4. Механическая эффективность движений..

В видах спорта с преимущественным проявлением выносливости существует ряд факторов , определяющих эффективность двигательных действий и конечный результат движений.

С биомеханической точки зрения есть два различных пути повышения экономичности движений :

1)снижение величин энергозатрат в каждом цикле ;

2) рекуперация энергии , т.е. преобразование кинетической энергии в потенциальную и ее обратный переход в кинетическую. Рассмотрим каждый из них подробно

1-ый путь : снижение энергозатрат в каждом цикле

Количество метаболической энергии , освобождаемой в организме при движении , конечно, также как конечна скорость ее производства. Количество выработанной энергии определяется емкостью и мощностью трех энергетических систем : окислительной , лактатной и фосфогенной. От того , насколько эффективно используется вырабатываемая энергия , зависит спортивный результат. Основные способы экономизации спортивной техники сводятся к следующему:

а) устранение ненужных движений. Например. движения высококвалифицированных спортсменов в беге на средние и длинные дистанции характеризуются относительно малой величиной вертикальных колебаний ОЦМ ( 5.1- 5.6 см.) , что приводит к снижению энергетической стоимости пути.

б) устранение ненужных сокращений мышц. У квалифицированных спортсменов суммарное время активности мышц меньше . время расслабленного состояния больше , чем у начинающих. Достигается это за счет концентрации активности мышц. Например, характерным признаком высокого спортивного мастерства в скоростно- силовых видах спорта является импульсивность развития мышечных напряжений. Электромиограмма сжимается по оси времени при одновременном росте ее амплитуды . что указывает на развитие большей мышечной силы , при одновременном сокращении времени ее дейстывия.

в ) снижение внешнего сопротивления. Например, уменьшение сопротивления воды в плавании за счет выбора оптимального положения тела .Коэффициент механической эффективности составляет у пловцов 1-5 % (при наземных локомоциях человека 20-40 % ) и увеличивается по мере повышения квалификации . Энергетическая стоимость метра пути у пловцов международного класса примерно на 40 % ниже по сравнению с пловцами невысокой квалификации Из тормозящих сил наиболее значительна сила лобового сопротивления воды и сила сопротивления вихреобразования . Обе они уменьшаются при снижении угла атаки- угла между продольной осью тела и направлением движения. Следовательно , пловец должен выбрать положение тела по - возможности горизонтальное и вытянутое в направлении передвижения.

г) выбор оптимального соотношения между силой действия и скоростью рабочих движений. В некоторых видах спорта ( велосипед, гребля) можно сохранить одну и туже скорость передвижения при разном соотношении силы действия и скорости отдельных движений. Для каждой заданной скорости передвижения ( мощности ) существует свое оптимальное соотношение между силой действия и скоростью рабочих движений. Например, при велосипедном педалировании энергетический оптимум соответствует 60- 70 об/мин.

д) выбор оптимального соотношения между длиной шага и частотой шагов .

На рис 1 показано . как изменяется расход энергии при ходьбе с одной и той же скоростью , но при разном соотношении длины и частоты шагов. Оптимум энергозатрат обозначен толстой линией , идущей из левого нижнего угла в правый верхний Если длина и частота шагов соответствует точкам данной линии , затраты энергии на 1 м. пути минимальны.при выбранной скорости передвижения.

Анализ техники бега на средние и длинные дистанции (Г.И.Попов, В.Д.Кряжев) , проведенный на группе высоко квалифицированных бегунов , показал, что повышение соревновательной скорости с 5,8 до 8,3 м/сек происходит в основном за счет удлинения бегового шага от 151 см. до 234 см. при слабо возрастающих значениях темпа ( 3,33 до 3.57 Гц ). Следовательно, увеличение механической работы в шаге при повышении скорости бега происходит за счет больших перемещений звеньев в пространстве При этом. увеличение соревновательной скорости на 2 м/с требует увеличения полной мощности механической работы звеньев тела бегуна по верхней оценке с 750 до 1500 Вт. , т.е. прибавка скорости на 1 м/ с « стоит «в среднем 475 Вт.

Рис. 1

Расход энергии при ходьбе с разным соот­ношением длины и частоты шагов (Атцлер и Хербст).

2-ой путь- рекуперация энергии

Если бы тело представляло собой отдельные сегменты, кото­рые двигаются так же, как при движении человека, то затраты энергии были бы в 3 — 5 раз больше, чем в действительности. Вслед­ствие сохранения механической энергии тела метаболические ис­точники мышц подводят только 20 —35 % необходимой энергии в естественных локомоциях. В настоящее время считается, что со­хранение и повторное использование (или рекуперация) механи­ческой энергии происходит за счет действия трех механизмов:

1. перехода кинетической энергии в потенциальную энергию гравитации и обратно;

2. перехода (или передачи) механической энергии от одного звена к другому;

3. перехода кинетической энергии движения в потенциаль­ ную энергию деформации мышц и сухожилий и обратно.

Во время бега с любой скоростью сохраняется около 80 % пол­ной механической энергии звеньев тела. С ростом скорости пере­движения существенно увеличивается доля энергии, сохраненной за счет ее передачи между звеньями тела, и уменьшается ее пере­дача за счет перехода кинетической энергии движения в потенци­альную в поле силы тяжести и обратно.

Первый механизм рекуперации. Сохранение полной энергии по этому механизму требует строго противофазного изменения ки­нетической и потенциальной фракций энергии. Такое явление на­блюдается не во всех звеньях тела. Например, в беге и ходьбе по­тенциальная и кинетическая энергии стопы одновременно дости­гают нулевого значения в опорной фазе. Чем выше над опорой располагается звено, тем больше энергии оно может сохранить. Считается, что первый механизм рекуперации энергии обеспечи­вает в целом в естественных локомоциях экономию энергии в диапазоне 12 — 23%.

Второй механизм рекуперации. Механическая энергия может передаваться от звена к звену тела человека двумя путями: за счет воздействия через суставные сочленения посредством контактных сил, совершающих работу по изменению энергии соседнего зве­на; за счет действия мышц (односуставных, а также двусустав-ных, передающих энергию через два сустава от звена к, звену, непосредственно несоединенным суставным сочленением).

По различным оценкам рекуперирование энергии по механиз­му ее передачи от звена к звену составляет от 30 до 42 % от пол­ной энергии.

Третий механизм рекуперации энергии. Вследствие того что мышцы человека работают только на сокращение, основному движению предшествует движение в противоположном направлении. Проис­ходящее в таких предварительных движениях растяжение мышц приводит к накоплению в них энергии упругой деформации, ис­пользуемой затем в основном движении. Если быть совсем точным , то растягиванию подвегаются мышечно- сухожильные структуры .

Степень использования энергии упругой деформации зависит от условий выполнения движений, в частности от времени между растягиванием и укорочением мышц. При увеличении паузы меж­ду предварительным растягиванием и последующим укорочением за счет релаксации мышц и сухожилий снижается энергетическая экономичность, а значит, и эффект выполнения основного уп­ражнения. Интервал времени, за который должна накопиться и использоваться энергия упругой деформации, определяется по­стоянной времени релаксации, например для сгибания коленно­го сустава она равна 1,4 с (R. Margaria et al, 1963).

Если время движения больше времени релаксации, накоплен­ная энергия полностью рассеивается и последующая фаза движе­ния полностью осуществляется за счет метаболической энергии мышечного сокращения.

П. Коми, К. Боско (С. Bosco) (1978) писали, что свойство мышц накапливать энергию упругой деформации коррелирует с процен­тным соотношением быстрых и медленных мышечных волокон: чем выше процент медленных волокон, тем лучше используется энергия упругой деформации.

По разным данным рекуперация энергии в мышечно-сухожиль-ных структурах составляет от 6 до 37 %. Такой большой разброс объясняется тем, что исследовали различные мышцы и условия опытов не были полностью идентичны, кроме того, испытуемые были различного возраста и уровня физической подготовленности.