Лекция №5. Биоэнергетика двигательных действий

Биоэнергетика двигательных действий

В двигательных действиях происходит превращение одних видов энергии в другие (химической в механическую и тепловую) и преобразование механической энергии (кинетической в потенциальную и наоборот).

Подвод энергии в биомеханическую систему совершается в результате:

а) превращения химической энергии в потенциальную механическую энергию напряженной мышцы,

б) перехода работы внешних сил в кинетическую энергию биомеханической системы и потенциальную энергию деформированных мышц и перемещаемого тела.

Энергия расходуется на:

а) производительную работу;

б) непроизводительные затраты, связанные с ее превращением и рассеянием энергии;

в) преобразование ее при накоплении в растянутой мышце.

Величина и характер расхода энергии при движениях зависят от особенностей движений. Коль скоро происходит расход энергии, необходим и подвод энергии.

Существует, по меньшей мере, четыре источника энергии, используемой в движениях:

Первый источник энергии движений – деятельность желез внутренней секреции. Например, адреналин увеличивает силу сокращений мышц и функциональную активность кардиореспираторной системы. Эндорфины изменяют деятельность ЦНС, которая влияет на характер движений.

Второй источник энергии движений – биоэлектрический потенциал нервных центров. При сложении нескольких источников импульсации образуется доминанта, поэтому величина конечного биоэлектрического импульса идущего по нервным волокнам к мышцам увеличивается.

Третий (непосредственный) источник энергии движений - запасы химической энергии АТФ в митохондриях клеток. Этот источник находится в мышцах, других органах и крови. В мышцах происходят химические реакции и возникает напряжение в сократительных элементах: химическая энергия превращается в механическую — потенциальную энергию упруго деформированных элементов мышц. Все активные движения совершаются благодаря преобразованию потенциальной энергии напряженных мышц в кинетическую энергию звеньев тела и всего тела в целом. Силы тяги мышц совершают работу. Работа силы — процесс изменения энергии (состояния). Всегда, когда изменяется количество или форма энергии, это следствие работы сил.

Четвертый (непосредственный) источник энергии движений — это механическая энергия внешнего окружения (внешних тел, среды, партнеров и противников). Она передается телу посредством работы внешних сил: а) кинетическая энергия движущихся объектов (например, бросок, выполненный противником в борьбе) и б) потенциальная энергия положения (например, движение вниз при соскоке с перекладины в поле земного тяготения). В этих случаях спортсмен движется пассивно.

Неизрасходованная энергия может накапливаться:

1.Энергия эндокринной системы накапливается в виде повышения концентрации и возможности усиленной секреции активизирующих организм гормонов.

2.Энергия нервных центров запасается благодаря согласованности в работе нервных центров и усилением роста корковых нейронов, обеспечивающих функциональные связи между нейронными ансамблями различных корковых областей.

3.Химическая энергия «запасается» благодаря питанию и дыханию человека. Она превращается в механическую энергию напряженных мышц. Накопление энергии в мышцах происходит и другим путем: когда мышцы растягиваются в уступающей работе, тормозя движение звеньев тела. Кинетическая энергия последних преобразуется в потенциальную энергию упруго деформированных мышц.

4.Механическая энергия может накапливаться в виде потенциальной энергии тела человека, когда он поднимает себя против сил тяжести или использует силу встречного или попутного движения. А также, когда человек использует разнообразные биомеханические способы увеличения силы производимого действия (используя формулу F=ma или F=mV/t).

При всех изменениях энергии значительная часть ее превращается в тепловую и рассеивается. По закону сохранения энергии она не исчезает; но механическая энергия, превращаясь в тепловую, теряется в процессе механической работы. Из затрат механической энергии не более 1/4 идет на механическую работу (к.п.д. 20—25%). Такова несколько упрощенная схема превращения и преобразования энергии при движениях человека.

Энергетика возвратных движений

Возвратные движения включают фазу прямого движения (с торможением) — подготовительную и фазу обратного движения (с разгоном) — рабочую, которые разделены критической точкой на траектории.

Эффективность рабочей фазы зависит от исходного положения звеньев в критической точке и состояния деформации и напряжения ведущих антагонистических групп мышц.

Возвратные движения характеризуются сменой направления движения на противоположное (туда — обратно). Обычно и прямое, и обратное движения состоят каждое из двух фаз:

а) прямое — разгона и торможения,

б) возвратное — вновь разгона и торможения.

Из названных четырех фаз первая и последняя могут значительно изменяться и не составляют типичной картины возвратного движения. Зато торможение прямого и разгон возвратного движений — характерные фазы возвратного движения. Между ними имеется критическая точка — положение, из которого происходит смена направления скорости. Это положение может быть мгновенным (промежуточным в движении); возможна также остановка в этом положении.

Движение получается намного слабее если возвратное движение происходит с паузой в критически точке, за время паузы не сохраняется полностью потенциальна; упругая энергия, мышцы может рассеяться – мышца расслабляется (релаксация).

Возможность рационально делать возвратное движение появляется при использовании криволинейной траектории. Замах тогда переходит в удар (например, в теннисе) без остановки в движении по кривой, с постепенным переключением активности с одних мышц на другие.

Режим колебательных движений

Рациональный режим колебательных движений включает упругую отдачу мышц в сочетании с сохранением и резонансным накоплением энергии в мышцах путем совершенствования управления энергетикой.

В так называемых циклических движениях, где многократно повторяется одинаковый ряд движений, часто используется колебательный режим. Для него характерна многократная смена повторяющихся возвратных движений (например, движения ног при беге).

В каждом цикле колебательных движений имеются потери энергии. Если их не восполнять, то колебания становятся затухающими. Если потери восполнять полностью, то колебания становятся постоянными, устанавливается стабильный колебательный режим. И, наконец, если в каждом цикле своевременно подводить энергии больше, чем ее теряется, возникает резонансный режим. Мышца, работающая в резонансном режиме, с каждым циклом получает добавочную энергию и таким образом накапливает ее. Подвод энергии совершают сократительные элементы мышцы в критических точках траектории. Тогда каждый новый цикл происходит на более высоком уровне энергии; увеличение кинетической энергии означает повышение скорости. На цикл затрачивается меньше времени, растет темп. Таким образом, например, в беге становится больше скорость продвижения по дорожке. В разбеге благодаря резонансному накоплению энергии повышается мощность.

Механизм упругой отдачи мышцы в возвратных движениях дополняется в колебательном режиме резонансным накоплением энергии. Автоматическое включение сократительных элементов в критической точке (автоколебания) повышает эффективность резонанса.

Итак, для лучшего использования мышечной энергии в скоростно-силовых движениях целесообразно:

1)волокна мышцы в подготовительной фазе значительно растянуть (зона больших деформаций в косоволокнистых мышцах);

2)при растягивании волокон передать им больше кинетической энергии (разогнать звено до большой скорости и резко остановить);

3)в обратном движении в критической точке своевременно совершить активное сокращение мышцы по принципу автоколебаний, наиболее акцентированное с самого начала («взрывная» сила).

Совершенствование скоростно-силовых движений, характерных для спортивной техники в одиночных возвратных движениях и в циклических колебательных движениях, имеет много общего. В основе его лежит перестройка биоэнергетики: изменение вклада энергии из разных источников, изменение организации управления энергетикой. Это одно из самых характерных отличий совершенствования биосистем от совершенствования технических механизмов.

Мышца в этом отношении имеет много функций:

1) генератор механической энергии из химической;

2) трансформатор механической энергии (из потенциальной в кинетическую и обратно);

3) аккумулятор упругой энергии в мышце (в резонансном режиме);

4) движитель, передающий механические усилия звеньям тела;

5) фиксатор звеньев в суставах (при опорных тягах);

6) регулятор величины и направления скорости (в биодинамически полносвязном механизме);

7) демпфер, поглощающий и рассеивающий энергию (при погашающей амортизации);

8) упругий амортизатор (создающий обратное движение в возвратном и колебательном режиме).

9) рецептор — она сигнализирует своими органами чувств (проприорецепторами) о положениях и движениях, без чего невозможно полноценное управление ими.

10) терморегулятор - превращая биоэлектрическую, химическую и механическую энергию в тепловую (и рассеивая ее). Непроизвольный тремор (дрожание) мышц на холоде. От температуры мышц зависят её свойства.

Биомеханика дыхательных движений

В основе биомеханики дыхания лежат периодические изменения объема грудной полости — увеличение при вдохе и уменьшение при выдохе. Внутригрудное давление при вдохе вследствие увеличения объема грудной полости становится меньше атмосферного, легкие растягиваются, их объем увеличивается —' в них поступает атмосферный воздух. Объем грудной полости возрастает за счет движения грудины и ребер и, самое главное, — уплощения диафрагмы. Вдох обеспечивается активностью дыхательных мышц, главной из которых является диафрагма. Выдох в покое происходит пассивно за счет упругих сил. Главную роль играют эластичные свойства легких. При напряженной физической работе выдох происходит активно за счет мышц брюшного пресса (главным образом косых мышц и поперечной мышцы живота, в меньшей степени — прямой мышцы живота). При выдохе повышается внутрибрюшное давление, из-за чего диафрагма принимает сферически выпуклую форму, оставаясь расслабленной.

Правильное сочетание дыхательных движений с движениями тела или отдельных его звеньев является существенной стороной спортивной техники во многих видах спорта (например, в плавании). Постановка правильного дыхания вообще одна из частных оздоровительных задач физического воспитания.

Существуют три основных типа дыхания: грудное, диафрагмальное и смешанное. Наиболее рациональное — смешанное дыхание. Для проверки типа дыхания можно воспользоваться следующим простым приемом: положить одну руку на переднюю стенку живота, другую на грудную клетку. При смешанном дыхании в начале вдоха несколько выпячивается живот, затем вдох продолжается за счет подъема грудной клетки.

При выполнении физических упражнений существуют два основных способа сочетания фаз дыхания с движениями:

1) «анатомический»: при движениях, которые способствуют увеличению объема грудной клетки, — вдох, а уменьшению — выдох. Например, при выпрямлении туловища, поднимании и отведении рук,

разгибании ног — вдох; при наклоне туловища, приведении рук, сгибании ног — выдох;

2) «биомеханический»: выдох сочетается с фазами движений, в которых спортсмен проявляет наибольшую силу действия, вдох — с фазами относительного расслабления. Например, в академической гребле выдох производят во время гребка, а вдох — при проносе весла, хотя по анатомическим соображениям надо было бы делать наоборот.

Самая большая мышечная сила проявляется при натуживании, несколько меньшая - при выдохе, еще меньшая - при вдохе (В. С. Фарфель). Это объясняется, во-первых, рефлекторным повышением функционального состояния скелетных мышц при раздражении рецепторов легких (так называемым пневмомускульным рефлексом); во-вторых, повышением внутрибрюшного давления при натуживании за счет активности брюшного пресса, что в некоторых движениях (например, подъем тяжелого груза с земли) довольно значительно (на 8—10%) уменьшает нагрузку, приходящуюся на длинные мышцы спины. Если силовые упражнения делаются с натуживанием (т.е. с напряжением мышц, обеспечивающих выдох, но при закрытой голосовой щели), то перед их выполнением не надо делать глубокого вдоха, так как это неоправданно увеличит внутригрудное давление.

При напряженной физической работе, когда надо обеспечить максимальную легочную вентиляцию, правильным является частое, достаточно глубокое дыхание через нос и рот одновременно. При редком дыхании и дыхании через нос не удается достичь предельных величин вентиляции легких. При дыхании следует акцентировать выдох, а не вдох. Тогда поступающий в легкие богатый кислородом воздух будет смешиваться с меньшим количеством остаточного и резервного воздуха, в котором содержание О₂ значительно ниже, а содержание СО₂ выше, чем в атмосферном.