зависимости от скорости движения тела в этой среде.

Сила (F_ин) инерции в поступательном движении зависит от массы тела (m) и линейного ускорения (а):

F_ин = - m a.

При вращательном движении сила инерции (F_ин) будет зависеть от момента инерции тела (I) и углового ускорения ():

F_ин = - I .

Силы инерции играют в локомоторных движениях решающую роль. В спринтерском беге, например, на преодоление сил инерции по данным Э.Озолина [8] расходуется 57 % энергии.

Распределение мышечной массы на нижних конечностях (больше у проксимальных звеньев, меньше у дистальных) способствует уменьшению момента инерции нижней конечности и как следствие - инерционных сил, возникающих при движении. Это обстоятельство побудило нас выбрать инерционные силы в качестве основных внешних сил при конструировании тренажера.

При вращательном движении момент инерции (М_ин) зависит от:

M_ин = F_ин d = m R d,

где: m - масса груза; R - радиус инерции; - угловое ускорение; d - плечо силы.

Таким образом, одно и то же внешнее сопротивление можно получить, варьируя каждый из четырех параметров.

По существу два момента силы, а именно, момент силы тяжести и момент инерционных сил вращательного движения массы, могут определить величину дополнительной кратковременной нагрузки на мышцы нижних конечностей при выполнении упражнения с использованием механических устройств.

Причем, при вращательном движении инерционной массы вниз, момент силы тяжести будет уменьшать это воздействие - уменьшая момент силы инерции, а при движении вверх - увеличивать (см. рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Угловые перемещения рычага с грузом при амортизации (a) и отталкивании (б), где d - плечо силы и Ft - сила тяжести

Фактически, это происходит за счет уменьшения, а затем увеличения плеча силы тяжести (d). Кроме того, при изменении направления движения тела спортсмена от амортизации к отталкиванию, угловое ускорение меняет свой знак, что также ведет к увеличению величины инерционных сил.

Для обоснования наиболее эффективного варианта воздействия инерционных сил необходимо отметить, что большинство упражнений скоростно-силовой направленности характеризуются максимальной реализацией двигательного потенциала спортсмена.

Как неоднократно отмечал Н.А. Бернштейн [5, 6], в интактном организме усилие, развиваемое мышцей, есть функция, зависящая, во-первых, от ее иннервационного состояния (Е); во-вторых, от длины в данный момент времени (L); в-третьих, от скорости, с которой эта длина изменяется во времени (L'(t)):

F = f(L; L'(t); E).

Причем, если степень возбуждения мышц (E) максимальна, тогда усилие, развиваемое мышцами будет зависеть от длины и скорости ее изменения.

Как известно, усилие, развиваемое мышцей, будет максимальным при значительных величинах растяжения (зависимость «сила-длина») и скорости эксцентрического сокращения (зависимость «сила-скорость»). Многочисленные исследования [9, 13, 14, 15, 16, 17, 18] показали, что при растяжении активной мышцы, кроме диссипации энергии на тепло, мышца может накапливать энергию, при этом повышается сила и скорость сокращения.

Поэтому для создания максимальной силы тяги мышцы следует отдать предпочтение эксцентрическому режиму ее сокращения. Этим объясняется стремление спортсменов использовать амортизацию в прыжках, замах в метаниях и т.д. Очевидно, что внешняя инерционная нагрузка, создаваемая тренажером, должна воздействовать в момент завершения фазы амортизации (до начала увеличения угла в коленном суставе), например, в прыжке вверх (см. рис. 2А, Б).

Это позволит дополнительно растянуть мышцы-разгибатели, что в свою очередь приведет к увеличению накопления энергии упругой деформации в коллагеновых структурах и увеличению импульса силы, и, как следствие, - увеличению скорости вылета тела. При этом следует учитывать, что оптимальное время внешнего воздействия на мышцу составляет около 50 мс [11, 12].

Следует считать нерациональным воздействие внешней нагрузки в последующем временном периоде, поскольку она будет препятствовать разгибанию ног в суставах и, следовательно, - механической реализации накопленной в фазе амортизации энергии упругой деформации мышц [3, 2, 4]. Из этого следует, что различные силы внешнего сопротивления способствуют преимущественному развитию тех или иных скоростно-силовых качеств.

В результате вышеизложенных рассуждений нами была предложена математическая модель устройства переменного отягощения.

На штангу массой m₁ действует сила тяжести m₁g, сила натяжения цепи T и сила со стороны спортсмена F. На систему «звездочка-рычаг» при обходе по часовой стрелке действуют моменты сил: момент силы натяжения цепи (M₁=T R); момент силы тяжести груза (M₂ = - m₂glCos); момент силы тяжести рычага (M₃ = - m₃ g Cos / 2); момент инерции груза (I₂ = m₂ (l² + r² / 2)); момент инерции рычага (I₃=m₃l² / 3); момент инерции звездочек

(I₄=(m₄₁R₁²+m₄₂R₂²+m₄₃R₃²) / 2,

где: R₁, R₂, R₃ - радиусы трех звездочек и m₄₁, m₄₂, m₄₃ - их массы).

Зависимость угла , отсчитываемого от горизонтали против часовой стрелки от исходного положения штанги:

= ₀ + (y - y₀) / R,

где R - один из радиусов R₁, R₂, R₃, на который накинута цепь.

Рис. 2. Зависимость «сила-скорость» для изолированной мышцы (А) и фазовая структура прыжка вверх с места и схема зависимости вертикальной составляющей силы реакции опоры (Fz) и изменений угла в коленном суставе () (Б)

Запишем систему уравнений для тренажера регулируемого отягощения (ТРО) и штанги, исходя из второго закона Ньютона:

TR - glCos [(m₂ - m₃)/2] = [m₂ (l² + r²)/2 + m₃ l³/3 + m₄ R²/2]

F = m₁ a + m₁ g - T,

где - угловое ускорение звездочки, = a/R, a - ускорение штанги.

Отсюда:

F = m₁ a + m₁ g + g l (m₂ + m₃/2) Сos[₀ + (y - y₀) / R] / R +

+ [m₂ (l² + r²/2) + m₃ l²/2 + m₄ R²/2] a / R² .

Обозначим:

A = m₁+[m₂ (l² + r²/2)+m₃l²/2+(m₄₁R₁²+m₄₂R₂²+m₄₃R₃²)/2] / R²,

B = g l (m₂ + m₃/2)/R, C = m1 g,

a₀ = ₀ - y₀/R,

k = 1 / R.

Тогда уравнение примет вид:

A y" + B Cos(a₀ + k y) + c = F.

В этом уравнении y - положение грифа штанги, измеряемое опытным путем и представляемое в виде таблицы значений.

Обобщая результаты исследований, мы выбрали для конструирования тренажера два момента сил, а именно: момент силы тяжести (груза) и момент инерционных сил вращательного движения массы на рычаге, которые и обеспечивают регулируемую кратковременную нагрузку на мышцы нижних конечностей.

Нами разработано и изготовлено тренажерное устройство, позволяющее создавать различные виды переменных регулируемых отягощений, признанное изобретением [20].

Тренажерное устройство можно применять при выполнении различных специальных упражнений для скоростно-силовой подготовки спортсменов (приседания, прыжки вверх, тяги и т.п.).

Конструкция данного механического устройства позволяет значительно варьировать величину и характер внешней нагрузки (например, возрастающей в фазе амортизации и убывающей в фазе отталкивания или убывающей в фазе амортизации и возрастающей в фазе отталкивания).

Рассматривая тренажерное устройство ТРО как средство воспитания силовых и скоростно-силовых качеств спортсмена, можно заключить, что предлагаемое устройство позволяет создать новый класс специальных упражнений.

Примечания

упражнение тренажер биомеханический спортсмен

1. Алабин, В.Г. Тренажеры и специальные упражнения в легкой атлетике / В.Г. Алабин, М.М. Кривоносов. - М.: Физкультура и спорт, 1976. - 272 с.

2. Аруин, А.С. Биомеханические свойства скелетных мышц и сухожилий / А.С. Аруин, В.М. Зациорский. - М.: ГЦОЛИФК, 1980. - 64 с.

3. Аруин, А.С. Влияние упругих сил мышц на эффективность мышечной работы / А.С. Аруин [и др.] // Физиология человека. - 1977. - Т. 3, № 3. - С. 519-525.

4. Аруин, А.С. Эквивалентные биомеханические характеристики мышц голеностопного сустава / А.С. Аруин [и др.] // Физиология человека. - 1978. - №6. - С. 1072-1079.

5. Бернштейн, Н.А. О построении движений / Н.А. Бернштейн. - М.: Медгиз, 1947. - 254 с.

6. Бернштейн, Н.А. Проблема взаимоотношений координации и локализации / Н.А. Бернштейн // Архив биологически наук. - 1935. - Т. 38. - С. 1-38.

7. Донской, Д.Д. Биомеханика: учеб. для ин-тов физической культуры / Д.Д. Донской, В.М. Зациорский. - М.: Физкультура и спорт, 1979. - 264 с.

8. Озолин, Э.С. Спринтерский бег / Э.С. Озолин. - М.: Физкультура и спорт, 1986. - 159 с.

9. Прилуцкий, Б.И. Уступающий режим активности мышц при локомоциях человека: дис. ... канд. пед. наук / Б.И. Прилуцкий. - М., 1990. - 21 с.

10. Черкесов, Ю.Т. Проблема и методические возможности детерминации режимов силового взаимодействия спортсменов с объектами управляющей предметной среды: автореф. дис. ... д-ра пед. наук / Ю.Т. Черкесов. - М., 1993. - 62 с.

11. Шалманов, А.А. Взаимодействие c опорой в прыжках как предмет обучения: автореф. диc. ... канд. пед. наук / А.А. Шалманов. - М., 1986. - 23 с.

12. Шалманов, Ал.А. Основные механизмы воздействия с опорой в прыжковых упражнениях: метод. рекомендации для слушателей высшей школы тренеров, факультетов усовершенствования и повышения квалификации / Ал.А. Шалманов, Ан.А. Шалманов. - М., 1990.

13. Bober, Т. Investigation of the take-off Technigue in the Triple Jump / Т. Bober // Biomechanics IV / Ed. by R.C. Nelson and C.A. Morehouse. - University Park Press, 1974. - V. 1. - P. 149-154.

14. Elftman, H. The action of muscles in the body / H. Elftman // Biolocical Symp.-1941. - V. 3. - P. 191.

15. Hill, A.V. Production and absorption of work by muscle / A.V. Hill // Science. - 1960. - V. 131. - P. 897.

16. Komi, P. Neurophysiological and mechanical interactions in running / P. Komi //Abstr. of the 22 World Congress of Sport Medicine, Vienna. - 1982. - № 1. - P. 48.

17. Margaria, R. Biomechanics and Energetics of Muscular Exercise / R. Margaria // Biomechanics of Human Locomotion. - OxfordiClarendon Press, 1976. - P. 146.

18. Margaria, R. Possibilita' di sfruttamento dell' Elastioita' del musoolo conratto durante l'eseroino musoolare / R. Margaria, Q.A. Cavagna, F.P. Saibene // ComuniGazione alla 9 Riunione Nazionale della Soo Italiana di Biochimica. - Catania, 1963. - 363 p.

19. Merton, P.A. Speculations on the servo-control of movement / P.A. Merton // In The Spinal Cord. Ciba Symposium, 1953. - P. 247-260.

20. А.с. 1673142 (СССР). Устройство для тренировки тяжелоатлетов (Черкесов Ю.Т., Поветкин Ю.С., Жуков В.И., Доронин А.М.). - Бюл. -1991, № 32.

21. А.с. 751404 (СССР). Устройство для тренировки мышц (А.Г. Цициков, Ю.М. Аветисов, Л.К. Кривова и др.). - Бюл. - 1980, № 28.

22. А.с. 810250 (СССР). Устройство для тренировки спортсменов с мячом (В.В. Иванов, И.П. Ратов, В.Н. Хайченко). - Бюл. - 1981, № 9.

Размещено на Allbest.ru