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 >>>

Прочность суставов, как и прочность костей, небеспредельна. Так, давление в суставном хряще не должно превышать 350 Н/см2. При более высоком давлении прекращается смазка суставного хряща и увеличивается опасность его механического стирания. Это нужно учитывать в особенности при проведении туристических походов (когда человек несет тяжелый груз) и при организации оздоровительных занятий с людьми среднего и пожилого возраста. Ведь известно, что с возрастом смазывание суставной сумки становится менее обильным.

Биомеханика мышц

Скелетные мышцы являются основным источником механической энергии человеческого тела. Их можно сравнить с двигателем. На чем же основан принцип действия такого «живого двигателя»? Что приводит в действие мышцу и какие свойства она при этом проявляет? Как мышцы взаимодействуют между собой? И наконец, какие режимы функционирования мышц являются наилучшими? Ответы на эти вопросы вы найдете в настоящем разделе.

Биомеханические свойства мышц

К ним относятся сократимость, а также упругость, жесткость, прочность и релаксация.

Сократимость — это способность мышцы сокращаться при возбуждении. В результате сокращения происходит укорочение мышцы и возникает сила тяги.

Для рассказа о механических свойствах мышцы воспользуемся моделью (рис. 12), в которой соединительнотканные образования (параллельный упругий компонент) имеют механический аналог в виде пружины (/). К соединительнотканным образованиям относятся: оболочка мышечных волокон и их пучков, сарколемма и фасции.

При сокращении мышцы образуются поперечные акти-но-миозиновые мостики, от числа которых зависит сила сокращения мышцы. Актино-миозиновые мостики сократительного компонента изображаются на модели в виде -цилиндра, в котором движется поршень (2).

Аналогом последовательного упругого компонента является пружина (3), последовательно соединенная с цилиндром. Она моделирует сухожилие и те миофибриллы (сократительные нити, составляющие мышцу), которые в данный момент не участвуют в сокращении.

Модель отображает упругие свойства мышцы, т. е. ее способность восстанавливать первоначальную длину после устранения деформирующей силы. Существование упругих свойств объясняется тем, что при растягивании в мышце возникает энергия упругой деформации. Здесь мышцу можно сравнить с пружиной или с резиновым жгутом: чем сильнее растянута пружина, тем большая энергия в ней запасена. Это явление широко используется в спортивной практике. Например, в хлесте предварительноё растягивание мышц приводит к растягиванию и параллельного, и последовательного упругого компонента. ; В них запасается энергия упругой деформации, которая в : финальной части движения (метания, толкания и т. д.) преобразуется в энергию движения (кинетическую энергию).

По закону Гука для мышцы ее удлинение нелинейно зависит от величины растягивающей силы (рис. 13)_. " Эта кривая (ее называют «сила —длина») является одной 4 из характеристических зависимостей, описывающих закономерности мышечного сокращения. Другую характеристи-: ческую зависимость «сила —скорость» называют в честь < .изучавшего ее известного английского физиолога кривой

; Хилла ' (рис. 14).

; По характеристическим кривым определяют жесткость и прочность мышцы.

Жесткость —это способность противодействовать

J прикладываемым силам. Коэффициент жесткости определяется как отношение приращения восстанавливающей си-

'; лы к приращению длины мышцы под действием внешней силы: Кж— —--(Н/м).

д/ Величина, обратная жесткости, называется податли^в остью мышцы. Коэффициент податливости: Кп=-ду

(м/Н) — показывает, насколько удлинится мышца при изменении внешней силы на единицу. Например, податливость сгибателя предплечья близка к 1 мм/Н.

Прочность мышцы оценивается величиной растягивающей силы, при которой происходит разрыв мышцы. Предельное значение растягивающей силы определяется по *' кривой Хилла (см. рис. 14). Сила, при которой происходит разрыв мышцы (в пересчете на 1 мм2 ее поперечного се-чения), составляет от 0,1 до 0,3 Н/мм2. Для сравнения: предел прочности сухожилия около 50 Н/мм2, а фасции около 14 Н/мм2. Возникает вопрос: почему иногда рвется сухожилие, а мышца остается целой? По-видимому, это может происходить при очень быстрых движениях: мышца ' успевает самортизировать, а сухожилие нет.

Релаксация —свойство мышцы, проявляющееся в постепенном уменьшении силы тяги при постоянной длине

1 Так принято сегодня называть эту важную зависимость. На самом деле А. Хилл изучал только преодолевающие движения (правую часть графика на рис. 14). Взаимосвязь между силой и скоростью при уступающих движениях впервые исследовал Abbot.

мышцы. Релаксация проявляется, например, при спрыгй-вании и прыжке вверх, если во время глубокого подседа человек делает паузу. Чем пауза длительнее, тем сила отталкивания и высота выпрыгивания меньше.

Режимы сокращения и разновидности работы мышц

Мышцы, прикрепленные сухожилиями к костям, функционируют в изометрическом и анизометрическом режимах (см. рис. 14).

При изометрическом (удерживающем) режиме длина мышцы не изменяется (от греч. «изо» — равный, «метр»— длина). Например, в режиме изометрического сокращения работают мышцы человека, который подтянулся и удерживает свое тело в этом положении. Аналогичные примеры: «крест Азаряна» на кольцах, удержание штанги и т.п. На кривой Хилла изометрическому режиму соответствует величина статической силы (^о), при которой скорость сокращения мышцы равна нулю.

Замечено, что статическая сила, проявляемая спортсменом в изометрическом режиме, зависит от режима предшествующей работы. Если мышца функционировала в уступающем режиме, то F0 больше, чем в том случае, когда выполнялась преодолевающая работа. Именно поэтому, например, «крест Азаряна» легче выполнить, если спортсмен приходит в него из верхнего положения, а не из нижнего. При анизометрическом сокращении мышца укорачивается или удлиняется. В анизометрическом режиме функционируют мышцы бегуна, пловца, велосипедиста и т. д. У анизометрического режима две разновидности. В преодолевающем режиме мышца укорачивается в результате сокращения. А в уступающем режиме мышца растягивается внешней силой. Например, икроножная мышца .спринтера функционирует в уступающем режиме при взаимодействии ноги с опорой в фазе амортизации, а в преодолевающем режиме — в фазе отталкивания.

Правая часть кривой Хилла (см. рис. 14) отображает закономерности преодолевающей работы, при которой возрастание скорости сокращения мышцы вызывает уменьшение силы тяги. А в уступающем режиме наблюдается обратная картина: увеличение скорости растяжения мышцы сопровождается увеличением силы тяги. Это является причиной многочисленных травм у спортсменов (например, разрыва ахиллова сухожилия у спринтеров и прыгунов в длину).

Максимальная скорость сокращения мышц (v)

Рис. 15. Мощность мышечного сокращения в зависимости от проявляемой силы и скорости; заштрихованный прямоугольник соответствует максимальной мощности

Групповое взаимодействие мышц

Существуют два случая группового взаимодействия мышц: синергизм и антагонизм.

Мыш цы-СИ нер гнеты перемещают звенья тела в одном' направлении. Например, в сгибании руки в локтевом суставе участвуют двуглавая мышца плеча, плечевая и плечелучевая мышцы и т. д. Результатом синергического взаимодействия мышц служит увеличение результирующей силы действия. Но этим значение синергизма мышц не исчерпывается. При наличии травмы, а также при локальном утомлении какой-либо мышцы ее синергисты обеспечивают выполнение двигательного действия.

Мышцы-антагонисты (в противоположность мышцам-синергистам) имеют разнонаправленное действие. Так, если одна из них выполняет преодолевающую работу, то другая — уступающую. Существованием мышц-антагонистов обеспечивается: 1) высокая точность двигательных действий; 2) снижение травматизма.

Мощность и эффективность мышечного сокращения

По мере увеличения скорости мышечного сокращения сила тяги мышцы, функционирующей в преодолевающем режиме, снижается по гиперболическому закону (см.

рис. 14). Известно, что механическая мощность равна произведению силы на скорость. Существуют сила и скорость, при которых мощность мышечного сокращения наибольшая (рис. 15). Этот режим имеет место, когда и сила, и скорость составляют примерно 30% от максимально возможных величин.

Наряду с режимом максимальной мощности представляет интерес и наиболее экономичный режим мышечного сокращения (см. в разделе «Частная биомеханика»).

Контрольные вопросы

1. Какими показателями характеризуется геометрия масс тела?

2. У кого из двух бегунов (рис. 16) левая нога имеет меньший радиус инерции и меньший момент инерции относительно тазобедренного сустава. Как это учитывается при технической подготовке бегунов?

3. При каком условии рычаг, изображенный на рис. 9, Л, будет находиться в равновесии (объясните и напишите формулу)?

4. Какие показатели геометрии масс нужно знать, чтобы вычислить наиболее экономичный темп ходьбы? Насколько точным будет этот расчет?

5. Какова прочность костей и мышц?

6. Нарисуйте кривую Хилла и укажите на ней области, соответствующие преодолевающему, уступающему и изометрическому (удерживающему) режимам мышечного сокращения.

7. Объясните, почему один из двух вариантов выполнения «креста Азаряна» (из верхней и из нижней точки) легче осуществить, чем другой.

Рис. 16. Два варианта техники бега; при переносе ноги у бегуна Б угол в коленном суставе и момент инерции меньше, чем у бегуна А

Рис. 17. Кроссворд.

По горизонтали. 1. Характеристика, показывающая, сколько вещества содержится в теле и какова инертность тела. 2. Укрупненное звено тела, включающее в себя несколько простейших звеньев. 3. Режим сокращения мышцы. 4. Показатель, характеризующий мышечное сокращение и достигающий максимума, когда сила и скорость сокращения мышцы близки к 30% от наибольших величин. 5. Естествоиспытатель, лауреат Нобелевской премии, изучавший взаимосвязь между силой и скоростью мышечного сокращения. По вертикали. 1. Взаимное расположение частей тела. 2. Часть тела, расположенная между двумя суставами или между суставом и дистальным концом тела. 3. Число звеньев человеческого тела (ориентировочно). 4. Сокращенное наименование антагониста трехглавой мышцы плеча. 5. Свойство мышцы. 6. Вид механического воздействия на кость.

8. В каком режиме мышечного сокращения проявляется максимальная сила? Как это связано с опасностью получения травм?

9. При каком условии достигается наивысшая мощность мышечного сокращения?

10. Решите кроссворд (рис. 17).

Глава 3. Основы биомеханического контроля

Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точное знание немыслимо без

Д. И. Менделеев

От интуиции — к точному знанию!

Двигательное мастерство человека, его умение в любых условиях двигаться быстро, точно и красиво, зависит от уровня физической, технической, тактической, психологической и теоретической подготовленности. Эти пять факторов культуры движений являются ведущими и в спорте, и в физическом воспитании школьников, и при занятиях массовыми формами физкультуры. Для совершенствования двигательного мастерства и даже для сохранения его на прежнем уровне необходим контроль за каждым из названных факторов.

Объектом биомеханического контроля служит моторика человека, т. е. двигательные (физические) качества и их проявления. Это означает, что в итоге биомеханического контроля мы получаем сведения:

1) о технике двигательных действий и тактике двигательной деятельности;

2) о выносливости, силе, быстроте, ловкости и гибкости, должный уровень которых является необходимым условием высокого технико-тактического мастерства '.

Можно сказать еще проще: биомеханический контроль дает ответ на три вопроса:

1) Что делает человек?

2) Насколько хорошо он делает это?

3) Благодаря чему он это делает?

Процедура биомеханического контроля соответствует следующей схеме:

контроль= тестирование , оценивание результатов

(измерение) измерения или тестирования

Измерения в биомеханике

Человек становится объектом измерения с раннего детства. У новорожденного измеряют рост, вес, температуру тела, продолжительность сна и т. д. Позже, в школьном возрасте, в число измеряемых переменных включаются I знания и умения. Чем взрослее человек, чем шире круг | его интересов, тем многочисленнее и разнообразнее характеризующие его показатели. И тем труднее осуществить точные измерения. Как, например, измерить техническую и тактическую подготовленность, красоту движений, геометрию масс человеческого тела, силу, гибкость и т. п.? Об этом рассказывается в настоящем разделе.

1 В англоязычной литературе по физическому воспитанию принят более широкий перечень двигательных качеств, в том числе способность выполнять упражнения на равновесие, танцевальные упражнения и т. д.

Шкалы измерений и единицы измерений

Шкалой измерения называется последовательность величин, позволяющая установить соответствие между характеристиками изучаемых объектов и числами. При биомеханическом контроле чаще всего используют шкалы наименований, отношений и порядка.

Шкала наименований — самая простая из всех. В этой шкале числа, буквы, слова или другие условные обозначения выполняют роль ярлыков и служат для обнаружения и различения изучаемых объектов. Например, при контроле за тактикой игры футбольной команды полевые номера помогают опознать каждого игрока.

Числа или слова, составляющие шкалу наименований, разрешается менять местами. И если их без ущерба для точности значения измеряемой переменной можно менять местами, то эту переменную следует измерять по шкале наименований. Например, шкала наименований используется при определении объема техники и тактики (об этом рассказывается в следующем разделе).

Шкала порядка возникает, когда составляющие шкалу числа упорядочены по рангам, ноу-интервалы между рангами нельзя точно измерить. Например, знания по биомеханике или навыки и умения на уроках физкультуры оцениваются по шкале: «плохо» — «удовлетворительно» — «хорошо» — «отлично». Шкала порядка дает возможность не только установить факт равенства или неравенства измеряемых объектов, но и определить характер неравенства в качественных понятиях: «больше — меньше», «лучше — хуже». Однако на вопросы: «На сколько больше?», «На сколько лучше?» — шкалы порядка ответа не дают.

С помощью шкал порядка измеряют «качественные» показатели, не имеющие строгой количественной меры (знания, способности, артистизм, красоту и выразительность движений и т. п.).

Шкала порядка бесконечна, и в ней нет нулевого уровня. Это и понятно. Какой бы неправильной ни была, например, походка или осанка человека, всегда можно встретить еще худший вариант. И с другой стороны, какими бы красивыми и выразительными не были -двигательные действия гимнастки, всегда найдутся пути сделать их еще прекраснее.

Шкала отношений самая точная. В ней числа не только упорядочены по рангам, но и разделены равными интервалами — единицами измерения'. Особенность шкалы отношений состоит в том, что в ней определено положение нулевой точки.

По шкале отношений измеряют размеры и массу тела и его частей, положение тела в пространстве, скорость и ускорение, силу, длительность временных интервалов и многие другие биомеханические характеристики. Наглядными примерами шкалы отношений являются: шкала весов, шкала секундомера, шкала спидометра.

Шкала отношений точнее шкалы порядка. Она позволяет не только узнать, что один объект измерения (технический прием, тактический вариант и т. п.) лучше или хуже другого, но и дает ответы на вопросы, на сколько лучше и во сколько раз лучше. Поэтому в биомеханике стараются применять именно шкалы отношений и с этой целью регистрируют биомеханические характеристики.

Биомеханические характеристики

Биомеханическими характеристиками называются показатели, используемые для количественного описания и анализа двигательной деятельности. Все биомеханические характеристики делятся на кинематические, динамические и энергетические (табл. 3). У них разное назначение: кинематические характеризуют внешнюю картину двигательной деятельности, динамические несут информацию о причинах изменения движений, энергетические дают представление о механической производительности и экономичности.

Биомеханические характеристики описывают поступательные и вращательные движения. Поступательным называется такое движение, при котором все точки тела перемещаются по одинаковым траекториям. При вращательном движении движущиеся точки тела перемещаются по круговым траекториям, центры которых лежат на оси вращения.

1 Основными единицами измерения в системе СИ .(система интернациональная) являются: метр, килограмм, секунда и др. Из основных получаются все другие единицы. Например, единица скорости

(м/с), единица ускорения (м/с2), единица силы (ньютон, и т. д. Наряду с единицами системы СИ в практике биомеханического контроля используют и внесистемные единицы измерения: например, частоту шагов (или темп), гребков и других циклических движений

Но в большинстве движений человека поступательный и вращательный компоненты присутствуют одновременно, такие движения называются составными. Причем двигательный аппарат человека устроен так, что все движения (в том числе и поступательные) образуются из комбинаций вращательных движений в суставах (рис. 18).

Дадим определения биомеханическим характеристикам, включенным в таблицу 3. Но сначала расскажем о двух важных характеристиках, которые не вошли в таблицу,— о положении и траектории.

Положение любой точки тела (например, любого сустава) или положение спортивного снаряда (например, мяча) определяется координатами в той или иной системе координат. Наиболее популярна прямоугольная система координат, в которой положение материальной точки в пространстве описывается ее координатами на трех взаимно перпендикулярных осях (вертикальной и двух горизонтальных—продольной и поперечной) (рис. 19).

Задание для самопроверки знаний:

На рис. 19 определите координаты выделенных точек (центра масс головы и т. д.).

измеряют числом движений в минуту -----I, а не в секунду.

\ мин/

Рис 18 Поступательные движения человеческого тела и его частей как результат вращательных движений; например, прямолинейное движение боксерской перчатки образуется из движений в локтевом, плечевом и тазобедренном суставах; прямая линия — траектория центра масс кисти правой руки в перчатке

Классификация биомеханических характеристик и их единицы измерения

Биомеханические характеристики

Таблица 3

Кинематические

Для поступательного движения

Для вращательного движения

Энергетические

Для поступательного и вращательного движения м перемещение град.

с длительность с м/с скорость град. /с м/с2 ускорение град. /с2

1/мин темп 1/мин

— ритм

Работа, Дж Энергия, 'Дж

Мощность, Вт

Экономичность (коэффици ент механической эффек тивности, %)

Энергетическая стоимость, ci—- , и пульсовая стоимость,

Динамические

Для поступательного движения

Масса, кг Сила, Н

Импульс силы, Не

Количество движения, кг-м

Для вращательного движения

Момент инерции, кг-м2

Момент силы, Н-м (вращающий момент)

Импульс момента силы, Нмс

Кинетический момент, кг-м2

При выполнении двигательного действия положение тела или спортивного снаряда изменяется. При этом их материальные точки движутся в пространстве по линиям, которые называются траекториями (рис. 20).

<<< НазадСодержаниеДальше >>>

medbookaide.ru