Уткин В. Л. - Биомеханика физических упражнений

Задание для самоконтроля знаний

Пройдите по комнате своей обычной походкой. А затем измените походку следующим образом: активно выполняйте подгребающее и отталкивающее движения опорной ногой и в то же время поворачивайте таз так, как показано на рис. 79. Вы заметите, что стук каблука об опору стал значительно меньше — походка сделалась мягче.

Почему так получилось? Как это отразилось на скорости и экономичности ходьбы?

Наряду с оптимальной скоростью, о которой уже рассказывалось, имеет важное значение зона экономичных режимов передвижения (рис. 80). Зоной экономических режимов называется диапазон скоростей от оптимальной (наиболее экономичной) до пороговой, соответствующей уровню анаэробного порога'. Уменьшение скорости бега и ходьбы по сравнению с оптимальной нерационально, так как приводит к возрастанию энергетической стоимости метра пути. Бег со скоростью выше пороговой вызывает накопление в организме молочной кислоты и других продуктов метаболизма, а это приводит к сильному утомлению.

Передвижение с наиболее экономичной скоростью используется в качестве поддерживающей физической на-

1 Анаэробный порог — это интенсивность физической нагрузки, начиная с которой из-за значительного усиления анаэробного метаболизма происходит накопление лактата в крови. Подробное объяснение этого феномена в курсе биохимии.

Рис. 79. Движения таза при ходьбе: а — увеличение длины шага за счет поворота таза (по Д. А. Семенову, цит. по Д. Д. Донскому, 1960г.)

/,ff 2.0 1,0 Ц.О 5.0 6.0 Скорость, м/с

Рис. 80. Границы зоны экономических режимов при ходьбе, беге и передвижении на лыжах (пунктир):

о — оптимальная (наиболее экономичная) скорость; А — анаэробный порог: / — мальчики 5—7 лет; 2 — мальчики 11 — 12 лет; 3 — мужчины 55—65 лет; 4 — юноши 15—

17 лет; 5 — женщины 20—22 лет; 6'— мужчины 20—25 лет; 7 — мальчики 5—7 лет; в —женщины 20—22 лет; 9 — мальчики 11 — 12 лет; 10 — нетренированные мужчины 20— 22 лет; // — тренированные девушки 15— 16 лет; 12 — тренированные юноши 15— 16 лет; 13 — тренированные мужчины 21—24 лет; 14 — тренированные девушки 15—17 лет; 15 — тренированные юноши 15—17 лет; 16 — тренированные мужчины 18—26 лет; 17 — пысокотренированные мужчины 19—24 лет;

18 — мужчины 45—60 лет после инфаркта миокарда грузки, для больных и ослабленных такая нагрузка является развивающей. Пороговая интенсивность бега в спорте считается оптимальной при формировании основ выносливости.

Контрольные вопросы

1. Каковы различия в кинематике ходьбы и бега?

2. Каков механизм отталкивания при ходьбе и беге? Какова при этом роль маховых движений?

3. Какие внешние силы действуют на человека во время ходьбы и бега?

4. Что влияет на величину силы лобового сопротивления воздуха и как она зависит от скорости передвижения?

5. Каков характер изменения кинетической и потенциальной энергии при ходьбе и беге?

6. Какие разновидности рекуперации энергии имеют место при ходьбе и беге?

7. Что такое оптимальная скорость и оптимальное сочетание длины и частоты шагов?

Рис. 81. Кроссворд.

По горизонтали. 1. Наибольшее отклонение, размах. 2. Универсальное взаимодействие материальных тел. 3. Сегмент конечности человека. 4. Наименование фазы в цикле бега. 5. Раздел физики, сведения из которого используются в биомеханике. 6. Акт, осуществляемый благодаря сокращению мышц.

По вертикали. 1. Половина цикла ходьбы. 2. Звено ноги. 3. Общая часть названия трех биомеханических характеристик. 4. Линия, все точки которой соответствуют одной и той же скорости. 5. Вид циклических локомоций. 6. Двигательное действие при беге, в результате которого период опоры сменяется периодом полета. 7. Один из критериев оптимальности техники ходьбы и бега. 8. Раздел биомеханики, изучающий внешнюю картину движений.

8. Что такое зона экономичных режимов? Как ее определить и как использовать эти сведения при программировании двигательных режимов?

9. Каковы величины оптимальной скорости ходьбы у людей разного возраста?

10. Разгадайте кроссворд (рис. 81).

Глава 8. Биомеханика передвижения на лыжах и велосипеде

Предок человека стал человеком тогда, когда он вооружился орудием труда. Палка, камень, копье, лук со стрелой — все это удлиняло руку человека... и, смастерив вначале примитивные, а затем все более совершенные средства передвижения, человек «достроил» свои ноги... и начал расширять среду обитания.

И. М. Фейгенберг

Быстрее ветра!

Стремясь повысить скорость передвижения, «достраивая свои ноги», человек издавна использовал различные технические приспособления. Наиболее популярные и доступные из них — велосипед и лыжи.

Биомеханика передвижения на лыжах

Первые лыжи были «снегоступами», они позволяли сравнительно легко передвигаться по рыхлому глубокому снегу, где пройти пешком очень трудно. На таких лыжах не скользили, а ходили по снегу.

Много позднее появились лыжи, близкие к современному типу,— длинные и узкие. Сначала даже слишком длинные, так как полагали, что удлинение лыжи увеличивает скорость бега. В столице Норвегии, г. Осло, в лыжном музее выставлены лыжи длиной 3 м 76 см.

Современные лыжные гонки — это спорт выносливых, сильных, быстрых и смелых, где длина дистанции бывает

50 км и более, а скорость (на спусках) — до 60 км/ч.

Кинематика лыжных ходов

Используются различные способы передвижения (лыжные ходы), выбор которых зависит от рельефа местности,

Т а б л и ц я 12

Кинематическое описание попеременного двухшажного хода (по X. X. Гроссу, 1980 г.) условии скольжения, уровня подготовленности лыжника. Двигательные действия лыжника носят циклический характер. Цикл делится на временные интервалы — периоды, состоящие из отдельных фаз. Границей между соседними фазами считается момент, когда лыжник находится в строго определенном положении (граничной позе) и начинается выполнение задачи следующей фазы.

Лыжные ходы разделяют по способу отталкивания палками на попеременные и одновременные. По числу шагов в одном цикле выделяют двухшажный, четырехшажный и бесшажный ходы.

Попеременный двухшажный ход применяется на равнинных участках и отлогих склонах (до 2°), а при очень хорошем скольжении—и на подъемах средней крутизны (до 5°). Из таблицы 12 и рис. 82 ясен фазовый состав попеременного двухшажного хода и цели, к которым лыжник должен стремиться в каждой фазе.

Одновременный одношажный ход применяется на равнинных участках, на отлогих подъемах при хорошем скольжении, а также на уклонах при удовлетвори-

Период скольжения

Период стояния лыжи

Рис. 82. Фазовый состав и граничные позы при передвижении попеременным двухшажным ходом (по X. X. Гроссу, Д. Д. Донскому) тельном скольжении. В каждом цикле лыжник делает одно отталкивание одновременно двумя палками и одно отталкивание лыжей. В цикле хода выделяют шесть фаз (табл. 13).

Неодновременное выполнение отталкивания ногами и руками обусловливает меньшие перепады внутрицикловой скорости. Отталкивание палками обеспечивает ускорение общего центра масс тела во второй фазе и превышение скорости над среднедистанционной в последующей фазе.

В этом способе большее перемещение за цикл (около 7 м) сочетается с невысокой частотой шагов (около 0,75 1/с).

Одновременный двухшажный ход —это такой способ, когда одно отталкивание палками приходится на два отталкивания лыжами — левой и правой. Он экономичнее всех других лыжных ходов (кроме попеременного четырехшажного), но не обеспечивает высокой скорости, поэтому высококвалифицированные лыжники им не пользуются.

Одновременный бесшажный ход применяется па равнинных участках и пологих спусках при обычном

(....) и хорошем скольжении. Лыжник скользит на двух лыжах, не делая шагов и отталкиваясь одновременно обеими палками (рис. 83). Этот ход используется при скорости не более 7,5—8,0 м/с, так как при более высокой скорости лыжник не успевает отталкиваться палками.

Полный цикл одновременного бесшажного хода состоит из одновременного отталкивания двумя руками и последующего двухопорного скольжения на лыжах (см. рис. 83).

Попеременный четырехшажный ход в соревнованиях уже не используют из-за низкой скорости передвижения, но он успешно применяется в туристических походах, когда глубокий снег не позволяет активно отталкиваться палками. Цикл этого хода состоит из четырех скользящих шагов. На первые два шага лыжник поочередно выносит палки вперед, на третий и четвертый шаги делает два попеременных отталкивания палками.

Коньковые способы передвижения широко используются с 1981 г., когда финский лыжник Сиитонен, которому тогда было уже за 40, впервые применил его в соревнованиях (в гонке на 55 км) и выиграл. Лыжи оригинальной конструкции (пластиковые, с металлическими

Рис. 83. Хронограмма и фазовый состав одновременного бесшажного хода (по М. А. Аграновскому с соавт.)

Рис. 84. Горизонтальная составляющая силы действия при отталкивании ногой в разных ходах:

/ — попеременный двухшажный ход; 2 — полуконьковый ход (по В. Н. Манжосову) вставками и т. п.) и современные способы подготовки трассы позволяют реализовать преимущества этого хода в скорости, а при равной с классическими ходами скорости — в экономичности. В коньковых способах отталкивание осуществляется скользящей лыжей. При этом практически не играет роли коэффициент сцепления лыжи со снегом. Сила отталкивания уменьшена, а время отталкивания увеличено (около 50% от длительности шага). В результате увеличивается импульс силы, от которой зависит эффективность отталкивания ногой (рис. 84).

К числу наиболее распространенных вариантов конькового хода относятся: одновременный полуконьковый ход (на одно отталкивание руками приходится одно отталкивание ногой), коньковый одновременный двухшажный ход (в цикл хода включаются одновременное отталкивание палками и два шага), коньковый одновременный одношажный ход (одновременное отталкивание обеими руками на каждое отталкивание ногой), коньковый попеременный ход (на каждое отталкивание рукой следует отталкивание одноименной ногой). Схематическое изображение перечисленных способов передвижения представлено на рис. 85. При хороших условиях скольжения на равнине при передви--жении одновременным полуконьковым ходом длина шага у мужчин составляет 6,5—7,5 м, а у женщин — 5,5—6,7 м. В коньковом одновременном двухшажном ходе длина шага несколько больше — у мужчин 7—8 м. На подъемах кру-

Рис. 85. Схематическое изображение различных коньковых способов передвижения на лыжах (вид сверху):

А — полуконьковый одновременный ход; /> — коньковый одновременный двухшаж#ый ход; В — коньковый одновременный одношажный ход; Г — коньковый попеременный ход. Условные обозначения: пунктир — кривая перемещения общего центра масс; -> — направление движения (по А. В. Кондрашову) тизной 5° при передвижении коньковым попеременным ходом длина шага 4—5 м, а на подъеме 10° 2,7—3,2 м.

Преимущество конькового хода перед классическими по скорости достигает 15—20%. Крутизна подъема 8—9° при хороших условиях скольжения является граничной, когда возможности ходов уравниваются. На более крутых участках выигрышнее подъем скользящим и ступающим шагом, на более пологих — коньковый.

Динамика передвижения на лыжах

Передвигаясь по лыжне, лыжник отталкивается с помощью лыж и палок. При этом на лыжника действуют те же силы, что и на бегуна (см. рис. 74), и, кроме того, сила трения скольжения. Ее величина равна произведению коэффициента трения скольжения на нормальную (перпендикулярную к лыжне) составляющую силы давления лыжи на снег. Чем меньше коэффициент трения скольжения, тем длиннее шаг и выше скорость при тех же энергозатратах. Для уменьшения коэффициента трения используются лыжные мази. Выбор мази зависит от температуры и состояния лыжни. При правильном подборе мази (что до сих пор является своеобразным искусством) коэффициент трения удается снизить до 0,02—0,04. Силы действия лыжи и палки на снег увеличиваются по мере увеличения скорости и крутизны подъема. Кроме того, величина силы отталкивания зависит от квалификации лыжника (табл. 14).

Величина вертикальной составляющей силы отталкивания ногой колеблется в пределах 1100—1500 Н, а горизонтальной составляющей— 100—180 Н (рис. 86).

Таблица 14

Сила отталкивания рукой у лыжников различной квалификации при разной скорости передвижения попеременным двухшажным ходом

(по В. Н. Манжосову, В. П. Маркину. 1980 г.)

Квалификация

Величина силы отталкивания рукой, Н

Скорость, м/с

I разряд II разряд III разряд Новички

106—153 78—132 56—114 48—69

3,0—6,0 3,0—5,5 2,5—5,0 2,5—4,0

Номер кадра киносъемки

Рис. 86. Динамограммы отталкивания ногой и рукой при передвижении на лыжах попеременным двухшажным ходом:

/ — вертикальная составляющая силы отталкивания ногой; 2 — горизонтальная составляющая силы отталкивания ногой; 3 — вертикальная составляющая силы отталкивания рукой; 4 — горизонтальная составляющая силы отталкивания рукой; 5 — сила трения скольжения (по В. Н. Манжосову, В. П. Маркину; Komi — переработано)

Сила отталкивания ногой мало различается в классических ходах (одновременном и попеременном). В коньковых способах передвижения сила отталкивания ногой составляет: под носком ботинка — 600 Н, под каблуком — 380 Н (вертикальная составляющая), горизонтальная составляющая — около 200 Н.

Энергетика передвижения на лыжах

Энергетические затраты при передвижении у лыжника зависят от длины дистанции (табл. 15).

Исходя из продолжительности работы, гонки на лыжах относятся к зоне большой (5 и 10 км) и умеренной (15,

Таблица 15

Особенности энергообеспечения передвижения на лыжах на различных соревновательных дистанциях

Рис. 87. Результаты экспериментального определения оптимального сочетания длины и частоты шагов при беге на лыжах (по В. В. Тихонову)

Оптимальные режимы передвижения на лыжах

Под оптимальными режимами в лыжных гонках понимают оптимальный способ передвижения, оптимальную динамику (раскладку) дистанционной скорости и оптимальное сочетание длины и частоты шагов.

Всего 65 лет назад (в 1924 г.) всерьез обсуждался вопрос о том, как рациональнее преодолевать подъемы: на лыжах или с лыжами в руках. С тех пор сложились определенные представления о рациональных способах передвижения на спусках, равнинных участках трассы и подъемах, которые представлены в таблице 16.

Таблица 16

Рациональные (+) и нерациональные (—) способы передвижения на лыжах при разной крутизне трассы

Способ

Возраст, лет

Рис. 88. Возрастные изменения оптимальных (наиболее экономичных) величин скорости, длины и частоты шагов при передвижении на лыжах попеременным двухшажным ходом; вертикальные отрезки — доверительные интервалы, в которых лежит 95% всех случаев

(наклона туловища различают низкую, среднюю и высокую посадку. Чем ниже посадка, тем горизонтальнее расположено туловище и тем меньше мидель (т. е. наибольшая

1 сустав; — голени относительно коленного сустава.

1 Процесс вращения шатунов велосипеда называют педалированием. Педалирование есть результат трех одновременно совершаемых вращательных движений (рис. 89): — бедра вокруг оси, проходящей через тазобедренный

— стопы относительно голеностопного сустава. Эффективность двигательных действий велосипедиста зависит от посадки и техники педалирования. Посадкой называют позу гонщика на велосипеде. В зависимости от

Кинематика педалирования

1 движение которых обеспечивает продольное перемещение тела.

Велосипед — самое распространенное техническое средство передвижения на земном шаре. Проект первого велосипеда предложил в 1495 г. Леонардо да Винчи, нарисовавший этот двухколесный механизм почти со всеми современными подробностями. Но об этом рисунке мир узнал лишь в конце XIX в., почти столетие спустя после того, как в России крепостной Артамонов сконструировал и изготовил первый в мире велосипед. Езда на велосипеде — наиболее рациональный способ передвижения, поскольку благодаря седлу, поддерживающему и стабилизирующему тело, до минимума снижаются затраты энергии на перемещение тела в пространстве. Ведь активны только ноги велосипедиста, вращательное

Биомеханика езды на велосипеде длина шага уменьшаются, а оптимальный темп увеличивается.

При снижении физической работоспособности человека, а также при усложнении условий передвижения на лыжах (увеличении крутизны подъема, коэффициента трения скольжения и т. д.) оптимальная скорость и оптимальная вой (соответствующей анаэробному порогу) скорости (см. рис. 80), а также наиболее экономичные сочетания длины и частоты шагов (рис. 87, 88).

ную работу несколько десятков минут или даже несколько часов подряд. Поэтому для передвижения на лыжах найдены возрастные стандарты наиболее экономичной и пороге-

Рис. 89. Оси и направления вращения сегментов ног при педалировании на велосипеде (по Hay) величина площади сечения, перпендикулярного воздушному потоку). Следовательно, меньше и сила лобового сопротивления воздуха. Поэтому гонщики, как правило, применяют низкую посадку. Но при низких скоростях (например, при езде на велосипеде в оздоровительных целях) привычнее и удобнее средняя и высокая посадка.

При педалировании центры масс левой и правой ноги движутся по круговым траекториям, а вот общий центр масс двух ног практически не перемещается относительно велосипеда. Из этого следует, что при езде по горизонтальной поверхности вертикальные перемещения общего центра масс практически отсутствуют и, следовательно, работа, направленная на вертикальные перемещения тела, близка к нулю.

Характер изменения углов в коленном, тазобедренном и голеностопном суставах напоминает синусоиду, а минимальные и максимальные пределы величин суставных углов составляют соответственно 40—140°, 20—70° и 80—10Q0.

Динамика и энергетика педалирования

На рис. 90 показано, как сила, прикладываемая к педали велосипеда, раскладывается на две составляющие: А — нормальную (перпендикулярную к педали) и Б — касательную, или тангенциальную. Полезной, продвигающей вперед является лишь тангенциальная составляющая сил.

При педалировании целесообразно, чтобы и правая, и левая нога в каждый момент времени создавали положительный (продвигающий вперед) момент силы. Это неосуществимо при импульсном педалировании и возможно при круговом педалировании при наличии специальных приспособлений— туклипсов и велошипов. Туклипсы необходимы для подтягивания педали вверх, а шипы — для ее проводки, т. е. перемещения назад и вперед.

Совместное действие мышц в режиме, близком к изометрическому, позволяет хорошо подготовленному велосипедисту развить силу 2500—3500 Н, а при проводке и подтягивании — 800—1100 Н.

Вопрос

В какой ситуации велосипедист может продемонстрировать силу, близкую к максимальной изометрической силе?

При передвижении на велосипеде механическая энергия затрачивается на преодоление силы трения качения и силы сопротивления воздуха (внешняя работа) и на перемещение ног относительно ОЦМ (внутренняя работа). Внешняя работа зависит от скорости передвижения, посадки и экипировки велосипедиста и коэффициента трения качения. Трение качения зависит от типа дорожного покрытия и самих колес. Чем больше поперечное сечение и ниже

Рис. 90. Средние величины сил, прикладываемых к педали:

А — нормальная составляющая силы; Б — тангенциальная (по В. Н. Селуянову, Б. А. Яковлеву)

Рис. 91. Зависимость силы сопротивления воздуха от скорости передвижения на велосипеде и вида посадки. Условные обозначения: А — низкая (гоночная) посадка; Б — высокая посадка (по В. М. Зациорскому с соавт.) давление воздуха в шинах, тем больше трение качения и, следовательно, дополнительные затраты энергии. При езде по гладкой твердой поверхности на велосипеде со стандартными колесами, с давлением в них 7—8 атм стоимость метра пути вдвое меньше по сравнению с обычной ходьбой и втрое меньше, чем при беге. На очень гладких поверхностях затраты энергии уменьшаются наполовину, а на мощенных камнем дорогах, наоборот, возрастают вдвое.