Биомеханика — наука о законах механического движения, в живых системах.

В самом широком смысле к живым системам (биосистемам) относят: а) целостные организмы (например, человек); б) их органы и ткани, а также жидкости и газы в них (внутриорганизменные системы) и даже в) объединения организмов (например, совместно действующая пара акробатов, противодействующие борцы).

Биомеханика спорта как учебная дисциплина изучает движения человека в процессе физических упражнений- Она рассматривает дви­гательные действия спортсмена как системы взаимно связанных ак­тивных движений (объект познания). При этом исследуют механические и биологические причины движений и зависящие от них (особенности двигательных действий в различных условиях).

Для лучшего понимания сути и роди механического движения человека рассмотрим основные понятия о движении вообще и о движениях организмов (например, человека) в частности.

 

  Механическое движение в живых системах проявляется как а) передвижение всей биосистемы относительно ее окружения (среды, опоры, физических тел) и б) деформация самой биосистемы — пе­редвижение одних ее частей относительно других. Основные законы механики Ньютона описывают движение абс­трактных абсолютно твердых тел, которые не деформируются. Таких (тел в природе не существует). Но в так называемых твердых телах Деформации бывают столь малы, что их нередко можно и не учиты­вать. В живых же системах существенно изменяется относительное расположение их частей. Эти изменения и есть движения человека. Сами части живых систем (например, позвоночный столб, грудная клетка) также подчас существенно деформируются. Поэтому, изучая движение живой системы, имеют в виду, что работа сил тратится и на передвижение тела в целом, и на деформации. При этом всегда имеются потери энергии, ее рассеяние. Чисто механического движения вообще в природе не существует. Оно всегда сопровождается пре­вращениями механической энергии в другие виды (например, в тепловую) и ее потерями.

  Механическое движение человека, изучаемое в биомеханике спорта, Происходит под воздействием внешних механических сил (тяжести, трения и многих других) и сил тяги мышц. Последние же управляются центральной нервной системой и, следовательно, обусловлены физио­логическими процессами. Поэтому для достаточно полного понимания природы живого движения необходимо не только изучение собственно механики движений, но и рассмотрение их биологической стороны. Именно она определяет причины организации механических сил.

Надо знать, что не существует особых законов механики для живого мира. Но насколько живые системы отличаются от абстра­ктных абсолютно твердых тел, настолько же механическое движение живого сложнее движения абсолютно твердого тела. Следовательно, применяя общие законы механики к живым объектам, необходимо учитывать не только их механические особенности, но и биологические (например, причины приспособления движений человека к условиям, пути совершенствования движений, влияние утомления).

 

  Особенности механического движения человека

Двигательная деятельность человека осуществляется в виде двигательных действий, которые организованы из многих взаимо­связанных движений (системы движений).

Двигательная деятельность человека — одно из сложней­ших явлений в мире. Она сложна не только потому, что очень непросты функции органов движения, а еще и потому, что в ней участвует созна­ние как продукт наиболее высокоорганизованной материи — мозга. Поэтому двигательная деятельность человека существенно отличается от деятельности животных. В первую очередь речь идет об осознанной целенаправленной активности человека, о понимании смысла ее, о возможности контролировать и планомерно совершенствовать свои движения. Сходство между движениями животных и человека имеется только на чисто биологическом уровне. При помощи двигательной деятельности человек в процессе физического воспитания активно преобразует свою собственную природу, физически совершенствуется. Он преобразует мир, используя возможности научно-технического прогресса, в конечном счете также посредством двигательной дея­тельности (действия, речь, письмо и т. п.). Двигательная деятельность человека складывается из его действий.

Двигательные действия осуществляются при помощи произ­вольных активных движений, вызванных и управляемых работой мышц. Человек произвольно, по собственной воле, начинает движения, изменяет их и прекращает, когда цель достигнута (И. М. Сеченов). В норме человек производит не просто движения, а всегда действия — утверждал создатель отечественной школы биомеханики Н, А. Берн-штейн. Действия человека всегда имеют цель, определенный смысл. Еще Ньютон поставил вопрос «каким образом движения тел следуют воле?», т. е. достигают поставленной цели. Но только в наше время начинают разрабатывать механику целенаправленных (произвольных) движений человека, исходя из цели движений.

Движения отдельных частей тела объединены в управляемые системы движений, целостные двигательные акты (например, гимна­стические упражнения, способы передвижения на лыжах, приемы игры в баскетбол). В системы движений входит также и активное сохранение положений отдельных частей тела (в суставах), а иногда и всего тела. Каждое движение выполняет свою роль в целостном действии, так или иначе соответствует цели действия. Если спортсмен будет находить и осуществлять цель в каждом движении, то и действия будут лучше

Хотя причины движений в биомеханике и рассматриваются с точки фения механики и биологии, их закономерности надо брать во взаимосвязи, учитывая роль человеческого сознания в целенаправленном управлении движениями. Именно взаимосвязь механических и биологических закономерностей позволяет раскрыть специфику биомеханики. Сознательное управление движениями с использованием этой специфики обеспечивает их высокую эффективность в различных условиях исполнения.

Биомеханическая характеристика выносливости

 

1. Основы эргометрии

 

Эргометрией - называется совокупность количественных методов измерения физической работоспособности человека. Когда человек выполняет какое-либо достаточно длительное дви­гательное задание можно говорить   о трех основными переменными:

1.   Интенсивность выполняемого двигательного задания. Словами «интенсивность двигательного задания» обозначается одна из трех механических   величин:

а) скорость   спортсмена (например,    в    беге; единица измерения — м/с); б) мощность (например, при педалировании на велоэргометре; единица измерения — ватты); в) сила (например, при статическом удержании груза; единица измерения — ньютоны).

2.   Объем выполненного двигательного задания. Этими словами обозна­чается одна из следующих трех механических величин:

а) пройденное рас­стояние (например, в беге; единица измерения—метры); б) выполненная работа (в физическом смысле, например, при вращении педалей велоэргометра; единица измерения — джоули); в) импульс силы(при статическом усилии; единица измерения—ньютон-секунды).

 

3.   Время выполнения (единица измерения—секунды).

 

Показатели интенсивности, объема и времени выполнения двига­тельного задания называются эргометрическими показателями. Один из них всегда задается как параметр двигательного задания; два других — измеряются. Например, при беге на 5000 м дистанция задается заранее, а время бега и средняя скорость измеряются; при часовом беге задается время, а измеряются дистанция и скорость; при беге с заданной скоростью «до отказа» измеряются дистанция и время, скорость же определяется заранее и т. д.

В табл. 7 сведены воедино разные варианты измерения физической работоспособности человека.

Если величины времени, интенсивности и объема двигательных заданий соответствуют друг другу, то, как экспериментально пока­зано, при разных вариантах заданий получаются совпадающие ре­зультаты. Например, если спортсмены пробегают дистанцию 3 км за 12,0 мин (средняя скорость ~ 4,1 м/с), то при задании пробежать наибольшую дистанцию за 12 мин (так называемый тест Купера) они пробегут тоже 3 км, а если им предложить бежать с постоянной скоростью 4,1 м/с, то они будут в состоянии поддерживать ее в среднем лишь 12 мин,(это для них предельная длительность данного двигательного задания — t m ;   и пробегут за это время те же 3 км. Таким образом, конкретный вариант задания (что именно — дистанция, скорость или время — задается, а что измеряется) для эргометрических показателей не имеет значения. Поэтому результаты, полученные в заданиях одного типа (например, в беге с заданной скоростью), можно переносить на задания другого типа (например, бег на определенную дистанцию), если только задаваемые или регистрируемые значения времени, интенсивности и объема двигательных заданий совпадают. Это так называемое правило обратимости двига­тельных   заданий.

 

Как уже говорилось, двигательные задания могут отличаться по задаваемым условиям (параметрам) выполнения. В видах спорта циклического характера параметром является длина дистанции (гораздо реже задается время работы — часовой бег, часовая езда на велосипеде и т. п.). В результате возникают три зависимости: дистанция — время, скорость — время и дистанция — скорость. Наиболее интересны две первые из них. Их можно проанализировать на примере мировых рекордов.

Во    всех    видах    спорта   циклического характера v широком диапазоне дистанций связь между длиной дистанции и рекордным временем ( fc ) прямолинейна (рис. 55). Как известно, уравнение прямой линии имеет вид:

D = а + b * t m                    (1),

где D — дистанция (м), t m — время, а и b — коэффициенты. На графике а равно величине отрезка, отсекаемого на оси ординат (т. е. ве­личине дистанции при t m =0), a b — тангенсу угла наклона «линии рекордов» к оси абсцисс. Чем большую работу выполнил спортсмен   (например, чем большую   дистанцию он преодолел), тем больше энергии он затратил. С точки зрения биомеханики (в частности, анализа затрат энергии) коэффициенты а и б в приведенном уравнении имеют четкий смысл:

а — величина дистанции, пройденная за счет запасов энергии, не восстанавливаемых по ходу выполнения двигательного задания;

b — максимальная скорость передвижения, которая может быть до­стигнута за счет энергии из источников, восстанавливаемых по ходу выполнения задания.

 

Из курсов биохимии и физиологии известно, что в организме человека есть два источника энергопродукции: анаэробный и аэробный. Наибольшая величина энергии, освобождаемой при мышечной работе, определяяется величинами:

а) максимального кислородного долга,

б) кислородной емкости, т. е. произведения времени работы ( t m ) на скорость потребления кислорода (л/мин).

Поскольку величины кислородного долга и текущего потребления кислорода характеризуют величину освобожденной энергии, можно за­писать:

Е = a 1 + b 1 * t m                                              (2),

где Е — суммарная величина энергии, t m — предельная продолжитель­ность работы, а, — анаэробная энергопродукция (калории или джоули), b 1 —скорость аэробной энергопродукции (кал/мин или ватты).

Видно, что уравнение (2) совпадает с уравнением (1). На основе этого принято считать, что коэффициент а в уравнении (1) отражает «дистанцию анаэробных резервов», а коэффициент b — скорость, при которой имеет место максимальное потребление кислорода (критиче­скую скорость).

Значения дистанции анаэробных резервов и критической скорости в некоторых видах спорта циклического характера приведены в табл. 8.

Работа со скоростью ниже критиче­ской может продолжаться очень дол­го — часами. Превышение же этой ско­рости быстро приводит к снижению работоспособности.

Поскольку средняя скорость на определенной дистанции равна частно­му от деления длины дистанции ( D ) на время ( tm ), можно на основе урав­нения (1) записать:

V = D / t m = a / t m + b         (3).

 

  Из уравнения (3) видно, что увеличение t m приводит к снижению v (и наоборот, вспомните правило обратимости двигательных заданий). Анализ параметрической зависи­мости «скорость — время» подтверждает это (рис. 56).

Проведенный выше анализ и уравнения (1), (2) и (3) справедливы лишь в принципе, в своих основных чертах. В действительности эти зависимости усложняются рядом дополнительных факторов (напри­мер, возможностью локального утомления отдельных мышечных групп, замедленностью развертывания аэробных процессов в начале мышечной работы, неодинаковой экономичностью мышечной работы разной продолжительности).