bocharov_2010

Изменение ударных сил во времени происходит по некоторой кривой. Сначала сила может быстро возрастать до наибольшего значения, затем падать до нуля. Основной мерой ударного взаимодействия является не сила, а ударный импульс (S), численно равный площади под кривой силы (рис. 6.5) за время её приложения:

За время удара скорость тела, например мяча, изменяется на определенную величину. Это изменение прямо пропорционально ударному импульсу и обратно пропорционально массе тела. Другими словами, ударный импульс равен изменению количества движения тела.

В зависимости от того, какая часть потенциальной энергии переходит в кинетическую, а какая часть рассеивается в виде тепла, различают три вида удара:

вполне упругий удар – вся механическая энергия сохраняется, что в природе не встречается (удар бильярдных шаров, близок к вполне упругому удару);

неупругий удар – энергия деформации почти полностью переходит в тепло (например, приземление в прыжках и соскоках);

не вполне упругий удар – лишь часть энергии упругой деформации переходит в кинетическую энергию движения.

Ньютон предложил характеризовать не вполне упругий удар так называемым коэффициентом восстановления (k). Он равен отношению скоростей взаимодействующих тел после и до удара.

Например, коэффициент восстановления (k) для волейбольного мяча

можно определить следующим образом. Сбросить мяч на жесткую

121

горизонтальную поверхность, измерить высоту его падения и высоту, на которую он отскакивает, а дальше рассчитать простое отношение:

где k – коэффициент восстановления; h2 – высота отскока; h1 – высота падения мяча; v2 и v1 – скорость после и до удара.

Коэффициент восстановления зависит от упругих свойств соударяемых тел, а также от скорости ударного взаимодействия (с увеличением скорости он уменьшается). Например, по международным стандартам теннисный мяч, сброшенный на твердую поверхность с высоты 2 м 54 см (100 дюймов), должен отскакивать на высоту 1,35-1,47 м (должный коэффициент восстановления 0,73- 0,76 усл. ед.). Однако, если это сделать с высоты в 20 раз больше, то отскок возрастет меньше, чем в 20 раз.

Принципиально важное значение для некоторых игровых видов спорта (волейбол, футбол и др.) имеют различия ударов по мячу: прямой и косой (в зависимости от направления движения мяча до удара); центральный и касательный (в зависимости от направления ударного импульса, когда в первом случае он проходит через ЦТ мяча и он летит не вращаясь, а во втором – не проходит через ЦТ мяча и летит с вращением).

Скорость тела после удара зависит от скорости и массы ударяющего тела (ударная масса). Однако эта закономерность относительна. Например, увеличение выше оптимальной скорости движения ракетки (в теннисе) иногда может привести к снижению скорости вылета мяча. Это может быть связано с нарушением техники или координации движения. К примеру когда выполняется удар расслабленной кистью, то с мячом будет взаимодействовать только масса ракетки и кисти. Если же ударяющее звено представляет собой как бы единое твердое тело, то эффективность удара будет высокая. При одной и то же скорости нанесения удара скорость тела может быть разной, что определяется неодинаковой ударной массой, величина которой может использоваться как критерий эффективности техники удара. Определить ударную массу можно косвенно по отношению: скорость мяча после удара к скорости ударяющего сегмента до удара. Например, в футболе эффективность ударного взаимодействия изменяется от 1,2 до 1,65 усл. ед.

Можно не обладать большой мышечной силой, но владеть очень сильным ударом (в боксе, волейболе, футболе и др.) за счет способности сообщать движению большую скорость.

122

Таким образом, координация движений при максимально сильных ударах подчиняется двум требованиям: 1) сообщение наибольшей скорости ударяющему звену к моменту соприкосновения с ударяемым телом; 2) увеличение ударной массы в момент удара. Второе часто достигается «закреплением» отдельных звеньев ударяющего сегмента и увеличением радиуса вращения, что особенно широко используется в ударах в боксе.

Наконец, точность удара в решающей мере обеспечивается правильными действиями при замахе и ударном движении, чего не хватает у начинающих спортсменов. Известно, например, что в футболе место постановки опорной ноги определяет целевую точность удара примерно на 60-80%.

Биодинамика вращательных движений.

Изменение скорости вращательных движений. Вращательное движение не возникает, если силы, действующие на тело, взаимно уравновешиваются. Его не будет также при прохождении действующей силы через общий центр тяжести тела. Только наличие плеча силы обусловливает вращающий момент.

Во многих случаях вращающий момент создается за счет силы тяжести тела и реакции опоры, когда сила тяжести не проходит через опору, а вертикальная составляющая опорной реакции не проходит через ОЦТ.

Начальное вращение тела может быть создано и вне опоры, за счет внешних сил. Например, в прыжках с трамплина в фазу полета действие сил сопротивления воздуха или поднимание носков лыж приводит к опусканию их задних концов, что смещает ОЦТ всей системы и создает вращающий момент.

При уже имеющемся вращении возможно его поддержание и ускорение , для чего могут использоваться и внешние и внутренние силы (например, при встречных движениях частей тела).

С приближением масс тела к оси вращения момент инерции уменьшается

постоянной силе действия, измениться не может, то приближение масс тела к оси вращения увеличивает угловую скорость. Соответственно, увеличение радиуса вращения приводит к уменьшению угловой скорости.

Таким образом, изменением радиуса вращения, момента инерции, смещением центра тяжести от оси вращения, использованием внешних сил (сопротивление среды при изменении лобовой поверхности) можно изменять угловую скорость и, следовательно, увеличивать или уменьшать вращения, вплоть до его остановки.

123

Вращение вокруг закрепленных осей. При вращении вокруг закрепленной внешней оси реакция оси действует на тело человека как центростремительная сила, которая обусловливает ускорение. Она не дает телу двигаться по инерции прямолинейно, а создает криволинейное движение, как, например, при оборотах на перекладине в гимнастике.

При центростремительном ускорении имеется сопротивление массы тела этому ускорению в виде центробежной силы, которая по своей природе есть сила инерции. Например, если при движении гимнаста (обороты на перекладине) вниз момент силы тяжести увеличивает скорость вращения, то во время движения тела по дуге вверх момент силы тяжести играет тормозящую роль.

Тело, поднятое на известную высоту, обладает запасом энергии в виде потенциальной энергии. В результате падения вниз, это тело может совершить работу за счет силы тяжести, равную запасу потенциальной энергии. Потенциальная энергия измеряется произведением веса тела на высоту возможного падения (см. гл. 5).

Поскольку на преодоление внешнего сопротивления (воздуха, трения рук по перекладине) тратится часть потенциальной и кинетической энергии, её необходимо восполнять для последующего движения. Этим механизмом служат внутренние силы гимнаста, силы напряжения мышц (когда при подъеме некоторое подтягивание тела к оси вращения уменьшает момент инерции, а при движении вниз энергия, затраченная на приближение тела к оси, переходит в потенциальную энергию). Приближение центра тяжести массы тела к оси вращения достигается (исходя из жестких правил соревнований в гимнастике) за счет движений в поясничной части позвоночного столба, тазобедренных и коленных суставах. Более эффективное приближение к перекладине достигается за счет движений плечевого пояса со всем телом, относительно плечевых суставов, что может давать приближение к оси вращения до 10 см.

Если тело движется вниз, то происходит его отдаление от оси вращения – снаряда (часто это делается сознательно, чтобы увеличить скорость движения), что увеличивает запас потенциальной энергии. Важное значение в механизмах наращивания скорости вращения тела имеют маховые движения.

Вращения в безопорных фазах движения. При отсутствии опоры, в полете,

вращательные движения происходят вокруг осей, проходящих через общий центр тяжести. В большинстве случаев имеет место начальное вращение, когда тело человека еще не оставило опору. Далее в полете решающую роль играет изменение момента инерции. Изменяя форму тела – сгибаясь и разгибаясь, отводя

124

и приводя конечности, – человек изменяет момент инерции тела, а это изменяет угловую скорость вращения. Например, она увеличивается посредством группировки, когда массы звеньев тела приближаются к оси вращения, и уменьшается разгруппировкой, когда массы тела отдаляются от оси вращения.

Изменением позы тела и отдельными движениями можно изменить ось вращения тела. Например, в прыжках в воду в течение полета, меняются оси вращения тела (продольная или поперечная). Изменение момента вращения обеспечивает своевременное начало ускорения вращения и его прекращение.

В отдельных случаях используется сопротивление среды (газообразной или жидкой), которое создает неравенство давления на разные участки поверхности тела, расположенные по обеим сторонам от оси вращения. Например, мышечными усилиями можно изменить положение тела в пространстве и его форму (в прыжках с парашютом, в прыжках с трамплина в воду, на батуте и т. п.).

Таким образом, изменяя лобовое сопротивление среды, можно изменить скорость вращения, падения, траекторию движения.

125

Глава 7. ПРИСПОСОБЛЯЕМОСТЬ ДВИГАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

Подвергаясь кратковременному или длительному напряжению, двигательная система может приспосабливаться к изменяющимся потребностям. Эти адаптивные или приспособительные изменения могут быть экстенсивными, оказывающими влияние на большинство как морфологических, так и функциональных характеристик двигательной системы.

7.1. Кратковременные адаптации

Разминка. Эффекты разминки заключаются в ряде физиологических сдвигов, обеспечивающих готовность организма, и в частности, мышечной системы к предстоящей деятельности. Разминка оказывает значительное влияние на зависящие от температуры физиологические процессы. Повышение внутренней температуры в результате разминки увеличивает диссоциацию кислорода из оксигемоглобина и миоглобина, мышечный кровоток, интенсивность метаболических реакций, понижает вязкость мышц, повышает растяжимость соединительной ткани и повышает скорость передачи нервного импульса к мышце.

Одним из примеров разминки является повышение результативности в прыжке в высоту. Это происходит в результате повышения температуры мышц, обуславливающих скорость её сокращения. Так, повышение температуры мышц на 3,1оС уменьшает продолжительность сокращения и время полурелаксации соответственно на 7 и 22%, но не влияет на одиночное или тетаническое напряжение. В противоположность этому снижение температуры мышц приводит к увеличению продолжительности сокращения и время полурелаксации. Наблюдения показывают, что релаксация в большей степени зависит от температуры мышц, чем от создания усилия.

Если изменение температуры существенно, она может повлиять на максимальное изометрическое усилие. Экспериментально установлено, что максимальное изометрическое усилие мышцы кисти остается относительно постоянным при охлаждении до 25оС, но уменьшается примерно на 30% при охлаждении в диапазоне 12-15оС.

Существует предположение, что наилучшей стратегией обеспечения изменений температуры мышц при измерении максимального усилия является разминка, связанная с предстоящим видом деятельности. В этой связи интересны факты об активном (связанном с работой мышц) и пассивном (например, при

126

использовании внешнего источника тепла) изменении температуры мышц. Как показывают исследования, лучший эффект аэробного обеспечения мышечной работы дает активная разминка. Причем продолжительность разминки должна превышать пять минут, с интенсивностью, достаточной для возникновения потоотделения и повышения активности кардиореспираторной системы. Повысившаяся в результате таких действий температура мышц снижается примерно через 15 мин после разминки; следовательно, время между разминкой и событием не должно превышать этого периода времени. К тому же разминка, выполняемая для повышения внутренней температуры, организуется с учетом характера предстоящей деятельности и температуры окружающей среды.

Одна из целей разминки заключается также в минимизации жесткости мышц посредством приведения в действие большинства основных групп мышц во всем диапазоне движения. Разминка разрушает актин-миозиновые связи и снижает пассивную жесткость мышцы. Поскольку мы предпочитаем начинать действие или движение с разминки, это означает предпочтение нервной системы управлять мышцей, когда она находится в состоянии минимальной жесткости. В противоположность этому повышение жесткости вследствие бездействия снижает чувствительность мышцы к возмущениям и может облегчать управление положением тела.

Показано, что повышение жесткости мышц можно исключить с помощью активных или пассивных движений, но не посредством изометрических сокращений. Этот эффект был отнесен к тиксотропному свойству мышцы. Тиксотропия – свойство, которым характеризуются различные гели, например, мышца. Гели становятся жидкими при встряхивании, перемешивании или ином возмущении и снова застывают при отстаивании. Представляется, что повышение жесткости мышцы в состоянии покоя обусловлено качественно подобным механизмом.

Тиксотропное свойство мышцы обусловливает её пассивную жесткость, которая противодействует изменениям ее длины. Это сопротивление релаксационной мышцы растягиванию клиницисты называют мышечным тонусом. Сопротивление растягиванию, конечно, может дополняться рефлексом растяжения мышцы, но это не происходит у ослабленного субъекта, когда скорость растягивания характеризуется амплитудой в пределах от малой до средней величин.

Изменения мышечного тонуса могут быть использованы для идентификации пред- и патологических состояний. Понижения мышечного тонуса, известные как

127

гипотонус, появляются у лиц с нарушениями функций полушарий мозжечка, со спинномозговыми травмами (рассечениями).

Повышение мышечного тонуса, называемое гипертонусом, обусловливается устойчивым состоянием повышенной активности двигательных нейронов. Двумя наиболее общими формами гипертонуса являются мышечная спастичность и ригидность.

Мышечная спастичность – патологически индицируемое состояние повышенной возбудимости рефлекса растяжения мышцы. Рефлекс растяжения спастической мышцы более сильный, чем рефлекс нормальной мышцы. Более того, этот повышенный рефлекс растяжения мышцы увеличивается со скоростью растяжения. В основе мышечной спастичности лежат многие механизмы, включая изменения возбудимости двигательных нейронов, постсинаптическую повышенную чувствительность к нейромедиатору и повышение пассивных тиксотропных свойств мышцы. Симптомы, связанные с мышечной спастичностью, включают: повышенное пассивное сопротивление движению в одном направлении; повышенную активность сухожильного рефлекса, вызываемого легким ударом; принятие характерного положения соответствующей конечностью; явную неспособность расслаблять соответствующую мышцу и неспособность приводить

вдвижение соответствующий сустав быстро или в чередующихся направлениях. Неправильное представление, связанное с мышечной спастичностью, заключается

втом, что изменения мышечного тонуса ухудшают способность осуществлять движение. Это неправильно. Спастичность мышцы-антагониста не является основным фактором, ухудшающим ее способность осуществлять движение. Это ухудшение обусловливается неспособностью мышцы-агониста использовать достаточное количество двигательных единиц.

Другой формой гипертонуса является ригидность. Симптомы ригидности и мышечной спастичности заметно отличаются. Симптомы, связанные с ригидностью, включают двунаправленное сопротивление движению, не зависящее от его скорости, которое наблюдается при отсутствии повышенного сухожильного рефлекса, вызываемого легким ударом. Наиболее общий пример ригидности наблюдается при болезни Паркинсона и включает постоянное сокращение мышц, которое может проявляться при пассивной манипуляции в виде ряда прерывистых резких движений (шестеренная ригидность).

Гибкость. Часто нельзя различить разминочные упражнения и упражнения, предназначенные для повышения гибкости. Одна из функций разминки – снижение жесткости мышц связанной с тиксотпропностью, которое отличается от увеличения диапазона движения или гибкости относительно сустава. Основное

128

отличие заключается в продолжительности эффекта. Преимущества разминки должны сохраняться во время последующей физической деятельности, в то время как задача упражнений для повышения гибкости – индуцирование более продолжительного изменения диапазона (размаха) движения.

Цель упражнений для повышения гибкости – увеличение диапазона движения путем пассивного (статического) растягивания мышц конечностей либо путем активного растягивания (динамического) одной или нескольких мышц. Типичным примером статического растягивания является попытка увеличить диапазон сгибания тазобедренных суставов и выпрямления коленных суставов в результате наклона вперед из вертикального прямого положения тела, удерживая колени выпрямленными и пытаясь коснуться пальцами кисти пальцев стопы. Человеку дается указание сохранять мышцы ног пассивными и удерживать позицию растяжения в течение 15-30 с. Один из вариантов этого упражнения заключается в разгибании и наклонах с попыткой коснуться пальцев стопы, а не в удерживании непрерывного растяжения; вариант разгибания и сгибания называется баллистическим растяжением.

Статическое растяжение хотя и является наиболее распространенным упражнением, улучшающим гибкость, в реабилитационных целях отдается предпочтение упражнениям, в которых растягивание сочетается с возбуждением мышц-агонистов или мышц-антагонистов. Эти методики упражнений, применяемые в реабилитации, направлены прежде всего на улучшение нервномышечной передачи проприорецептивных импульсов. Фиксационнорелаксационное растяжение включает первоначальное (произвольное) максимальное изометрическое сокращение мышцы, подлежащей растягиванию (антагонист), с последующими релаксацией и растяжением мышцы (пассивное) до предела диапазона движения. Упражнения такого типа выполняются при содействии партнера или методиста. Растягивание с сокращением агониста требует содействия партнера, который перемещает конечность участника таким образом, чтобы сустав находился на пределе вращения. Участник сокращает мышцу-агонист (например, квадрицепс феморис), в то время как партнер прилагает усилие к конечности для растягивания мышцы-антагониста (например, сухожилий, ограничивающих с боков подколенную ямку). Фиксационнорелаксационная методика с сокращением агониста является комбинацией методик фиксационно-релаксационного растяжения и растягивания с сокращением агониста.

Фиксационно-релаксационная методика предназначается для растягивания мышцы, когда двигательные альфа-нейроны наименее возбудимы, в результате

129

чего афферентный входной сигнал от детекторов длины (мышечных веретен), вероятно, в наименьшей степени вызывает обусловливаемое растяжением возбуждение мышцы.

Логическим обоснованием методики сокращения агониста является возбуждение рефлекса реципрокного торможения в отношении антагониста (мышца, которая должна быть растянута) в результате сокращения агониста. Повидимому, механизм сокращения агониста предполагает включение его возбуждения и посредством реципрокного торможения релаксацию антагониста.

Результаты исследования показывают, что улучшение гибкости при статическом растяжении подобно тому, которое достигается при баллистическом растягивании, но последнее обусловливает болезненность мышц.

С точки зрения реабилитационных мероприятий интересны факты, что при отсутствии неврального входного сигнала последовательные пассивные растягивания могут увеличивать длину мышечно-сухожильной единицы. Причем нагрузка на мышечно-сухожильную единицу, обусловливаемая её пассивными свойствами (соединительная ткань), будет уменьшаться при растягиваниях до предписываемой длины.

Несмотря на неопределенность вклада невральной бессимптомности в изменения гибкости, соединительная ткань, очевидно, играет важную роль в ограничении диапазона движения. Поэтому упражнения на гибкость должны быть направлены на изменение длины структур соединительной ткани. Для достижения этой цели упражнения на гибкость должны вызывать пластичные, а не упругие изменения соединительной ткани, так как пластичные изменения обусловливают более постоянные изменения длины тканей. Относительные соотношения упругости и пластичности в пределах растягивания определяются прилагаемым усилием и продолжительностью его приложения, а также температурой тканей. Продолжительное растягивание при малом усилии оптимизирует пластичные изменения. Существует компромисс между удлинением и ослаблением: пластичные изменения, индуцируемые в ткани, обусловливают молекулярную перестройку и ослабление ткани. Тем не менее, это напряжение стимулирует адаптацию ткани, и ослабление является лишь кратковременным при условии, что напряжение не слишком большое. Ткань наиболее растяжима при более высокой температуре, например, в конце тренировки, а долговременное удлинение наибольшее, если растягивание осуществляется после охлаждения ткани. В некоторых случаях предлагается во время растягивания даже применение пузырей со льдом для содействия эффекту охлаждения. Следовательно, эффективное

130