Дубровский В.И., Федорова В.Н. Биомеханика. Учебник для вузов
 Скачать 6.47 Mb.
|
|
Рис. 15.24. Зависимость между длиной шага и горизонтальной скоростью бега (М. Saito et al, 1974; C.W. Buchanan, 1971; R.G. Osterhoudt, 1968) Наблюдения показывают, что при одной и той же скорости лучшие бегуны имеют более низкую частоту шагов. Вертикальные движения центра тяжести (ЦТ) (Д). Центр тяжести (ЦТ) тела при беге движется по волнообразной колебательной кривой (M.G. Beck, 1966; F.C. Clause, 1959 и др.).С увеличением скорости бега величина подъема тела, или вертикальное перемещение ЦТ, становится меньше, тогда как горизонтальное перемещение увеличивается. ЦТ движется вверх, пока нога выпрямляется в фазе опоры, и достигает максимальной высоты в момент отрыва от земли непосредственно после нее. Затем ЦТ движется вниз и вперед, достигая низшей точки непосредственно после касания земли опорной ноги (см. рис. 15.23, a). W.O. Fenn (1930) нашел, что общий подъем ЦТ у взрослых спринтеров-мужчин за время опоры равен примерно 6 см.  Рис. 15.25. Зависимость между частотой шагов и скоростью бега (М. Saito etal, 1974; C.W. Buchanan, 1971; R.G. Osterhoudt, 1968) Положение туловища (Е). Наклон корпуса способствует более сильному проталкиванию вперед, вот почему спринтеры стартуют с колодок и низкого старта (рис. 15.26). Наклон туловища у ряда выдающихся спринтеров по данным R. Wickstzom (1970) лежал в пределах 12—20° с тенденцией уменьшения (см. рис. 8.8, 8.9). М. Gagnon (1969) определил, что лучшее время на первых 2,3 и 5,5 метра от стартовой линии достигалось в том случае, когда соответствующие расстояния были предельно малыми. Расположение центра тяжести в стартовой позиции возможно ближе к стартовой линии оказалось фактором, наиболее тесно связанным со временем, требующимся на преодоление первых 5,5 м. R.A. Desrochers (1963), М. Gagnon (1969) обнаружили, что различия в расположении колодок влияют на длину и длительность первого шага, но не последующих.  Рис. 15.26. Низкий старт Р. Хейеса Кинематические факторы бега. Факторы, влияющие на скорость бега, разнообразны. Так, при беге на короткие дистанции важным является стартовое ускорение и поддерживание максимальной скорости до конца бега. А при беге на длинные дистанции спортсмен должен бежать со скоростью, которая обеспечит ему возможность сохранить достаточно энергии, чтобы закончить дистанцию. При беге с определенной скоростью спортсмен выбирает определенную длину и скорость одиночных шагов, так что комбинация этих двух величин создает (определяет) желаемую скорость. Например, если длина шага спортсмена 2 метра и частота шагов 3 шага в секунду, его средняя скорость за один шаг будет 6м/с. В табл. 15.1 приведены качественная оценка и спортивные достижения для ряда скоростей бега человека. Таблица 15.1 Оценка скорости бега
* Вычисление основано на том, что вся дистанция преодолевается при постоянной скорости. Антропометрические показатели и длина шагов. Длина ног существенно влияет на величину одиночного шага. В табл. 15.2 приведены данные зависимости между длиной тела и ног, с одной стороны, и длиной одиночного шага — с другой. Таблица 15.2 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. Возрастная биомеханика. Возрастные локомоции. У новорожденных двигательный аппарат имеет определенную степень зрелости, что позволяет выполнять целый ряд простейших движений (рис. 15.27). В первые недели жизни у ребенка появляются условные рефлексы, которые отличаются крайней непрочностью, слабостью, и приобретают относительное постоянство лишь к 3—4 месяцам. Нарастание тонуса затылочных мышц позволяет двухмесячному ребенку, положенному на живот, поднимать голову. К 2,5—3 месяцам начинается развитие движений рук в направлении к видимому предмету (игрушке), а к 5—6 месяцам ребенок точно протягивает руку к предмету, с какой бы стороны он ни находился. В 4 месяца развиваются движения перевертывания со спины на бок, а в 5 месяцев — на живот и с живота на спину. В возрасте 4—6 месяцев ребенок ползает, в положении на животе поднимает голову и верхнюю часть туловища. В 6—7 месяцев начинает вставать на четвереньки. С развитием мышц туловища и таза ребенок в возрасте 6—8 месяцев начинает сидеть и делает попытки вставать, стоять и опускаться, придерживаясь руками за опору. В период подготовки к ходьбе анатомо-физиологические особенности ребенка затрудняют процесс овладения равновесием: мышечная система нижних конечностей еще слаба, ножки короткие и полусогнуты; общий центр тяжести (ОЦТ) располагается более высоко, чем у взрослого человека; стопы также меньше, чем у взрослого. Поэтому в период обучения ходьбе очень важно помочь ребенку в поддержании равновесия. К концу первого года ребенок свободно стоит и, как правило, начинает самостоятельно ходить. Началом самостоятельной ходьбы можно считать тот день, когда ребенок впервые пройдет несколько шагов. Но в этот период устойчивость его при ходьбе и прямостоянии незначительна. Равновесие ему удается сохранять, балансируя руками, разведенными в стороны и широко расставленными ногами. К 3—4 годам совершенствуется координация движений, что позволяет ребенку при ходьбе и стоя сохранять равновесие, не прибегая к помощи рук.  Рис. 15.27. Последовательность овладения основными движениями у детей (по Сейдж) В возрасте 4—5 лет ребенку доступны разнообразные и сложные по координации движения: бег, прыжки, гимнастические и акробатические упражнения, катание на коньках и т. д. В этом возрасте ребенок осваивает и более точные движения, связанные с развитием мелких мышц кисти, предплечья и т. д. К 6—7 годам заметно увеличивается сила мышц разгибателей туловища, бедра и голени. Важнейшим в формировании двигательных факторов является ходьба, игры, бег и сочетание ходьбы с бегом, прыжками. В возрасте 5—8 лет заметно увеличивается точность и меткость движений (метание мяча и других предметов). В период от 8 до 11—12 лет продолжается дальнейшее совершенствование двигательных навыков, особенно в беге, ходьбе, прыжках, метании, гимнастических и акробатических упражнениях. Вместе с тем у школьников по сравнению с дошкольниками, увеличивается время вынужденной неподвижности (гиподинамия). На этом этапе важной является роль активных движений как фактора здоровья (бег, игры, ходьба на лыжах, плавание и другие виды локомоций). Показано, что у дошкольников и младших школьников при увеличении возраста и скорости бега в фазе отталкивания увеличивается скорость выпрямления опорной ноги, а при более высокой скорости характерны также большой угол разгибания в коленном суставе и большее продвижение тела вперед от опорной ноги в момент отрыва ее от земли. С возрастом, особенно у лиц преклонного возраста, эти показатели значительно меняются. Центр тяжести (ЦТ) при беге движется по волнообразной колеблющейся кривой. С увеличением возраста величина подъема тела или вертикальное перемещение ЦТ, становится меньше, тогда как горизонтальное перемещение увеличивается. Отмечены также возрастные изменения временной структуры шага; в частности, до 30 лет время опоры немного и постепенно увеличиваются, а затем остается приблизительно постоянным (K.U. Smith et al., 1960; K.U. Smit., D. Greene, 1962). У пожилых людей, занимающихся бегом, полного разгибания в тазобедренном и коленном суставах до завершения отталкивания не происходит. Кроме того, маховая нога выносится вперед незначительно, бегун держит ее вблизи опорной ноги.  Рис. 15.28. Скорость общих энерготрат (ординат) человека при ходьбе и беге в зависимости от скорости движения (абсцисса) (no R. Passmore, J.V. Durnin, 1955; Е.М. Roth, 1966) 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. В табл. 15,3 показаны энерготраты при ходьбе и беге. Таблица 15.3 Энерготраты при ходьбе и беге
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. Биомеханика различных видов спорта Гребля При гребле весла совершают рабочие движения (гребок), направленные назад, относительно лодки, и возвратные движения (замах), направленные вперед. На рис. 15.29 представлена гребная лодка, скорость движения которой Умы будем считать постоянной, хотя реальная лодка двигалась бы во время рабочего хода весел ускоренно, а во время возвратного хода замедленно. На нее действует лобовое сопротивление D. Лопасти весел движутся вперед и назад со скоростью U относительно лодки, так что относительно воды они имеют скорость (U — V), направленную назад во время рабочего движения и скорость (U + V), направленную вперед  Рис. 15.29. Механика гребли (по Р. Александер, 1970) во время возвратного движения. В первом случае лопасти испытывают лобовое сопротивление d, а во втором — d'. Мощность, необходимая для того чтобы лодка преодолевала сопротивление воды, равна DV. Во время рабочего движения весел на преодоление их лобового сопротивления расходуется мощность 2d(U—V) так что общая мощность составляет 2d(U — V) + DV. Во время возвратного движения вместо 2d'(U — V) мы будем иметь 2d'(U + V) и общая мощность будет равна 2d'(U + V) + DV. Средняя затрата мощности составляет d(U — V) + d'(U + V) + DV, а КПД равен  Во время рабочего движения на весла действует сила 2d, направленная вперед, а при возвратном движении — сила 2d', направленная назад, так что средняя сила равна (d — d') и направлена вперед. Эта сила должна уравновешивать лобовое сопротивление лодки, т. е. D = (d-d').После того, как мы подставили (d — d') вместо D наше выражение для КПД примет вид  Первый множитель в этом выражении зависит от относительных размеров и коэффициентов сопротивления лодки и весел, и его можно сравнить с теоретическим КПД винта. На самом деле КПД будет меньше величины приведенного выражения, так как мы не учитывали некоторых потерь энергии. Например, лопасти весел движутся не по прямой, а по дуге круга и следовало бы учесть работу, затрачиваемую на отталкивание воды в сторону.Для того чтобы КПД был высоким, скорость движения весел не должна быть намного больше скорости движения лодки. Форма весла должна обеспечивать большое лобовое сопротивление при малой скорости. Быстрые гребные лодки имеют обтекаемую форму, но весла у них с широкой, плоской лопастью, которую держат перпендикулярно траектории ее движения в воде, чтобы сделать возможно большим лобовое сопротивление. Величина d' должна быть малой. Для возвратного движения гребцы поднимают весла над водой, так как сопротивление воздуха гораздо меньше, чем при той же скорости в воде. Чтобы еще больше снизить d', лопасти весел поворачивают в горизонтальное положение. 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.  |