Биомеханика конспект лекций донской. Лекция. Биомеханика двигательных действий как систем целенаправленных движений
 Скачать 0.93 Mb.
|
ЛЕКЦИЯ №6. ЦИКЛИЧЕСКИЕ И АЦИКЛИЧЕСКИЕ ЛОКОМОТОРНЫЕ ДЕЙСТВИЯ, ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕМЕЩАЮЩИХ ДЕЙСТВИЙ, СОХРАНЕНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕЛА И ДЕЙСТВИЯ НА МЕСТЕ.План 1 .Виды локомоторных движений.
а) Механизм отталкивания от опоры; б) Роль маховых движений при отталкивании; в) Характеристики отталкивания.
а) Фазы шагательных движений; б) Биодинамика прыжка в) Биодинамика ходьбы г) Биодинамика бега д) Биодинамика перемещений со скольжением
а) Понятие гидромеханики б) Биодинамика водных локомоции Литература:
По снегу и по льдам идут рабочие тысячи. Идут, размерно дыша, стройно и ровно, телам таким не труден шаг-работой тренированы. (В. Маяковский.) Виды локомоторных движений Хорошо знакомого человека можно узнать по походке, не зная номера' участника и его формы специалист по манере бега легко определит кто ведет группу бегунов на дистанции, по тех-нике, говорят, можно определить принадлежность гонщика лыжника, или велосипедиста к целой стране. Действительно, движения разнообразны, например, насчитывают до 60 обозначений походки. Но все перемещения объединяет одно общее название локомоторные движения. Локомоторные движения обеспечивают активное перемещение - человека с места на место, с использованием опоры или среды (вода, воздух). В некоторых видах спорта локомоторные движения являются основными (бег, плавание, лыжный спорт), в других вспомогательными, там они обеспечивают передвижение спортсмена к месту. Выполнения основного движения (спортивные игры, гимнастика), встречаются локомоции с использованием различных технических средств (велосипедный спорт). Активные перемещения в пространстве возможны только по способу притягивания или по способу отталкивания. Все локомоторные движения делят на ациклические (однократные) и циклические (повторяющиеся). Среди локомоции наибольшее распростроение имеют наземные перемещения. Н.А.Бернштейн, в своей работе значительное место уделил изучению локомоции и указал, что локомоторные движения, в частности, ходьба, относятся к числу наиболее высоко автоматизированных движений. Локомоторное движения представляет собой очень обширные синергии, охватывающие всю мускулатуру и весь двигательный скелет сверху; донизу и вовлекающие в работу большое количество отделов и проводящих путей центральной нервной системы. Локомоторные движения обладают всеобщностью. Возникновение и развитие локомоции у нормальных субъектов совершается с определений регулярностью и правильностью и влияет морфологическое развитие и конструирование тканей и органов. Локомоции относятся к числу чрезвычайно древних движений. Они старше, чем кора мозговых полушарий, и несомненно оказывали влияние на развитие центральной нервной системы. Наконец локомоции представляют собой необычайно стойкую и типичную структуру (всё выше из книги, Н.А.Бернштейна «исследования по биодинамике ходьбы, бега, прыжка». ФиС, 1940). К циклическим локомоциям, выполняемым по способу отталкивания от грунта относится большая группа видов спорта (ходьба, бег, ходьба на лыжах, бег на коньках и т.д.). Общим признаком таких локомоции является поочередное взаимодействие ноги с грунтом. К циклическим локомоциям можно отнести прыжковые упражнения (длина, высота, тройной и т.д.) При рассмотрении локомоторного движения решающим оказывается механизм взаимодействия с опорой или средой. Механизм отталкивания от опоры Отталкивание от опоры выполняется посредством отталкивания и маховых движений свободных звеньев. При отталкивании опорные (контактные) звенья неподвижны относительно опоры, а подвижные перемещаются в направлении отталкивания. На стопу, как на опорное звено, действует давление ускоряемых звеньев, направленное назад-вниз. В механизме отталкивания от опоры большую роль играет опорная реакция, но она не является движущей силой, а лишь уравновешивает действие внутренних сил системы (сил мышц). Благодаря работе мышц по перемещению ОЦТ расходуется энергетический запас системы (человека) и эта энергия идет на деформацию опоры. Ре-акция опоры направлена в сторону движения, однако это не оз-начает, что причиной движения является реакция опоры. Кинетическую энергию, системы спортсмен - опора при отталкивании обеспечивая работы мышц. Роль маховых движений при отталкивании Маховые движения при отталкивании (быстрое перемещение свободных звеньев тела в направлении отталкивания, составляют часть механизма отталкивания). В маховых движениях различают две фазы: фазу разгона (увелиличения скорости звена) и фазу торможения (уменьшение скорости звена). К моменту отрыва от опоры центры тяжести маховых звеньев отдалены от опоры, что ведет к удалению и ОЦТ тела по ходу движения. В течение фазы разгона махового звена увеличение скорости его ЦТ влечет за собой нарастание скорости ОЦТ. В фазе торможения, через мышцы антагонисты, маховые звенья передают свой импульс (Ft) всей системе, т.е. происходит перераспределение скоростей. В момент разгона маховые звенья увеличивают свой импульс не только за счет других звеньев, но и за счет взаимодействия . через них с опорой. Немалую роль в механизме отталкивания играют силы инерции маховых звеньев. Во время разгона звена сил инерции увеличивают нагрузку на опорные звенья, что повышает требования к нему с увеличением скорости выполнения маха. Во время торможения силы инерции меняя направление уменьшают нагрузку на опорное звено, что создает предпосылки к более быстрому отталкиванию (более быстрому сокращению мышц в облегченном режиме работы). Направление отталкивания На направление отталкивания влияет "угол отталкивания ; как угол наклона динамической составляющей опорной реакции в данный момент времени. Однако, неоднозначность движущейся системы не позволяет дать точное определение угла отталкивания. Рассмотрим различные способы определения угла отталкивания; 1) угол наклона продольной оси толчковой ноги не может полностью характеризовать направление отталкивания, т.к. в одной и той же позе силы, действующие на тело через опорное звено, могут иметь различное направление. Шагательные движения Несмотря на разнообразие шагательных движений в наземных локомоциях (ходьба, бег, ходьба на лыжах, бег на коньках), в их кинематике и динамике можно обнаружить общие основы. В шагательном движении выделяют два периода: опоры и пере-носа. Когда перенос менее длителен, чем опора, периоды опоры обеих ног частично совпадают (период двойной опоры). В цикле бега имеется два периода опоры и два полета. Период опоры состоит из фазы амортизации и отталкивания. Фаза амортизации начинается с момента постановки ноги на грунт до максимума динамической составляющей опорной реакции (нижняя точка положения ОЦТ, визуально). Начало фавы отталкивания совпадает с началом спада динамической составляющей опорной реакции (начало выпрямления ноги в коленном суставе) и заканчивается в момент снятия ноги с опоры. Период переноса можно разделить на четыре фазы - подъем, разгон, торможение, опускание. Фаза подъема - начинается с момента снятия ноги с опоры и заканчивается в момент максимального подъема ОЦТ ноги, относительно таза (задняя критическая точка). Фаза разгона- начинается с момента наивысшего положения ОЦТ ноги относительно таза и заканчивается в момент наибольшей линейной скорости ОЦТ ноги относительно таза. С этого момента начинается фаза торможения, а заканчивается эта фаза в момент наиболее высокого положения ОЦТ ноги впереди таза (передняя критическая точка). На границе фаз разгона и торможения линейная скорость ОЦТ ноги максимальна и ускорение меняет знак. Конец фазы торможения является началом заключительной фазы периода переноса, фазы опускания. Заканчивается эта фаза постановкой ноги на грунт. Итак, мы рассмотрели весь цикл шагательного движения. Необходимо отметить высокую экономичность шагательных движений с точки зрения расхода энергетических ресурсов организма. Шагательные движения носят колебательный характер, т.е. в процессе колебаний относительно таза происходит непрерывная смена одного вида энергии (потенциальной) на другой (кинетический). И максимум подкачки энергии в эту своеобразную колебательную систему приходится вполне определенные зоны цикла. Скорость шагательных движений можно определить, зная длину шага и темп. Таким образом, увеличение длины и частота шагов приводит к увеличению скорости. Существуют оптимальные значения длины и частоты шагов для каждого спортсмена в зависимости от его физической подготовленности и поставленной двигательной задачи. Например, существуют оптимальные значения длины и частоты шагов для армейского строя, причем эти параметры различны для походного и парадного марша. Большое значение в локомоциях имеет их ритмическая структура (соотношение длительностей различных фаз). Ритм можно считать важным показателем совершенства локомоций. Биодинамика прыжка Различные вида спорта предъявляют различные требования к выполнению прыжка. В прыжках в длину требуется преодолеть максимальное расстояние, в высоту - максимальную высоту планки и т.д. Траектория ОЦМ тела спортсмена в полете определяется формулами: В разбеге стоит задача достижения той скорости, при которой создадутся оптимальные условие для взаимодействия с опорой. Высокие скорости разбега предъявляют высокие требования к опорным звеньям в фазе амортизации. Отталкивание от опоры осуществляется за счет работы опорной ноги и ТАКЖЕ за счет маховых движений свободных звеньев в направлении отталкивания Водные локомоции«... море это состояние между небом и землей...» Человек не рыба и не морское существо, он обязан уметь перемещаться в водной среде (поверхность воды в 5 раз больше поверхности суши). Умение плавать необходимый атрибут жизнеобеспечения, можно сказать, безопасности жизнедеятельности. Спортивное плавание - Олимпийский вид, включает 4 способа (кроль на груди, кроль на спине, баттерфляй (дельфин)брасс). 5 способ- комплексное плавание, включающее все виды (классические дистанции 200, 400 м). Прежде, чем перейти к рассмотрению биомеханических особенностей некоторых стилей плавания, поговорим о гидромеханике.
Вода- жидкость, агрегатное состояние вещества промежуточное между твердым и газообразным состоянием. Жидкость сохраняет некоторые свойства твердых тел и свойства газа. Но есть ряд присущих только ей особенностей. Подобно твердому телу вода имеет свой объем, свободную поверхность, обладает прочностью на разрыв. Жидкость принимает форму сосуда. Жидкость отличается сильным межмолекулярным взаимодействием и вследствие этого малой сжимаемостью. Это свойство объясняется тем, что небольшое уменьшение расстояния между молекулами приводит к появлению больших сил межмолекулярного отталкивания. Все эти вопросы изучаются в разделе механики и - гидромеханики -науки, изучающей равновесие жидких сред и их взаимодействия с газообразными средами и твердыми телами. Первые гидромеханические устройства (весло, руль, насос) относятся к далекому прошлому. Главная задача гидромеханики- определение закономерностей взаимодействия между жидкой средой и движущимися или покоящимися в ней телами. Архимед (3 век до н.э.) - открыл основной закон гидростатики и создал теорию равновесия жидкостей. В эпоху возрождения свой вклад внесли Леонардо да Винчи и Паскаль. Леонардо да Винчи открыл существование сопротивления воды и подъемной силы при движении тел. Теоретическое определение закона сопротивления принадлежит Н. Ньютону (сопротивление пропорционально квадрату скорости тела). Он доказал, что сопротивление связано с трением жидкости о поверхность тела, им было определено, что сила трения между двумя слоями жидкости пропорциональна скорости этих слоев относительно друг друга. Теоретические основы гидродинамики были заложены Л. Эйлером и Бернулли. Определены два вида- ламинарное и турбулентное течение жидкостей, в тех случаях, когда жидкость разделяется на слои, скользящие относительно друг друга не перемешиваясь, такое течение называется ламинарным (слоистым). При увеличении скорости, поперечных размеров потока, характер течения меняется. Возникает энергичное перемешивание жидкости. Такое течение называется турбулентным. При турбулентном течении скорость частиц в каждом месте изменяется беспорядочным образом. Английский ученый Рейнольде рассчитал коэффициент (число Рейнольдса), зависящий от: -плотности жидкости; -средней скорости потока; -коэффициента вязкости; -площади (размера) поперечного сечения. При малых значениях этого коэффициента наблюдается ламинарное течение. Начиная с некоторого определенного значения - оно называется критическим, течение приобретает турбулентный характер. Движение тел в жидкостиПри движении тела в жидкости на него действуют силы, равнодействующую которых мы обозначим буквой Р. Силу Р можно разложить на две составляющие - Pi , направленную в сторону, противоположную движению (сила лобового сопротивления) и Рг, , перпендикулярную направлению движения, (подъемная сила). При движении тела в жидкости, обладающей вязкостью (например, в воде), тонкий слой жидкости прилипает к поверхности тела и движется с ним как единое целое, увлекая с собой из-за трения последующие слои. По мере удаления от поверхности тела скорость слоев падает и на некотором расстоянии оказывается практически невозмущенной движением тела. Таким образом, тело оказывается окруженным слоем жидкости, в котором имеется градиент скорости. Этот слой называется пограничным. В нем действуют силы трения, которые тормозят движение, т.е. приводят к возникновению лобового сопротивления. Но дело не исчерпывается только этим. Наличие пограничного слоя препятствует полному обтеканию тела. Действие сил трения в поверхностном слое приводит к тому, что поток отрывается от поверхности тела, в результате этого позади тела возникают вихри. Давление, образуемое в вихревом потоке за, телом, оказывается пониженным, что приводит к увеличению сил лобового сопротивления. Лобовое сопротивление, таким образом, складывается из сопротивления трения и сопротивления давления. Последнее сильно зависит от формы тела. Соотношение между сопротивлением трения и сопротивлением давления определяется значением числа Рейнольдса. Центр плавучестиВес тела как отражение действия силы тяжести, прилагается к центру тяжести. Точно также подъемная сила,обусловлена весом выталкиваемой жидкости, прилагается к точке, называемой центромплавучести.Если тело полностью погружено в воду, то центр плавучести находится тамже, где и центр тяжести, при условии, что тело имеет равномерную плотность. Когда центр тяжести и центр плавучести не совпадают, образуется пара сил, разворачивающая тело таким образом, чтобы центр плавучести лежал под центром тяжести. У человека в воде центр объема (плавучести) и центр тяжести не совпадают. Центр объема на несколько сантиметров ближе к голове, поэтому у большинства людей ноги из горизонтального положения начинают опускаться вниз, пока тело не примет вертикальное положение.
Ударные взаимодействия в спорте встречаются довольно час-то, примерами могут являться удары по мячу в спортивных играх, по шайбе в хоккее, удар боксера, приземление после прыжков, вылет стрелы из лука, акробата с подкидной доски и т.д. Ударом называется явление конечного изменения скоростей твердых тел за весьма малый промежуток времени t, происходящее при их столкновении. В процессе деформации тел при ударе возникают значительные мгновенные (ударные) силы. Определение этих сил дело весьма сложное, но общий импульс легко определить, наблюдая изменения количества движения mV. Для системы двух соударяющихся тел мгновенные силы являются внутренними силами. Их импульсы FAt включают время удара, называются мгновенными импульсами. В момент удара они значительно больше, чем импульсы всех внешних сил, приложенных к системе. Поэтому в процессе удара влияние внешних сил можно пренебречь и считать, что система является замкнутой, т.е. в ней выполняется закон сохранения количества движения. Рассматривая соударяющиеся тела как где vi и ui скорости материальной точки с массой m до и после удара. Общая нормаль к поверхности соударяющихся тел в точке их соприкосновения называется линией удара. Удар называется прямым, если скорости центров тяжести соударяющихся тел перед ударом параллельны линии начала и конца удара, F(t) - зависимость ударной силы F от времени t . За время удара скорость тела, например мяча, изменяется на определенную величину. Это изменение пропорционально ударному импульсу и обратнопропорционально массе тела, т.е. ударный импульс равен изменению количества движения тела. Последовательность механических ЯВЛЕНИЙ при ударе следующая: сначала происходит деформация тел, при этом кинетическая энергия движения переходит в потенциальную энергию упругой деформации, за-тем потенциальная энергия переходит в кинетическую. 2.2. Биомеханика ударных движенийБиомеханика ударных движений изучает особенности управления движениями человека осуществляющего удар непосредственно частью тела (биомеханической цепью) или используя специальный предмет (клюшку, ракетку и т.п.) (Агашин Ф.К.,1977). Объектом для нанесения удара может служить мяч, покрытие, шар, волан, шайба и т.д. В целостном ударном действии выделяют несколько частей: I. 3 а м а х - подготовительное движение, перед ударом, направленное на увеличение расстояния между звеном тела и пред-метом по которому наносится удар. Эта фаза наиболее вариативна. Например, в видах спорта связанных с игрой, часто приходится подготовительные движения сокращать до минимума с учетом сложившейся игровой ситуации.
Из механики известно, что скорость тела после удара выше в том случае, когда больше скорость ударяющегося предмета непосредственно перед ударом.Однако этот закон не всегда соблюдается, когда удар наносится человеком, спортсменом. Так, при подаче в теннисе увеличение скорости движения ракетки может привести к СНИЖЕНИЮ скорости вылета мяча. Это объясняется непостоянством ударной массы спортсмена и зависит от степени координации движений. Удар может быть нанесен ракеткой с использованием сгибания только кисти руки, при этом с мячом будет взаимодействовать ракетка и кисть. Если же в момент удара звено закреплено напряженными мышцами (антагонистами) то в ударном взаимодействии будет принимать участие все звено. По этой причине два удара, наносимы с одной и той же скоростью по мячу вызывают различную начальную скорость его вылета, и сила удара при этом оказывается разной. Поэтому величина ударной массы может быть использована как критерий эффективности техники удара. В практике это называется "вложить массу в удар". Ясно, что величина удара будет зависеть от массы спортсмена. Не случайно, поэтому в боксе введены веоловые категории. Однако и в боксе и в футболе мы можем назвать спортсменов, обладающих очень сильными ударами не имея большой собственной массы и не отличающихся мышечной силой. Эти спортсмены умеют сообщать большую скорость ударяющему сегменту и в момент удара взаимодействовать с ударяемым телом большой массы. Если в механике рассматривается "чистый" удар, теоретические основы которого сводятся к предположению, что удар происходит настолько быстро и ударные силы настолько велики, что всеми остальными силами можно пренебречь. То во многих ударных действиях, используемых в спорте эти допущения невозможны. Время удара в них хотя и мало, (табл. 1) но пренебрегать им нельзя.
Известно, что путь ударного взаимодействия, по которому движутся соударяющиеся тела, может быть 20-30 см. И поэтому имеется возможность изменить количество движения во время соударения за счет сил не связанных с самим ударом. Во всяком случае, возможны три ситуации, когда, например, футболист в момент удара развивает скорость 15 м/с. Первый вариант, когда стопа по время удара дополнительно ускоряется за счет активности мышц, ударный импульс при этом и скорость вылета увеличиваются. Второй вариант, когда стопа во время удара произвольно тормозится (например, срабатывает охранительный механизм) импульс силы уменьшается, начальная скорость вылета снижается. Такие удары выполняются и при необходимости более точного посыла, передачи мяча партнеру и т.п. Третий вариант, когда в момент удара звено не ускоряется и не тормозится, тог-да действуют только ударные силы. Встречаются ударные движения, когда дополнительный прирост количества движения во время соударения очень велик и движение является чем-то средним между ударом и броском (метанием). Например, иногда бывают такие передачи в волейболе. - Исследования координационной структуры ударных движений направленных, на проявления максимальной силы, проведенные впервые Л.В. Чхаидзе (1939) выявили следующие положения:
В случае удара рукой или ногой' конечность представляет собой ударный рычаг. У длинного рычага окружная скорость рабочей точки больше, чем у короткого. При большем размахе ударного ДВИЖЕНИЯ путь приложения ускоряющих усилий больше, что позволяет развить к концу движения более высокую скорость.
Увеличение радиуса вращения ударяющего звена играет существенную роль в силе удара. Так, например, в боксе, карате си-ла удара правой рукой увеличивается вдвое, если ось вращения проходит вблизи левого плечевого сустава, по сравнению с ударами, при которых ось вращения совпадает с центральной продольной осью тела. Во время удара, поскольку оно чрезвычайно кратко исправить допущенные ошибки уже не представляется возможным. В этой, связи точность ударов в основном обеспечивается правильными действиями в замахе и ударном движении. Исследования показали, что точность ударов (при трудовых действиях) связана со скоростью ударного действия. При этом медленные удары менее точные, чем удары, наносимые с высокой скоростью. Эти выводы представляют практические интерес для спорта. Однако при значительном увеличении скорости точность падает. Роль подготовительных действий при ударах в футболе были исследована Г.А. Смирновым, показавшим, что место постановки опорной ноги определяет у начинающих игроков целевую точность примерно на 60-80 %. Тактика спортивных игр и единоборств (бокс) требует неожиданных, «скрытых» ударов. Решение этой задачи осуществляется выполнением ударов без подготовки, без замаха, после обманных движений (финтов). Биомеханические характеристики таких ударов количественно ниже, т.к. в этих случаях удары осуществляются за счет дистальных сегментов, обладающих меньшими силовыми возможностями. |