Биомеханика спорта

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Введение

Термин биомеханика составлен из двух греческих слов: Bios - жизнь и mexane - орудие. Как известно, механика - это раздел физики, изучающий механическое движение и механическое взаимодействие материальных тел. Отсюда понятно, что биомеханика - это раздел науки, изучающий двигательные возможности и двигательную деятельность живых существ. Наибольший практический интерес представляет изучение движений человека и высших животных. Первые труды о движениях животных написаны еще Аристотелем (384 - 322 гг до н.э.). На становление биомеханики оказали влияние мыслители прошлого: Гален (131 - 202 гг.), Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.), Микеланджело (1475 - 1564 гг.), Джованни Альфонсо Борелли (1608 - 1679 гг.) - автор первой книги по биомеханике "Движения животных", И.М.Сеченов (1875 - 1905 гг.), П.Ф.Лесгафт (1837 -1930 гг.), А.А.Ухтомский (1875 - 1941 гг.) и основоположник отечественной биомеханической школы Н.А.Бернштейн (1896 - 1966 гг.) которые много сделали для развития биомеханики как науки.

В последнее время развиваются:

инженерная биомеханика (связана с робототехникой);

медицинская биомеханика (профилактика травматизма и протезирование)

эргономическая биомеханика (связь человека с живой природой).



Предмет биомеханики

Движение лежит в основе жизнедеятельности человека. Разнообразные химические и физические процессы в клетках тела, работа сердца и течение крови, дыхание, пищеварение и выделение; перемещение тела в пространстве и частей тела относительно друг друга; сложнейшая нервная деятельность, являющаяся физиологическим механизмом психики, восприятие и анализ внешнего и внутреннего мира - все это различные формы движения материи. Закономерности механического движения изучаются механикой. Предметом механики как науки является изучение изменений пространственного расположения тел и тех причин, или сил, которые вызывают эти изменения. Биомеханика - наука о законах механического движения в живых системах. Она изучает движения с точки зрения законов механики, свойственных всем без исключения механическим движениям материальных тел. Объект познания биомеханики - двигательные действия человека как системы взаимно связанных активных движений и положений его тела. Область изучения биомеханики - механические и биологические причины возникновения движений, особенности их выполнения в различных условиях. Общая задача изучения движений состоит в оценке эффективности приложения сил для достижения поставленной цели.

Задачи биомеханики спорта

Временные характеристики

Временные характеристики раскрывают движение во времени: когда оно началось и закончилось (момент времени), как долго длилось (длительность движения), как часто выполнялось движение (темп), как они были построены во времени (ритм). Вместе с пространственно-временными характеристиками они определяют характер движений человека.

Момент времени - это временная мера положения точки тела и системы. Момент времени (t) определяют промежутком времени до него от начала отсчета: [t] = Т.

Момент времени определяют не только для начала и окончания движения, но и для других важных мгновенных положений. В первую очередь это моменты существенного изменения движения: заканчивается одна часть (фаза) движения и начинается следующая (например, отрыв стопы от опоры в беге - это момент окончания фазы отталкивания и начала фазы полета). По моментам времени определяют длительность движения.

Длительность движения - это его временная мера, которая измеряется разностью моментов времени окончания и начала движения.

Темп движений - это временная мера их повторности. Он измеряется количеством движений, повторяющихся в единицу времени (частота движений):

Темп - величина, обратная длительности движений. Чем больше длительность каждого движения, тем меньше темп, и наоборот. В повторяющихся (циклических) движениях темп может служить показателем совершенства техники.

Ритм движений (временной) - это временная мера соотношения частей движений. Он определяется по соотношению длительности частей движения:

Ритм движений характеризует, например, отношение времени опоры к времени полета в беге или времени амортизации (сгибания колена) к времени отталкивания (выпрямления ноги) при опоре.

Пространственно-временные характеристики движения

По пространственно-временным характеристикам определяют, как изменяются положения и движения человека во времени, как быстро человек изменяет свои положения (скорость) и движения (ускорение).

Скорость точки - это пространственно-временная мера движения точки (быстроты изменения ее положения). Скорость равна первой производной по времени от расстояния в рассматриваемой системе отсчета:

Скорость точки определяется по изменению ее координат во времени. Скорость - величина векторная, она характеризует быстроту движения и его направление. Так как скорость движений человека чаще всего не постоянная, а переменная (движение неравномерное и криволинейное), для разбора упражнений определяют мгновенные скорости.

Ускорение точки - это пространственно-временная мера изменения движения точки (быстрота изменения движения - по величине и направлению скорости). Ускорение точки равно первой производной по времени от скорости этой точки в рассматриваемой системе отсчета:

Ускорение точки определяется по изменению ее скорости во времени. Ускорение - величина векторная, характеризующая быстроту изменения скорости по ее величине и направлению в данный момент.

Инерционные характеристики

Свойство инертности тел раскрывается в первом законе Ньютона:

«Всякое тело сохраняет свое состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока внешние приложенные силы, не изменят это состояние».

Иначе говоря, всякое тело сохраняет скорость, пока ее не изменяв силы.

Понятие об инертности:

Любые тела сохраняют скорость неизменной при отсутствии внешних воздействий одинаково. Это свойство, не имеющее меры, и предлагается называть инерцией 1. Разные тела изменяют скорость под действием сил по-разному. Это их свойство, следовательно, имеет меру: его называют инертностью. Именно инертность и представляет интерес, когда надо оценить, как изменяется скорость.

Инертность - свойство физических тел, проявляющееся в постепенном изменении скорости с течением времени под действием сил.

Сохранение скорости неизменной (движение как бы по инерции) в реальных условиях возможно только тогда, когда все внешние силы, приложенные к телу, взаимно уравновешены. В остальных случаях неуравновешенные внешние силы изменяют скорость тела в соответствии с мерой его инертности. Момент инерции тела - это мера инертности тела при вращательном движении. Момент инерции тела относительно оси равен сумме произведений масс всех материальных точек тела на квадраты их расстояний от данной оси

Радиус инерции тела - это сравнительная мера инертности данного тела относительно его разных осей. Он измеряется корнем квадратным из отношения момента инерции (относительно данной оси) к массе тела:

Звенья тела как рычаги и маятники

Точки соединения, которые можно рассматривать либо как точки опоры (для рычага), либо как точки отвеса (для маятника).

Рычаг характеризуется расстоянием между точкой приложения силы и точкой вращения. Рычаги бывают первого и второго рода.

Рычаг первого рода или рычаг равновесия состоит только из одного звена. Пример - крепление черепа к позвоночнику.

Рычаг второго рода характеризуется наличием двух звеньев. Условно можно выделить рычаг скорости и рычаг силы в зависимости от того, что преобладает в их действиях. Рычаг скорости дает выигрыш в скорости при совершенствовании работы. Пример - локтевой сустав с грузом на ладони. Рычаг силы дает выигрыш в силе. Пример - стопа на пальцах.

Поскольку тело человека выполняет свои движения в трехмерном пространстве, то его звенья характеризуются степенями свободы, т.е. возможностью совершать поступательные и вращательные движения во всех измерениях. Если звено закреплено в одной точке, то оно способно совершать вращательные движения, и мы можем сказать, что оно имеет три степени свободы.

Закрепление звена приводит к образованию связи, т.е. связанному движению закрепленного звена с точкой закрепления. Поскольку руки и ноги человека могут совершать колебательные движения, то к механике их движения применимы те же формулы, что и для простых механических маятников. Основные вывод их них - собственная частота колебаний не зависит от массы качающегося тела, но зависит от его длины (при увеличении длины частота колебаний уменьшается).

Делая частоту шагов при ходьбе или беге или гребков при плавании или гребле резонансной (т.е. близкой к собственной частоте колебаний руки или ноги), удается минимизировать затраты энергии. При наиболее экономичном сочетании частоты и длины шагов или гребков человек демонстрирует существенный рост работоспособности. Простой пример: при беге высокий спортсмен имеет большую длину шага и меньшую частоту шагов, чем более низкорослый спортсмен, при равной с ним скорости передвижения.

Механические свойства мышц

Двигательная деятельность человека происходит при помощи мышечной ткани, обладающей сократительными структурами. Работа мышц осуществляется благодаря сокращению (укорачиванию с утолщением) миофибрилл, которые находятся в мышечных клетках. Работа мышц осуществляется посредством их присоединения к скелету при помощи сухожилий.

К биомеханическим свойствам мышц относят сократимость, упругость, жесткость, прочность и релаксацию.

Сократимость - это способность мышцы сокращаться при возбуждении. В результате сокращения происходит укорочение мышцы и возникает сила тяги.

Упругость мышцы состоит в ее способности восстанавливать первоначальную длину после устранения деформирующей силы. Существование упругих свойств объясняется тем, что при растяжении в мышце возникает энергия упругой деформации. При этом мышцу можно сравнить с пружиной: чем сильнее растянута пружина, тем большая энергия в ней запасена. Это явление широко используется в спорте. Например, в хлесте предварительно растягиваются и параллельный, и последовательный упругий компонент мышц, чем накапливается энергия. Запасенная таким образом энергия в финальной части движения (толкания, метания и т.д.) преобразуется в энергию движения (кинетическую энергию).

Аналогия мышцы с пружиной позволяет применить к ее работе закон Гука, согласно которому удлинение пружины нелинейно зависит от величины растягивающей силы. Кривую поведения мышцы в этом случае называют «сила-длина». Зависимость между силой и скоростью мышечного сокращения («сила-скорость») называют кривой Хилла.

Жесткость - это способность противодействовать прикладываемым силам. Коэффициент жесткости определяется как отношение приращения восстанавливающей силы к приращению длины мышцы под действием внешней силы: Кж=DF/Dl (Н/м).

Величина, обратная жесткости, называется податливостью мышцы. Коэффициент податливости: Кп=Dl /DF (м/Н) - показывает, насколько удлинится мышца при изменении внешней силы. Например, податливость сгибателя предплечья близка к 1 мм/Н.

Прочность мышцы оценивается величиной растягивающей силы, при которой происходит разрыв мышцы. Сила, при которой происходит разрыв мышцы составляет от 0.1 до 0.3 Н/мм2. Предел прочности сухожилий на два порядка величины больше и составляет 50 Н/мм2. Однако, при очень быстрых движениях возможен разрыв более прочного сухожилия, а мышца остается целой, успев самортизировать.

Релаксация - свойство мышца, проявляющееся в постепенном уменьшении силы тяги при постоянной длине мышцы. Релаксация проявляется, например, при прыжке вверх, если во время глубокого приседа спортсмен делает паузу. Чем пауза длительнее, тем сила отталкивания и высота выпрыгивания меньше.

Существует два вида группового взаимодействия мышц: синергизм и антагонизм.

Мышцы-синергисты перемещают звенья тела в одном направлении. Например, при сгибании руки в локтевом суставе участвуют двуглавая мышца плеча, плечевая и плече-лучевая мышцы и т.д. Результатом синергического взаимодействия мышц служит увеличение результирующей силы действия. При наличии травмы, а также при локальном утомлении какой-либо мышцы ее синергисты обеспечивают выполнение двигательного действия.

Мышцы-антагонисты имеют, наоборот, разнонаправленное действие. Так, если одна из них выполняет преодолевающую работу, то другая - уступающую.

Механические свойства костей определяются их разнообразными функциями; кроме двигательной, они выполняют защитную и опорную функции. Так кости черепа и грудной клетки защищают внутренние органы, а кости позвоночника и конечностей выполняют опорную функцию.

Выделяют 4 вида механического воздействия на кость: растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Установлено, что прочность кости на растяжение почти равна прочности чугуна. При сжатии прочность костей еще выше. Самая массивная кость - большеберцовая (основная кость бедра) выдерживает силу сжатия в 16-18 кН.

Менее прочны кости на изгиб и кручение. Однако регулярные тренировки приводят к гипертрофии костей. Так, у штангистов утолщаются кости ног и позвоночника, у теннисистов - кости предплечья и т.п.

Механические свойства суставов зависят от их строения. Суставная поверхность смачивается синовиальной жидкостью, которую хранит суставная сумка. Синовиальная жидкость обеспечивает уменьшение трения в суставе примерно в 20 раз. При этом при снижении нагрузки на сустав жидкость поглощается губчатыми образованиями сустава, а при увеличении нагрузки она выжимается для смачивания поверхности сустава и уменьшения коэффициента трения.

Геометрия масс тела

Геометрия масс тела (распределение масс тела) характеризуется такими показателями, как вес (масса) отдельных звеньев тела, положение центров масс отдельных звеньев и всего тела, моменты инерции и др.

Общий центр масс тела человека - Вес отдельных звеньев тела зависит от веса тела в целом. Приближенные величины относительного веса звеньев тела.относительный вес отдельных звеньев тела не постоянен. Например, если человек, весивший 60 кг, затем, поправившись, стал весить 90 кг, то это не означает, что все звенья его тела, в частности стопы, кисти, голова, стали тоже в 1,5 раза тяжелее. Центр масс твердого тела является вполне определенной фиксированной точкой, не изменяющей своего положения относительно тела. Центр масс системы тел может менять свое положение, если изменяются расстояния между точками этой системы.

В биомеханике различают центры масс отдельных звеньев тела (например, голени или предплечья) и центр масс всего тела.

У человека, стоящего в основной стойке, горизонтальная плоскость, проходящая через ОЦМ, находится примерно на уровне второго крестцового позвонка. В положении лежа ОЦМ смещается в Сторону головы примерно на 1%; у женщин он расположен в среднем на 1-2% ниже, чем у мужчин; у детей-дошкольников он существенно выше, чем у взрослых (например, у годовалых детей в среднем на 15%).

При изменении позы ОЦМ тела, естественно, смещается и в некоторых случаях, в частности при наклонах вперед и назад, может находиться вне тела человека.

Чтобы определить положение ОЦМ тела, используют либо экспериментальные, либо расчетные методы.

Составные движения в биокинематичеcких цепях

Составное движение образуется из нескольких составляющих движений звеньев в сочленениях биокинематической цепи.

В простейших случаях в механике складываются два поступательных движения двух тел.

Когда в составном движении принимают участие два тела, то обычно составляющие движения называют переносными и относительными. Платформа как бы переносит на себе движение по ней груза; движение платформы переносное. Движение же груза по платформе относительно системы отсчета, связанной с самой платформой, относительное. Тогда движение груза в неподвижной системе отсчета (Земля) результирующее: это результат двух составляющих движений.

В теле человека таких движений не бывает, так как почти во всех суставах звенья движутся вокруг осей сочленений. В биокинематических цепях обычно движется много звеньев; одни «несут» на себе движения других (несущие и несомые движения). Несущее движение (например, мах бедром при выносе ноги в беге) изменяет несомое (сгибание голени).

При движениях в незамкнутой кинематической цепи угловые перемещения, скорости и ускорения, если они направлены в одну сторону, складываются. Разнонаправленные движения не складываются, а вычитаются (суммируются алгебраически).

Сложнее составные движения, в которых составляющие движения вращательные (по дуге окружности) и поступательные (вдоль радиуса)

В составном движении, образованном из вращательных составляющих движений (в биокинематической цепи), вследствие суммирования равнонаправленных и вычитания разнонаправленных движений в разных суставах всегда происходит прибавление движения и вдоль радиуса (поступательное). Значит, биокинематическая цепь (по прямой линии - от ее начала до конца) укорачивается или удлиняется (например, при махе рукой, ногой в прыжках). биомеханика спорт силовой

Биомеханическая характеристика силовых качеств

В биомеханике силой действия человека называется сила воздействия его на внешнее физическое окружение, передаваемая через рабочие точки своего тела. Примером могут быть сила давления на опору, сила тяги за рукоятку станового динамометра и т.п.

Сила - это мера механического действия одного тела на другое Численно она определяется произведением массы тела на его ускорение, вызванное данной силой:

Момент силы - это мера вращающего действия силы на тело

Сила действия человека (СДЧ), как и всякая другая сила, может быть представлена в виде вектора и определена указанием: 1) направления, 2) величины (скалярной) и 3) точки приложения.

Сила действия человека зависит от состояния данного человека и его волевых усилий, т.е. стремления проявить ту или иную величину силы, в частности максимальную силу, а также от внешних условий, в частности от параметров двигательных заданий.

Понятие о силовых качествах

Силовые качества характеризуются максимальными величинами силы действия (F mm), которую может проявить тот или иной человек. Вместо термина «силовые качества» используют также термины «мышечная сила», «силовые возможности», «силовые способности». Наиболее распространенной является следующая классификация силовых качеств:

Силовые качества Условия проявления

1. Собственно-силовые Статический режим и медленные (статическая сила) движения

2. Скоростно-силовые:

а) динамическая сила Быстрые движения

б) амортизационная сила Уступающие движения

Сила действия человека и сила мышц

Сила действия человека непосредственно зависит от сил тяги мышц, т.е. сил, с которыми отдельные мышцы тянут за костные рычаги. Однако между натяжением той или иной мышцы и силой действия нет однозначного соответствия. Это объясняется, во-первых, тем, что почти любое движение происходит в результате сокращения большого числа мышечных групп; сила действия - итог их совместной активности; и, во-вторых, тем, что при изменении суставных углов меняются условия тяги мышц за кость, в частности плечи сил мышечной тяги.

Биомеханическая характеристика скоростных качеств

Скоростные качества характеризуются способностью человека совершать двигательные действия в минимальный для данных условий отрезок времени. При этом предполагается, что выполнение задания длится небольшое время и утомление не возникает.

Принято выделять три основные (элементарные) разновидности проявления скоростных качеств:

1) скорость одиночного движения (при малом внешнем сопротивлении);

2) частоту движений;

3) латентное время реакции.

Между показателями скорости одиночного движения, частоты движений и латентного времени реакции у разных людей корреляция очень мала. Например, можно отличаться очень быстрой реакцией и быть относительно медленным в движениях и наоборот. Имея это в виду, говорят, что элементарные разновидности скоростных качеств относительно независимы друг от друга.

В практике приходится обычно встречаться с комплексным проявлением скоростных качеств. Так, в спринтерском беге результат зависит от времени реакции на старте, скорости отдельных движений (отталкивания, сведения бедер в безопорной фазе) и частоты шагов. Скорость, достигаемая в целостном сложнокоординированном движении, зависит не только от скоростных качеств спортсмена, но и от других причин (например, скорость бега - от длины шагов, а та, в свою очередь, от длины ног, силы и техники отталкивания), поэтому она лишь косвенно характеризует скоростные качества, и при детальном анализе именно элементарные формы проявления скоростных качеств оказываются наиболее показательными.

Биомеханическая характеристика выносливости

Выносливостью называется способность противостоять утомлению. При прочих равных условиях у более выносливых людей наступает позже как первая, так и вторая фаза утомления. Основным мерилом выносливости считают время, в течение которого человек способен поддерживать заданную интенсивность двигательного задания. Согласно правилу обратимости двигательных заданий, для измерения выносливости можно использовать и другие эргометрические показатели. Рассмотрим пример: спортсмены лежа выжимают «до отказа» штангу 50 кг. Если не учитывать уровень их максимальной (F mm) силы, то более выносливыми следует считать тех, кто смог поднять штангу большее число раз. Если же учесть, что максимальная сила у одних спортсменов невелика (скажем, 55 кг), а у других намного больше, то ясно, что на полученный результат повлияет не только разный уровень выносливости испытуемых, но и разные силовые возможности. Устранить их влияние можно было бы, например, так: предложить всем выжимать штангу, вес которой равен определенному проценту от их максимальной силы (скажем, 50% от F mm). В первом случае интенсивность задания уравнивалась в абсолютных единицах (килограммах), во втором - в относительных (в% от R m).

Примерами латентных показателей выносливости могут быть:

1. Коэффициент выносливости - отношение времени преодоления всей дистанции ко времени преодоления какого-либо короткого отрезка (100 м в беге, 50 м в плавании и т.п.): KB = t д, где t эт - время на дистанции (например, 400 м за 48,0 с), t 3 T - лучшее время на коротком («эталонной») отрезке (100 м - 11,0 с). KB = 48,0:11,0 = 4,3636.

2. Запас скорости (по Н.Г. Озолину) - разность между средним временем преодоления эталонного отрезка при прохождении всей дистанции и лучшим временем на этом отрезке. Запас скорости (3 C)= t д: n - t 3 r, где и - число, показывающее, во сколько раз эталонный отрезок меньше всей дистанции (400 м: 100 м = 4). Запас скорости =48,0:4-11,0 = 1 с.

Чем меньше запас скорости, тем выше выносливость. С ростом спортивной квалификации запас скорости, как правило, уменьшается. Например, у сильнейших бегунов мира на 400 м он равен 0,9-1,0 с, у начинающих - 2-2,5 с. С увеличением дистанции запас скорости также увеличивается.

Тренеры в видах спорта циклического характера должны знать, чему равны показатели запаса скорости (или другие латентные показатели выносливости) на разных дистанциях у спортсменов разной квалификации, это поможет определять слабые стороны в подготовке своих учеников, видеть, что именно отстает - скорость или выносливость.



Биомеханическая характеристика гибкости

Гибкостью называется способность выполнять движения с большой амплитудой. Слово «гибкость» используется обычно как более общий термин. Применительно к отдельным суставам говорят о подвижности в них. Для точного измерения гибкости (подвижности в суставах) надо измерить угол в соответствующем сочленении в крайнем возможном положении между сочленяющимися звеньями. Измерение углов движений в суставах, как известно, называется гониометрией (от греч. «гони» - угол и «метр» - мера). Поэтому говорят, что для измерения гибкости используются гиниометрические показатели. Наиболее детальный способ измерения гибкости - так называемый глобографический. При этом поверхность, очерчиваемая в пространстве дистальной точкой движущейся кости, рассматривается как «глобус», на котором определяют предельные значения «меридианов» и «параллелей». В спортивной практике для измерения гибкости нередко используют не угловые, а линейные меры (рис. 60, В). В этом случае на результате измерения могут сказаться размеры тела, например длина рук (при наклоне вперед или выполнении выкрута с палкой), длина туловища (при измерении расстояния между руками и ногами во время выполнения гимнастического моста). Поэтому линейные меры менее точны, и, применяя их, следует вводить поправки, устраняющие нежелательное влияние размеров тела.

Выделяют активную и пассивную гибкость. Активная гибкость - способность выполнять движения в каком-либо суставе с большой амплитудой за счет активности мышечных групп, проходящих через этот сустав (пример: амплитуда подъема ноги в равновесии «ласточка»). Пассивная гибкость определяется наивысшей амплитудой, которую можно достичь за счет внешних сил. Показатели пассивной гибкости больше соответствующих показателей активной гибкости. Разница между ними называется дефицитом активной гибкости. Он определяется зависимостью «длина - сила тяги» активной мышцы, в частности величиной сипы тяги, которую может проявить мышца при своем наибольшем укорочении. Если эта сила недостаточна для дальнейшего перемещения сочленяющихся звеньев тела, то говорят об активной недостаточности мышцы. Экспериментально показано, что активная недостаточность может быть уменьшена (соответственно уменьшен дефицит активной гибкости и повышена сама активная гибкость) за счет силовых упражнений, выполняемых с большой амплитудой движения. Рост силовых качеств приводит в этом случае к увеличению показателей активной гибкости.

Гибкость зависит от ряда условий: температуры окружающей среды (повышение температуры приводит к повышению гибкости), времени суток (в середине дня она выше), разминки и др.

В спорте не следует добиваться предельного развития гибкости. Ее надо развивать лишь до такой степени, которая обеспечивает беспрепятственное выполнение необходимых движений. При этом величина гибкости должна несколько превосходить ту максимальную амплитуду, с которой выполняется движение («запас гибкости»).

Биодинамика прыжка

В прыжках расстояние преодолевается полетом. При этом достигается либо наибольшая длина прыжка (прыжок в длину с разбега, тройной прыжок), либо наибольшая высота (прыжок в высоту с разбега, прыжок с шестом), либо значительная и длина и высота (опорный прыжок в гимнастике).

Разбег.В разбеге решаются две задачи: создание необходимой скорости к моменту прихода на место отталкивания и создание оптимальных условий для опорного взаимодействия.

Отталкивание.Отталкивание от опоры в прыжках совершается за счет выпрямления толчковой нога, маховых движений рук и туловища. Задача отталкивания - обеспечить максимальную величину вектора начальной скорости ОЦМ и оптимальное ее направление. После отталкивания, в полете, тело спортсмена всегда совершает движения вокруг осей. Поэтому в задачи отталкивания входит также и начало управления этими движениями.

Полет.В полете траектория ОЦМ предопределена величиной и направлением вектора начальной скорости ОЦМ (углом вылета). Движения представляют собой движения звеньев вокруг осей, проходящих через ОЦМ. Задача сводится к возможно более дальнему приземлению, удерживая стопы как можно выше.

Движения центра масс системы

Центром масс называется точка, где пересекаются линии действия всех сил, не вызывающих вращение тела. В поле тяготения центр масс совпадает с центром тяжести. Положение общего центра масс тела определяется тем, где находятся центры масс отдельных звеньев. Для человека это зависит от его позы, т.е. пространственного положения элементов тела.

В человеческом теле около 70 звеньев, но для биомеханического моделирования чаще всего достаточно 15-звенной модели человеческого тела (например, голова, бедро, стопа, кисть и т.д.). Зная, каковы массы и моменты инерции звеньев тела и где расположены их центры масс, можно решить многие задачи биомеханики, в том числе:

определить импульс тела;

определить момент количества движения, при этом надо учитывать, что величины моментов относительно разных осей неодинаковы;

оценить, легко или трудно управлять скоростью тела или отдельного звена;

определить степень устойчивости тела и т.д.

Эффективность техники, ее виды

Эффективностью владения спортивной техникой (или эффективностью техники) того или иного спортсмена называется степень близости ее к наиболее рациональному варианту. Эффективность техники (в отличие от рациональности) - это характеристика не того или иного варианта техники, а качества владения техникой.

В зависимости от того, как определяется рациональная техника (образец, стандарт), различают три группы показателей ее эффективности.

Показатели абсолютной эффективности характеризуют близость к образцу, в качестве которого выбирается наиболее рациональный вариант техники, определенный на основе биомеханических, физиологических, психологических, эстетических соображений.

В простейшем случае мерой эффективности техники может явиться показанный спортсменом результат. Таким способом часто оценивают эффективность технических приемов в единоборствах и спортивных играх. Например, в баскетболе эффективность техники штрафных бросков естественно оценивать по проценту попаданий.

Сравнительная эффективность - В этом случае за образец берется техника спортсменов высокой квалификации. Те признаки техники, которые закономерно отличаются у спортсменов разной квалификации (т.е. изменяются с ростом спортивного мастерства), называются дискриминативными 1 признаками. Такие признаки эффективности техники используют в качестве основных показателей лишь тогда, когда техника движений очень сложна и на основе биомеханического анализа не удается определить ее наиболее рациональный вариант. В других случаях дискриминативные признаки дополняют показатели абсолютной эффективности, очень часто совпадая с ними.

При оценке эффективности техники с помощью дискриминативных признаков надо помнить, что техника даже выдающихся спортсменов может быть не вполне рациональной.

Реализационная эффективность (эффективность реализации) - Идея этих показателей состоит в сопоставлении показанного спортсменом результата либо с тем достижением, которое он по уровню развития своих двигательных качеств потенциально может показать (вариант «А»), либо с затратами энергии и сил при выполнении оцениваемого спортивного движения (вариант «Б»).

Вариант «А». В данном случае эффективность техники оценивается по тому, насколько хорошо спортсмен использовал в движении свои двигательные возможности. При таком подходе опираются на существование связей между тремя показателями: спортивным результатом, уровнем развития двигательных качеств, эффективностью техники.

Практически это осуществляется путем сравнения результатов спортсмена:

а) в технически сложном действии (как правило, это то движение, в котором специализируется спортсмен);

б) в технически более простых заданиях, требующих развития тех же двигательных качеств, что и основные.

Строение биомеханической системы

Для изучения опорно-двигательного аппарата человека как биомеханической системы необходимо последовательно рассмотреть строение этой системы и ее свойства. С точки зрения биомеханики опорно-двигательный аппарат - это управляемые биокинематические цепи (звенья и их соединения), оснащенные группами мышц. Вместе они выполняют задаваемые движения как биомеханизм.

Самой характерной чертой строения биомеханической системы считается его переменный характер. И число движущихся звеньев, и степени свободы движений, и состав мышечных групп, и их взаимодействия переменны.



Звенья биокинематических цепей

Биокинематические цепи опорно-двигательного аппарата состоят из подвижно соединенных звеньев (твердых, упругих и гибких) и отличаются их переменным составом, своей длиной и формой (составные рычаги и маятники).

Фиксирование суставов (блокада) и их освобождение (снятие динамических связей - тяги мышц) изменяют число движущихся звеньев в цепи. Она может превратиться как бы в одно звено или сохранять движение в части сочленений или во всех сочленениях.

Расстояние по прямой от проксимального сочленения до конца открытой цепи при ее сгибании-разгибании изменяется. Многозвенные маятники поэтому имеют переменную длину. Это влияет на величину инертного сопротивления (изменения момента инерции).

Биокинематические цепи, замыкаясь геометрически (связыванием между собой концевых звеньев), изменяют свои свойства (передача усилий, возможности управления). В частности, возникают составные рычаги со сложной передачей тяг многосуставных мышц. Твердые; Звенья (кости), упругие (мышцы) и гибкие (связки, сами мышцы; и их сухожилия), изменяя степень и характер своего участия в движениях, обеспечивают многообразные возможности движений.

Механизмы соединений

Механизмы соединений звеньев в биомеханических цепях и неодноосных сочленениях позволяют определять требуемое движение благодаря образованию биодинамическиполносвязного механизма.

Биодинамический полносвязный механизм (биомеханизм) характеризуется выключением лишних в данном движении степеней свободы. Тяги групп мышц обеспечивают требуемое направление движений звеньев в биокинематических цепях и регулирование их скоростей. Кроме этого, мышцы при необходимости ограничивают и размах движений, затормаживая звенья раньше, чем наступает пассивное ограничение (костно-суставно-связочное).

Направление движений, скорости звеньев и размах движений в ряде суставов взаимосвязаны благодаря совместному действию многосуставных мышц.

Перемещающие движения

Перемещающимися в биомеханике называют движения, задача которых - перемещение какого-либо тела (снаряда, мяча, соперника, партнера). Перемещающие движения разнообразны. Примерами в спорте могут быть метания, удары по мячу, броски партнера в акробатике и т.п.

К перемещающим движениям в спорте обычно предъявляются требования достичь максимальных величин:

а) силы действия (при подъеме штанги), б) скорости перемещаемого тела, (в метаниях), в) точности (штрафные броски в баскетболе). Нередки и случаи, когда эти требования (например, скорости и точности) предъявляются совместно.

Среди перемещающих различают движения:

а) с разгоном перемещаемых тел (например, метание копья),

б) с ударным взаимодействием (например, удары в теннисе или футболе).

Поскольку большинство спортивных перемещающих движений связано с сообщением скорости вылета какому-нибудь снаряду (мячу, снаряду для метания), рассмотрим прежде всего механические основы полета спортивных снарядов.

Полет спортивных снарядов. Траектория (в частности, дальность) полета снаряда определяется:

а) начальной скоростью вылета,

б) углом вылета,

в) местом (высотой) выпуска снаряда,

г) вращением снаряда и

д) сопротивлением воздуха, которое, в свою очередь, зависит от аэродинамических свойств снаряда, силы и направления ветра, плотности воздуха (в горах, где атмосферное давление ниже, плотность воздуха меньше и спортивный снаряд при тех же начальных условиях вылета может пролететь большее расстояние).

Биомеханика ударных действий

Ударными в биомеханике называются действия, результат которых достигается механическим ударом. В ударных действиях различают:

1. Замах - движение, предшествующее ударному движению и приводящее к увеличению расстояния между ударным звеном тела и предметом, по которому наносится удар. Эта фаза наиболее вариативна.

2. Ударное движение - от конца замаха до начала удара.

3. Ударное взаимодействие (или собственно удар) - столкновение ударяющихся тел.

4. Послеударное движение - движение ударного звена тела после прекращения контакта с предметом, по которому наносится удар.

Связь биомеханики с другими науками

Биомеханика как одна из биологических наук нового типа начинает сближаться по методам исследования с точными науками. Общая биомеханика как раздел биофизики, включающая изучение внутриорганизменных биосистем, возникла на стыке физико-математических и биологических областей знания. Успехи этих наук, использование идей и подходов кибернетики, а также научно-технический прогресс так или иначе сказываются на развитии биомеханики. В свою очередь, эти науки обогащаются данными биомеханики о физике живого. В биомеханических исследованиях применяются методы этих смежных наук; в то же время в исследованиях их проблем могут применяться биомеханические методы. Здесь налицо двусторонняя связь, обеспечивающая взаимное обогащение теории и методов исследования.

Несколько иначе связана биомеханика с отраслями знания, в которых изучаются конкретные области прикладной двигательной деятельности. Так, развивающаяся инженерная биомеханика смыкается с бионикой, инженерной психологией («человек и машина»), связана с разработкой роботов, манипуляторов и других технических устройств, умножающих возможности человека в труде. Медицинская биомеханика дает обоснование ряду методов протезирования, протезостроения, травматологии, ортопедии, лечебной физической культуры. В космической медицине решаются задачи подготовки космонавтов, обеспечения их работоспособности в условиях невесомости, а также двигательных действий в космосе. Биомеханика как бы обслуживает эти области деятельности в процессе решения их прикладных задач.

Методы и законы биомеханики спорта используются также для совершенствования теории и методики физического воспитания, врачебного контроля, спортивно-педагогических и других дисциплин, решающих свои конкретные задачи в области физического воспитания.

Использование основ биомеханики в педагогической деятельности по физическому воспитанию

Педагогические приемы современной биомеханики базируются на основополагающих принципах дидактики. В их числе: систематичность обучения, сознательность, активность, наглядность и доступность (Студенты знакомятся с принципами дидактики при изучении педагогики, а также теории и методики физического воспитания).

На уроках физкультуры в школе, так же как на занятиях в спортивных секциях и группах здоровья, преподаватель сталкивается с многочисленностью обучаемых и неодинаковостью их физической и технико-тактической подготовленности. Эти трудности можно преодолеть, опираясь на глубокое знание основ биомеханики, перечисленные выше дидактические принципы, а также на идеи и методы программированного обучения, педагогической кинезиологии и суггестологии.

При программированном обучении учебный процесс осуществляется по определенной обучающей программе. Учебный материал и деятельность обучаемого расчленяются на «порции» и «шаги». Обучающая программа закладывается или в специальное обучающее устройство, или в программированный учебник.

После каждого «шага» проверяется освоение обучаемым очередной «порции» знаний и навыков. Этим обеспечивается возможность приспособления быстроты обучения к индивидуальным особенностям ученика.

Итак, при использовании программированного обучения весь объем знаний и умений «квантуется», т. е. разделяется на небольшие порции («кванты»), передаваемые ученику в определенной последовательности. Сделать это можно, если четко сформулировать цели и задачи обучения на каждом уроке, в каждой части урока и в отдельных двигательных заданиях.

ОСНОВЫ ПЕДАГОГИЧЕСКОЙ КИНЕЗИОЛОГИИ

Четкое формулирование целей и способов их достижения на каждом этапе обучения позволяет реализовать дидактические принципы сознательности и активности. Обучение становится целенаправленным. Обучаемому дается возможность заранее увидеть всю последовательность обучающих мероприятий и осознанно переходить от этапа к этапу. Так подходят к организации процесса обученияв педагогической кинезиологии:Гросс X. X. Методология педагогическойкинезиологии.-- Таллин, 1987.

Необходимость нового подхода, развивающего идеи программированного обучения, обусловлена тем, что разучивание двигательных действий существенно отличается от освоения теоретических знаний. При выполнении физических упражнений возможен и необходим не только логический, но и образный, и чувственный самоконтроль. Другими словами, в процессе обучения ученику следует сообщить и дать почувствовать:

1) что он должен делать (на этой информации основывается логический самоконтроль);

2) что он будет ощущать при правильном выполнении двигательного действия.

Тем самым в сознании ученика связываются воедино смысловой, зрительный и кинестетический образы двигательного действия.

Центральным понятием педагогической кинезиологии является модель оптимальной техники. Как правило, это -- словесное описание рациональной техники, иллюстрированное рисунками и содержащее:

1) описание фазового состава двигательного действия;

2) описание и фотографии (или схематические изображения) оптимальных граничных поз, которые человек должен принимать в начале и в конце каждой фазы (без остановки движения);

3) перечисление целей, к которым нужно стремиться при выполнении всего двигательного действия и каждой из его фаз, и задач, которые нужно решить для достижения целей.

Когда специалисты по педагогической кинезиологии обдумывают и формулируют модель, они исходят из представления о двигательном действии как системе, которая характеризуется составом и структурой, т. е. прежде всего стараются понять, из каких пространственных и временных элементов (элементарных действий) состоит целостное действие и по каким закономерностям организована взаимосвязь между ними.

Все это, вместе взятое, дает педагогу и ученику ориентиры, которые помогают значительно ускорить обучение и обучать сразу правильно, минуя этап проб и ошибок. Для этого нужно знать четыре «языка»,которыми можно описать технику.

Первый язык (что вижу) -- описание «видимых фактов», или внешней картины движений. Этот язык понятен всем, кто участвует в обучении:

ученику (от которого нельзя требовать знаний по биомеханике);

учителю или тренеру (который тоже не всегда имеет хорошую биомеханическую подготовку);

специалисту, глубоко разбирающемуся в закономерностях двигательной деятельности.

Второй язык (почему так происходит) -- описание биомеханических механизмов, обеспечивающих оптимизацию двигательных действий. Это язык специалистов, овладевших биомеханикой хотя бы в объеме первых пяти глав настоящего учебного пособия.

Третий язык предназначен для учителя физкультуры или тренера.

И наконец, четвертый язык (как должно быть и что при этом ощущаю) предназначен для ученика. Например, спортсмену необязательно знать, каковы величины суставных углов. Но он должен знать, где те или иные точки тела встречаются в пространстве.

Чем ниже уровень подготовленности человека, которому адресуется модель, тем проще должен быть язык. Например, там, где нельзя требовать специальных знаний, нужно пользоваться простейшим языком. В этом случае приходится говорить даже не о фазах, а об элементарных действиях (рукой, ногой, тазом и т. п.).

Таким образом, при использовании методов педагогической кинезиологии сознательность обучения обеспечена наличием «модели» (образца) техники или тактики. Обучаемый получает возможность осмысленно приближать свою двигательную деятельность к этому стандарту.

Последовательность и постепенность обучения достигаются упорядоченностью решаемых задач. Программа обучения составляется так, чтобы обучаемый осваивал правильную технику двигательных действий и тактику двигательной деятельности постепенно, шаг за шагом, осмысливая свои действия.

Доступность обучения реализуется тем, что каждая очередная порция информации осваивается на уровне уже достигнутых возможностей, которые реально оцениваются учителем и самим учеником.

И наконец, обучение становится активным благодаря самоконтролю, для чего создается система ориентиров -- зрительных и кинестетических (основанных на ощущениях обучаемого).

Методы педагогической кинезиологии чрезвычайно плодотворны. Но процесс построения модели двигательного действия весьма трудоемок. На сегодняшний день такие модели созданы для ходьбы, бега, передвижения на лыжах, плавания. Некоторые из них использованы нами при описании закономерностей частной биомеханики.

В современной педагогической кинезиологии используются модели, в которых ориентирами служат только показатели кинематики (т. е. внешней картины движений). Это объясняется тем, что, по предложению X. X. Гросса, экспериментальные данные для моделей собираются путем регистрации техники спортсменов высшей квалификации, находящихся в наивысшей спортивной форме, на крупнейших соревнованиях. Столь высокие требования к эталонной технике исключают возможность применения других методов, кроме кино- и видеосъемки. В дальнейшем по мере совершенствования датчиков биомеханических характеристик к ним полезно добавить показатели динамики и энергетики. Тогда можно было бы говорить не только об эталонных величинах суставных углов, перемещений, скорости и т. п., но и об оптимальных величинах сил действия, развиваемой энергии и экономичности.

Современный арсенал педагогической кинезиологии позволяет выразить точными словами (а в дальнейшем, возможно, и математически) всю сложность двигательной деятельности, которую талантливый тренер постигает из опыта и благодаря своей интуиции.

Заметим, что все физические упражнения, с точки зрения педагога, делятся на две группы:

1) легко усвояемые (например, упражнения комплекса ГТО);

2) те, над которыми работают годами (например, метания спортивных снарядов).

Методы педагогической кинезиологии полезны при освоении упражнений первой группы и совершенно необходимы при обучении сложным двигательным действиям.

И еще одно замечание. Объединяя смысловой образ оптимальной техники со зрительным и кинестетическим, необходимо контролировать не только правильность выполнения двигательных действий, но и знания по технике. При этом выявляются пробелы в знаниях и становится явной следующая иерархия уровней подготовленности ученика: не знаю -- не делаю, знаю -- не делаю, не знаю -- делаю, знаю -- делаю. Эти ступени, подобно лестнице, ведут к вершине технико-тактического мастерства.

Понятие о суггестивных методах обучения

Методы программированного обучения и педагогической кинезиологии упорядочивают процесс передачи знаний. Они активизируют познавательную деятельность ученика, дают ему возможность осваивать эффективную технику и тактику шаг за шагом и сразу правильно, без досадных «проб и ошибок». Тем самым обучение становится более целенаправленным и значительно ускоряется. Но существуют и другие, еще более интенсивные методы обучения. Это суггестивные методы.

Суггестология (от suggest -- намекать, наводить на мысль) -- наука о внушении. В соединении с педагогикой суггестология образует суггестопедию -- новый раздел педагогики, разрабатывающий приемы ускоренного обучения. В отличие от других, суггестивные методы достигают цели в обход логики, во многом напоминают игру и потому не требуют от ученика значительных волевых усилий. Как известно, именно так обучаются маленькие дети.

Исследованиями психологов, психиатров и нейрохирургов установлено, что человек использует лишь ничтожную часть возможностей своего мозга. Существуют колоссальные резервы, о чем говорят, например, факты «сверхзапоминания» (до 1000 иностранных слов за сеанс) особо одаренными людьми и обычными людьми в состоянии гипноза. Суггестивные методы обучения опираются на эти резервы и активизируют их.

Для того чтобы активизация резервов мозга стала возможной, необходимо преодолеть «критически-логический» антисуггестивный барьер, т. е. ситуацию, когда, привыкнув к ограниченности своих возможностей, человек из соображений здравого смысла не верит в свои сверхвозможности.

Например, известно, как трудно увеличить результат спринтеру высшей квалификации, достигшему своего «потолка». И. П. Ратов и его сотрудники добивались этого с помощью приспособления, которое они назвали облегчающей подвеской. Над беговой дорожкой электромотором со скоростью бегуна перемещался блок с ремнями, подтягивающими спортсмена кверху и тем самым снижающими силу тяжести. При этом результат в спринтерском беге, естественно, оказывался выше обычного. Это способствовало формированию навыка «сверхбыстрого» бега, придавало бегуну уверенность, и в дальнейшем он улучшал свой результат на соревнованиях.

Той же цели могут служить и другие тренажеры для физической и технико-тактической подготовки спортсменов, а также людей, занимающихся физкультурой.



Заключение

Спортсмен при выполнении какого-либо действия постоянно ищет, как лучше его выполнить, т.е. каким образом осуществить свои движения, для достижения поставленной цели. Он управляет своими движениями для достижения поставленной цели, управляет в переменных условиях (абсолютного повторения условий нет и не может быть).

Но чтобы успешно выполнить требуемые движения необходимо знать причины затруднений, причины помех, изменения условий, источники ошибок техники выполнения и пути преодоления этих ошибок. Биомеханика спорта (как часть всей биомеханики) и служит этой цели. Биомеханика в практической деятельности тренера познается все глубже. Биомеханические знания постоянно подкрепляются спортивной практикой.

Биомеханика в целом изучает законы механического движения в живых системах. Изучаются разные системы (биосистемы):

организма в целом (человек);

отдельные части его организма (подсистемы), например, двигательный аппарат, сердечно сосудистая система;

объединения организмов (группа акробатов, пара борцов).

Под механическим движением понимается передвижение всей биосистемы в целом, а также передвижение частей системы относительно друг друга т.е. деформация системы.

Все деформации в биосистемах так или иначе связаны с биологическими процессами, которые играют решающую роль в движениях человека.

Величины сил и их моменты в организме постоянно изменяются. Поэтому механику движений человека и животных называют биологической механикой - биомеханикой.

Биомеханика человека и животных очень похожа: внешние силы, силы тяги мышц, контроль за органами чувств, энергетическое обеспечение - в общем одинаковы. Но человек познает законы движения, ставит цели, осознает ход движений, контролирует их, сознательно обучается им, своим разумом и волей управляет движениями для достижения цели.

Биомеханика спорта изучает движения человека (спортсмена) при выполнении им различных движений - действий. Изучаются механические и биологические причины движений в зависимости от изменяющихся условий Среды. Для спорта биомеханика участвует в решении трех групп задач: кого учить, чему учить и как учить.

В последние годы получило широкое распространение направление в обучении двигательным действиям - педагогическая кинезиология (Х.Х.Гросс), своего рода синтез, слияние биомеханики и педагогики., т.е.:

...