Анализ биомеханики двигательных качеств человека

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Двигательные качества как различные стороны моторики

В любом человеке заложены некоторые двигательные возможности, которые не могут проявиться иначе как в двигательных действиях. Разнообразие двигательных действий (ударные, локомоторные, переместительные и т.д.), казалось, бы должно говорить о разнообразии двигательных возможностей человека. И это так и есть. Но как сопоставить возможности одного человека, но проявляемые в разных ситуациях, или возможности разных людей, но проявляемые в одинаковых условиях? Необходима некоторая качественная мера и количественные критерии для сравнения и оценки. Из этих потребностей и возникло некоторое классификационное деление возможностей человека на двигательные (физические) качества.

Двигательное (физическое) качество -- это некоторая качественная мера проявления физических возможностей человека в различных двигательных ситуациях. Сопоставляемые с этой мерой биомеханические параметры (сила, скорость, время) являются количественной оценкой интенсивности проявления тех или иных качеств. Оказалось, что всю многосторонность двигательных возможностей человека можно охарактеризовать через достаточно ограниченное число следующих двигательных качеств: силовые, скоростно-силовые, быстрота, выносливость, гибкость. В действительности эти качества проявляются не в «чистом» виде, а в некотором комплексном, так как в большой степени взаимозависимы: развитие одного физического качества неминуемо и существенно влияет на другие (развитие силы ведет к уменьшению быстроты, выносливости и гибкости; развитие выносливости -- к уменьшению силы и быстроты и т.д.). Например, выносливость существенно зависит от ситуативных психологических факторов, к тому же она не может считаться целостной, поскольку зависит в проявлениях по меньшей мере от трех принципиально разных механизмов энергопродукции и способности организма к быстрому энергетическому восстановлению (Н.С. Романов, А.И. Пьянзин, 2003).

Несмотря на противоречивость и неопределенность формулировки двигательных качеств через их двигательные проявления, отказ от них как базовых понятий в организации процесса спортивной подготовки пока нецелесообразен. Многолетняя спортивная практика выработала комплексы общих и специальных упражнений, и даже целые технологии совершенствования двигательных качеств, которые продуктивно используются в различных формах физического воспитания и спорте. В тренировочной работе всегда можно найти такое сочетание методических приемов и средств, которое позволит добиваться преимущественного развития того или иного двигательного (физического) качества в его более или менее «чистом» виде.

2. Биомеханика силовых, скоростных и скоростно-силовых качеств

Если обратиться к кривой Хилла, которая устанавливает связь между силой, развиваемой мышцей, и скоростью ее сокращения, то можно прийти к следующей классификации части физических качеств, основываясь на том, что они проявляются через мышечную деятельность в движении.

В области кривой, где скорость сокращения стремится к нулю, наблюдается максимальное проявление силы мышцы. Этот режим сокращения является изометрическим, именно он соответствует проявлению «чистых» силовых качеств. Это то, что в спорте называют статической силой. В том месте, где на кривой Хилла скорость стремится к максимуму, сила стремится к нулю. В этом случае проявляются «чистые» скоростные качества мышцы. Во всех других точках находят отражение скоростно-силовые качества мышц человека (в спорте «динамическая сила»). Явно проявляются эти скоростно-силовые качества при выполнении плиометрических упражнений, т.е. экцентрическо-концентрической последовательности мышечной активности.

3. Силовые качества

Силовые качества проявляются через силы, которые развиваются отдельной мышцей и группами мышц. Образование силы мышцей объясняется теорией скользящих нитей. В ее основе скольжение толстого (миозин) и тонкого (актин) филаментов относительно друг друга. От толстых филаментов идут поперечные мостики, способные прикрепляться к тонкому филаменту. В результате при растягивании нитей мостики развивают силу упругости. Через короткое время поперечные мостики открепляются и могут повторить цикл снова. Однако величина силы, образуемой мышцей, не зависит исключительно от активного процесса циклов поперечных мостиков. В состав мышцы входит большое количество соединительной ткани (эндомизий, перемизий, эпимизий, сухожилия) и цитоскелетных компонентов (промежуточные филаменты, титин, небулин). При растяжении эти структуры образуют пассивную силу упругости, которая сочетается с активной, обусловленной образованием поперечных мостиков. При максимальном произвольном сокращении при каждом приросте длины мышцы сила была обусловлена как пассивными (темные кружочки), так и активными (светлые кружочки) компонентами. Крестиками показано совместное действие активных и пассивных компонентов на результирующей кривой, штриховой линией -- изменение силы за счет активного компонента как функция прироста длины мышцы. При более короткой длине мышцы величина силы обусловлена активным компонентом, тогда как при большей длине -- в основном пассивными компонентами.

Если отношение внешнего момента сил к моменту сил, создаваемому мышцами, изменяется, длина мышцы также изменится. При уменьшении длины мышца сокращается концентрически. Этот режим активности связан с меньшим вращающим моментом мышцы по сравнению с изометрическим, при котором скорость сокращения мышцы равна нулю. По мере увеличения скорости укорачивания мышцы уменьшается ее вращающий момент: по мере увеличения скорости сокращения уменьшается число прикрепленных поперечных мостиков, что приводит к уменьшению развиваемой ими силы. Когда вращающий момент мышцы меньше вращающего момента нагрузки, длина всей мышцы увеличивается -- это эксцентрический, или уступающий, режим сокращения мышцы. В этом случае вращающий момент больше, чем при изометрическом и концентрическом сокращениях. Этот факт используют для освоения такого силового упражнения, как подтягивание на перекладине. Само подтягивание представляет собой более трудную задачу, чем опускание из положения «руки согнуты, подбородок на уровне перекладины». Но известно, что физическая нагрузка на активную мышцу вызывает практически одинаковые адаптационные реакции, независимо от того выполняет ли мышца работу в эксцентрическом или концентрическом режиме. Поэтому увеличение силовых проявлений в эксцентрической части подтягивания положительно влияет на силовые возможности мышцы при выполнении концентрических сокращений.

Любое движение всегда выполняется в результате активации двигательных единиц в определенной последовательности. Подобную организацию активации двигательной единицы назвали упорядоченным рекрутированием. Увеличение силы, образуемой мышцей, есть ни что иное, как активация дополнительных двигательных единиц. Каждая такая единица остается активной до уменьшения силы в соответствии с теми командами, которые поступают на мышцу. Время рекрутирования и дерекрутирования двигательных единиц зависит от того, когда та или иная двигательная единица была вовлечена в процесс сокращения. Для каждой двигательной единицы показаны отдельные циклы актинмиозинового взаимодействия. В соответствии с приведенной схемой двигательная единица 1 рекрутируется первой и остается активной до тех пор, пока не уменьшится сила. Сила увеличивается, по крайней мере, частично, за счет продолжающегося рекрутирования двигательных единиц (на схеме показаны для примера еще четыре, последовательно вносящие свой вклад в развитие силы). Как видно, сила достигает максимума, когда прекращается рекрутирование дополнительных двигательных единиц, а те, которые остаются активными, не изменяют интенсивности разрядов потенциалов действия. С уменьшением силы двигательные единицы последовательно дезактивируются или дерекрутируются в обратной последовательности, т.е. последняя рекрутированная двигательная единица дерекрутируется первой. Показано, что кроме рекрутирования двигательных единиц структура активности включает и модуляцию интенсивности разряда за счет центральных команд (от центральной нервной системы -- ЦНС).

Если перейти от качественных проявлений активности отдельной мышцы, о чем речь шла выше, к тем мышечным силам, которые осуществляют движение костных рычагов, то здесь между работой отдельной мышцы и результирующим движением кости нет однозначного соответствия. На это есть несколько причин:

· фактически любое движение есть результат сокращения большого числа мышечных групп, в том числе и действующих антагонистически, как, например, сгибатели и разгибатели;

· при изменении суставных углов меняются условия тяги мышц за кость, в частности плечи сил мышечной тяги;

· любая мышца прикрепляется к кости не в точке, а на отрезке конечных размеров. Если площадь прикрепления мышцы значительна (например, у трапециевидной, большой грудной мышц) или мышца имеет несколько головок (например, четырехглавая мышца бедра), мышечное усилие может развиваться по нескольким линиям действия силы.

Поэтому классификация качеств по механизму сократимости проявляется в более сложном виде, скорее всего через синергизм работающих групп мышц. Развиваемые при этом силы будут векторной суммой сил, создаваемых отдельными мышцами: они определяют силовые возможности человека в разных движениях.

Если обратиться к вопросу оценки максимальных силовых возможностей мышц, то необходимо вспомнить, что одним из широко распространенных подходов для оценки мышечной силы является измерение площади поперечного сечения мышцы в плоскости, перпендикулярной направлению мышечных волокон. Способность мышцы генерировать силу характеризуется удельным натяжением. Для конкретной мышцы конкретного человека -- это константа, которая показывает величину силы, приходящуюся на единицу площади поперечного сечения мышцы, и численно равная значениям от 16 до 40 Н/см2.

Зададим значение удельного натяжения равным в среднем 30 Н/см2. Площадь поперечного сечения бицепса брахии при статистических измерениях в среднем равна 5,8 см2. Тогда максимальное усилие, которое может развить указанная мышца, составляет 174 Н. Но локоть сгибают три мышцы -- бицепс брахии, брахиалия, брахиорадиалия. С учетом данных о поперечном сечении и других двух мышц максимальное усилие, которое может быть создано мышцами-сгибателями локтя, будет составлять 456 Н.

В результате тренировок «на силу» поперечное сечение мышечного волокна может увеличиться в несколько раз. Мужчины обычно сильнее женщин (если сила определяется как способность генерировать усилие при изометрическом сокращении) за счет различия в мышечной массе. Причина этих различий гормональная: тестостерон (мужской гормон) эффективнее, чем эстроген (женский гормон), стимулирует синтез протеина, что ведет к росту поперечника мышц.

Сила различных мышечных групп развивается с разной интенсивностью (В.К. Бальсевич, 2000). Например, сила мышц, осуществляющих разгибание туловища и подошвенное сгибание стопы, достигает максимума в 16-летнем возрасте, в 20 -- 30 лет отмечается максимум силы сгибателей и разгибателей пальца, разгибателей предплечья, плеча, шеи и разгибателей бедра, после 30 -- 40 лет начинается падение мышечной силы, особенно резко выраженное после 60 лет. Наибольшую работоспособность сохраняют мышцы, наиболее часто упражняемые в естественных условиях. Физические упражнения позволяют сохранять мышечную силу даже в сравнительно позднем возрасте.

4. Скоростные качества

Скоростные качества характеризуются способностью человека совершать двигательные действия в минимальный для данных условий отрезок времени. Они проявляются в «чистом» виде, когда без значительных мышечных усилий возникают очень большие ускорения. В соответствии со вторым законом Ньютона это возможно, когда перемещаемая масса невелика.

Выделяют три основные (элементарные) разновидности проявления скоростных качеств (Д.Д. Донской, В.М. Зациорский, 1979): скорость одиночного движения; частоту движения; латентное время реакции. Между этими элементарными формами проявления быстроты корреляция очень мала. Тем самым хорошие показатели скоростных качеств в их отдельной разновидности еще не гарантируют такой же успешности в проявлении других разновидностей скоростных качеств.

Обычно проявление скоростных качеств является комплексным. Например, при ловле мяча результат действия будет зависеть от латентного времени реакции на движущийся объект, скорости одиночного движения руки, частоты движения в суставах тела, особенно когда мяч проходит в стороне от ловящего. Ниже приведены данные экспериментальных исследований, в которых определялась критическая скорость полета мяча (м/с), при которой человек с его комплексным проявлением качества быстроты уже не в состоянии поймать мяч.

Эта скорость, в сущности, определяет верхнюю границу его текущих скоростных возможностей. Конечно, по этим данным сложно определить, за счет каких элементарных разновидностей скоростных качеств лимитируется их общее проявление при решении конкретной двигательной задачи.

Проявление скоростных качеств определяется быстрым изменением положения тела или его частей в пространстве (т.е. скоростью их движения), быстрым изменением силовых показателей и т.д. Все это обеспечивается функционированием мышечной системы тела. Поскольку мышцы могут работать только на сокращение, движение в любом суставе обеспечивается коактивацией (совместной работой) мышц-сгибателей и мышц-разгибателей.

Рассмотрим достаточно простое движение -- сгибание-разгибание в локтевом суставе. Группа основных мышц-сгибателей включает в себя бицепс брахии, брахиалис и брахиорадиалис, мышца- разгибатель -- трицепс брахии. Для приведения в движение предплечья в первой фазе двигательного действия (для определенности будем считать, что движение начинается из положения полностью распрямленной руки) необходимо резко активировать сгибатели. Результатом этого является разгон и движение предплечья по направлению к плечу.

Через какое-то время предплечье необходимо затормозить, чтобы оно остановилось в положении полного сгибания в локтевом суставе.

Для этого надо активировать разгибатель локтевого сустава, создающий тормозящую силу (или, точнее, тормозящий момент сил). Вторая фаза -- разгибание в локтевом суставе -- сопровождается резким возрастанием активности разгибателя, а через некоторое время -- активностью сгибателей для торможения движущегося предплечья.

Рассмотрение полного процесса сгибания-разгибания в локтевом суставе показывает, что в выбранной нами последовательности движения вначале активируются сгибатели, затем разгибатели, а затем снова сгибатели. Такая картина активности мышечной системы называется трехпачечным паттерном (типом, моделью) активности, он наблюдается во всех сгибательно-разгибательных движениях в любом суставе.

В этом подразделе вводится понятие о трехпачечном паттерне в связи с тем, что в скоростных движениях он проявляется наиболее ярко. А для того чтобы скоростное движение было выполнено на максимуме своих возможностей, необходима четкая координация в активизации мышечных групп, обслуживающих тот или иной сустав тела человека.

Скоростные возможности человека проявляются в естественных локомоциях, относящихся к циклическим движениям, в которых определенно чередуются опорные и безопорные фазы. Ходьба характеризуется как последовательность движений с опорой на одну или две ноги, бег -- это последовательность движений с опорой и без опоры (полетная фаза). С увеличением скорости передвижения происходит переход от ходьбы к бегу, а по мере роста скорости бега меняется соотношение (процентное) опорных и полетных фаз.

Если длина шага остается неизменной, то скорость растет преимущественно за счет роста частоты беговых шагов. Если частота беговых шагов постоянна, то скорость возрастает преимущественно за счет роста длины шагов. По мере роста скорости передвижения проявляются не только скоростные возможности человека, но большое значение приобретает и уровень скоростно-силовых качеств опорно-двигательного аппарата.

Скоростные качества в разных проявлениях ускоренно развиваются в возрасте 10--13 лет. Половые различия в уровне развития скорости движения невелики до 12-летнего возраста. В последующем мальчики имеют преимущество перед девочками, у которых уровень развития скоростных качеств после 13--14 лет растет слабо. Максимальные значения показателей быстроты (по элементарным ее проявлениям) достигаются в период от 15 до 19 лет как у юношей, так и у девушек. Темп движений в период с 7 до 16 лет увеличивается в 1,5 раза. Увеличение протекает неравномерно: наиболее значительное увеличение характерно для 7 -- 9 лет, затем в 10 -- 11 лет годовой прирост частоты снижается, а в 12--13 лет снова увеличивается преимущественно за счет роста силовых и скоростно-силовых возможностей в пубертатном периоде.

В возрасте от 20 -- 29 до 55 -- 65 лет параметры быстрой ходьбы и бега стабилизируются. Большой разброс во временных диапазонах объясняют влиянием индивидуальной динамики развития качеств, в данном конкретном аспекте -- скоростных. После 65 лет (граница достаточно условна и индивидуальна) начинает проявлять себя старческая инволюция двигательных функций.

5. Скоростно-силовые качества

Скоростно-силовые качества -- это разновидность силовых качеств, они характеризуют способность человека проявлять силу при различных скоростях выполнения движения. Проявление скоростно-силовых качеств на уровне мышцы или ансамбля мышц удобно рассматривать через развиваемую в процессе движения механическую мощность, которая вычисляется по формуле:

N=Fv.

двигательный мышечный моторика локтевой

Только в данном случае F будет силой, развиваемой мышцей, a v -- скоростью сокращения мышцы.

Тем самым способность мышцы развивать мощность зависит от ее возможности развивать силу, а также от скорости сокращения ее длины. Поскольку площадь поперечного сечения и скорость сокращения (отражаемая быстро и медленносокращающимися мышечными волокнами) у различных мышц неодинаковы, способность развивать мощность у разных мышц также разная.

Рассмотрим следующий пример (по Р. Эноке, 1998). Для ног велосипедиста, как и для изолированной мышцы, характерна взаимосвязь «сила--скорость», при которой максимальная сила, действующая на педали, уменьшается с увеличением скорости вращения. Имея эти максимальные показатели и зная, какой скорости они соответствуют, можно определить взаимосвязь «мощность -- скорость», отражающую максимальную мощность, развиваемую при каждой скорости вращения. Как видно, график мощности имеет максимум на некоторой промежуточной скорости вращения педалей.

Размещено на Allbest.ru