MedBookAide - путеводитель в мире медицинской литературы
Разделы сайта
Поиск
Контакты
Консультации

Уткин В. Л. - Биомеханика физических упражнений

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
<<< НазадСодержаниеДальше >>>

Сила сопротивления воздуха пропорциональна квадрату скорости (рис. 91), а мощность, которую необходимо развить для ее преодоления, пропорциональна кубу скорости.

Вопрос для самоконтроля знаний

Почему здесь имеет место кубическая зависимость мощности от скорости?

Потери энергии на трение в системе передачи и осях хорошего велосипеда малы. Поэтому работа, затрачиваемая на преодоление сопротивления воздуха,— наиболее весомая фракция полной механической работы велосипедиста. Так, при скорости 5 м/с на преодоление сопротивления воздуха затрачивается около 50% всей развиваемой мощности, а при скорости 10 м/с уже 80%. Именно поэтому так важно снижать аэродинамическое сопротивление. Для этого поза и одежда велосипедиста должны быть наиболее обтекаемыми.

Плотно облегающая тело рубашка и специальный пластиковый шлем, например «шлем Мозера», напоминающий своими очертаниями нос реактивного самолета, позволяют на 3 с улучшить результат в трековой гонке на 4 км. Еще 1,5 с могут сбавить обтекаемые велотуфли без шнурков. Улучшение результата объясняется снижением силы вих-реобразования. Сила вихреобразования возникает потому, что в местах отрыва струй воздуха возникают завихрения, где по закону Бернулли давление меньше. В зону пониженного давления направлена тормозящая, «отсасывающая» сила. Для уменьшения вихреобразования применяют и обтекаемые дисковые колеса вместо обычных.

Топография работающих мышц

В процессе педалирования непосредственно участвуют кости нижних конечностей, таз и мышцы, осуществляющие сгибание и разгибание ног (рис. 92). При нажатии на педаль разгибаются бедро, голень и стопа. При этом активны следующие мышцы:

— ягодичная, двуглавая, полусухожильная, полуперепончатая (разгибание бедра);

— четырехглавая (разгибание голени);

— икроножная, камбаловидная, задняя большеберцо-вая, длинные сгибатели пальцев, длинная и короткая малоберцовые (разгибатели стопы).

Задание

Перечислите основные мышцы, участвующие в осуществлении проводки и подтягивания при круговом педалировании на велосипеде.

Оптимальные режимы педалирования

Велосипедисты применяют круговое и импульсное педалирование. Их чередование отдаляет наступление утомления.

Рис. 92. Активность мышц ног при педалировании (по Л. В. Чхаидзе; Ю. А. Годину, В. Ф. Татаренко, переработано); стрелками показаны векторы силы действия ноги на педаль и их нормальные тангенциальные составляющие

Эффективность езды на велосипеде зависит от частоты вращения педалей и выбора передачи. Чем больше передача, тем выше сила действия на педали и больше укладка — расстояние, преодолеваемое за один оборот педалей. За последние 40—60 лет значительное увеличение средней скорости на соревнованиях произошло исключительно за счет увеличения укладки. Темп педалирования практически не изменился.

Используя метод кардиолидирования (программированного регулирования частоты сердечных сокращений), Ю. Г. Крылатых определил оптимальные режимы педалирования при разных уровнях частоты сердечных сокращений. Так, при ЧСС, равной 150 1/мин, оптимальный темп равен 87 1/мин, а укладка 6,8 м. А при ЧСС, равной 180 1/мин, оптимальный темп составляет 100 1/мин, а укладка 7,1 м. Эти рекомендации относятся ко взрослым велосипедистам высокой квалификации.

При выборе режима педалирования следует учитывать индивидуальные особенности спортсмена и внешние условия. Чем ниже физическая работоспособность, значительнее утомление и сложнее условия (плохое покрытие дороги, встречный ветер и т. д.), тем выше оптимальный темп и меньше оптимальная передача.

Вопросы для самоконтроля знаний

1. Какой критерий оптимальности имеется в виду, когда говорят об оптимальном сочетании темпа и укладки?

2. Как влияет на оптимальное сочетание темпа педалирования и укладки мышечная композиция (соотношение быстрых и медленных мышечных волокон) ?

Тактика езды на велосипеде зависит от цели велосипедиста. Например, при прогулочной езде основной критерий оптимальности — экономичность, и наилучшей является тактика постоянной скорости.

Для достижения наивысшего спортивного результата гонщик должен так выбирать скорость и так ее изменять, чтобы полностью использовать потенциальные возможности энергетических систем. Например, в индивидуальной гонке преследования на 4 км наиболее выгодна тактика «вовсю». При этом скорость сразу после стартового разгона на 7—8% выше среднедистанционной скорости, а в дальнейшем снижается (быстрее или медленнее — в зависимости от емкости фосфагенной и лактацидной систем и мощности окислительной энергетической системы у данного спортсмена) (см. рис. 24).

До сих пор продолжается усовершенствование велосипеда. Наряду с многочисленными конструкциями обычных велосипедов все более широкое распространение получают тандемы, а также одноместные и многоместные веломобили, которые развивают скорость до 30—40 км/ч.

Контрольные вопросы

\. Какие способы передвижения на лыжах вам известны?

2. Каковы преимущества и недостатки конькового хода по сравнению с традиционными способами передвижения на лыжах?

3. Какие внешние силы влияют на величину энергетических затрат лыжника и велосипедиста?

4. Что такое оптимальная скорость и как она связана с возрастом и физической подготовленностью лыжников и велосипедистов?

Рис. 93. Кроссворд.

По горизонтали. 1. Техническое устройство для передвижения. 2. Фаза в цикле педалирования, в которой момент силы достигает наибольшего значения. 3. Устройство для передвижения по мягкой или рыхлой поверхности. 4. Расстояние, преодолеваемое велосипедистом за один оборот шатунов. 5. Одна из фаз одновременного одношажного лыжного хода. 6. Часть двигательного действия, объединяющая в себе несколько фаз. 7. Кинематический показатель, характеризующий интенсивность передвижения.

По вертикали. 6. Фаза в цикле педалирования, во время которой нога сгибается в коленном, тазобедренном и голеностопном суставах. 7. Физический процесс, позволяющий осуществить передвижение на лыжах с высокой скоростью. 8. Процесс вращения педалей велосипеда. 9. Поза гонщика на велосипеде. 10. Изобретатель велосипеда в России.

5. Для чего нужны лыжные мази?

6. Какова топография мышц, работающих при разных способах педалирования на велосипеде?

7. Из каких компонентов (фракций) складывается механическая работа велосипедиста?

8. Как можно уменьшить затраты энергии на преодоление сопротивления воздуха при езде на велосипеде и беге на лыжах?

9. Какие факторы влияют на оптимальное сочетание темпа и длины шага при беге на лыжах и на оптимальный темп педалирования при езде на велосипеде?

10. Решите кроссворд (рис. 93).

Глава 9. Биомеханика плавания

...Всем новым солдатам без изъятия должно учиться плавать: не всегда есть мосты.

Приказ Петра I Плавать раньше, чем ходить!

Плавание (наряду с греблей) относится к циклическим локомоциям, осуществляемым по принципу отталкивания от жидкой среды. Плавание является важной частью двигательной культуры человека. Ведь еще в Древней Греции о некультурном человеке говорили: «Он не умеет ни плавать, ни читать».

Сотни наших современников демонстрируют незаурядные возможности быстрого прогресса человека в плавании. Так, если в 1875 г. английский капитан М. Уэбб преодолел 33 км, отделяющие Англию от Франции, за 22 ч, то столетие спустя П. Дик переплыла Ла-Манш всего за 7 ч 40 мин. А на показательных выступлениях спортсмены проплывают сотни метров с полной солдатской выкладкой или со связанными руками и ногами.

Но, к сожалению, очень многие люди не умеют плавать и боятся воды. Последнее объясняется прежде всего непониманием того факта, что по законам физики здоровый человек в теплой и спокойной воде утонуть не может. Поясним эту мысль.

Известно, что на тело, неподвижно лежащее в воде, действуют две силы: сила тяжести и выталкивающая (архимедова) сила, равная весу вытесненной телом воды. Но, поскольку человеческое тело более чем на 60% состоит из воды, а в легких находится несколько литров воздуха, эти две силы примерно одинаковы. Чтобы поверить в это, проделайте простой опыт: стоя по грудь в воде, наберите в легкие как можно больше воздуха и лягте на воду. При этом ваше тело расположится вблизи поверхности воды. Если начать постепенно выпускать воздух из легких, тело также будет постепенно погружаться в воду. Проявив большую силу воли, можно продолжать выдох до тех пор, пока тело не опустится па дно водоема. Таким образом, изменяя объем воздуха в легких, человек может регулировать величину выталкивающей силы и тем самым плавучесть тела.

Сказанное подтверждают следующие цифры. Удельный вес тела на вдохе у пловцов-мужчин в среднем равен 0,98 г/см3, а у женщин — 0,96 г/см3 (что объясняется, по-видимому, большим объемом жировой ткани в теле женщин). На выдохе средние величины удельного веса больпрабая рцка ледая рука

Рис. 94. Кинематика плазания кролем:

фазы и граничные позы. В первом полуцикле вверху — действия пра арабские цифры — номера граничных поз:

/ — выход локтя левой руки из воды; 2 — выход левой кисти из воды; 3 — левой руки в иоду; второй полуцикл аналогичен первому, он начинается с ше: у мужчин 1,06 г/см3 и у женщин 1,04 г/см3. Напомним, что удельный вес пресной воды составляет 1,00 г/см3 и что погруженное в воду тело может утонуть только в том случае, если его удельный вес больше удельного веса воды.

Кроме того, у плывущего человека плавучесть выше, чем у неподвижного. Ведь когда тело уплощенной формы движется в воздушной или водной среде таким образом, что передний его конец расположен несколько выше заднего, возникает направленная вверх подъемная сила. Именно такой случай имеет место в плавании. Величина подъемной силы увеличивается со скоростью. Этому явлению обязан своим существованием воднолыжный спорт. Причем мастера этого вида спорта могут нестись по воде и без лыж, на пятках.

Существует много разновидностей плавания, из которых здесь рассматривается только кроль (самый быстрый способ) и брасс (самый легкий).

Рис. 95. Кинематика плавания брассом: фазы и граничные позы; арабские цифры — номера граничных поз:

/ — начало разгибания в коленных суставах; 2 — момент выпрямления ног в коленных суставах; 3 — окончание движения кистей назад; 4 — начало разгибания рук в локтевых суставах (по Р. Хальянду с соавт.)

КИНЕМАТИКА ПЛАВАНИЯ

Фазовый состав и граничные позы при плавании кролем и брассом изображены на рис. 94 и 95. Кинематика рассматриваемых способов плавания существенно различается.

При плавании кролем полный цикл состоит из чередующихся гребков правой и левой руками и определенного количества ударов ногами. По количеству этих ударов различают двух- и шестиударный варианты техники. В шести-ударном кроле (см. рис. 94) на полный цикл движений руками приходится шесть ударов ногами — по три каждой ногой. В двухударном кроле на полный цикл движений рук выполняются только два удара — по одному каждой ногой.

Шестиударный кроль применяется на спринтерских дистанциях, а двухударный — на стайерских. Обучение детей обычно начинают с шестиударного варианта.

Используя рис. 94, дадим представление о целях, к которым должен стремиться кролист в каждой фазе.

I фаза — как можно меньше терять скорость продвижения вперед;

II фаза — начать увеличение скорости;

III фаза — повысить скорость;

IV фаза — как можно более поднять скорость.

Выдох (при повороте головы вправо) осуществляется в

III и IV фазах первого полуцикла, а вдох — в I и II фазах второго полуцикла.

Цели, к которым должен стремиться брассист в каждой из фаз, следующие (см. рис. 95): I фаза — повысить скорость; II фаза — как можно выше поднять скорость;

III фаза — минизировать падение скорости;

IV фаза — как можно меньше терять скорость.

Выдох осуществлятся во II фазе и начале III фазы, а вдох — в конце III фазы и начале IV фазы. С конца

IV фазы до начала II фазы — задержка дыхания.

ДИНАМИКА ПЛАВАНИЯ

В воде тело человека находится под действием нескольких сил, которые, суммируясь, обеспечивают его плавучесть в неподвижном состоянии и продвижение вперед при плавании (рис. 96). Рассмотрим их подробнее.

1. Вертикально-направленные силы:

Сила тяжести G = mg, где т — масса тела, кг; g — ускорение свободного падающего тела, м/с2.

Выталкивающая (архимедова) сила Fa =

= Q-pB, где Q — объем тела, см3; рв — удельный вес воды, r/cMJ.

Вопрос для самоконтроля знаний

В каких единицах измеряется выталкивающая сила? Предложите коэффициент, при умножении на который результат измерения этой силы получается в ньютонах.

Эта сила приложена к центру объема тела пловца. Центр объема, как правило, не совпадает с центром масс. Поэтому возникает вращающий момент (см. рис. 96, Б) и ноги человека, неподвижно лежащего в воде, опускаются.

Подъемная сила появляется при обтекании тела потоком воды. Она пропорциональна площади горизон-

Направление движения

Рис. 96. Силы, действующие при плавании (А и Б), и угол атаки (В); G — сила тяжести; F? — сила тяги, создаваемая движениями пловца; РЛ — выталкивающая (архимедова) сила; FllH — сила инерции, возникающая при ускорении и торможении тела пловца; РТр — сила трения; fB — сила лобового сопротивления воды; FTB — тормозящая сила вихреобразования (и сила волнообразования, действующая в том же направлении) тального сечения тела и скорости набегающего потока и зависит от угла атаки (см. рис. 96, В).

2. Горизонтально-направленные силы: Продвигающая сила (или сила тяги). Она возникает в результате действий руками и ногами, о технике которых даже среди специалистов по плаванию нет единого мнения. Например, лишь малоквалифицированные пловцы-кролисты выполняют гребок прямой рукой. Значительно больший эффект дает гребок по зигзагообразной траектории, вид которой зависит от особенностей телосложения и двигательных качеств.

Сила лобового сопротивления:

где р — удельный вес воды, кг/м3;

SM — площадь миделя тела, м2 (т. е. наибольшая площадь поперечного сечения тела в плоскости, перпендикулярной к направлению движения; рис. 97); сж — безразмерный коэффициент сопротивления, зависящий от формы тела; его величина у человека лежит в пределах от 0,58 до 1,04 (минимальная величина коэффициента сх для каплевидного тела равна 0,5); v — скорость, м/с.

Сила сопротивления вихреобразования, зависящая от формы и характера поверхности тела. В тех местах, где струи воды отрываются от поверхности тела, образуются завихрения и по закону Бернулли давление понижается. Из-за разности давлений возникает сила, которая как бы отсасывает тело назад. Она и называется силой сопротивления вихреобразовапия. Незначительные изменения положения тела, не увеличивающие или почти не увеличивающие мидель тела, могут ухудшить его обтекаемость. Во время скольжения опускание головы пловца вниз увеличивает сопротивление на 8—12%, а отклонение ее от оптимального положения вверх — на 10—20%.

Сила трения о воду (FTp): устья пор и складки кожи, волоски на коже, рыхлый или ворсистый материал костюма пловца способствуют увеличению сопротивления.

Сила сопротивления волнообразования: пловец, находящийся у грани водной и воздушной среды, поднимает частицы воды выше среднего уровня водной поверхности. Они уже не удерживаются давлением среды, и пловцу приходится преодолевать еще и силу тяжести смещенных частиц воды.

Силы инерции (Fsu) ускоряемых и тормозимых звеньев и всего тела стоят особняком. Их не отнесешь к горизонтальным или вертикальным, поскольку сила инерции направлена противоположно ускорению и равна произведению массы (т) на ускорение (а): Р1Ш=—та.

Топография работающих мышц

Эффективное использование гребков руками и ногами возможно в том случае, если туловище пловца представляет собой достаточно жесткую конструкцию, которая нахо-

Рис. 97 Величина миделева (лобового) сечения тела и завихрение водяных струй при разных положениях пловца в водг (по Л. П. Макаренко; Каунсилмсну) дится в обтекаемом и уравновешенном положении. Обеспечивается это за счет напряжения мышц живота и спины. Остальные же мышцы туловища должны быть расслаблены.

При плавании кролем наиболее активны мышцы, осуществляющие сгибание кисти. В брассе высока активность мышц ног. Но значительная нагрузка приходится и на руки (особенно в спортивном плавании), выполняющие близкие к круговым гребковые действия, напоминающие движения руками, по локоть опущенными в два кувшина с узкими горлышками.

Электромиографические портреты плавания, изображенные на рис. 98 (кроль) и рис. 99 (брасс), показывают работу основных активных мышц пловца в разные фазы.

Задание для самоконтроля знаний

Сопоставляя попарно рис. 94 и 98 (кроль) и рис. 95 и 99 (брасс), определите, в какой фазе цикла какие мышцы наиболее активны.

Энергетика плавания

Силы, от которых зависит сопротивление воды, являются основными из тех, что приходится преодолевать пловцу. Поскольку плотность воды в 800 раз больше плотности воздуха, плавание требует больших затрат энергии и является наименее экономичным видом локомоций человека. Коэффициент механической эффективности (аналогичный коэффициенту полезного действия) составляет у пловцов 1—5% и увеличивается по мере повышения квалификации. Это намного ниже, чем при наземных локомоциях человека (20—40%), и ниже, чем у рыб и морских животных. Так, у зеленой черепахи, форели и золотой рыбки коэффициент механической эффективности составляет соответственно 10, 14 и 40%. При плавании в ластах коэффициент механической эффективности выше, чем без ласт,— около 17%. Эти факты говорят о неиспользуемых резервах экономизации техники передвижения человека в водной среде.

Энергетическая стоимость метра пути у пловцов международного класса примерно на 40% ниже по сравнению с пловцами невысокой квалификации. Для новичков брасс (при скорости 0,3—0,5 м/с) оказывается на 30% более экономичным, чем кроль.

плавания кролем (по

Рис. 98. Электромиографический портрет

Оптимизация плавания

Основные требования к технике и тактике пловца вытекают из закономерностей динамики и энергетики плавания. Наиболее общим является требование максимизировать силу тяги и минимизировать сумму тормозящих сил. Максимизация силы тяги достигается предельным повышением силы взаимодействия пловца с водой при гребковых действиях руками и отталкивании ногами (в брассе). На всем протяжении гребка рука должна перемещаться в воде с ускорением, благодаря чему хороший пловец непрерывно ощущает «опору на воду».

Поддерживать высокую силу тяги на всей дистанции человек может только в том случае, если до самого финиша сохранит достаточно энергии. Но плавание весьма энергоемкий вид двигательной деятельности. Поэтому здесь особенно важно исключить непроизводительные затраты энергии. С этой целью:

1) устраняют лишние движения;

2) выбирают оптимальный (наиболее экономичный)

11 Заказ № 1984 161 темп движений, причем каждой скорости плавания у данного человека соответствует свой оптимальный темп;

3) стараются снизить величины тормозящих сил;

4) устраняют непроизводительные мышечные напряжения.

В плавании, как ни в одном другом виде спорта, важно умение расслаблять те мышцы, которые в данный момент не участвуют в выполнении продвигающей работы. Поэтому, например, в кроле при проносе над водой рука должна двигаться с минимальным напряжением. Также и при плавании брассом, в фазе скольжения (которая в спортивном плавании сокращается до минимума), большинство мышц расслаблено (что видно на электромиографическом портрете, см. рис. 99).

Из тормозящих сил наиболее велика сила лобового сопротивления воды и сила сопротивления вихреобразования. Обе они снижаются с уменьшением угла а т а к и, т. е. угла между продольной осью тела и направлением движения. Чем меньше угол атаки, тем меньше:

<<< НазадСодержаниеДальше >>>

medbookaide.ru