Основы биомеханики

 

 

В последнее время замечено, что в видах спорта, требующих  большой выносливости, спортсмены высшей квалификации мало отличаются друг от друга по показателям физической подготовленности (максимальное потребление  кислорода, максимальный кислородный  долг и т. д.). Успех в ответственных  состязаниях сегодня достигается  преимущественно за счет более эффективной  техники двигательных действий и  тактики двигательной деятельности. Каждому тренеру необходимо иметь  ясное представление о современных  методах биомеханического контроля и владеть наиболее полезными  и доступными из них.

 

Основой биомеханического контроля в любом виде спорта является измерение  биомеханических характеристик. Биомеханические  характеристики - это количественные показатели, позволяющие объективно оценить уровень технической  и тактической подготовленности. Они делятся на три группы: кинематические (характеризующие внешнюю картину  движений), динамические (отражающие механизмы  возникновения и изменения движений) и энергетические (дающие представление  о выполняемой спортсменом механической работе, развиваемой мощности, а  также об экономичности движений). Наиболее важные для лыжного спорта биомеханические характеристики с  их единицами измерения показаны в таблице.

 

Чтобы осуществить точный биомеханический контроль, недостаточно оценить величины биомеханических  характеристик "на глазок". Необходимы точные методы измерения. Такие методы сейчас создаются и непрерывно совершенствуются в нашей стране и за рубежом  и преподаются в институтах физкультуры. Мы рассмотрим технические средства и методы контроля, применяемые в  лыжном спорте для регистрации и  анализа кинематических, динамических и энергетических характеристик.

 

Инструментальный контроль за кинематическими проявлениями двигательной деятельности осуществляется оптическими  и оптико-электронными техническими устройствами. К оптическим относятся: кинокамеры, из которых удовлетворительную точность обеспечивают камеры типа "Красногорск", "Lokam" (США), "Red Lace" (США). По кинограммам  удается дать приблизительную оценку техники

 

движений, но полная расшифровка  кинограммы весьма трудоемка и крайне редко используется в тренировочном  процессе. Лишь в отдельных крупных  лабораториях, располагающих специальными полуавтоматическими устройствами - киноанализаторами, по кинограммам  повседневно определяют траектории, скорости и ускорения тела лыжника  и его частей. Попытки разработать  достаточно точную и вместе с тем  пригодную для использования  в сложных условиях тренировки лыжников методику регистрации кинематических характеристик в последние десятилетия  не прекращаются. На смену кинометоду постепенно приходят видеозаписи.

 

Видеокамеры типа "Sony", "Sanyo" надежно работают при температуре  воздуха - 15-20°С. С их помощью в  целом ряде сборных команд по лыжным гонкам, биатлону, прыжкам на лыжах  ведется оперативный и текущий  контроль за техникой движений.

 

К сожалению, даже лучшие образцы  видеомагнитофонов нельзя отнести  к числу измерительных приборов. С их помощью более или менее  точно можно измерить только темп движений и (при специальной маркировке трассы) скорость передвижения на участке, где проводится съемка.

 

Биомеханические характеристики

 

Кинематические

 

 

Энергетические

 

 

Динамические

 

траектория

 

 

работа (Дж)

 

 

сила (Н)

 

перемещение (м, град)

 

 

энергия (Дж)

 

 

момент инерции (кгм2)

 

длительность (с)

 

 

мощность (Вт)

 

 

масса (кг)

 

скорость (м/с, град/с)

 

 

КПД. (%)

 

 

импульс силы (Не)

 

ускорение (м/с3, град/са)

   

 

момент силы (Нм)

 

темп (1/с или 1/мин)

   

 

ритм

 

Примечания:

 

1. Единицы измерения кинематических  характеристик неодинаковы при  поступательном и вращательном  движении.

 

2. Термин КПД заимствован  из техники. В спорте этот  термин уточняется в соответствии  со следующей схемой преобразования  энергии в организме тренирующегося  или соревнующегося спортсмена: Е -> N -> V, где E - метаболическая  энергия, затраченная в единицу  времени; N - механическая мощность; V - скорость передвижения.

 

3. Используются следующие  коэффициенты: N/E - коэффициент механической  эффективности;

 

V/N - коэффициент использования  механической энергии; E/V - энергетическая (а также кислородная или пульсовая)  стоимость 1 метра пути; V/E - коэффициент  экономичности - величина, обратная  стоимости метра пути.

 

На сегодняшний день существует только один метод регистрации кинематических характеристик лыжника, обеспечивающий компромисс между требованиями высокой  точности измерений, надежности в работе и доступности широкому кругу  специалистов. Речь идет о том варианте методики циклографии, в котором  по предложению М.С.Шакирзянова на суставах спортсмена укрепляются уголковые  отражатели. При этом съемка ведется  обычным фотоаппаратом "Смена", перед объективом которого размещается  обтюратор (вращающийся диск с прорезями). В результате на фотопленке, а затем  и на фотоотпечатке фиксируются  ряды точек, соответствующие траекториям  голеностопного, коленного, тазобедренного, плечевого, локтевого и лучезапястного суставов, а также головы. Впрочем, уголковые отражатели можно легко  расположить в любой точке  тела спортсмена и спортивного инвентаря.

 

Полученные циклограммы  обрабатываются графическими способами, известными из вузовского курса биомеханики. Затем при наличии серийно  выпускаемой электронно-вычислительной машины (например, типа СМ-4) по алгоритмам, реализующим решение обратной задачи динамики, могут быть рассчитаны величины механической энергии отдельных  звеньев тела и всего тела. Эти  сведения чрезвычайно важны, поскольку  несут информацию о механической работе при вертикальных колебаниях общего центра масс, перемещении рук  и ног относительно общего центра масс, вертикальном перемещении общего центра масс на подъеме и т. д. Зная, как расходуется механическая энергия, можно попытаться целенаправленно  изменить технику движений таким  образом, чтобы энергия расходовалась  более эффективно. В настоящее  время методика уголковой циклографии и связанные с нею комплексы программ для ЭВМ проходят практическую проверку.

 

Таким образом, методы объективного контроля за кинематическими проявлениями техники лыжников продолжают оставаться достаточно сложными. Но предложенные в последнее время инструментальные методики позволяют надеяться на прогресс в этой области. Особый интерес  представляют регистрирующие системы  типа "Selspot" (Швеция) и им подобные, которые обеспечивают не только оптико-электронную  регистрацию кинематики движений, но и автоматический экспресс-анализ получаемых данных в реальном масштабе времени. Непосредственно по ходу движения автоматически  вычерчиваются графики изменения  скоростей, ускорений и т. п. В  литературе появились сообщения  о таких устройствах, пригодных  для работы при низких температурах воздуха.

 

Более доступны технические  средства для биомеханического контроля за тактикой в лыжных гонках и биатлоне. Как известно, при биомеханическом  контроле за тактикой регистрируются: способ передвижения на лыжах, темп и  длина шагов, дистанционная скорость, а в биатлоне еще и хронограмма  и результаты деятельности спортсмена на огневом рубеже. Способ передвижения, длину и частоту шагов, а также  деятельность биатлониста на рубеже регистрируют видеомагнитофонами, и  в этом случае их метрологические  характеристики вполне отвечают задачам  контроля. Для измерения скорости передвижения по дистанции применяются  фотоэлектронные измерители временных  интервалов, например типа ИСВИ (производства ВИСТИ). Они скомплектованы из блока  преобразования и индикации и  нескольких оптронных пар, каждая из которых состоит из светоизлучателя  и фотодатчика, размещенных по обе  стороны лыжни. С помощью такой  системы может быть измерена средняя  скорость сразу на нескольких отрезках дистанции; их число на единицу меньше числа оптронных пар. Средняя  скорость на каждом отрезке вычисляется  как отношение расстояния между  соседними оптронными парами к интервалу  времени, за который лыжник прошел это  расстояние. Прежде для подобных измерений  пользовались секундомером. Однако автоматизированные способы контроля гораздо точнее.

 

На рисунке изображена схема установки контрольно-измерительной  аппаратуры при контроле за тактикой преодоления подъема.

 

Схема установки контрольно-измерительной  аппаратуры при контроле за тактикой преодоления подъема:

 

А - вид сбоку; Б - вид сверху; В - график скорости преодоления подъема  спортсменами различной квалификации (1 - мастер спорта, 2 - перворазрядник (по неопубликованным данным А.А.Карпушкина и А.И.Головачева)

 

Контроль за динамическими  характеристиками двигательной деятельности в лыжных гонках и биатлоне в основном касается измерения силы взаимодействия рук и ног спортсмена со спортивным инвентарем. В разное время создавались  различные конструкции лыж и  лыжных палок, оснащенных чувствительными  тензодатчиками. Однако сложность телеметрической  регистрации тензограммы не позволила  до сих пор получить статистически  достоверные данные по величине усилий, развиваемых лыжниками-гонщиками  в естественных условиях тренировок и соревнований. По той же причине  тензометрированные лыжи и тензопалки не нашли еще должного применения в качестве тренажеров.

 

Иначе обстоит дело с использованием тензометрических устройств при  стрелковой подготовке биатлонистов. Тензодатчики, укрепляемые на спусковом  крючке винтовки, позволяют зарегистрировать усилия на спусковом крючке и более  целенаправленно осуществлять процесс  обучения эффективной технике стрельбы (см. сб. "Лыжный спорт", 1982, вып. 2).

 

Контроль за энергетикой  передвижения на лыжах осуществляется в процессе оптимизации двигательной деятельности. Здесь возможны два  случая: в первом критерием оптимальности  служит экономичность двигательной деятельности, во втором - наивысшая  производительность выполняемой спортсменом  механической работы (или, что практически  то же самое, наивысшая среднедистанционная  скорость). В первом случае биомеханический  контроль сводится к измерению энергетической стоимости метра пути как отношения  энергетических (метаболических) затрат к длине пройденной дистанции. В  практических целях почти всегда можно заменить показатель энергозатрат (за единицу времени) величиной частоты  сердечных сокращений. Контроль за экономичностью передвижения чрезвычайно  важный элемент технической и  тактической подготовки. В настоящее  время в этом вопросе наметилась отчетливая тенденция к переходу от интуитивных методов контроля к инструментальным (см. сб. "Лыжный спорт", 1979, вып. 1; 1980, вып. 1; с. 27-28, 1981, вып. 2).

 

Во втором случае, когда  основным критерием оптимальности  является производительность мышечной работы, необходимо находить такие  тактические варианты, при которых  энергетический потенциал спортсмена исчерпывается наиболее полно. Целесообразно  начать с выявления оптимального тактического варианта путем имитационного  моделирования соревновательной деятельности на ЭВМ с диалоговым режимом работы (см. сб. "Лыжный спорт", 1981, вып. 2). Затем рассчитанные оптимальные  хронограммы прохождения дистанции  можно использовать в качестве эталонов при контроле за тактикой соревновательной деятельности и в процессе тактической  подготовки.

 

Таким образом, в настоящее  время существуют все возможности  для использования идей, средств  и методов биомеханического контроля в тренерской и научно-исследовательской  практике. Лишь широкое внедрение  биомеханического контроля позволит постепенно создать научно обоснованные нормативы  биомеханических характеристик  для спортсменов разного возраста и квалификации, специализирующихся в лыжных гонках, биатлоне и других лыжных дисциплинах. Подобные нормативы, в свою очередь, позволят поднять методику технической и тактической подготовки спортсменов на новый, качественно более высокий уровень.