1.2. Биомеханические и физиологические исследования различных способов педалирования

Биомеханическая структура педалирования изучалась как отечественными, так и зарубежными исследователями (Dickinson S., 1928, 1929; Е.А. Котикова, 1939; Е.Г. Котельникова, 1939; W.O. Fenn, 1937; Г. Мархольд, 1967; Hoes M.S., 1968; P.M. Раги-мов, 1966; А.В. Седов, 1966 и др.). Наиболее полно биомеханика спортивного педали­рования исследовалась Л.В. Чхаидзе (1958-1970), проводившем эксперименты на сильнейших отечественных и зарубежных велосипедистах. Исследованию подверга­лись: координационная структура педалирования (по биомеханическим характери­стикам и по данным электромиографии -ЭМГ) и экономичность педалирования - по данным ЭМГ. Показатели были получены при педалировании в различных условиях: варианты посадки, степень стабилизации двигательного навыка, различные темпы педалирования, переключения, изменения величины сопротивления.

P. Huqh - Johnes (1947) и позднее Е.А. Котикова (1953) методом газообмена об­наружили зависимость энергетической стоимости педалирования от посадки велоси­педиста. Наименьший расход энергии наблюдался при расположении седла в опти­мальной по вертикали и горизонтали зоне сзади оси каретки велосипедиста.

Изучая динамику усилий в зависимости от посадки велосипедиста, Л.В. Чхаид­зе (1958) установил, что положение седла в переднезаднем направлении определяет угол между звеньями ног, изменяет характеристики нагрузки при вращении педалей, а также и расход энергии. Им определена наиболее приемлемая посадка - "центро­вая".

Исследование посадки методом ЭМГ провели Е.Г. Котельникова и Ю.З. Захарьянц (1962). На велостанке при педалировании с частотой 80 об/мин исследова­лась электрическая активность мышц при трех вариантах посадки: "центровой", при смещении седла на 4 см назад и при смещении седла на 4 см вперед. Обнаружилось, что смещение седла вперед способствует более полному и длительному использова­нию усилий, что требуется при больших кратковременных нагрузках. Смещение сед­ла назад выгодно для более экономного расходования сил, более равномерного рас­пределения нагрузки на мышцы ног. Кроме того, у мастеров спорта существенно расширяется диапазон работы мышц во второй половине цикла. Нога активно под­нимается вверх за счет сокращения сгибателей бедра. Сгибатели голени играют вто­ростепенную роль; сгибатели стопы (передняя большеберцовая) активна, она направ­ляет педаль. Для обычных локомоций (ходьба) эти движения нетипичны, в связи с чем они представляют определенную трудность при освоении и требуют при обуче­нии специального внимания. Чем выше мастерство велосипедиста, тем короче период активности мышц и продолжительнее период расслабления в цикле, что вполне со­гласуется с положениями Н.А. Бернштейна о третьей стадии становления движения (1947,1966). Однако, заметим, что при более высоких нагрузках - увеличенном со­противлении (Л.Г. Кучин (1958); Л.В. Чхаидзе (1961); Г. Мархольд (1967)) происхо­дит расширение старых и поиск новых зон приложения усилий в цикле, повышается длительность работы и биоэлектрическая активность мышц. Л.Г. Кучин (1966) обна­ружил, что при большом сопротивлении наблюдается наибольшая вариативность ак­тивности мышц, в то время как вариативность динамограмм изменяется незначитель­но. Это также подтверждает положение Н.А. Бернштейна о том, что вариативность координации обеспечивает стабильность результирующего движения (1947).

Наблюдалось также строгое соответствие между длительностью приложения усилий и величиной сопротивления, отмечалась нелинейная зависимость изменений максимальных значений амплитуды усилий от величины сопротивления. При относи­тельно невысоком сопротивлении амплитуда постепенно возрастала, а в дальнейшем импульс силы увеличивался, в основном, за счет расширения зоны приложения уси­лий. При больших сопротивлениях использовался весь путь движения педалей и, ско­рее всего, почти все резервы энергии конечности как движителя. Л.Г. Кучин отмечал также, что включение в работу дополнительных двигательных единиц, использование для приложения усилий относительно менее выгодных зон траектории педалей при­водит, по-видимому, к тому, что регистрируемая вариативность электроактивности мышц обеспечивала стабильность результирующих усилий конечности в целом.

В работах Л.Г. Кучина (1960,1966) выявлено, что с повышением квалификации увеличивается количество навыков, которыми владеет спортсмен, и повышается спо­собность к режиму выполняемой работы. Выяснилось, что новички уже в первой по­пытке демонстрируют умение развивать усилие в передней зоне (от 40° до 130°). На остальном пути усилия у них отсутствовали. Автор объяснил это переносом навыка некоторых видов ходьбы (вероятнее всего - ходьбы в гору и вверх по лестнице -Г.М.) и согласованием со смыслом двигательной задачи. У новичков отмечена также наибольшая вариативность исследуемых показателей при максимальном темпе и ми­нимальном сопротивлении, автор объяснил это большим лимитом времени и малой внешней афферентацией по силовым характеристикам. Исследования, проведенные на велогонщиках высших разрядов, обнаружили резкие различия в динамограммах в разных режимах работы. У мастеров спорта наблюдалось строгое соответствие между длительностью прилагаемых усилий и величиной сопротивления. Вращение в макси­мальном темпе с малым сопротивлением характеризуется большой стереотипностью электрической активности мышц. Однако форма динамограммы в этом режиме не от­личалась от формы динамограммы у начинающих велосипедистов. У спортсменов высокого класса частота появления циклов с неизменной площадью электрической активности мышц значительно больше, чем аналогичный показатель у новичков. Былa установлена практически одинаковая частота разных по времени последующих циклов у новичков и мастеров спорта, которая, как это показал автор, имеет в основе различные механизмы стабилизации времени цикла.

Влияние вариаций темпа педалирования на его биомеханическую и ЭМГ-струтктуру было предметом специальных исследований. В.М. Девишвили и М.Л. Мирский (1966) обнаружили, что переход на более высокий темп педалирования про­исходит за счет укорочения времени развития активных усилий при постоянстве их величины. Л.Г. Кучин (1966) отмечал, что при максимальном темпе вариативность электрической активности мышц и величина усилий наибольшие при минимальном сопротивлении характерна для новичков, а у мастеров спорта обнаружена большая стереотипность электрической активности мышц при незначительном уменьшении вариативности динамики величины усилий. Автор объясняет это тем, что сложив­шийся навык отражается в стереотипности электромиограмм.

М.Д. Азатян изучал влияние переключения с одного способа на другой на ди­намику работоспособности велосипедиста (1964). В лабораторном эксперименте он установил, что переключение с обычного на реверсивное педалирование сопровожда­ется изменением характера ЭМГ работающих мышц: изменяются продолжительность и последовательность активации одних и тех же мышечных групп. Положительный эффект, полученный при сочетании обычного и реверсивного педалирования, имеет прямое отношение к феномену "активного отдыха". Однако, в условиях гонок увели­чения скорости езды не наблюдалось - вследствие утяжеления реверсивной установ­ки и менее экономичной передачи ею усилий.

Процессы перехода от одного режима педалирования к другому при изменении внешнего сопротивления изучали В.М. Девишвили, 1966; В.М. Девишвили и М.Л. Мирский, 1966. Ими показано, что при увеличении нагрузки на 15,5 кг, 10 кг, 25 кг наиболее существенную роль играют время падения усилий и длительность приложе­ния сил в одном обороте. Авторы отметили, что значения коэффициента вариации длительности приложения силы определяются сопряженным варьированием ее со­ставляющих - времени нарастания и времени падения усилий. Отмечено также, что эти два параметра демонстрируют компенсаторное сочетание изменений, приводящее к стабилизации значений суммарного показателя. Выяснилось, что наиболее быстрое достижение стабильности нового уровня суммарного показателя (времени цикла) имеет место при переключениях с "легких" режимов на "тяжелые". Это объяснялось как результат увеличения афферентной информации от работающих конечностей вследствие увеличения внешнего сопротивления. В.М. Девишвили обнаружил также, что при постоянном темпе переход от одного к другому режиму педалирования вследствие увеличения внешнего сопротивления осуществляется за счет изменения величин максимального усилия, за счет компенсаторного увеличения активных уси­лий. Процессы перехода на более "тяжелые" режимы педалирования характерны уменьшением "возмущений" в динамической структуре. Наконец, точность и ста­бильность мышечных усилий оказалась ниже при отсутствии сопротивления и воз­растала с его увеличением.

И.П. Ратов (1966) отметил, что к явлениям минимизации отклонений двига­тельной функции можно отнести уменьшение количества изменений направлений вектора на вектородинамограммах педалирования, полученных при возрастании со­противления на колесе велоэргометра.

Е.А. Мухаммедова (1953) изучала влияние сбивающих воздействий на коорди­нацию работы мышц в циклических движениях. Испытуемым, вращавшим педали ве­лоэргометра в невысоком темпе при малом сопротивлении, предлагалось незначи­тельно напрягать мышцы верхних конечностей, шеи, головы. Во время напряжения темп вращения педалей увеличивался на 30%. Важно отметить, что при подаче ус­ловного сигнала о предстоящей работе и при сосредоточении внимания на темпе вращения, также было отмечено его увеличение. Автор объясняет эти явления нали­чием условно-рефлекторной связи между темпом вращения (его увеличением) и ин­тенсивностью напряжения мышц тела.

Анализируя приведенные выше данные, следует отметить отсутствие стандарт­ности условий экспериментов и сведений о мощности работы и координационных взаимоотношениях активности мышц верхних и нижних конечностей и туловища, что затрудняет исследование эффективности вращения как в случаях равномерного внешнего сопротивления, так и влияния его увеличения на поведение сложной систе­мы (какой является вращение педалей), в частности, на поиск оптимальных вариантов вращения в различных условиях.

РА. Ахундов, И.К. Сивков (1966) в естественном эксперименте на шоссе выяс­няют, что, чем выше квалификация гонщика, тем с более равномерной частотой педа­лирования он преодолевает участки дистанции различного профиля.

В.М. Девишвили (1966), P.M. Рагимов (1966) в лабораторных исследованиях методом тензометрии обнаружил и усилия, прилагаемые руками к трубе руля, и опорно-боковые усилия на седле. Наличие усилий рук на руле подтвердил А.В. Седов (1967) в езде в естественных условиях - как в стартовом разгоне, так и в езде по пря­мой. Количественных характеристик этих условий автор не привел.

P.M. Рагимов (1966), основываясь на данных газообмена, выяснил, что при по­стоянной мощности наиболее экономично педалирование в темпе 60-90 об/мин. В этом режиме длительность педалирования больше, т.к. расход энергии на перемеще­ние звеньев кинематической цепи относительно невелик, а КИИС - наибольший по сравнению с более "быстрыми" режимами. Этот режим рекомендован автором как оптимальный темп в индивидуальной шоссейной гонке.

Л.В. Чхаидзе, изучавший технику педалирования мастеров спорта, показал (1958, 1959), что техника встречается в двух вариантах. В первом зарегистрирована активная проводка педали в верхней зоне и длительное поддерживание этого усилия на максимуме. Подтягивание педали происходит, когда противоположная нога начи­нает нажим на педаль. Во втором начало нажима на педаль приходится на середину первой четверти цикла и отличается более коротким поддерживанием максимума усилия; подтягивание педали происходит после того, как другая нога завершила на­жим на свою педаль. Кроме того, Л.В. Чхаидзе выяснил, что у мастеров усилия отме­чаются на всем протяжении цикла, а у начинающих - только нажим в передней зоне.

Л.Г. Кучин (1966) изучал изменения электрической активности мышц и динамографических характеристик педалирования при первых признаках наступления утомления. Он обнаружил выраженные фазы врабатывания, устойчивого состояния и некоторые изменения координационной структуры движения к окончанию работы, отмечаемые в ЭМГ. Несмотря на сохранение общего рисунка движения, в ЭМГ на­блюдается некоторая вариативность по отдельным параметрам, особенно - у спорт­сменов низкой квалификации. К сожалению, Л.Г. Кучин не рассматривал особенно­сти динамики координации работы мышц в состоянии предельного утомления, при отказе от продолжения работы, что особенно важно для выяснения поведения слож­ной динамической системы в экстремальных условиях.

Л.В. Чхаидзе (1958-1961) использовал тензометрию для определения полезной и затраченной мощности при педалировании; их соотношения он обозначил индексом КИИС -"коэффициент использования импульса силы". У новичков на необорудован­ной педали КИИС = 52; при применении шипов, туклипсов, ремней КИИС =57; у мастеров спорта - от 71 до 90,6%. Наивысшее значение КИИС отмечено у В. Капито­нова за 4 месяца до его золотого олимпийского финиша в групповой шоссейной гонке в Риме: 94,1%. Л.В. Чхаидзе установил, что при круговом педалировании у велосипе­дистов высшей квалификации нет принципиальных различий в последовательности напряжений и расслаблений мышц. Но из всех обследованных советских и зарубеж­ных гонщиков только у двоих - у чемпиона СССР В. Крючкова и автора настоящей работы чемпиона СССР и рекордсмена мира Г. Мартынова обнаружен необычный способ педалирования. Максимум усилий они развивали не так, как другие - в перед­ней зоне, а в задней, с активной проводкой и проталкиванием, в передней же зоне усилия отсутствовали. КИИС был достаточно высок - 84,2%. Отмечалось и перерас­пределение электрической активности мышц в цикле. Этот факт свидетельствует о том, что возможны варианты биомеханического варьирования усилий, а способность эффективно организовать усилия в различных зонах цикла педалирования создает возможность создания условий для отдыха отдельных групп мышц без прекращения рабочих движений - переключениям усилий на мышцы, менее утомленные в данный момент.

Применение тензометрического метода регистрации усилий позволило Л.В. Чхаидзе (1961) определить величину и динамику усилий при прохождении педалью верхней и нижней зон. Усилия при прохождении этих зон оказались довольно высо­кими, однако значительно уступали усилиям при нажиме в передней зоне. Из этого факта следует, что усилия прикладываются к шатунам на протяжении всего цикла вращения, однако невозможно создать равномерного распределения усилий: они снижаются при проводке и проталкивании педалей. Эта неравномерность усилий сглаживается инерцией системы велосипед-велосипедист, и заметить ее визуально практически невозможно, хотя эти колебания теоретически имеют место.

Л.В. Чхаидзе исследовал также и влияние темпа педалирования на величину КИИС. Им обнаружена прямая зависимость: с увеличением темпа КИИС изменяется; высшее значение КИИС зарегистрировано при частоте 96 об/мин - 94,1%.

К сожалению, исследования КИИС, проведенные Л.В. Чхаидзе, не были обес­печены стандартными условиями: испытуемые педалировали на различных велосипе­дах, на различных по длине шатунах и передачах, в режимах, избираемых самим гонщиком. Поэтому сравнение техники велосипедистов и их КИИС несколько некор­ректно.

Л.В. Чхаидзе внес существенный вклад в исследования техники педалирования. Основные выводы по его работам:

1. Приложение в цикле усилий возможно во всех четырех зонах.

2. Велосипедисты высокой квалификации владеют различными способами пе­далирования, в том числе - круговым, с перепадом усилий, характерным для их инди­видуальных особенностей, в том числе технического мастерства.

3. По критерию КИИС круговой способ педалирования является наиболее эко­номичным и эффективным.

4. При круговом способе педалирования минимальные значения импульса силы отмечены в верхней и нижней зонах цикла - проталкивании и проводке.

5. У большинства испытуемых усилия на левой и правой ноге неодинаковы по величине.

6. Автор рекомендует подбирать упражнения для развития слабо подготовлен­ных групп мышц.

А.В. Седов, также проводивший исследования техники педалирования с помо­щью тензометрии, утверждает преимущественное использование импульсного, а не кругового педалирования: он обнаружил усилия только при нажиме и подтягивании. Согласиться с его утверждением нельзя: в своих экспериментах он использовал толь­ко датчик вертикальных усилий, в связи с чем горизонтальные усилия (при проталки­вании и проводке) им просто не регистрировались, что, естественно, не означает их отсутствия. Доказательством может быть исследования педалирования ЗМС Ю. Ме­лихова - мастера с устойчивым навыком педалирования. В исследованиях Л.В. Чха­идзе, применявшего датчики горизонтальных и вертикальных усилий, зарегистриро­ваны усилия во всех 4-х зонах. В исследованиях А.В. Седова, применявшего только датчики вертикальных усилий, горизонтальные усилия не обнаружены. А.В. Седов мог бы сделать вывод об отсутствии вертикальных усилий в передней и задней зонах и типичности импульсного педалирования с усилиями при проводке и проталкива­нии, если бы поставил на педали только датчики горизонтальных усилий.

Работы Л.В. Чхаидзе дали толчок работам Г. Мархольда (ГДР, 1967). В лабора­торных экспериментах, участниками которых были члены сборной команды ГДР, ис­пользовался велостанок с гидравлическим тормозом и заданными нагрузками трех степеней - 1,5; 2,5 и 3,0 килопонд. Было отмечено: "У советских велогонщиков при известных условиях тенденция к круговому педалированию проявляется очень четко. При исследованиях наших велогонщиков были выявлены значительные отклонения векторов силы по касательной". Г. Мархольд считает, что полученные коэффициенты использования импульса силы (КИИС) изменяются с возрастанием нагрузки. Опти­мум является показателем интуитивной адаптации при высокой и частично при сред­ней степени нагрузки.

Автор приходит к следующим выводам:

1. Обнаружен недостаток в распределении сил по касательной; устранению этого следует уделять специальное внимание.

2. Цифровые данные динамографических и миографических исследований да­ют основание для оценки уровня специальных навыков;

2. Работа над техникой возможна при наличии средств мгновенной (в отечест­венной литературе - "сверхсрочной" /напр. М. Боген (1985), В. Филиппович, Э. Петросян (1974)/ информации, которую нужно подавать в простом для восприятия виде.

3. Результаты исследования можно использовать для применения в трениро­вочной работе и в других видах спорта.

Проблема экономичности техники педалирования в зависимости от величины амплитуды работы стопой в голеностопном суставе активно обсуждается специали­стами (П.Д. Миронов, 1956; G. Costa, 1960; Ж. Рюффье, 1960). Эта группа авторов от­дает предпочтение динамичной работе стопы - тыльному разгибанию в верхней и по­дошвенному сгибанию в нижней зонах, считая, что эти движения способствуют фор­мированию усиленного проталкивания и проводки. Н.И. Петров (1965) не давая экс­периментального подтверждения или биомеханического обоснования, утверждает, что движение в голеностопном суставе неэкономичны, являются лишними, а актив­ные воздействия на педаль в верхней и нижней зонах - утомительными и нецелесооб­разными. Он предлагает выдерживать угол стопа-голень около 110° на протяжении полного цикла и применять только импульсный способ, развивать лишь в передней и задней зонах.

Р. Чижиков, обладающий центровой посадкой, реализовал рекомендации Н.И. Петрова. Его КИИС, определенный Л.В. Чхаидзе, - 58,7%. Другой гонщик такого же класса, В. Капитонов, педалировавший круговым способом с широкой амплитудой работы стопы показал КИИС 91,4%, а его усилия были зарегистрированы во всех точках цикла с направлением, близким к касательным к окружности вращения. Явно преимущество В. Капитонова в экономичности педалирования.

Л.Г. Кучин (1960) исследовал технику и экономичность педалирования при ез­де по равнине и при подъеме в гору с регистрацией усилий динамометром собствен­ной конструкции , определявшим суммарные тангенциальные усилия на велоцепи (индикатор равномерности). Выявлено, что при езде по равнине суммарные тангенци­альные усилия регистрируются на протяжении цикла (что определяется как относи­тельно равномерное натяжение цепи), а при езде в гору возрастают максимальные усилия и усилия в верхней я нижней зонах. При этом, если гонщик использует работу стопы с широкой амплитудой, то по сравнению с работой при фиксированном поло­жении стопы, количество пиковых значений усилий в цикле уменьшается, а усилий в верхней и нижней зонах увеличивается. При педалировании с фиксированной стопой увеличиваются максимальные усилия в передней и задней зонах, а в нижней и в верх­ней их прирост незначителен. Регистрация усилий двух членов сборной СССР - С.М-ина (стопа фиксирована) и Г. М-ва (стопа активно работает с широкой амплитудой) при одинаковой скорости подъема в гору длиной 2 км (финиш групповой гонки) об­наружила, что С.М-н развивает максимальное усилие в цикле 220 кг, а Г.М-ов - лишь 180, т.е. экономичнее на 18%, что и обусловило победу второго в гонке. Эти данные позволяют утверждать, что работа стопы с широкой амплитудой обеспечивает увели­чение тангенциальных усилий и продвижение педалей в верхней и нижней зонах, ус­реднение усилий в цикле при снижении затрат усилий и энерготрат.

Эти результаты Л.Г. Кучина, полученные в естественном эксперименте, под­тверждаются результатами, которые получил Г. Мархольд (1967) в лабораторных ис­следованиях. Применяя тензометрическое измерение усилий, автор обнаружил, что увеличение амплитуды движения стопы при выполнении стандартной работы сопро­вождается увеличением касательных компонентов усилий (тангенциальных состав­ляющих - Г.М.) на 5-10%, т.е. экономизацией педалирования. При увеличении на­грузки эта экономизация становится более выраженной. Как и Л.Г. Кучин, Г. Мархольд исследовал технику велосипедистов высшего класса - членов сборных команд СССР и ГДР, что позволяет считать результаты их исследований подтверждающими концепцию экономичности и биомеханической целесообразности кругового педали­рования.

Работы отечественных и зарубежных авторов наводят на мысль, что при иссле­дованиях техники в лабораторных условиях целесообразно моделировать нагрузку, адекватную соревновательной.

Выяснение рациональной техники педалирования породило проблему пере­стройки сложившихся двигательных навыков у спортсменов - как начинающих, так и опытных. Для этого потребовалось и методы, обеспечивающие освоение новых вари­антов педалирования, в частности, кругового с более равномерным распределением усилий в цикле. Такого рода переучивание связано с формированием "сенсорных коррекций" при сложившихся двигательных стереотипах. Возможность сенсорных коррекций при формировании требуемых свойств двигательных структур и их осо­бенностей при освоении техники педалирования была показана Л.В. Чхаидзе (1964, 1966), а затем - В.М. Девишвили (1969) и Л.В. Чхаидзе с сотр. (1970).

В.М. Девишвили исследовал эффективность визуальной информации для фор­мирования корректирующих сигналов. Он использовал для этого осциллоскоп, на эк­ран которого по ходу педалирования поступали сведения о векторах усилий, прило­женных к педалям, а также визуальную информацию, сочетаемую со звуковой, пода­ваемой электромеханическим лидером и, наконец, сочетание визуальной информации о векторах усилий со звуковой информацией от электромеханического лидера. Также исследовалась эффективность коррекции по огибающим (интегрирующим) кривым электрической активности мышц-антагонистов в векторной форме. Было показано, что коррекция по визуальной информации о векторах интегрированной электриче­ской активности мышц, полученной с использованием средств экспресс-анализа, по­зволяет добиваться формирования устойчивой координации работы мышц в требуе­мых режимах и существенного уменьшения вариативности кинематических и дина­мических характеристик педалирования.

В экспериментах Л.В. Чхаидзе с сотр. (1970) испытуемые осваивали круговой способ педалирования, наблюдая на экране осциллоскопа динамическую структуру своего педалирования - величину и характер суммированных усилий от датчиков вертикальных и горизонтальных составляющих усилий на правой и левой педалях. Испытуемые, ранее не знакомые с круговым педалированием, осваивали этот способ по специально разработанной программе, улучшая педалирование от занятия к заня­тию, а к концу эксперимента овладели этим способом. К сожалению, авторы публи­кации не указали мощность и длительность работы в каждом занятии, не привели сведений о величине и характере тангенциальных (полезных) составляющих, о ста­бильности выработанных навыков. Несмотря на малое число испытуемых (5 человек II и I разряда) и малое количество занятий (всего 5), можно утверждать, что примене­ние наглядной и звуковой информации о характере и распределении усилий в цикле вращения позволяет повысить качество сенсорных коррекций, а время формирования исправленного или нового навыка значительно укоротить по сравнению с временем переучивания (изучения) традиционными методами (без сверхсрочной информации о характере усилий).

* * *

Анализ литературы по проблемам биомеханических основ и энергетики раз­личных способов педалирования выявил недостаточность имеющихся данных для обоснования оптимальной техники и тактики соревновательной деятельности. Дан­ные, полученные различными авторами, говорят о преимуществах того или иного способа, однако они получены в различных условиях, не отражают общих закономер­ностей регулирования работоспособности, а поэтому пригодны лишь для ограничен­ного круга исполнителей и ситуаций.