Биомеханика конспект лекций донской. Лекция. Биомеханика двигательных действий как систем целенаправленных движений
 Скачать 0.93 Mb.
|
ЛЕКЦИЯ. ПЕРЕМЕЩАЮЩИЕ ДВИЖЕНИЯПлан лекции Введение
Литература
Сулиев Л.Г. Метание копья. ФиС, 1961.
ВведениеПеремещающие движения служат для перемещения внешних физических тел (снаряд, противник, партнер), с требуемой скоростью в необходимом направлении. В большой группе видов спорта (спортигры, тяжелая атлетика, метания, борьба, акробатика, и др.) перемещающие движения являются основными или решающими для достижения высокого спортивно-го результата. Различная форма, масса перемещаемых тел, а также разнообразие двигательных задач - определяют различия перемещающих движений. По способу выполнения, их можно разделить на: а) движения с разгоном перемещаемых объектов (метания, броски в борьбе, броски мяча в спортивных играх), Б) движения с ударными взаимодействиями (удары по мячу, бокс, удары по шайбе и т.д.). В контакте с внешним телом при перемещении его обычно находится небольшое число звеньев тела спортсмена (стопа футболиста бьющего по мячу, кисть штангиста удерживающая штангу и т.д.). Однако в решении двигательной задачи принемают участие многие звенья биокинематических цепей, происходит "суммирование" движений. Биокинематические цепи обеспечивают траектории движения рабочей точки и создают условия для работы мышц по созданию ускоряющих усилий. Следует отметить, что во многих спортивных движениях скорость полета перемещаемого тела не всегда должна быть максимальной, часто направление скорости и ее оптимальная величина имеет решающее значение для точности выполнения движения (бросок мяча в корзину, передача мяча партнеру). Перемещающие движения могут носить локальное, местное значение. В таком случае они выполняются с использованием ограниченного числа звеньев. Локальные движения применяются либо когда не нужна большая ускоряющая сила, либо в отдельных: задачах (игры) для маскировки двигательного действия. Если нужно достигнуть максимально возможной начальной скорости, вылета перемещаемого снаряда, например, в легкоатлетических метаниях, система движений должна отличаться тонкой согласованностью. В наращивание скорости включается большое количество звеньев те-ла. В глобальных (общих) перемещающих движениях вначале более крупные и медленные группы мышц развивают большие усилия, приложенные к более инертным звеньям; далее включаются в работу более быстрые, но менее сильные мышцы, успевающие придать ускорение менее инертным звеньям, уже имеющим большую скорость. Биомеханические основы метаний .
Исходя, из законов баллистики дальность полета снаряда (L) зависит от трех факторов:
где V; - начальная скорость вылета снаряда (скорость в момент вы-пуска снаряда). Она направлена по касательной к траектории снаряда. В полете скорость снаряда непрерывно изменяется - сначала уменьшается, а затем увеличивается; а- угол вылета снаряда (в градусах) определяется углом между вектором скорости и линией горизонта. В ходе полета этот угол изменяется от положительных величин до отрицательных; q- ускорение свободного падения (силы тяжести) Однако для расчетов дальности в спортивных метаниях формула (I) не может быть использована в таком виде по ряду причин (В.Н. Тутевич, 1969), Во - первых, она не учитывает высоту (Н) , на которой снаряд покидает руку спортсмена. Пренебречь этой величиной нельзя, т.к. она соизмерима (особенно при толкании ядра) с дальностью полета снаряда. Во-вторых, она не учитывает влияния атмосферной среды. В баллистике при скоростях меньше 50м/сек. сопротивлением воздуха рекомендуется пренебрегать. Однако исследования (Л.Г. Сулиева, 1961; Ф. Хелд, 1960; В.Н. Тутевич, 1969 и др.). аэродинамических свойств легкоатлетических снарядов показало, что влияние внешней среды на полет этих снарядов существенно, несмотря на то, что скорость их вылета колеблется примерно от 10 до 35 м/сек. Этот факт объясняется тем, что артиллерийские снаряды, ракеты обладают обтекаемыми профилями, коэффициент сопротивления которых в десятки раз меньше, чем у таких спортивных снарядов как ядро или молот. Продувка копий и дисков в аэродинамической трубе показала, что при полете этих снарядов, кроме любового сопротивления, возникает подъемная сила, увеличивающая время полета и тем самым способствующая повышению результативности бросков. В - третьих из за ограниченности силовых возможностей спортсмена вес снаряда (например ядра) оказывается соизмеримым с силой воздействия спортсмена на снаряд, что изменяет оптимальный угол вылета снаряда. В баллистике же сила действия на снаряд значительно больше его веса поэтому учетом его пренебрегают, чего нельзя делать при толкании ядра. В - четвертых из-за наличия скорости разбега, соизмеримой со скоростью сообщаемой в период броска, но направленной к ней под другим углом. Пятое - в выражения (I) не учитываются биомеханические условия работы мышц метателя, которые обеспечиваются лучше при некотором уменьшении угла вылета, а следовательно, и угла приложения сил. Объясняется это анатомическим строением мышц наиболее важной для проведения броска - большой грудной (направление равнодействующей всех волокон ее меньше теоретически выгодного угла 45°) (Л.Г.Суляев, 1961). Резюмируя сказанное, мы можем отметить, что основная формула баллистики справедлива для метаний, выполняемых спортсменом, но при учете ряда механических и биомеханических особенностей связанных с конструкцией снарядов, условиями разгона и полета снаряда и использованием свойств тела человека как биомеханической системы. Рассмотрим несколько подробнее эти факторы. Скорость в перемещаемых движениях (метания). Скорость вылета перемещаемого снаряда является результатом сложения скоростей в стартовом и финальном разгонах. Однако сложение это не простое. В конечном итоге оказывается, что во всех метаниях, скорость стартового разгона, во-первых увеличивает общую скорость вылета снаряда, во-вторых, изменяет ее направление и, в третьих, приводит к уменьшению скорости, сообщаемой снаряду в финальном разгоне (кроме метания копья). Основная причина потери скорости заключается в полном использовании силы наиболее мощных мышц в финальном разгоне, в неизбежном укорочении пути воздействия силы метателя на снаряд в финальном разгоне (В.Н.. Тутевич, 1969). Например: Скорость ядра V= 13м/сек. обеспечивает дальность толчка около 19,2 м. Финальная скорость V = 11,15м/сек. позволяет ядру пролететь 14,65 м. Однако в толчке с места, толкатель такого класса достигает Vo = 12м/сек. и результата около 17 м. После скачка у толкателя Vc= 1,95 м/сек. И если бы спортсмен после скачка мог сообщить в финальном разгоне скорость 12 м/сек, то ядро обладая суммарной скоростью вылета около 14 м/ сек. приземлилось бы на 22 метровой черте. Аналогичные данные и в других видах метаний (диск, молот). Исключение представляет лишь метание копья. Исследования, проведеные В.Н. Тутевич (1969) , показали, что в метании копья потери скорости в финальном разгоне не происходит и финальная часть, выполняется после разбега более эффективно, чем в бросках с места. Так Я.Лусис с места показывал результат 58,5 м (скорость 22,5 м/сек) в броске с разбега со скоростью 7 м/сек результат его был 83,3 м скорость 31,6 м/сек). Мы видим, что скорость стартового и финального разгона, только сложилась, но и возникла дополнительная прибавка. Еще больше способствовал разбег увеличению скорости финального разгона у М.Паамы, который в бросках с места не достигал 50 м, а с разбега метал дальше 80 м. Этот парадокс существенно выделяющий метание копья из других видов метаний, не означает, что В метании копья отсутствуют потери скорости в финале скорости старта. Имеется ряд факторов, которые существенно выделяют его из других видов метаний, позволяя восполнить потери скорости за счет указанных причин, но и увеличить прирост скорости в финале после разгона по сравнению с броском без разбега. К этим факторам относится следующие:
Еще Д.К. Догерти (1958) описывая механизм эффективного использования скорости разбега при метании копья проводил аналогию с ударом кнута. Отмечая, что скорость его конца пропорциональна не только скорости движения рукоятки вперед, но также и внезапности, с которой это движение останавливается и даже пере-водится в обратную сторону. Экспериментально суть "хлестообразного" движения показал Е.П.Матвеев (1967,1970). Отмечая, что начальная скорость вылета копья (30-35 м/сек) в 1,8-2 раза больше скорости, которая может быть получена расчетным путем как сумма максимальных скоростей одиночных движений в плечевом, локтевом и лучезапястном суставах. Этот феномен объясняется "хлестообразностью' выполнения движения. Смысл его заключается в следующем: в начале броска те-лу и руке, как многозвенным, рычажным системам, сообщается некоторое количество движения (K=mv), дальше происходит последовательное торможение в суставах снизу вверх, начиная с тазобедренного. Так как общее количество движения в системе должно остаться неизменным, а движущаяся масса уменьшается, то происходит значительное увеличение скорости дистальных сегментов руки. А так как масса туловища и проксимальных сегментов руки намного превышает массу дистальных звеньев, это перераспределение скорости весьма значительно. Установлено, что характеристики "хлёста" проявляются более отчетливо с ростом квалификации метателей копья. Необходимо отметить, что описанный механизм "хлёста" в значительной степени проявляется и в других видах метаний (метание диска, толкание ядра). Однако этот механизм при метании более тяжелых снарядов, чем копье не в состоянии компенсировать потерь скорости, зависящей от других, ранее перечисленных факторов.
Ещё И.М.Сеченовым было замечено, что высокая скорость движения достигается тогда, когда мышцы, посредством которых оно выполняется, сокращаются, находясь перед этим в сильно растянутом состоянии. Это явление получило в дальнейшем название баллистической работы. По мнению специалистов чрезвычайно важно растянуть мышцу и использовать ее упругие элементы, что является решающим условием достижения высокой скорости движения. Растягивать мышцу должна сила внешняя для данного сочления. Например, сила инерции звена возникающая в результате движений в других сочлениях или последовательного ускорения и торможения звеньев тела в предыдущих фазах движения. Усилия мышц при баллистической роботе в кратчайшее время нарастают до своего максимума. Напряжение, возникающее при упругой деформации, тормозит растягивание мышц. Когда мышца значительно растянута, даже небольшое дополнительное увеличение длины вследствие высоконелинейной упругости приводит к тому, что напряжение мышцы резко нарастает. Большое напряжение мышцы вызывает соответствующее ускорение звеньев. Движения метателей направлены на предварительный разгон системы метатель-снаряд и приведение звеньев тела во взаимное положение, обеспечивающее наиболее выгодную динамическую позу для выполнения финального разгона с тем, чтобы развить наибольшее напряжение мышц, обеспечить ускорение тела. В легкоатлетических метаниях время воздействия на снаряд увеличивается за счет последовательного включения движений в суставах. При решении задачи достижения максимальной начальной скорости вылета снаряда в системе движений метателя проявляется тонкая согласованность (координация движений). При этом в начале крупные и относительно медленные группы мышц развивают значительные усилия, приложенные к наиболее инертным (массивным) звеньям тела, далее включаются в работу быстрые, но менее сильные группы мышц, успевающие дополнительно придать ускорение менее инертным звеньям. Во всех видах метаний условно различают предварительный разгон снаряда и финальный разгон. В предварительной части разбега решается задача наращивания скорости всей системы метателъ- снаряд. В толкании ядра это, так называемый, «скачок», выполняемый в виде скользящего шага левой и быстрой подстановки правой ноги, в метании диска это поворот, в метаний молота это несколько поворотов (3-4), в метании копья задача разгона решается в разбеге. Кроме этой задачи в предварительной части осуществляется "обгон снаряда", проявляющийся в ускорении нижних звеньев тела относительно верхних и руки со снарядом. Эти движения позволяют спортсмену занять перед началом финального разгона наиболее выгодную динамическую позу, дающую возможность использовать баллистические свойства мышц и увеличить путь разгона спортивного снаряда. В заключительной части метания - финальном разгоне за короткое время на ограниченном пути сообщается дополнительное ускорение спортивному снаряду и к моменту вылета развивается максимальная скорость. Величина скорости один из решающих факторов, определяющих дальность полета снаряда.
Рассматривая факторы, определяющие дальность полета спортивных снарядов и его точность необходимо подробнее остановиться на аэродинамических свойствах спортивных снарядов. В таких видах метаний как метание копья, метание диска поведение снаряда в полете существенно влияет на результативность. Наилучшими аэродинамическими качествами обладает диск, имеющий чечевицеобразную форму, напоминающую форму крыла. Устойчивость в полете обеспечивается вращением снаряда вокруг своей оси наподобие волчка. Из теории гироскопов известно, что если толкнуть вращающийся на своем кончике волчок, то он не упадет, а начнет вращаться вокруг наклонной оси, которая сама будет двигаться по конусу (конус прецессии). Тот же эффект наблюдается и при полете снаряда, которому для устойчивости в полете придается значительная собственная угловая скорость. Расчеты В.Н.Тутевича (1969) показали, что для устойчивого полета диск должен обладать скоростью не менее 2 оборотов в секунду. В действительности же, как показали материалы киносъемки, диск в полёте делает 5-8 оборотов в секунду и зависит от скорости метания. Кроме стабилизации снаряда в полете быстрое вращение вызывает искривление траектории полета (так называемый эффект Магнуса). Если мяч вращается, то скорость воздушного потока на разных его сторонах будет разной. При вращении мяч увлекает прилегающие слои воздуха, которые начинают вокруг него циркулировать. В тех местах, где скорости поступательного и вращательного движения складываются, скорость воздушного потока становится больше, а с другой стороны мяча эти скорости вычитаются и результирующая становится меньше. По этой причине и давление с разных сторон будет разным; больше с той стороны, где скорость потока будет меньше. Благодаря эффекту Магуса возможно с углового удара послать мяч в ворота, Влияние вращения мяча тем выше на траекторию полета, чем больше поступательная скорость. Так, например, теннисные мячи при квалифицированных ударах вращаются со скоростью 100 об/сек. Если направление вращения мяча совпадает с направлением полета такой мяч называется крученым, если не совпадает резанным. Воздушный поток обтекая снаряд (например, диск) создает аэродинамическую силу, которую при анализе раскладывают на две составляющие с и.л а лобового с о п р о т и в л е н и я (0), направленная против скорости движения тела. Эта составляющая аэродинамической силы уменьшает скорость движения тела и подъемную силу, перпендикулярную направлению скорости движения тела (V). Сила лобового сопротивления существу-ет всегда, а для возникновения подъемной силы необходимы условия. Если поток воздуха ДВИЖЕТСЯ вдоль диска, то он обтекает диск симметрично и скорость его над диском и под ним будет одинакова. В этом случае подъемной силы создаваться не будет. Будет лишь си-ла лобового сопротивления. С таким положением снаряда мы сталкиваемся при выпуске снаряда из руки спортсмена, в дальнейшем же направление плоскости диска (его ребра) не совпадает с направлением вектора его скорости. Поток воздуха обтекает диск так, что по закону Бернулли: давление над диском меньше чем снизу. Но воздух не только поднимает диск, но и тормозит его скорость движения, создавая лобовое сопротивление, направленное против скорости движения. Таким образом, если ребро диска направлено точно против ветра, то подъемная сила отсутствует, если же между направлением ребра и потоком воздуха имеется угол L , то возникает подъемная сила. Угол L , называемый углом атаки изменяет свою величину. При увеличении угла атаки увеличивается что момент очень сильно зависит (квадратичная зависимость) от скорости вылета копья. Чем выше скорость, тем сильнее пикирующий момент. Чтобы это пикирование не было преждевременным и не нарушался планирующий полет копье выпускается с различными расстояниями между ЦТ, регулируемыми за счет перераспределения массы копья и изменения формы (копья рассчитанные на дальние броски имеют тонкую хвостовую часть, за счет этого ЦТ смещается вперед, расстояние от ЦТ до ЦД уменьшается). Копья, рассчитанные на полет 70-90 м имеют это расстояние 1-2 см. Поэтому копьеметатели, например, второго разряда, начинающие метать копья, рассчитанные на полет 80 м (Хелд-80) терпят неудачу. Из-за малой величины начальной скорости пикирующий момент оказывается настолько незначительном, что копье приземляется либо хвостом, либо плашмя и бросок согласно правилам соревнований засчитан не будет. Бросок мастера при использовании копья предназначенного метателям низших разрядов будет неудачен, так как копье приземлится преждевременно из-за сильного пикирования. Точность в перемещающих движенияхЭффективность метаний и ударов в значительной мере зависит от точности движений, направленных на разгон спортивного снаряда. В широком смысле под точностью движения понимают степень его близости требованиям двигательного задания. В баллистических же движениях говоря о точности, мы будем иметь ввиду точность движения рабочего звена, тела или управляемого этим звеном снаряда (клюшки, рапиры, мяча). Различают два вида заданий на точность. В первом требуется обеспечить точность по всей траектории движения (например, обязательные фигуры на коньках, где след конька должен описать идеальную геометрическую фигуру. Подобные задачи называются задачами слежения. Во в т о р о м виде заданий необходимо лишь попасть в намеченную цель не заботясь о траектории рабочей точки тела или снаряда (броски в кольцо, удары по воротам и т.д.). Эти двигательные задачи называют задачами попадания, а точность целевой точностью. Целевая точность оценивается величиной отклонения от цепи. Например, стоит задача бросить копье (гранату) на определенное расстояние и ошибки могут выражаться в перелете и недолете, то при большом числе бросков снаряд будет приземляться в различные точки. При этом средняя точка по-падания будет иметь отклонения от цепи. Это отклонение называется систематической ошибкой попадания. Кроме того, места приземления снаряда будут как-то рассеяны относительно средней точки попадания. В соответствии с законами баллистики рассеивание будет носить нормальное распределение. Нормальное распределение характеризуется средней величиной и стандартным (средне квадратическим) отклонением. Стандартное отклонение указывает величину случайной ошибки попадания. Величина, обратная стандартному отклонению, называется кучностью. Систематическая ошибка и кучность характеризуют целевую точность. Если систематическая ошибка равна нулю, т.е. наблюдается попадание в цель мишени, целевая точность характеризуется только кучностью. Когда при оценке точности имеют отклонения от центра мишени не только вперед назад, но и вправо влево (в пулевой стрельбе, при ударах по воротам), то различают вертикальную и горизонтальную точность. Для оценки определяется систематическая и случайная ошибка, т.о. всего четыре показателя. Иногда удобно оценивать точность по числу удачных попыток - попаданий в цель. Если систематическая ошибка известна (в частности если она равна нулю), то, пользуясь статистическими таблицами нормального распределения по проценту попаданий легко вычислить величину стандартной ошибки. Точность попадания в цель строго зависит от сочетания угла места, азимута и скорости вылета. Изменение одной из этих характеристик при постоянном значении других приводит к промаху. Высокая точность попадания в цель обеспечивается в первую очередь правильным сочетанием угла и скорости вылета ударного предмета. Существенную роль для достижения высокой точности играет техника выполнения движений. Особенно важна организация движений таким образом, чтобы имелась возможность исправления ошибок, допущенных по ходу попытки. Такая коррекция осуществляемая еще до того как становится ясен итоговый результат называется предварительной или прелиминарной коррекцией. Так, например, в игровых видах, где требуется осуществляв броски с высокой точностью (например, в баскетболе), предварительная скорость вылета мяча задается движением ног, руки же увеличивая ее, осуществляют тонкие корректирующие добавки. Особенно сложно добиться точности в ударных движениях. Так, в футбольном ударе достаточно ошибиться в точке приложения всего на один см и мяч отклонится от цели почти на 2 м. Поэтому более точны те удары, которые выполняется при относительно большой площади соприкосновения с мячом. Удар внутренней стороной стопы более точен. Удар новичка носком по точности оставляет желать лучшего. Наиболее трудно добиться необходимой точности при ударах по движущемуся мячу (в одно касание). Сложность здесь объясняется следующим. Мячь ударяясь о плоскость, отскакивает от нее примерно под тем же углом. И если подставить ракетку вертикально на разных участках траектории мяча, то он отразится по разному. Для того, чтобы послать мяч в нужном направлении, не ударяя по нему, нужно подставить плоскость ракетки или ноги перпендикулярно к линии делящей угол между направлениями полена мяча до и после отскока примерно пополам. Нанося ударное действие, спортсмен к первоначальной скорости мяча добавляет скорость, возникающую в результате удара. Они складываются геометрически, и мяч после удара движется не по направлению действия силы удара и попадает в цель лишь в том случае, если направление и сила удара будут строго соответствовать первоначальному направлению и скорости летящего мяча.
|