Курс лекций по биомеханике. Курс лекций Содержание Биомеханика как учебная и научная
 Скачать 5.94 Mb.
|
|
Корреляция между длиной тела, длиной ноги и длиной шага
К. Rompott (1956) обнаружил низкую отрицательную зависимость между длиной шага и весом тела, равную 0,20. К. Hoffmann (1964) отметил зависимость между максимальной длиной одиночного шага, с одной стороны, и ростом и длиной ноги — с другой. Результаты этих исследований свидетельствуют, что имеется выраженная корреляция между ростом, длиной ноги и величиной одиночного шага. Энергетический обмен при ходьбе и беге (рис. 15.28). Организм получает энергию из окружающей среды в виде потенциальной энергии, заключенной в химических связях молекул жиров, углеводов и белков. В результате сложных окислительных процессов образуется энергия. Выявлено, что 80% энергии, используемой при мышечной деятельности, теряется в виде тепла из-за малой эффективности ее превращения, и только 20% превращается в механическую работу. Мышечная работа существенно изменяет интенсивность обмена. Так, у спортсменов при кратковременных интенсивных упражнениях, выявлено увеличение метаболизма в 20 раз по сравнению с показателем основного обмена, а при продолжительной работе—в 10 раз. У людей метаболизм неуклонно меняется с возрастом. У детей он больше, в период полового созревания уменьшается и меньше всего он в старости. Расчеты показывают, что человек, преодолевающий в день при обычной ходьбе расстояние в 5 км, нуждается в восполнении энергии, равной 5 МДж, а на терренкуре (ходьба с углом подъема 15° и скоростью 2 км/ч) 60 мин — 450 ккал (при массе тела 70 кг). Затраты энергии растут с увеличением скорости в степенной зависимости. Они увеличиваются при малых скоростях во второй степени, а при приближении к доступному для данного лица максимуму — в третьей и даже в четвертой степени, 5. БИОДИНАМИКА ПРЫЖКА Основное назначение прыжка с точки зрения биомеханики — преодоление расстояния полетом. Во всех прыжках со взлетом осуществляют отталкивание, после которого следует полет (собственно прыжок) и после приземления — амортизация. 5.1 Подготовка н отталкиванию Подготовка к отталкиванию в прыжках заключается в переходе в начальное положение отталкивания, а также в необходимых случаях в накоплении кинетической энергии (разбег, разгон). В прыжках на максимальное расстояние в большей части случаев используют кинетическую энергию, накопленную перед отталкиванием. В легкоатлетических прыжках выполняют разбег, в прыжках на лыжах с трамплина — разгон (на горе разгона). Разбег применяют и в некоторых других видах прыжков, даже когда не ставится задача преодолеть полетом максимальное расстояние. Иногда разбег завершается напрыгиванием на упругую опору (трамплин). Каков бы ни был разбег или разгон, во всех случаях к началу фазы отталкивания принимают наиболее целесообразное начальное положение. Это положение, как правило, является мгновенным положением в движении. Для разбега характерны направление и особенности наращивания скорости. Он обеспечивает накопление кинетической энергии, необходимой для взлета после отталкивания. Но роль разбега не только механическая. Одна из наибольших трудностей разбега для прыгунов — выработка ритма шагов. Шаги разбега, особенно последние, неравной длины. Длина каждого шага, а стало быть, его продолжительность и скорость закономерно отклоняются от средней. Задачи отталкивания в различных видах легкоатлетических прыжков различны, вследствие чего начальное положение отталкивания также бывает различным. 5.2. Отталкивание Отталкивание в прыжках вызывает ускорение ОЦТ тела спортсмена и перемещает его в направлении последующего полета. В фазе отталкивания выпрямление толчковой ноги (или обеих ног) отдаляет ОЦТ тела спортсмена от места опоры, придает ему кинетическую энергию, необходимую для отрыва от опоры. Отталкивание ногой почти всегда сопровождается маховыми движениями свободных конечностей (рук и переносной ноги). Эти движения также смещают и ускоряют ОЦТ тела и повышают эффект выпрямления толчковой ноги. Перед выпрямлением ноги обычно происходит подседание на ней. Из неподвижного исходного положения оно выполняется сначала с увеличением скорости; далее возникает амортизация (погашение совместного действия сил инерции и тяжести) при замедлении подседания. Когда отталкивание следует после приземления (в движении), амортизация, как замедление подседания, происходит с самого момента приземления (контакта с опорой). Принято амортизацию вместе с выпрямлением ноги включать в фазу отталкивания, хотя, строго говоря, сама амортизация еще не отталкивание, а только служит подготовкой к нему. При амортизации, совершая уступающую работу, растягиваются и напрягаются мышцы, которые потом сокращаются при отталкивании. Отталкивание обусловливает вертикальную и горизонтальную скорость к моменту отрыва от опоры в различных сочетаниях (различные углы вылета ОЦТ). После разбега в прыжках в длину, тройном и некоторых других горизонтальная скорость не увеличивается, а уменьшается. В фазе амортизации потери горизонтальной скорости больше, чем последующее ее приращение от выпрямления ноги и маховых движений. Так называемая стопорящая постановка ноги (под острым углом к опоре) вызывает потери горизонтальной скорости, но помогает созданию вертикальной. Ст о п о р я щ а я сила (горизонтальная составляющая опорной реакции) создает двойной эффект: 1) замедляет продвижение тела (действие реакции Ry, перенесенной в ОЦТ— S) и 2) обусловливает опрокидывание его вперед с подниманием вверх на толчковой). Кинетическая энергия тела прыгуна, затраченная на подъем тела вверх, переходит в потенциальную энергию (в гравитационном поле), создается вертикальная скорость подъема тела — стопорящий подъем.  Рис. 71. Стопорящая сила (Rx) и ее момент (Rx h) Стопорящая постановка толчковой ноги на опору после разбега, снижая горизонтальную скорость, способствует напряжению мышц толчковой ноги. Кроме того, упругие деформации мышц стопорящей ноги обусловливают накопление и потенциальной энергии упругой деформации. Упругие силы в соответствующее время еще более «подбрасывают» тело вверх. Во многих прыжках в последующей фазе полета происходят вращения тела спортсмена вокруг осей, проходящих через его ОЦТ. В большей части случаев необходимые начальные вращения создаются уже во время отталкивания. Они происходят вследствие: а) отталкивания ногой в направлении не к ОЦТ и б) движений туловища и свободных конечностей. Согласование движений отталкивания ногой, маховых, создающих начальное вращение и стопорящего подъема, зависит от задачи и условий прыжка. Наибольшие усилия ноги, выполняющей отталкивание, приходятся на момент максимума сгибания ее в коленном суставе (граница между подседом и выпрямлением). У мастеров высшей квалификации с этим моментом совпадают максимумы ускорений рук и переносной ноги (рис, 72). Суммарное ускорение ОЦТ, вызванное выпрямлением ноги и маховыми движениями, продолжается на определенном пути. При сохранении усилий увеличение пути ускоренного движения повышает начальную скорость взлета. Это достигается приближением ОЦТ к опоре к началу ускорения (подседание) и наибольшим отдалением его к концу ускорения (к моменту отрыва полное выпрямление толчковой ноги и полный размах маховых движений).  Рис. 72. Согласование движений маховых и отталкивания: а •— у новичка; б — у мастера спорта (по Ю. В. Верхошанскому) 5.3. Полет Фаза полета длится с момента отрыва от опоры толчковой ноги до момента приземления (касания опоры). Спортсмен своими движениями может изменить и вызвать в р а щ е н и я вокруг осей, проходящих через ОЦТ. В полете могут, например, решаться такие задачи: увеличить и уменьшить скорость вращения тела или вызвать вращение в новом направлении (например, прыжки гимнастические, в том числе опорные, в воду, на коньках); перенести поочередно части тела через препятствие (прыжки в высоту); поднять звенья тела для более позднего приземления (прыжки в длину и тройной) и другие. Способы подготовки к последующим действиям и сами действия в полете очень разнообразны. Все движения в полете носят характер встречных движений и траектории ОЦТ не изменяют. 5.4. Амортизация Полет заканчивается моментом приземления, после которого возникает амортизация — взаимодействие с опорой (или водной средой при прыжках в воду). Опора или вода затормаживают движущееся тело спортсмена; при отрицательном ускорении возникают силы инерции тела спортсмена, направленные по ходу движения. Силы инерции вышерасположенных частей тела действуют на нижерасположенные. Навстречу на тело действуют равные им динамические опорные реакции. Следует еще не забывать также о силах тяжести и равных им статических реакциях опоры. В результате действия сил с двух сторон происходит деформация тела спортсмена. При этом также деформируются (растягиваются) мышцы; своей уступающей работой они замедляют движение тела вниз. Происходит замедление и остановка движения ОЦТ. Амортизационная перегрузка зависит от величины кинетической энергии приземляющегося человека и длины пути амортизации. Отдаление ОЦТ от опоры к моменту приземления удлиняет путь амортизации и уменьшает перегрузку. Если после приземления и амортизации последует вновь оттталкивание, то амортизацию выполняют более жестко, на коротком пути. Мышцы-амортизаторы напрягаются больше; закончив амортизацию, они сильнее напряжены и начинают преодолевающие движения с более высоким эффектом (тройной прыжок, акробатические прыжки). 6.Биомеханика различных видов спорта Плавание При плавании все части тела вовлекаются в движение. Плавание основано на взаимодействии пловца с водой, при котором создаются силы, продвигающие его в воде и удерживающие на ее поверхности. Биомеханика плавания связана с тем, что силы, тормозящие продвижение, значительны, переменны и действуют непрерывно, «Опора» на воду создается во время гребковых движений и остается переменной по величине. Спортивное плавание включает четыре вида: вольный стиль (кроль), плавание на спине, брасс, баттерфляй. Вольный стиль. Продвижение вперед происходит постоянно за счет смены работы рук и ног. Руки действуют под водой для продвижения вперед, а противоположное движение — вынос рук вперед — происходит над водой. Движение кисти под водой происходит без сильного отклонения в сторону при слегка согнутой руке. Оно заканчивается, когда рука выходит из воды у бедер. Затем без остановки рука переносится вперед и снова включается в эффективную работу перед плечом. Движения ног — вверх-вниз представляет собой малый тормозящий момент. Движение начинается от таза и продолжается через бедро, коленный сустав, голень, голеностопный сустав вплоть до пальцев ног. При ударе вниз стопа поворачивается внутрь для повышения Эффективности отталкивания. Плавание на спине. Тело выпрямлено, плечевой пояс лежит несколько выше таза, голова слегка подтянута к груди. Движения рук. К началу подводного движения, продвигающего тело пловца вперед, руки находятся на поверхности воды в выпрямленном положении над плечом. Кисть — в положении отталкивания. Руки начинают подтягивать, при этом они слегка согнуты в локтевом суставе. В конце движения под водой руки опять почти выпрямлены. Во время всей работы в воде кисть проводится на глубине 20—30 см. Рука переносится над водой и, опускаясь в нее, начинает новую рабочую фазу. Ритм смены рук здесь отличается от кроля. В то время как одна рука совершает движение под водой, другая производит маховое движение над водой и затем погружается в воду. Движения ног. Ноги совершают поочередно удары вверх и вниз. Здесь стопа по мере надобности разворачивается внутрь во время удара вверх с тем, чтобы повысить действенность отталкивания. Амплитуда движения составляет 30—50 см. Брасс. Брасс — самый медленный стиль из четырех спортивных способов плавания. Это объясняется прежде всего тормозящими моментами, возникающими при вынесении рук вперед, а также слабо выраженным подводным движением. Движения рук. Из вытянутого положения руки симметрично разводятся в стороны и несколько вниз; при этом внутренние поверхности кистей, развернутые во внешнюю сторону и слегка закругленные, действуют как весла. Примерно на уровне плеч руки делают легкий мощный толчок внутрь, подводятся близко к груди и широко разводятся вперед. Движения ног. Из вытянутого положения голени одновременно и симметрично подводятся к тазу, при этом колени и пятки несколько разведены, ступни развернуты наружу и подтянуты к большой берцовой кости. Из этого положения, при котором пятки находятся на расстоянии 30—40 см от таза, производится широкий толчок разведенными ногами в стороны. При этом особенно сильно отталкиваются голенями и подошвами ступни. В затухающей фазе движения ноги опять сводят вместе и выпрямляют. Баттерфляй. Плавание баттерфляем выполняется с помощью порхающих над водой рук одновременно с движениями ног и корпуса, которые напоминают движения хвостовых плавников дельфина. К началу подводного движения обе руки находятся впереди плеч; они подводятся под туловище одновременно. После того, как кисти обеих рук выносятся из воды в сторону от бедер, руки как можно более напряженно вновь выводятся вперед до очередного погружения. Движение ног начинается в поясничной части. Для увеличения силы отталкивания при ударе вниз стопы повернуты внутрь, а при ударе вверх опять становятся продолжением голени. Плавучесть точно так же как сила, обусловленная весом тела, приложена к его центру тяжести (ЦТ), подъемная сила, обусловленная весом вытесненной им жидкости, приложена к точке, называемой центром плавучести. При движении в жидкости твердого тела (например, шара) ближайший слой жидкости прилипает к нему и движется вместе с ним; остальные слои скользят друг относительно друга. Сила, действующая на твердое тело, движущееся внутри вязкой среды (жидкость), и направленная противоположно скорости тела, называется сопротивлением среды. Лобовое сопротивление. При движении какого-нибудь тела в жидкости, на него действует сила, задерживающая его движение. Эту силу называют лобовым сопротивлением. Величина ее зависит от природы жидкости и от размеров, формы и скорости движущегося тела. Как показали эксперименты в аэродинамических трубах, лобовое сопротивление тела или различных тел одной и той же формы можно определить по формуле Д = —рvАСд, где Д — лобовое сопротивление, р — плотность жидкости, v — скорость движения жидкости относительно тела, А — характеристическая площадь и Сд — величина, называемая коэффициентом лобового сопротивления, которая зависит от формы тела и от числа Рейнольдса. К сожалению, не существует единого определения А, которое было бы удобным при любой форме тела. Используются следующие площади: 1) лобовая площадь, т. е. площадь проекции тела на плоскость, перпендикулярно направлению потока. В случае цилиндра, имеющего высоту h и радиус г, лобовая площадь будет равна яг2, если ось цилиндра параллельна потоку, и 2rh, если она перпендикулярна ему; 2) площадь наибольшей проекции, т. е. проекции по тому направлению, по которому площадь ее будет наибольшей; эту величину используют, когда имеют дело с обтеканием профиля крыла; по сравнению с лобовой площадью она имеет то преимущество, что не изменяется при наклоне профиля; 3) суммарная поверхность тела. Следует помнить, что в случае тонкой пластинки это будет суммарная площадь обеих ее сторон. Если есть сомнения, то важно указать, какая именно из этих площадей была использована при вычислении коэффициента Сд. Лобовое сопротивление — не единственная гидродинамическая сила, действующая на тела, которые движутся в жидкости или находятся в потоке. По определению оно имеет то же направление, что и скорость движения жидкости относительно тела. Когда симметричное тело движется вдоль своей оси симметрии, действующая на него гидродинамическая сила направлена прямо и представляет собой лобовое сопротивление. Но когда симметричное тело движется под некоторым углом к оси симметрии, гидродинамическая сила действует под углом к его пути. Ее можно разложить на две составляющие, одна из которых направлена назад и представляет собой лобовое сопротивление, а другая действует под прямым углом к первой. Энергетика пловца. Когда человек плывет, он сообщает некоторое количество энергии воде, чтобы продвинуться (проплыть) в ней. Это создает волну, которая в конечном счете потеряет всю сообщенную ей энергию в виде тепла, и поверхность воды снова станет спокойной. Затраченная таким образом при плавании энергия представляет собой совершенную работу плюс тепло, потерянное телом пловца. Лыжный спорт На лыжных гонках происходит сочетание свободного скольжения, отталкивания лыжами и палками от снега, маховых движений рук и ног и броска (перемещения) тела вперед-вверх. Свободное скольжение (фаза I) происходит при тормозящем воздействии трения лыжи по снегу и незначительном сопротивлении воздуха. Чтобы меньше терять скорость, нельзя делать резких движений (рукой или ногой) направленных вверх-вперед. Свободное скольжение заканчивается постановкой палки на снег. Начинается фаза скольжения с выпрямлением опорной ноги, (фаза II). Увеличивая наклон туловища и нажим на палку лыжник стремится увеличить (повысить) скорость скольжения лыжи. Подседание начинается еще (уже) при скольжении лыжи (фаза III), которая при энергичном разгибании опорной ноги в коленном и тазобедренном суставах быстро теряет (гасит) скорость и останавливается. Подседание, начатое в фазе III, продолжается и завершается в фазе IV, сопровождаемое выпадом — движением переносной ноги вперед. С окончанием подседания начинается выпрямление толчковой ноги в коленном суставе (фаза V), сопровождаемое завершающимся выпадом. Следует отметить, что с повышением скорости передвижения изменяется ритм скользящего шага (сокращается время отталкивания лыжей. Подседание и выпрямление толчковой ноги делаются быстрее). Основой лыжной техники является попеременный шаг с постановкой палок при каждом шаге. Он соответствует нормальному бегу, который с помощью лыж переходит в ритмичное скольжение. Толчок к скольжению дается мощным отталкиванием соответствующей ноги от снежного основания и толчок палками. Отталкивание всегда начинается тогда, когда обе ноги находятся приблизительно рядом. Однако эффективным оно бывает, если лыжа в этот момент имеет достаточное трение со снежным основанием благодаря правильной смазке. В то время как левая нога отталкивается, правая становится скользящей. При этом масса тела переходит с отталкивающейся ноги на скользящую. Лыжник-гонщик скользит преимущественно на одной лыже. Только во время короткого промежутка отталкивания ногой обе лыжи одновременно касаются снега. Прыжки в воду Прыжки в воду относятся к технико-композиционным видам спорта и включают в себя прыжки с трамплина и с вышки. Прыжки выполняются из передней или задней стойки, с вращательными движениями, винтами, прыжки из стойки на кистях и т. д. (рис. 15.41). Главным элементом техники прыжка с трамплина и вышки является разбег, толчок, фаза полета и вход в воду. Выполнение всего прыжка зависит от толчка. При этом направлением толчка определяется последующая траектория полета, которую спортсмен не сможет изменить в ходе фазы полета. Фаза полета начинается в момент отрыва ног от доски или от площадки и заканчивается касанием поверхности воды. Фаза полета вводится толчком, который определяет оптимальную траекторию полета и выполнение движений. Основным требованием к входу в воду является вертикальное положение погружаемой части тела по отношению к поверхности воды для того, чтобы войти в воду почти без брызг. Тяжелая атлетика Тяжелая атлетика — вид спорта, требующий высокой точности воспроизведения упражнения как системы движений. Состязания по подъему (поднятию) тяжестей (штанги) — относятся к таким видам спорта, в которых решающую роль играют в одинаковой мере физическая сила и техника. Упражнения для развития силы довольно разнообразны, их можно выполнять при помощи штанги, гирь, гантелей, тяговых снарядов (тренажеров) и т. д. Эти упражнения хорошо зарекомендовали себя во многих видах спорта и служат спортсменам для развития силы и выносливости (скоростно-силовых качеств). Упражнения с большими тяжестями применяются в основном для развития максимальной силы, а при помощи упражнений в высоком темпе развивается скоростная сила, т. е. скоростно-силовые качества. Целью штангиста является подъем штанги при одновременном сохранении равновесия тела на маленькой площади опоры в период движений, связанных с подъемом. При этом движения различаются от фазы подъема к опорной фазе. На определенное время требуется относительно небольшая сила для воздействия на штангу, для того чтобы совершить необходимые изменения в устойчивости ног при удержании штанги. Сила применяется в вертикальном направлении, но, поскольку штанга описывает кривую в виде буквы S на уровне корпуса тела, в действие могут вступить также и горизонтальные силы. Ускорение штанги зависит от величины силы, которая воздействует на нее, а также от массы снаряда. Чем меньше масса снаряда, тем больше скорость при равном применении силы и наоборот. Достигнутая максимальная скорость является решающей для так называемой тяговой высоты штанги. Силы, воздействующие на систему «штанга — корпус», должны использоваться в основном периоде тяговой фазы только для необходимых перегруппировок частей корпуса тела от фазы подъема до подрыва. Воздействие мышечной силы на штангу обусловливает эластичную деформацию штанги. Возникают так называемые эластичные силы в снаряде. Они способствуют ускорению штанги и надежному перемещению ее. Штангист должен для использования эластичного действия штанги выработать определенное чувство ритма в период тренировок. При перемещении штанги спортсмен достигает и преодолевает разные силы: а) вес штанги (сила тяжести); б) сила инерции штанги, которая зависит от массы и от скорости штанги; в) сила тяжести и сила инерции собственного тела. Эти факторы являются решающими критериями для оценки техники и силы спортсмена. Освоение техники упражнений способствует выработке правильной осанки. Координация движений тяжелоатлета затрудняется в результате некоторых факторов: 1. Трудности при подъеме штанги предельного веса — это комплексный фактор: а) атлет все время вынужден менять вес поднимаемой штанги, что заставляет изменять координацию мышечных напряжений; б) атлет не имеет возможности многократно повторять рывок и толчок с соревновательными вариантами веса штанги в связи с предельным характером нагрузки. 2. Значительные сдвиги в силовой подготовленности тяжелоатлетов в процессе тренировки заставляют соответственно менять технику подъема штанги в связи с большими изменениями внутренних сил в системе «атлет — штанга». 3. Кратковременность всего упражнения или отдельных его частей ограничивает возможность текущих коррекций движений на основе функционирования обратной связи. Для развития (тренировки) силы тех или иных мышц важным является исходное положение спортсмена. При одной и той же силе действия в разных позах их величины сил и силовых моментов, действующих в отдельных суставах, могут быть различными. При неправильно выбранной позе момент силы, действующей на позвоночник и суставы может быть критическим и вызвать травму, а если упражнения со штангой выполняются длительно, с большим количеством повторений, то возникают заболевания опорно-двигательного аппарата (ОДА). При правильной технике выполнения упражнения этого не происходит. |