Курс лекций по биомеханике. Курс лекций Содержание Биомеханика как учебная и научная

• Название: Курс лекций Содержание Биомеханика как учебная и научная
• Анкор: Курс лекций по биомеханике.doc
• Дата: 24.04.2017
• Размер: 5.94 Mb.
• Имя файла: Курс лекций по биомеханике.doc
• Тип: Курс лекций; #1886
• страница: 11 из 26

О 30 60 90 720

О 30 60 90 120



Рис. 14.8. Зависимость силовых показателей от суставных углов (по Уильямсу и Штуцману, 1959).

Сплошная линия — данные мужчин; пунктирная — данные женщин.

По горизонтали — суставной угол; по вертикали — сила (в фунтах)

т. е. когда мышцы напрягаются в растянутом состоянии. Вследствие усиле­ния потока проприоцептивных импульсов такое положение тела вызовет увеличение рефлекторной стимуляции и тем усилит воз­действие упражнений.

Энергетика мышцы. Энергия мышечного сокращения. Во время активации мышцы повышение внутриклеточной концентра­ции Са ведет к сокращению и к усиленному расщеплению АТФ; при этом интенсивность метаболизма мышцы возрастает в 100— 1000 раз. Согласно первому закону термодинамики (закону со­хранения энергии), химическая энергия, высвобождаемая в мыш­це, должна быть равна сумме механической энергии (мышечной работы) и теплообразования.

Даже изометрическое сокращение сопровождается непрерыв­ной циклической активностью поперечных миозиновых мостиков и «внутренняя» работа, связанная с расщеплением АТФ и тепло­образованием при этом значительна. Недаром даже такая «пас­сивная деятельность», как стойка «смирно», утомительна. Когда мышца поднимает груз, совершая «внешнюю» работу, расщепля­ется дополнительное количество АТФ. При этом усиление интенсив­ности метаболизма пропорционально выполняемой работе (эффект Фенна).

Обычно первоисточником энергии для мышечного сокращения служит гликоген или жирные кислоты. В процессе расщепления этих субстратов вырабатывается АТФ, гидролиз которого достав­ляет энергию непосредственно для самого сокращения: АТФ —» АДФ + Ф_н + энергия.

Мышцы, сокращаясь, превращают весьма значительную часть (1/4—1/3) химической энергии в механическую работу, выде­ляя при этом теплоту; это — один из главных источников образо­вания ее в организме.

Гидролиз одного моля АТФ дает примерно 48 кДж энергии. Од­нако лишь около 40—50% ее превращается в механическую энер­гию работы, а остальные 50—60% рассеиваются в виде тепла при запуске (начальная теплота) и во время сокращения мышцы, тем­пература которой при этом несколько повышается. Таким образом, КПД элементарного преобразования АТФ в миофибриллах со­ставляет примерно 40—50%. Однако в естественных условиях механический КПД мышц обычно гораздо ниже — около 20—30%, так как во время сокращения и после него процессы, требующие затрат энергии, идут и вне миофибрилл. Эти процессы, например, работа ионных насосов и окислительная регенерация АТФ, сопро­вождаются значительным теплообразованием (теплота восстанов­ления). Чем больше совершенная работа, тем больше образуется тепла и расходуется энергоресурсов (углеводов, жиров) и кисло­рода.

Такая закономерность, кстати, объясняет усталость, усиленное потоотделение и одышку при подъеме в гору, но не при спуске.

Мышцы способны производить механическую работу, обеспечи­вая перемещение человека, движение воздуха в дыхательных пу­тях, движение крови и многие другие жизненно важные процессы.

Коэффициент полезного действия (КПД) мышцы. Когда мышцы совершают работу, в них освобождается химическая энер­гия, накопленная в процессе метаболизма; она частично превра­щается в механическую работу, а частично теряется в виде тепла.

S. Dickinson (1929) измеряла КПД превращения химической энергии в механическую работу у спортсмена, работающего на так называемом велоэргометре, где человек приводит во вращение ко­лесо, нажимая ногами на педали. Через колесо переброшен матер­чатый привод, который действует как тормоз. К одному концу этого привода подвешен груз, а другой конец прикреплен к пружинным весам (рис. 14.9). Если груз имеет массу m, то он будет тянуть привод с силой mg. На другой конец привода действует меньшая сила F, измеряемая пружинными весами. Таким образом, сила тре­ния тормоза, приложенная к ободу колеса, равна mgF. Если коле­со имеет радиус г и совершает п оборотов в единицу времени, то скорость движения его обода составляет 2r n. Мощность, необхо­димая для того, чтобы вращать колесо с такой скоростью, преодо­левая силу трения, равна 2r n(mg — F), и ее можно вычислить. Хотя описанная работа может показаться бессмысленной, эта мощ­ность служит мерой «полезной работы» в том смысле, в каком это понятие входит в определение КПД.

С помощью велоэргометра можно измерять КПД мускулатуры ног, а также и максимальную мощность, которую она способна развить.

D.A. Раггу (1949) показал, что мощность мускулатуры ног дос­тигает 40 Вт на 1 кг мышечной ткани. На таком уровне она может оставаться лишь короткое время, так как мышцы не могут получать кислород с необходимой для этого скоростью.

Затрату химической энергии в единицу времени можно изме­рить косвенным путем, собирая выдыхаемый воздух испытуемого и исследуя его. На каждый мл Оу использованного в процессе ды­хания, освобождается около 5 кал химической энергии. Более точно эту величину можно определить, если известно относитель­ное содержание жиров и углеводов в пище, но скорость освобож­дения химической энергии можно вычислить вполне точно, если определять содержание в выдыхаемом воздухе не только кислоро­да, но и углекислоты.

S. Dickinson измеряла у испытуемых использование химической энергии в покое и во время работы на велоэргометре. Разность меж­ду этими величинами в каждом случае показывала, какое количество химической энергии расходовалось в единицу времени на создание механической мощности, необходимой для вращения колеса. Она на­шла, что КПД варьирует в зависимости от скорости вращения педа­лей (рис. 14.10) и достигает максимальной величины — 22% — при нажимании ногой на педаль через каждые 0,9 с (т. е. при одном обо­роте педалей за 1,8 с).



Рис. 14.10. Превращение химической энергии в механическую работу у человека, приводящего в движение велоэргометр, на протяжении полуоборота педалей (S. Dickinson, 1929).

Прерывистая линия — теоретическая кривая (в тексте не упоминается)

7.Физическая работоспособность.

Сокращаясь и напрягаясь мышца производит механическую работу, которая в простейшем случае (варианте) может быть определена по формуле Л = РН, где Л — механическая работа (кгм), Р — вес груза (кг), Н — высота подъема груза (м).

Таким образом, работа мышц измеряется произведением ве­личины веса поднятого груза на величину укорочения мышцы. Из формулы легко вывести так называемое правило средних нагрузок, согласно которому максимальная работа может быть произведена при средних нагрузках. Действительно, если Р = 0, т. е. мышца сокращается без нагрузки, то и Л = 0. При Н = 0, что можно на­блюдать, когда мышца не способна поднять слишком тяжелый груз, работа также будет равна 0.

Движения человека весьма разнообразны. В процессе этих движе­ний мышцы, сокращаясь, совершают работу, которая сопровождается как их укорочением, так и их изометрическим напряжением. В этой связи различают динамическую и статическую работу мышц. Дина­мическая работа связана с мышечной работой, в процессе которой сокращения мышц всегда сочетаются с их укорочением. Статиче­ская работа связана с напряжением мышц без их укорочения. В обычных условиях мышцы человека никогда не совершают дина­мическую или статическую работу в строго изолированном виде. Ра­бота мышц всегда является смешанной. Тем не менее, в локомоциях может преобладать либо динамический, либо статический характер мышечной работы. Поэтому характеризуя мышечную деятельность в целом, говорят о ее статическом или динамическом характере. Бег, игры, плавание являются динамической работой, а удерживание на весу штанги, гири или гантелей — статическая работа.

Величина механической работы, совершаемой сокращающейся мышцей выражается в килограммометрах (кг/м), как произведе­ние веса груза, поднимаемого мускулом, на высоту поднятия. Сила, проявляемая мышцей, зависит от числа составляющих ее мускуль­ных волокон.

Длина мышечного брюшка обусловливает высоту поднятия гру­за; в среднем, мускулы при полном сокращении укорачиваются приблизительно на половину своей длины (длина сухожилия, разу­меется, не изменяется — оно только передает движение на опре­деленный пункт).

Найдено, что наибольший груз, который в состоянии удержи­вать мускул с поперечником в 1 см², в среднем равняется 10 кг —так называемая абсолютная мышечная сила. Зная это, не трудно определить силу той или другой мышцы¹.

Конечно, вычисленная таким путем величина лишь в большей или меньшей степени приближается к истинной, так как не у всех людей и даже не у всех мускулов одного и того же субъекта мы­шечная сила одинакова.

8.Развитие быстроты

Быстрота-способность к выполнению двигательных действий с минимальными затратами времени. Проявлениями этого двигательного качества являются:

1.Предельная скорость одиночных движений.

2.Максимальный темп двигательных действий.

3.Скорость двигательной реакции.

Быстрота зависит от скорости мышечного сокращения, мощности мобилизации химической энергии в мышечном волокне и в превра­щении ее в механическую энергию сокращения.

Наибольший эффект в развитии быстроты можно достичь в воз­расте от 8 до 15—16 лет.

Быстрота развивается при повторном выполнении скоростных упражнений. Выполнение скоростной работы с сокращенными ин­тервалами отдыха ведет к развитию скоростной выносливости.

Биохимические процессы, происходящие в мышцах при скоро­стных и силовых нагрузках, очень похожи, поэтому развитие бы­строты положительно влияет на развитие силы.

Быстрота развивается с помощью упражнений, выполняемых в максимально быстром темпе. К таким упражнениям можно от­нести:

1) бег на короткие дистанции (20—30—50 м);

2) прыжки в длину, высоту, прыжки с места, прыжки-подскоки на ровном месте и в гору, прыжки на тумбу, на гимнастического козла и т. д.

3) метание;

4) быстро выполняемые упражнения с блином (от штанги), с грифом или со штангой, имеющей небольшой вес;

5) «боксирование» с гантелями в руках в течение 5—10 с. Тренироваться надо чаще, повторять нагрузку при полном вос­становлении скоростных качеств.

9.Развитие ловкости

Ловкость — это способность быстро овладевать новыми движениями и перестраивать двигательную деятельность в соответствии с требованиями внезапно меняю­щейся обстановки. Критериями ловкости служат координация и точность движений.

Для развития ловкости используют спортивные игры, элемен­ты акробатики и спортивной гимнастики, борьбу и т. д.

Развитие ловкости связано с возрастом, полом, телосложени­ем и т. д.

10.Развитие выносливости.

Выносливость — способность чело­века выполнять работу длительное время без снижения работо­способности.

Основным фактором, лимитирующим продолжение работы, яв­ляется утомление. Раннее наступление утомления свидетельствует о недостаточном уровне развития выносливости. Более позднее на­ступление утомления — следствие повышения уровня развития выносливости. Степень выносливости у спортсменов определяется по физиологическим показателям: кардиореспираторная система, биохимические показатели и т. д.

Выносливость можно рассматривать как способность преодо­левать утомление, ее следует считать основным фактором, опре­деляющим развитие выносливости. Только работа до утомления (до «не могу») и преодоление наступающего утомления способст­вует повышению выносливости организма.

Выносливость лучше вырабатывается, если работа выполняет­ся в среднем темпе.

Различают общую и специальную выносливость. Общая вынос­ливость приобретается при разносторонней физической подготовке, но обязательно должны включаться тренировки (бег по пересечен­ной местности, ходьба на лыжах, академическая гребля и т. д.).

Выносливость имеет специфические особенности в том или ином виде спорта. Например, легкоатлеты-стайеры (или лыжни­ки-гонщики) обладают значительно большей выносливостью в беге на длинные дистанции, чем тяжелоатлеты (или борцы); в то же время легкоатлеты в подъеме тяжестей менее выносливы, чем тя­желоатлеты. Мышечная деятельность у легкоатлетов-стайеров происходит в аэробном режиме, а у тяжелоатлетов — в близких к анаэробным условиям. Исследования показывают, что работа на выносливость (например, бег на длинные дистанции, кросс и пр.) отрицательно сказывается на развитии силы, и наоборот, трениров­ки «на силу» (подъем штанги, гирь и др.) отрицательно сказыва­ются на развитии выносливости у бегунов-стайеров.

Специальная выносливость в разных видах спорта вырабатыва­ется различными способами (методами). Например, специальная выносливость тяжелоатлета развивается за счет увеличения ко­личества подъемов штанги на тренировке.

Выносливость возрастает под влиянием регулярных трениро­вок в большей мере, чем сила и особенно быстрота.

11.Развитие гибкости

Гибкость, или подвижность в суставах — важный компонент физической подготовленности во многих ви­дах спорта и особенно в спортивной гимнастике, акробатике и дру­гих видах спорта. Гибкость определяют как способность человека выполнять движения с большей или меньшей по величине предель­ной амплитудой.

Плохая подвижность в суставах во многих случаях затрудняет сильное, быстрое сокращение мускулатуры. Если доступна большая амплитуда движений, значит мышцы-антагонисты легко растягива­ются и оказывают меньшее сопротивление мощным агонистам, со­кращение которых обеспечивает выполнение упражнения. Развитие гибкости, как и других физических качеств, имеет свои особенности в соответствии с требованиями вида спорта, возраста, пола и тело­сложения.

В каждом виде спорта для развития гибкости спортсмен регу­лярно выполняет комплекс специальных упражнений.

Отмечено, что с ростом мышечной силы значительно уменьша­ется подвижность в суставах.

У молодых атлетов обычно более высокие показатели гибкости. С возрастом гибкость снижается, особенно у тяжелоатлетов, в свя­зи с сильнейшей компрессионной нагрузкой на позвоночник.

Кроме того, на гибкость оказывает существенное влияние гене­тическая (наследственная) предрасположенность к гибкости, к ее развитию. Не у всех можно развить гибкость в равной мере. В этой связи при отборе в спортивные секции (гимнастика, акробатика и др.), и в балет используют тест на гибкость.

Тема 8.БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СПОРТИВНОЙ ТЕХНИКИ

1. Показатели совершенства спортивной техники 2. Направления развития системы движений 3. Пути овладения техникой и ее совершенствования 4. Психологический аспект управления двигательными действиями 5. Проблема целесообразной индивидуализации выполнения упражнения 6. Надежность выполнения упражнений и действий

1. ПОКАЗАТЕЛИ СОВЕРШЕНСТВА СПОРТИВНОЙ ТЕХНИКИ

Спортивная техника — способ двигательного действия в спортив­ной деятельности, направленной на достижение высокого результата. Хорошая техника обеспечивает решение двигательной задачи с лучшим использованием физических и технических возможностей спортсмена при достижении высокого спортивного результата. Показатели совершенства спортивной техники можно разделить на общие, свойственные в основном всем видам спортивных упражнений, и частные, характер­ные для определенных групп упражнений.

1.1. Общие показатели технического мастерства

Наиболее общие показатели уровня спортивно-технического мас­терства — эффективность системы движений (высокий спортив­ный результат) при требуемом уровне надежности на основе вы­сокого уровня проведения спортивной подготовки во всех ее раз­делах.

Высокий спортивный результат — непременный показатель мастерства. Спортивный результат зависит от целенаправ­ленности и целесообразности всех движений, их точности в достижении цели и высокой экономичности (значительный кпд приложенных сил). Иначе говоря, мастерство проявляется в эффективности тех­ники.

Следующий показатель мастерства — высокая надежность спортивных достижений, способность уверенно, с большой вероятно­стью успеха повторять их при требуемом качестве выполнения в раз­личных условиях. Для высокого уровня надежности необходима, успешная борьба с помехами (помехоустойчивость).

Эффективность и надежность сами являются следствием высокого уровня всех сторон спортивной подготовки (физической, технической, тактической, психологической и теоре­тической). Биомеханическое изучение проблемы мастерства идет по пути определения эффективности системы движений, а также способ­ности бороться с отклонениями от оптимальной программы.

В зависимости от задач спортивные упражнения можно разделить на группы:

1 -я группа — упражнения со стабилизацией¹ кинематической струк­туры (выполнение движений заданной формы и характера — гимнастика, акробатика, прыжки в воду, фигурное катание на коньках и др.);

2-я группа — упражнения со стабилизацией динамической струк­туры (достижение максимального количественно из­меряемого результата — тяжелая атлетика,легкая ат­летика, активные спортивные локомоции);

3-я группа — упражнения с вариативностью спортивных действий(обеспечение конечного качественного эффекта в переменных условиях — единоборства, спортивные игры).

Упражнения 1-й и 2-й группы выполняются в относительно постоян­ных условиях, 3-й группы — в переменных.

Стабильность высокого результата, определяемая мастерством, в каждой из групп упражнений имеет свои показатели.

1.2. Мастерство при стабилизации кинематической структуры