Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биомеханика физических упражнений. Учебное пособие
.pdf
Тема 5. МЕХАНИЗМЫ УПРАВЛЕНИЯ
ДВИЖЕНИЯМИ СПОРТСМЕНА
5.1. Безопорное состояние
5.1.1. Биомеханика сгибательно-разгибательных
движений спортсмена в суставах в безопорном состоянии
при отсутствии начального вращательного импульса
Изменение позы спортсмена в полетной части упражнения может привести к различным последствиям, которые определяются
величиной начального вращательного импульса. Под начальным
вращательным импульсом понимается величина кинетического
момента
опорном состоянии определяется зависимостью
Здесь
ходящей через его центр масс;
Для биомеханической системы величина кинетического момента определяется суммой кинетических моментов его отдельных
звеньев. Например, для трехзвенной модели биомеханической системы (в которой руки – первое звено, туловище с головой – второе, ноги – третье) кинетический момент всей системы
К биомеханической системы, который для тела в без-
K = J
J – величина момента инерции тела относительно оси, про-
– угловая скорость тела.
. (5.1)
К равен
К = К1 + К2 + К
Следует помнить, что в полетной части упражнения
щения является
ханической системы.
Рассмотрим следующий пример: батутист совершает прыжки
на батуте.
151
ось, проходящая через общий центр масс биоме-
. (5.2)
3
осью вра-
В крайней верхней точке вылета вверх спортсмен по заданию
тренера должен выполнить двигательное задание: совершить сгибание ног в тазобедренных суставах до угла между ногами и туловищем в 90°. Необходимо определить, в каком положении окажутся звенья тела спортсмена после выполнения поставленного двигательного задания.
При решении данной задачи будем
положения:
в полетной части упражнения величина кинетическо-
го момента биомеханической системы не изменяется
данного положения сводится к тому, что в безопорном состоянии
величина кинетического момента тела спортсмена является
стантой
звеньев тела спортсмена, являющихся результатом решения поставленной двигательной задачи:
батутиста остаются на месте, занимая вертикальное положение, а
ноги принимают горизонтальное положение (рис. 5.1, II). Возможно также и вращательное движение всей биомеханической системы по сальто назад (рис. 5.1, III).
а туловище и руки, вращаясь вперед, приходят в горизонтальное
положение (рис. 5.1, IV). Можно также рассматривать и вращательное движение спортсмена по сальто вперед (рис. 5.1, V).
и в конечном положении и ноги и туловище с руками отклоняются от
исходного вертикального положения на 45° (рис. 5.1, VI).
законе сохранения кинетического момента биомеханической системы в полетной части упражнений. Заметим, что в исходном положении перед началом выполнения
звенья тела имели нулевую угловую скорость. Поэтому
и определяется начальными условиями движения.
За основу возьмем несколько возможных конечных положений
1.
Предположим, что в конечном положении руки и туловище
2.
Аналогично, ноги в конечном положении остаются на месте,
3.
Руки и туловище совершают поворот навстречу движению ног
Биомеханический анализ возможных положений построим на
кинетический момент биосистемы был равен нулю.
Первое конечное положение (рис. 5.1, II) для нас неприемлемо;
так, в этом случае в результате вращения ноги приобретают вра-
исходить из следующего
. Сущность
кон-
двигательного задания все
исходный
152
щательный импульс, и кинетический момент всей биосистемы не
будет равен нулю (первоначально имеющемуся). Тем более биомеханически необоснованным является вращение спортсмена по
сальто назад (рис. 5.1, III), так как в этом случае вращательный
импульс приобретают все звенья тела спортсмена – закон сохранения кинетического момента нарушается.
Рис. 5.1. Возможные положения батутиста
после выполнения двигательного задания
По этим же соображениям неприемлемым являются четвертое и
пятое конечные положения батутиста (рис. 5.1, IV, V), так как в
результате вращения туловища и рук они приобретают определенную величину кинетического момента, и кинетический момент
всей биомеханической системы в конечном положении будет отличаться от нуля.
Реальному движению будет соответствовать шестое анализируемое положение (
рис. 5.1, VI). Действительно, при движении туловища и рук навстречу ногам как ноги, так и туловище с руками
приобретают определенную величину кинетического момента.
153
Но учитывая, что кинетический момент – векторная величина
(имеет модуль и направление), алгебраическая сумма положитель-
ного и отрицательного значений кинетического момента ног и туловища с руками останется по-прежнему равной нулю. Закон сохранения кинетического момента не нарушен.
В заключение остается отметить, что угол поворота звеньев тела спортсмена будет
чем больше момент инерции, тем на меньший угол совершается
поворот. Допустим, что при выполнении рассмотренного выше
двигательного задания момент инерции туловища, головы и рук в
два раза больше момента инерции ног спортсмена. В этом случае
первая биокинематическая цепь совершает поворот на 30°, а ноги – на 60°.
ше момента инерции туловища, головы и рук, то в этом случае ноги совершают поворот на 30°, а туловище, голова и руки – на 60°.
Следовательно, для рассматриваемой биомеханической закономерности зависимость
ции туловища, головы и рук
столько раз меньше
цепи по отношению к ногам. И наоборот.
Таким образом, при выполнении спортсменом сгибательных
движений в суставах в полетной части упражнений звенья тела
совершают
И наоборот, если момент инерции ног в два раза боль-
противонаправленные повороты на величину угла,
определяемого обратной зависимостью соотношения их моментов инерции
Данную закономерность следует учитывать в педагогическом
процессе. Допустим, что тренер при объяснении техники сальто
назад с места в группировке поясняет занимающемуся, что для
выполнения упражнения необходимо выпрыгнуть как можно выше
вверх и в крайнем верхнем положении резко подтянуть ноги к
плечам. Несомненно, данная трактовка техники выполнения
упражнения является методической ошибкой,
ноги будут совершать вращение к плечам, но и плечи, в свою очередь, будут двигаться к ногам.
.
определяться величиной их момента инерции:
обратная: во сколько раз момент инер-
больше момента инерции ног во
и угол поворота первой биокинематической
так как не только
154
5.1.2. Механизмы управления скоростью вращения
звеньев тела спортсмена в полетной части упражнения
при наличии начального вращательного импульса
Если спортсмен обладает определенным запасом кинетического
момента в полетной части упражнения, то сгибательноразгибательные движения в суставах влияют на величину изменения угловой скорости биомеханической системы. При анализе этого явления будем исходить из того факта, что в положении группировки момент инерции тела спортсмена относительно оси вращения, какой является
меньше, чем в положении «стойка – руки вверх», когда звенья тела
расположены на одной прямой.
Примем условно, что момент инерции тела спортсмена в выпрямленном положении равен единице. В этом случае момент
инерции биомеханической системы в положении группировки равен 0,25 единицы. Рассмотрим на примере упражнения «
назад в группировке» в акробатике изменение величины угловой
скорости биомеханической системы после принятия спортсменом
группировки в полетной части упражнения.
Допустим, в момент отталкивания на сальто угловая скорость звеньев тела составляла 6 рад/с. Отход на сальто выполнялся выпрямленным телом в положении руки вверху. Тогда в соответствии с
формулой (5.1) кинетический
дение момента инерции
ОЦМ тела спортсмена, примерно в 4 раза
сальто
момент тела спортсмена К как произве-
J на угловую скорость
равен
K = J
В полете, после принятия группировки, момент инерции тела
спортсмена уменьшится примерно в 4 раза и станет равен
0,25 единицы относительно исходной величины момента инерции.
В то же время, в соответствии с законом сохранения величины кинетического момента тела в полетной части упражнения, величина
вращательного импульса останется прежней (6 единиц). Отсюда
следует, что
кинетический момент оставался равным 6 единицам.
155
угловая скорость должна увеличиться в 4 раза, чтобы
= 1·6 = 6 (единиц).
Таким образом, во сколько раз
тела, во столько раз
увеличится угловая скорость. И наоборот – во
уменьшится момент инерции
сколько раз увеличится момент инерции тела, во столько раз
уменьшится угловая скорость.
Следовательно, при принятии группировки угловая скорость
тела в полетной части упражнения увеличивается, при разгруппировке – уменьшается. Эта биомеханическая закономерность позволяет спортсмену регулировать скорость вращательного движения в полетной части упражнений, что очень важно, например,
при
выполнении акробатических упражнений, прыжках на батуте, в
соскоковых упражнениях с многократными вращениями в спортивной гимнастике и т.п. Например, если при выполнении двойного сальто назад в группировке в соскок с перекладины гимнаст
выполняет «недокрут» по сальто, то ему необходимо плотнее
сгруппироваться, что позволит увеличить угловую скорость тела.
В
то же время, если наблюдается «перекрут» по сальто, то гимнасту необходимо раньше выполнить разгибание до выпрямленного
положения тела, что обеспечивает уменьшение угловой скорости и
правильное приземление.
5.1.3. Биомеханика перемещения общего центра
масс тела спортсмена в полетной части упражнения
Траектория общего центра масс тела спортсмена в полетной части упражнения (безопорное состояние) определяется двумя факторами:
1.
Величиной начальной скорости V
2.
Углом Q вылета ОЦМ.
Траектория ОЦМ тела спортсмена в безопорном состоянии является параболой (рис. 5.2).
Расположим систему координатных осей таким образом, чтобы
ее начало
О совпадало с начальным положением точки М, ось у
направим вертикально вверх, а оси
5.2). Ось
ложена в плоскости
х направим так, чтобы начальная скорость V
xy.
вылета ОЦМ.
0
х и z – горизонтально (см. рис.
была распо-
0
156
Рис. 5.2. Траектория ОЦМ тела спортсмена
в полетной части упражнения
Если взять составляющие начальной скорости по осям Ох и Оy,
то они (
строений (проекциями
V
, Vy) будут определяться из простых геометрических по-
x
V
на оси декартовой системы координат):
0
Vx = V0 cosQ, Vy = V0 sinQ.
Считая, что в безопорном состоянии на тело спортсмена не
действуют никакие силы, кроме силы тяжести, для траектории
ОЦМ можно записать следующие уравнения движения по
оси Ох
(X) и по оси Oy (Y):
2
X = Vxt = V0t cosQ, Y = Vyt –
gt
= V0t sinQ – .
2
Здесь
t – время, g – ускорение свободного падения (9,806 м/с
gt
2
2
2
).
(5.3)
В полетной части упражнения никакие сгибательноразгибательные движения в суставах спортсмена не в состоянии
изменить траектории ОЦМ тела спортсмена. Сгибательноразгибательные движения в суставах спортсмена влияют только на
изменение его позы и при условии наличия начального вращательного импульса – на угловую скорость звеньев тела.
В кинематической структуре двигательных действий выделяют
опорную и полетную фазы упражнений (Гавердовский Ю.К.,
2002). Так как биомеханическая система – детерминированная система, то она подчиняется объективным законам механики и ее
157
эволюцию по времени можно описать формульными зависимостями. В условиях опоры движение неразветвленной биомеханической системы описывается системой дифференциальных уравнений второго порядка, представленных, к примеру, в форме уравнений Лагранжа второго рода.
В безопорном состоянии обычно рассматривают траекторию
общего центра тяжести тела (ОЦТ) спортсмена, который в рассматриваемом случае
дуем движение материальной точки
действием силы тяжести; сопротивлением внешней среды пренебрегаем. Из курса теоретической механики (Гернет М.М., 1970)
известно, что траекторией тела, брошенного под углом к горизонту, является парабола, описываемая уравнением (5.3).
Для определения траектории точки исследуем уравнения (5.3)
методами кинематики. С этой целью исключим из этих уравнений
время
t. Здесь, по существу, определяется зависимость x от y.
С учетом первого уравнения системы (5.3) определим, что
Подставляя полученное значение
мы (5.3), имеем
принимается за материальную точку. Иссле-
М, имеющей массу m, под
x
t
VQ
0
(5.4)
.
cos
t во второе уравнение систе-
g
tg .
yxQx
2
2cos
22
VQ
0
(5.5)
Из полученных уравнений следует, что движение точки под
действием силы тяжести происходит в вертикальной плоскости
xOy (z = 0), а траекторией точки является парабола.
Таким образом, траектория движения общего центра тяжести
тела спортсмена в полетной части упражнения (безопорное состояние) определяется двумя факторами:
1) величиной начальной скорости
2) углом
Q вылета ОЦТ.
V
вылета ОЦТ;
0
Здесь же следует отметить, что в полетной части упражнения
никакие сгибательно-разгибательные движения в суставах спортс-
158
x
g
g
g
y
мена не в состоянии изменить траекторию ОЦТ тела спортсмена.
Сгибательно-разгибательные движения в суставах спортсмена
влияют только на изменение его позы и при условии наличия
начального вращательного импульса – на угловую скорость звеньев тела.
Дальнейшее исследование траектории (5.5) позволяет определить дальность бросания и высоту подъема, а из уравнения (5.3) –
время достижения
Определим
Из (5.5) следует, что
максимальной высоты подъема.
дальность (x
22 2
2cos tan
VQQ V
00
gg
) полета, т.е. найдем x при y = 0.
max
или sin 2 .
xQ
max
(5.6)
Здесь
x = x
, так как sin 2Q = 2 sinQ cosQ.
max
Время (t) достижения максимальной высоты подъема (h) связа-
но c (
h) зависимостью. Во-первых, из уравнения (4) следует, что
при нулевой начальной скорости (
мени, равный нулю (
ния
t связано с высотой h равенствами
t
= 0), при падении с высоты h время паде-
0
ht
V
= 0) в начальный момент вре-
0
2
th
,.
2
(5.7)
2
Во-вторых, с начальной скоростью ОЦТ биомеханической системы и временем достижения максимальной высоты подъема существует связь, определяемая из (5.3) дифференцированием
y по t
и условием, что в максимальной высоте подъема скорость точки
по координате
у равна нулю. Таким образом,
2
yVt Q
если 0, то sin , .
sin ,
0
(5.8)
yVQgtt
t
2
0
sin ,
VQgt
0
sin
VQ
0
g
159
Отсюда можно определить максимальную
ОЦТ биомеханической системы
рости
V
и угле вылета Q:
0
max .
Y
Y
при заданной начальной ско-
max
22
sin
VQ
0
2
g
(5.9)
высоту подъема
5.2. Опорное положение
5.2.1. Механизмы управления движениями спортсмена
в условиях опоры за счет изменения величины
внешних моментов сил
Сознательным волевым усилием человек не способен управлять
и изменять величину внешних сил. Изменяя величину силы тяги
мышц (внутренние силы), спортсмен изменяет конфигурацию биосистемы, взаимное расположение звеньев опорно-двигательного
аппарата, что и является причиной изменения величины действия
внешних моментов сил (см. рис. 5.3).
Например, изменяя конфигурацию биомеханической системы,
можно управлять величиной
этом случае будет изменяться количественное значение величины
плеча силы
h при неизменной величине силы (Р – вес спортсмена):
момента силы тяжести М, так как в
М = Рh. (5.10)
Рассмотрим эту закономерность на примере выполнения большого
оборота назад на перекладине (см. рис. 5.3). В первой части упражнения, при движении спортсмена от вертикального положения над опорой до вертикального положения под опорой, момент силы тяжести
является
разгоняющей силой. Поэтому с целью максимального увели-
чения положительного действия момента силы тяжести ОЦМ тела
спортсмена на всей траектории движения должен быть максимально
удален от оси вращения (гриф перекладины). Для этого в первой части
упражнения, гимнаст сохраняет выпрямленное положение тела:
тела располагаются на одной прямой
(рис. 5.3, 1–5).
звенья
160
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]