Биомеханические эргогенные средства прямого действия - Спортивная одежда

К спортивной одежде для всех видов спорта существуют определенные требования — от коротких плавок для пловцов до полного гардероба горнолыжников. Разрабатывая одежду для спортсменов, специалисты особое внимание уделяют тому, чтобы она защищала от естественных факторов окружающей среды или же от повреждений. Специальные ткани позволяют спортсменам сохранять тепло и не мокнуть во время тренировок в сырую и холодную погоду; современная спортивная обувь шьется со специально сбалансированной упругой подошвой и прокладками, создающими оптимальные условия для передвижения и защищающими от повреждающих воздействий и т.п.

Тип спортивной одежды, выбираемый спортсменами в соответствии с требованиями к ней, может повлиять на показатели работоспособности.

Фактически, вся спортивная одежда, используемая во время соревнований, определенным образом совершенствуется с целью повышения возможности спортсмена улучшить спортивный результат.

В зависимости от вида спорта одежда может создаваться для снижения сопротивления воздуха и воды, снижения сил гравитации, для уменьшения или повышения сил трения или же повышения плавучести.

Результаты исследований, проведенные в аэродинамической трубе (рис. 8.15), убедительно показали, что, если специально созданная спортивная одежда может уменьшить по сравнению с обычной спортивной одеждой торможение, вызываемое формой или поверхностью тела, то же самое происходит и при использовании этой одежды спортсменами в условиях сопротивления как воздуха, так и воды. В высокоскоростных видах спорта (скоростной спуск на лыжах, велосипедный спорт, скоростной бег на коньках) вся спортивная одежда обтекаемая, что делает ее более аэродинамичной. Обтекаемость ботинок горнолыжника способна обеспечить ему преимущество менее чем на 1 с, но которое может оказаться достаточным для победы в соревнованиях.

Использование при высоких скоростях цельнокроеного, плотнооблегающего спортивного костюма способствует снижению сопротивления воздуха на 6—10 %, что может позволить в 4-километровой гонке с преследованиями выиграть 3 с. Применение велосипедистами спортивной одежды-комбинезонов, изготовляемых из обтекаемой ткани, позволило улучшить результат в командной гонке на 100 км в среднем на 2 мин (Polischuk, 1993).

На росте результатов сказалось также использование новых образцов комбинезонов и ботинок, что позволило спортсменам кардинально изменить технику и увеличить дальность прыжков (рис. 8.16).

На рис. 8.17 показано увеличение аэродинамического торможения а зависимости от различного типа одежды или длины волос.

Хотя только несколько спринтеров мирового класса способны в беге ь 100 м развить скорость более 40 км-ч-1, все же результаты проведенных исследований с плотно облегающей спортивной одеждой позволяют надеяться на возможные в недалеком будущем изменения этого показателя. Используя методы математической статистики, канадские ученые установили, если использовать сплошной костюм (включая и капюшон), выполненный из новой японской ткани, аналогичной «Саран Рэп», то можно улучшить мировой рекорд в беге на 100 м на 0,17 с. Отмечается также, что такой спортивный костюм позволяет улучшить спортивный результат и в беге на длинные дистанции, например, в беге на 5 км оно может составить около 3 с (Уильяме, 1997).

Хорошо подогнанный плавательный костюм проявляет аналогичный эффект к сопротивлению воды. Повышение плавучести дает пловцам преимущество по той причине, что, чем выше находится тело в воде, тем сильнее снижается ее сопротивление, поскольку в этом случае большая часть тела спортсмена может перемещаться в воздушной среде. К тому же расход энергии при этом более экономный.

В плавании в течение последних лет, после периода длительного застоя, была практически полностью переписана таблица мировых рекордов. По единодушному мнению специалистов, это оказалось возможным благодаря интенсивному внедрению в практику подготовки к соревновательной деятельности достижений научно-технического прогресса. Наибольшее влияние оказало во многом неожиданное появление специальных скоростных костюмов «FAST SKIN», улучшающих гидродинамические качества пловца и способствующих увеличению скорости (рис. 8.18).

Разнообразие конструкций костюмов и материалов, из которых они изготовлены, позволяет каждому пловцу выбрать оптимальный для себя вариант, отвечающий особенностям его телосложения и спортивной техники. При разработке текстуры ткани для костюмов были использованы исследования строения кожи акул, которые способны развивать очень высокую скорость при не очень эффективном строении тела с точки зрения гидродинамики. Кожа акулы покрыта микроскопическими выступами, вызывающими микрозавихрения воды. Именно эти микрозавихрения способствуют уменьшению сопротивления полностью закрытого костюма фирмы «Speedo» на 7,5 % по сравнению с другими костюмами. Важным является также то, что специальный крой панелей обеспечивает естественную координацию движений  и работу мышц пловца, которые ощущают костюм «как свою вторую кожу». Сегодня общепризнанно, что установление большого количества мировых рекордов в плавании в последние годы было в значительной степени обусловлено появлением этих костюмов. Так, на Играх Олимпиады в Сиднее 13 из 15 мировых рекордов были установлены пловцами, использовавшими скоростные костюмы фирмы «Speedo».

Часто достоверность теоретически обоснованных выводов относительно благоприятного влияния биомеханических эргогенных средств на спортивную работоспособность при их использовании непосредственно в условиях спортивных соревнований ставится под сомнение, поскольку они настолько малы, что могут быть затенены даже естественными суточными колебаниями показателей физической работоспособности. Однако в 1968 г. на Играх XIX Олимпиады в Мехико необычные условия проведения соревнований — низкое атмосферное давление — позволили установить влияние пониженного сопротивления воздуха на спортивную работоспособность в скоростных видах у большинства спортсменов. В среднем улучшение результатов в спринте составило 1,7 %.

Масса спортивный одежды может отрицательно повлиять на показатели спортивной работоспособности в некоторых видах спорта, поскольку, чем тяжелее одежда, тем больше энергии требуется для преодоления дополнительной гравитационной силы. Поэтому создатели спортивной одежды используют современные ткани и материалы, позволяющие сделать такую одежду более легкой.

Правильно подобранная спортивная одежда может оказаться очень эффективным эргогенным средством.

Вкладывая сотни миллионов долларов в развитие этой отрасли, многие обувные компании такие, как «Адидас» и «Пума» (Германия), «Тайгер» (Япония), «Наик» и «Рибок» (США), «Соломон» (Франция) и др., создают свои собственные научные лаборатории и институты для производства более совершенной спортивной обуви, чем у их конкурентов (рис. 8.19).

Так, фирма «Тайгер» имеет специальный институт по проектированию волейбольной обуви, фирма «Адидас» использует разработки многих институтов и лабораторий по применению новых материалов и современных элементов спортивной обуви. Многие из этих компаний являются спонсорами сборных команд по различным видам спорта; они привлекают к работе в своих лабораториях биомехаников и спортивных физиологов для проведения научных исследований для создания наилучшей обуви для спонсируемых спортсменов.

Уменьшение массы беговой обуви должно обеспечить определенное преимущество легкоатлету. Результаты научных исследований подтверждают эту точку зрения. В одной из таких работ спортсмены выполняли на тредмиле бег с установленной скоростью в спортивной обуви разной массы, и при этом у них определяли величину потребления кислорода. Как и следовало ожидать, у спортсменов, бежавших в более тяжелой обуви, потребление кислорода оказалось выше, чем у спортсменов, бежавших в легких кроссовках, что указывает на большие энерготраты у первых. Согласно проведенным расчетам, экономия энерготрат составляет 0,28 % на каждые 28 г массы обуви. Поэтому, если 140-граммовые беговые кроссовки надеть вместо 280-граммовых тренировочных кроссовок, то экономия энерготрат при беге на марафонской дистанции может дать возможность спортсмену преодолеть ее на несколько минут быстрее (Уильяме, 1997).

Композиционный состав спортивной обуви также может проявлять эргогенный эффект. Обувное производство использует материалы с разной степенью эластичности, от чего зависит способность к погашению силы удара в момент соприкосновения ноги с поверхностью земли. Средняя часть подошвы сжимается при контакте с поверхностью и при приземлении действует как амортизатор. Благодаря эластичности средняя часть подошвы изменяет свою поверхность, при этом в ней накапливается определенное количество энергии, которая, освобождаясь, может способствовать более быстрому перемещению ноги в фазе отталкивания.

Спортивная обувь может также создаваться и для обеспечения оптимального трения, необходимого для успешного выступления в конкретном виде спортивных упражнений. Для велосипедистов важно, чтобы обувь обеспечивала максимальное сцепление между стопой и педалью для уменьшения проскальзывания подошвы, тогда как бейсболист сглаживает подошву для сведения к минимуму трения на скользящей ноге во время подачи мяча. Обувь должна соответствовать оптимальным силам трения. В некоторых видах обуви какая-то часть подошвы может быть предназначена для предотвращения скольжения, а какая-то — иметь гладкую поверхность, например у основания носка, что позволяет быстро выполнить вращательные движения (в теннисе или борьбе).

Модификация спортивной обуви с учетом особенностей движений, характерных для различных видов спорта, характера покрытий спортивных сооружений позволяет существенно уменьшить вероятность травматизма в беге, теннисе, баскетболе, гандболе и др.

Спортивная обувь постоянно изменяется и совершенствуется. Этот процесс развития определяется целым рядом фактов:
• появлением новых видов спорта и развитием существующих;
• постоянно растущими требованиями спортсменов;
• прогрессом, достигаемым в изготовлении спортивных арен, их покрытий и покрытий залов, кортов и т.д.;
• новыми достижениями в области биомеханики.

Практическое применение биомеханических концепций в создании обуви предусматривает соответствие элементов конструкции морфофункциональным структурам стопы (рис. 8.20).

Спортивная обувь должна обеспечивать ограничение воздействия ударных сил во время приземления (амортизация); поддержку стопы во время опорной фазы; направление стопы во время заключительной фазы контакта с опорой. Реализация этого возможна на основании свойств материала и соответствующей конструкции (табл. 8.2).

В последнее время спортивная обувь претерпела существенные изменения. Основные разработки создателей спортивной обуви были направлены на контроль движения и амортизацию.

Многие факторы обеспечивают улучшение контроля движения. Использование термопластических каунтеров для пятки сыграло очень важную роль. Каунтер пятки «убаюкивает» пяточную кость и сводит к минимуму движение в подтаранном суставе. Это сильно ограничивает чрезмерную пронацию (McKenzie et al., 1985). Дополнительный контроль движения достигается вследствие увеличения стабильности закручивания вокруг продольной оси обуви с помощью использования жестких материалов между верхней частью обуви и средней частью подошвы. Медиальную часть середины подошвы нередко усиливают материалом, обладающим более высокой плотностью, чем используемый в латеральной части. Это также способствует контролированию чрезмерной пронации. И, наконец, для ограничения пронации используют прямую колодку подошвы, устраняющую обычную медиальную кривую 7—8°, которая наблюдается в прежней спортивной обуви.

Многие производители спортивной обуви вложили значительные средства в улучшение амортизационных качеств обуви. В результате появились новые, эффективные разработки, которые позволяют снизить силы, действующие на стопу и нижнюю конечность вследствие соприкосновения с поверхностью.

Приведенные данные убедительно свидетельствуют о том, что соответствующая спортивная одежда может способствовать улучшению спортивной работоспособности. Спортсмены высокого класса должны идти в ногу с современными технологическими разработками и быть осведомленными о результатах научных исследований, касающихся вопросов использования новейших модификаций спортивной одежды и обуви применительно к их виду спорта.

Большинство спортсменов высокого класса уже смогли на практике оценить технологические преимущества дизайна спортивной одежды. Компании или страны, являющиеся спонсорами этих спортсменов и предоставляющие им образцы изготовляемой ими одежды, понимают, что это лучший способ рекламы их экономического и политического благополучия. На самом деле отдельные виды спортивной одежды обычно создаются для конкретных спортсменов высокого класса с учетом их специальных требований.

Для спортсменов, имеющих менее высокую спортивную квалификацию, спортивная одежда может не полностью соответствовать их биомеханическим особенностям, и поэтому для них важно выбрать спортивную одежду в соответствии с известными теоретическими закономерностями и результатами научных исследований. Если сопротивление воды или воздуха может отрицательно повлиять на показатели спортивной работоспособности, то следует избегать использования свободной спортивной одежды и других спортивных аксессуаров, вызывающих увеличение этого сопротивления. При выборе дизайна следует обращать внимание на обтекаемость спортивной одежды и ее аэродинамичность. Для снижения влияния гравитации необходимо выбирать спортивную обувь и те виды спортивной одежды, которые весят как можно меньше, и использовать их до тех пор, пока они сохраняют свои полезные качества.

Биомеханические эргогенные средства прямого действия - Спортивная экипировка.

Под спортивной экипировкой подразумевают инвентарь, снаряды, защитные средства, любые мячи или инженерно-технические средства передвижения, используемые в спорте.

Для того, чтобы создать участникам соревнований равные условия во всех видах спорта, установлены правила, определяющие различные характеристики спортивной экипировки, и в частности, такие, как масса, размеры и конструкция.

Например, в шоссейных гонках разрешается использовать велосипеды любой конструкции, которые могут быть снабжены переключателями соотношения скоростей, тормозами и другими приспособлениями, но при условии, что велосипеды приводятся в движение только мышечной силой и не имеют приспособлений для уменьшения сопротивления воздуха.

Техническим регламентом Международного союза велосипедистов (UCI) установлены следующие основные ограничения (рис. 8.1):

• длина велосипеда (EF) не должна превышать 200 см, а ширина — 50 см;
• расстояние между осью каретки и поверхностью земли (DA) — не менее 24 см и не должно превышать 30 см;
• расстояние между вертикалями, проведенными через ось каретки и оси переднего колеса (АВ), — не менее 54 см и не более 75 см;
• расстояние между вертикалями, проведенными через крайнюю точку передней части седла и через ось каретки, не должно превышать 135 см;
• расстояние (АС) между вертикалями, проведенными через ось каретки и ось заднего колеса, не должно быть менее 350 мм и не более 550 мм;
• разрешается использование колес разного диаметра (550— 700 мм), компактных (дисковых) и со спицами. Количество спиц не регламентируется;
• в определенных видах гонок разрешается использование руля в виде «рогов быка» и дополнительного прикрепленного выступающего вперед дугообразного упора, который называется «Триатлет» (Полищук, 1997).

Одним из важных решений руководящего комитета UCI является разрешение вносить и утверждать какие-либо изменения в конструкцию велосипеда через каждые два года.

Специалисты практически ничего не могут сделать для улучшения некоторых видов экипировки, например, восьмикилограммового ядра, которое не отличается высокой аэродинамичностью, а в другие виды они могут внести много усовершенствований, способных улучшить спортивную работоспособность.

Так, старые правила в метании копья оговаривали массу и размеры снаряда, однако в них почти ничего не было сказано о его конструкции. Впоследствии конструкторы создали копье с такими аэродинамическими свойствами, что его можно было послать за 90 м, и в некоторых местах проведения соревнований оно могло залететь даже в сектор со зрителя¬ми. Позднее правила в этом виде спорта были изменены, и в частности, в них было внесено ограничение, касающееся конструкции копья.

Спортивная экипировка создается как для обеспечения комфорта и безопасности, так и для повышения спортивной работоспособности. Изменения в дизайне зависят от потребностей спортсмена. Так, манипулируя размерами и эластическими свойствами мячей, можно изменять скорость их полета после нанесения удара. Например, в бейсболе нападающие игроки предпочитают упругий, быстро отскакивающий мяч, тогда как принимающие игроки — менее упругий.

В настоящее время, рассматривая вопросы повышения работоспособности спортсменов с использованием спортивной экипировки, можно выделить несколько направлений.

Спортивные снаряды. Если в каком-то определенном виде спорта целью является увеличение дальности или точности полета спортивного снаряда, то для достижения этой цели модифицируются снаряды.

Так, дальность полета копья может быть заметно увеличена за счет сглаживания его хвостовой части, в результате чего улучшаются аэродинамические свойства, обеспечивающие более выраженный аэродинамический эффект. К выраженному росту спортивного мастерства копьеметателей привело использование планирующих копий. Изменение конструкций копий повлекло за собой изменение техники, методики тренировки и способствовало росту спортивных результатов.

За счет изменения количества и конфигурации углублений на поверхности мяча для игры в гольф появилась возможность существенно влиять на сопротивление воздуха и тем самым увеличивать дальность полета мяча. Один из образцов такого мяча имеет даже встроенный гироскоп, способствующий снижению кривизны движения мяча и повышению точности его посыла. Однако использование мячей такого типа в условиях спортивных соревнований запрещено. Аналогичный дизайн применяется и в американском футболе, что позволяет мячу лететь по спирали (Уильяме, 1997).

В спортивной гимнастике прогресс во многом определяют изменение конструкций гимнастических снарядов; применение дополнительных приспособлений, способствующих появлению большого количества сложных, оригинальных элементов, связок и соединений, которые высоко оцениваются судьями.

Модификация конструкции коня для махов — укорочение крупа, изменение конфигурации ручек и др. привели к тому, что весь снаряд в целом стал биомеханически целесообразной, удобной конструкцией. Это расширило творческие возможности тренеров и спортсменов в отношении разработки и разучивания новых элементов, позволило более эффективно совершенствовать технику, полней использовать анатомо-морфологические и конституционные возможности тела гимнастов.

Укорочение коня для прыжков, изменение его конфигурации, устранение ограничений для постановки рук на коне, модернизация гимнастического мостика, внедрение эластичных дорожек для разбега значительно расширили возможности гимнастов в опорных прыжках. Благодаря этому повысилась зрелищность соревнований, уменьшилось количество травм.

Увеличение эластичности и изменение конфигурации жердей гимнастических брусьев привели к появлению элементов и упражнений, выполняемых с большим махом. Модификация тросовой конструкции, жердей, подвижность стоек брусьев позволили тренерам и спортсменам значительно повысить сложность спортивной техники.

Применение новых конструкций гимнастических накладок (с валиком) при выполнении упражнений на перекладине дало возможность тренерам и спортсменам разработать большое количество сложных и оригинальных элементов, связок и соединений. Это — элементы, выполняемые большим махом, перелеты через перекладину, различные варианты больших оборотов на одной руке и др.

На совершенствование техники спортивной гимнастики существенно повлияли изменения бревна (добавилось мягкое, эластичное покрытие), ковра для выполнения вольных упражнений (синтетическое покрытие, резко увеличившее амортизационные свойства и позволившее разработать и внедрить сложнейшие элементы — двойное сальто, тройное сальто, сальто с пируэтами и др.), различных вспомогательных конструкций и инвентаря — гимнастических матов, ям для приземления.

При разработке инвентаря и оборудования для видов спорта, в которых на спортивный результат очень влияют условия взаимодействия спортсмена со спортивным снарядом (прыжки с шестом, стрельба из лука, теннис, настольный теннис, метание копья, спортивная гимнастика, тяжелая атлетика, хоккей на льду, хоккей на траве), следует придерживаться ряда биомеханических требований:

• обеспечение соответствия или, по крайней мере, пересечения частотных диапазонов колебаний биомеханической системы или биокинематической цепи спортсмена, контактирующей со спортивным снарядом, и самого снаряда;
• амплитудные параметры механических величин при взаимодействии не должны превышать физиологический и биомеханический диапазоны (адаптацию биологической системы), при которых возможны необратимые изменения (условие механической толерантности тела спортсмена);
• в процессе взаимодействия со спортивным снарядом должно сформироваться движение, биомеханические параметры которого для планируемого спортивного результата соответствуют или превышают выявленные для данного вида спорта тенденции изменения параметров движения с ростом результативности выполнения соревновательных упражнений;
• в игровых видах спорта упруговязкие характеристики спортивного инвентаря должны обеспечивать максимально возможную скорость полета мяча, волана или шайбы при данном уровне технической и физической подготовки спортсменов (Попов, 1992).

Используемый спортивный инвентарь также представляет значительный интерес для исследователей.

Размеры и композиция такого инвентаря могут влиять на его ударные характеристики. Экспериментально установлено, что алюминиевая бита может придать бейсбольному мячу большую скорость, чем деревянная. По сути, однородный состав биты обеспечивает более эффективный центр нанесения удара, в результате чего в меньшей степени возникает вибрация и затрачивается энергия на удар, а следовательно, мяч летит гораздо быстрее. Этот центр удара иначе еще называют «сладким пятном» (Уильяме, 1997).

Клюшки для игры в гольф и другой ударный спортивный инвентарь могут быть также изменены в конструкции согласно этому принципу.

В велосипедном спорте постоянный поиск оптимальных, легких и надежных вариантов конструкций велосипеда направлен на его узловые части: передний кареточный узел (переключатель, шатун, педали, ведущие шестерни и др.). «Педаль-велотуфля» представляет собой принципиально новую конструкцию, составляющую единое целое. Замок педали закрепляет велотуфлю по принципу, используемому в горных лыжах. Велотуфля надежно сцепляется с педалью, но в случае падения нога легко освобождается (рис. 8.2) (Полищук, 1997).

В легкой атлетике на рубеже 1950-х годов в прыжках с шестом начали использоваться металлические шесты, которые в сравнении с бамбуковыми отличались повышенной жесткостью. Это привело к значительному изменению техники: прыжок приобрел выраженный маховый характер, изменились требования к уровню специальной подготовленности спортсменов, их конституциональным особенностям. Успеха в этом виде спорта стали добиваться атлеты высокого роста. Использование металлических шестов привело к росту мировых и национальных рекордов. Однако пятиметровый рубеж в прыжках с шестом был превзойден с использованием уже синтетических шестов. Эти шесты по своим качествам существенно отличаются от металлических эластическими характеристиками — большим изгибом и высокими катапультирующими свойствами. Особенности шеста предъявили новые требования к спортивной технике, уровню специальной подготовленности спортсменов, повлияли на методику тренировки, что привело к новому скачку результатов от пятиметровой к шестиметровой высоте. Убедиться в огромном влиянии спортивного инвентаря на спортивную технику и результат в этом виде соревнований позволяет рис. 8.3, на котором показаны прыжки выдающихся спортсменов разных лет.

Инженерно-технические средства передвижения. В последние годы конструкторы значительно улучшили механические средства спортивной экипировки, используемой для передвижения спортсменов в таких видах спорта, как бобслей, парусный и велосипедный спорт, лыжные виды спорта и др. В большинстве случаев внимание ученых акцентируется на способах снижения сопротивления воздуха, воды или же сил трения.

В велосипедном спорте рост спортивных достижений в значительной степени определялся постепенным совершенствованием конструкций велосипедов, чем процессом методики подготовки. Убедиться в этом можно даже при поверхностном знакомстве с внешним видом велосипедов, применявшихся в различные годы (рис. 8.4).

Эти возможности далеко не исчерпаны. Более того, каждый очередной олимпийский цикл приводит к новым оригинальным разработкам. В частности, появление в начале 1980-х годов дисковых колес позволило Ф. Мозеру побить мировой рекорд Э. Меркса в часовой гонке (49,432 км), который удерживался в течение 12 лет. Однако Ф. Мозер не только побил рекорд и перешел скоростной барьер 50 км-ч-1, но ему удалось показать фантастический результат — 51,151 км. Такой прибавки к рекорду не было более 100 лет, начиная с 1884 г. Настоящей сенсацией 90-х годов XX в. в велосипедном спорте стало появление новой конструкции трекового велосипеда, впервые внедренной на Играх Олимпиады 1992 г. в Барселоне (рис. 8.5).

Велосипед этой конструкции позволил применить принципиально новый вариант посадки и техники педалирования, что значительно повысило эффективность работы и обеспечило К. Бордмену подавляющее преимущество над соперниками.

Экспериментальные исследования, проведенные венгерскими биомеханиками (Барна и др., 2000), и полученные данные позволили авторам рекомендовать магниевый сплав при конструкции велосипедных рам.

Сенсационные успехи украинских велосипедистов в последние годы в значительной мере были обеспечены тесным сотрудничеством тренеров и спортсменов со специалистами всемирно известного Авиационного научно-технического комплекса им. O.K. Антонова. Разработанные конструкции велосипедов из углепластика для различных видов гонок (рис. 8.6) с учетом аэродинамических и антропологических характеристик каждого гонщика позволили существенно снизить аэродинамическое сопротивление, повысить скоростные качества и выносливость спортсменов.

В парусном спорте совершенствование материальной части — неисчерпаемый резерв повышения спортивного мастерства и изменения системы подготовки и участия в соревнованиях (рис. 8.7).

Применение прогрессивных конструкций и новых материалов при производстве яхт, парусов, яхтенного оборудования, защитной экипировки спортсменов ведет к изменению технических действий по управлению судном. В результате изменяется методика технической и физической подготовки, появляются  новые требования к решению тактических задач и психологической подготовленности гонщиков. На примере некоторых усовершенствований в классе «Летучий Голландец» за последние 15 лет можно проследить изменения, происшедшие в системе подготовки квалифицированных спортсменов. Из олимпийских классов «Летучий Голландец» — один из сложнейших в технике управления. Легкость корпуса и насыщенность парусами приводит при ошибках в технике управления им к переворачиванию, что чревато не только потерей места в гонке, но и снижением результата в соревнованиях вообще. С появлением в 1970-х годах трубы для спинакера (дополнительного паруса) и в 1980-х годах выстреливающейся реи существенно упростился и обезопасился процесс постановки и уборки спинакера, особенно при среднем ветре и штормовых условиях. Раньше экипаж для выполнения этих маневров должен был встать с наветренного борта, что сразу ухудшало устойчивость, судно начинало раскачиваться на волне и т. д. Теперь эти маневры выполняются в 2—2,5 раза быстрее, не сходя с места. До введения названных новшеств принятие решения о применении спинакера в штормовых условиях требовало высокой техники и определенного психологического настроя. Использование его было привилегией отдельных экипажей. Теперь большинство гонщиков, не задумываясь, ставят спинакер в самых сложных погодных условиях. Сокращение времени постановки и уборки спинакера привело к ужесточению борьбы за ключевые позиции при огибании знаков, появились новые решения возникающих в этой борьбе тактических задач.

В последние годы изменился раскрой парусов. Теперь для них используют более жесткие ткани, при этом расширился диапазон применения парусов в зависимости от силы ветра, что повысило требования к  «операторской» деятельности при управлении яхтой и потребовало перестройки процесса технико-тактической подготовки. Эти изменения, в конечном счете, привели к пересмотру критериев отбора шкотовых для судов класса «Летучий Голландец». На сегодняшний день в лучших экипажах мира рост шкотового около 190 см, что в среднем на 10—15 см больше, чем 10—15 лет назад.

Во второй половине 90-х годов XX в. появилась принципиально новая конструкция коньков для конькобежного спорта. По сравнению с обычными коньками, они позволили увеличить амплитуду отталкивания (рис. 8.8). После некоторой перестройки спортивной техники время прохождения спортсменами каждого круга уменьшилось в среднем на 0,7 с, поэтому вполне естественно, что на зимних Олимпийских играх 1998 г. в Нагано многократно обновлялись мировые рекорды на различных дистанциях, спортивные результаты превысили самые смелые прогнозы. Голландец Ромме на дистанции 5000 м показал результат 6 мин 22,20 с, превышающий мировой рекорд сразу на 8,5 с. Накануне игр специалисты прогнозировали результат на этой дистанции не лучше 6 мин 29,0 с.

Постоянное совершенствование новой конструкции коньков и ботинок способствует дальнейшему росту результатов конькобежцев.

Изменение конструкций бобов на протяжении всей истории современных Олимпийских игр являлось важнейшим фактором прогресса в этом виде спорта (рис. 8.9), способствовало неожиданным победам спортсменов разных стран мира. Специалисты хорошо знают, что успех в этом виде спорта в значительно большей степени определяется конструкциями бобов, чем морфологическими и функциональными особенностями спортсменов.

В 1999 г. фирмой «ROTTEFELLA» разработано новое поколение креплений с увеличеной шириной крепления до 56 мм и двухфлексорной системой (рис. 8.10). В 2001 г. Юлия Чепалова (Россия), используя крепления системы NNN R3, завоевала Кубок мира по лыжным гонкам.

Ярким примером внедрения современных технологий в практику лыжного спорта является разработка гоночной обуви. Так, фирмой «ALFA», занимающейся разработкой лыжного инвентаря с 1931 г., разработано новое поколение ботинок SNS (Solomon Nordic System). Dual System (двойная система) — система «ботинок в ботинке», внутренний ботинок выполняет две функции: обеспечивает вентиляцию, благодаря материалу «Гор-Текс» (синтетический мембранный материал, его поры пропускают влагу только в одном направлении — изнутри наружу) анатомическая стелька адсорбирует влагу и прочно фиксирует стопу к подошве ботинка, предупреждая ее вращение при движениях ноги особенно в коньковом ходе и на спусках. Внешний ботинок обеспечивает поддержку голеностопного сустава, оставляя необходимую амплитуду движений, за счет этого появляется возможность дольше сохранять лыжу незакантованной (рис. 8.11).

Прогрecc результатов в современном лыжном спорте также связан со значительными изменениями как методов подготовки скользящей поверхности, так и самих смазок для лыж.

Чрезвычайно высокая изменчивость состояния поверхности снега привод к необходимости иметь большой набор смазок с различным диапазоном действия.

В зависимости от условий применения (температура, влажность, состояние снега и т.д.) все смазки можно разделить на две группы: лыжные мази (жидкие, полутвердые, твердые), обеспечивающие возможность отталкиваться и скользить, и мази скольжения (парафины), обеспечивающие только скольжение (Безруков, Губатенко, 2000).

Проведенные исследования механизма трения полимерных материалов на снегу позволили определить основные принципы формирования поверхности скольжения лыж и вполне целенаправленно вести работу по улучшению антифрикционных характеристик используемых материалов.

Так, по мнению А.П. Безрукова, Б.А. Губатенко (2000), большой интерес представляют исследования следующих групп соединений (используемых в качестве компонентов смазок):
• соединений близкой химической природы, но различающихся по физико-механическим характеристикам (парафин-полиэтиленовый воск);
• соединений, способных изменять свойства поверхности и существенно изменять  «объемные» свойства (поверхностно-активные вещества, фторорганические соединения);
• мнений, изменяющих как свойство поверхности, так и "объемные" свойства (твердые наполнители).

Исследования, проведенные в середине 1990-х годов А.П. Безруковым, Б.А. Губатенко и Е.А. Духовским, позволили решить ряд проблем, связанна с объемной модификацией полимерных материалов. С помощью  ионизирующего излучения удалось улучшить антифрикционные характеристики полиэтилена, используемого в качестве скользящей поверхности лыж. Разработанная технология позволила подготовить лыжи, на которых успешно выступили лыжники и биатлонисты сборной команды России на Олимпиаде в Нагано.

Модификация поверхностного слоя скользящей поверхности лыж решает чисто практические задачи, непосредственно связанные с подготовкой лыж к соревнованиям. Прежде всего, это — выбор смазки на данные погодные условия. Но, учитывая различную химическую природу смазок, приходится решать технологические проблемы, связанные с обеспечением хорошей адгезии смазки к материалу скользящей поверхности.

Адгезия — сложный комплекс физико-химических явлений, в основе которых лежит молекулярное взаимодействие приведенных в контакт разнородных материалов. Проявление сил молекулярного взаимодействия, ответственных за адгезию, возможно только при условии достижения кон¬такта на границе адгезив-субстрата.

Одним из важнейших способов направленного регулирования прочности адгезионого соединения является, несомненно, подготовка поверхности.

В настоящее время во Всероссийском научно-техническом институте по спортивно-техническим изделиям (ВИСТИ) разработана и изготовлена установка, на которой можно проводить обработку скользящей поверхности лыжи различными смазками в вакууме, в среде инертного газа или при повышенном давлении. Кроме того, установка позволяет обрабатывать лыжи при различных температурных режимах.

С использованием данной установки разработаны два вида технологии обработки скользящей поверхности лыж — обработка парами и расплавами смазок.

В 2002 г. фирмой «FISCHER» была разработана система виброкорректировки горных лыж «Frequency Tuning». «Frequency Tuning» представляет некое подобие сетки, изготовленное из специальных материалов, которая помещается в верхнем слое и сглаживает частотную характеристику лыжи, преобразуя негативные колебания (рис. 8.12).

Апробация новой технологии в соревновательном процессе прошла успешно. Использование горных лыж с новой технологией позволило Михаэлю фон Грюнигену в Сант-Антоне стать чемпионом мира в  слаломе-гиганте.

Защитные средства спортсменов. При разработке и совершенствовании новых конструкций спортивного инвентаря и оборудования, спортивных сооружений в последние годы пристальное внимание уделяется  повышению безопасности спортсменов, особенно в тех видах спорта, которые наиболее зависят от материально-технического обеспечение соревнований. В этом плане в различных видах спорта достигнутые заметные  успехи; например, современные горнолыжные крепления не только обеспечивают жесткое соединение ботинок с лыжами, что влияет на эффективность техники, но и автоматически освобождают ногу спортсмена при перегрузках, которые могут привести к травмам (рис. 8.13).

При разработке конструкций современных креплений используются результаты комплексных биомеханических исследований. Установлено, что наиболее слабым звеном нижних конечностей горнолыжника является большеберцовая кость, и при разработке креплении следует ориентироваться на ее прочность. Прочность большеберцовых костей, их способность противостоять изгибным и крутящим нагрузкам основном определяют конструкцию и регулировку креплений.

Большое внимание уделяется и разработке эффективных конструкций индивидуальных средств защиты спортсменов: шлемов, щитков, бандажей и др.

Защитное снаряжение, используемое в спорте, способствует снижению получения травм и не создает предпосылок к травмированию одноклубников и соперников. Ношение защитного снаряжения, как правило, становится обязательным для многих видов спорта, кроме того, его ис¬пользование зависит от массы, удобства, эстетического вида и т.д. Для оценки эффективности защитного снаряжения чаще всего используется биомеханический метод, при котором предпринимается попытка подвергнуть модель максимальному воздействию, а затем оценить ее качество.

Большинство шлемов, используемых спортсменами, предназначено для снижения риска травм головы благодаря прочному внешнему корпусу, который должен распределять силу удара, и прочной внутренней части, которая должна абсорбировать силу удара. Выбор вида «внутренностей» шлема определяется видом спорта, для которого создается шлем. Для видов спорта, в которых часто встречаются многочисленные удары средней интенсивности (хоккей на льду, американский футбол), внутреннюю часть шлема изготавливают из упругих пеноматериалов средней плотности. Для видов спорта, характеризующихся более серьезными столкновениями (горнолыжный спорт, велоспорт и др.), используются более жесткие материалы большей плотности.

Качество шлема обычно оценивают по его способности не допустить тупой травмы. Для этого созданную модель головы, на которую надет шлем, подвергают падению на специальном стенде (рис. 8.14).

Сила удара измеряется в зависимости от вида спорта, для которого предназначен шлем (например, хоккей на льду — 40 Дж, велосипедный спорт — 80 Дж и т. д), изменяется также и количество ударов (1—3). Способность шлема смягчать удар обычно определяется с помощью трехплоскостного акселерометра, который устанавливается в центре модели головы.

Так, по данным Clarke (1991), смертность вследствие травм головы у игроков в американский футбол (учащихся колледжей и университетов) существенно снизилось после введения обязательного ношения шлемов. Если в 1968 г. количество смертельных случаев составляло 30 в год, то в 1989 г. оно снизилось до 1—2. Почти аналогичная картина наблюдается и в велосипедном спорте. По данным Thompson et al., (1989), для велосипедистов, использующих шлем, характерно снижение травм головного мозга на 85 %.

Опыт показывает, что результативное прогнозирование дальнейшего развития спортивного инвентаря и оборудования, изменение условий соревнований и в связи с этим оперативная перестройка спортивной техники и системы подготовки являются исключительно важными факторами обеспечения эффективности выступлений в крупнейших соревнованиях отдельных спортсменов и целых команд. Любые крупные соревнования подтверждают эту тенденцию.

Классификация биомеханических эрогенных средств в спорте

В настоящее время специалистами многих стран мира ведутся интенсивные поиски разработки оптимальных биомеханических эргогенных средств, которые способствуют повышению работоспособности спортсменов.
Биомеханические эргогенные средства, используемые в спорте, можно классифицировать на средства прямого и отставленного действия (табл. 8.1).

В настоящее время повышение работоспособности спортсменов с использованием биомеханических эргогенных средств ведется в двух основных направлениях.

Первое направление — это снижение влияния негативных факторов окружающей среды на спортсмена в условиях реализации конкретных двигательных заданий. Процесс формирования и совершенствования технического мастерства обеспечивается в основном путем снижения механических нагрузок на костно-суставной аппарат спортсмена, снижения сопротивления окружающей внешней среды на основе повышения физического качества спортивной одежды, инвентаря и инженерно-технических средств передвижения.

При втором направлении учебно-тренировочный процесс должен быть организован так, чтобы внешняя среда приобретала такие новые свойства, которые бы являлись не только оптимальными по отношению к различным физическим факторам, но и стимулировали бы определенные биомеханически рациональные направления в совершенствовании спортивно-технического мастерства.

Это позволяет биомеханически обосновывать и создавать новые тренажерные средства, разнообразные гравитационные биомеханические стимуляторы и автоматизированные системы управления тренировочным процессом, при использовании которых осуществляется воздействие на различные стороны подготовки спортсменов.

Костные рычаги и скелетная мускулатура как основа биомеханической системы двигательного аппарата человека

Эффективность эргогенных средств в спорте во многом определяется биомеханическими свойствами основных костных образований, которые следует учитывать при разработке специальных технологий. Так, костно-суставные элементы двигательного аппарата могут выдерживать значительные механические нагрузки на растяжение и сжатие, имеют значительную упругость.

Как известно, двигательный аппарат представляет собой систему костных рычагов, приводимых в движение мышцами. Различают рычаги трех родов.

Рычаг первого рода (рычаг равновесия) характеризуется тем, что точка опоры лежит между точкой приложения силы и точкой сопротивления. С этой точки зрения можно объяснить равновесие в положении всех выше лежащих звеньев по отношению к ниже лежащим.

Рычаг второго рода (рычаг силы) — точка сопротивления находится между точкой опоры и точкой приложения силы. В рычагах второго рода мышечные силы действуют на длинное плечо, а силы сопротивления — на короткое.

Рычаг третьего рода (рычаг скорости) — точка приложения силы лежит между точкой опоры и точкой сопротивления. Эта разновидность рычага наиболее часто применяется для объяснения движений человеческого тела. Она характеризуется тем, что одна сила — мышечной тяги — приложена вблизи осей вращения и имеет значительно меньшее плечо, чем противодействующая ей сила тяжести или сила какого-либо сопротивления.

Костные рычаги функционируют в двигательном аппарате в системном единстве с работающими мышцами. При этом функциональные возможности мышечной системы эффективнее всего проявляются в тех механизмах опорно-двигательного аппарата, которые наиболее рациональны с точки зрения работы костных рычагов. Следует различать два понятия: напряжение мышцы и работа мышцы.

• Изотоническое напряжение наблюдается в том случае, когда один конец мышцы (обычно место начала) зафиксирован, а другой (обычно место прикрепления) расслаблен настолько, насколько это позволяет ему действующая на растяжение мышцы сила естественной гравитации. Такая мышца, благодаря некоторому тонусу, находится в постоянной готовности к сокращению.

• Изометрическое напряжение наблюдается, когда оба конца мышцы зафиксированы, ее длина не изменяется, а величина натяжения мышцы и твердость повышаются, амплитуда движений в суставе не изменяется. В тренировочном процессе для наращивания мышечной массы используют изометрические упражнения.

• Ауксотоническое напряжение — длина мышцы изменяется, величина силы натяжения не равна внешнему сопротивлению, так называемый смешанный режим.

Мышечное движение можно разделить на три типа сокращения: концентрическое, статическое и эксцентрическое.

Концентрическое сокращение. Основной тип активизации мышцы — сокращение — является концентрическим.

Статическое (изометрическое) сокращение — мышцы могут активироваться, не изменяя своей длины. Когда это происходит, мышца производит силу, однако ее длина и угол сустава не изменяются.

Эксцентрическое сокращение — это способность мышц производить силу в процессе удлинения.

Проявление силы мышцы определяется многими факторами, среди которых наиболее значимые: механическая нагрузка на мышцу, строение и расположение мышцы в момент движения. Внешняя нагрузка, воздействующая на мышцу, возникает благодаря действию гравитации, силы инерции реактивных сил взаимодействия звеньев и ряда других сил. Характер строения и расположения волокон мышцы обычно оценивается их количеством, приходящимся на площадь сечения мышцы, через все волокна перпендикулярно их продольным осям. Расположение мышцы по отношению к центру вращения сопряженного с ней сустава в каждый конкретный момент движения определяет угол ее тяги относительно плеча костного рычага и степень ее растяжения, от чего зависит величина силы тяги мышцы. Сила тяги мышцы также зависит от быстроты ее продольной деформации.

Работа каждой мышцы характеризуется сочетанием особенностей изменения ее силы тяги и длины. В специальной литературе обычно выделяют два основных вида работы мышц — динамическую и статическую. Такая классификация среди специалистов сложилась достаточно давно и стала привычной. Однако следует заметить, что сегодня уже очевидно, что она не достаточно строга и не отражает физический смысл понятия работы. Во-первых, строго говоря, статической никакая работа быть не может. Всякая работа динамическая, поскольку предполагает приложение к тому или иному телу силы («дина» — сила) и в результате действия этой силы перемещение данного тела на некоторое расстояние. Статика же предусматривает неизменность положения изучаемого тела, отдельного звена или всего тела человека в том или ином пространстве.

При детальном анализе содержания применяемых терминов, обусловливающих определенный вид работы, можно использовать более точные названия, например, вместо понятия «статическая работа» — «физиологическая работа», вместо понятия «динамическая работа» — «механическая работа». Физиологическая работа измеряется длительностью (временем) изометрического напряжения мышцы и величиной удерживаемого при этом груза силы внешнего сопротивления. Динамическая работа должна измеряться, например, характером ауксотонического напряжения мышцы и величиной выполняемой ею механической работы — перемещением тела определенной массы на то или иное расстояние (Лапутин, 1999).

При физиологической работе, благодаря своему активному напряжению, мышца уравновешивает действие сил внешнего сопротивления. Напряжение мышцы поддерживается определенное время вследствие непрерывной ее нервной импульсации. Такая работа мышц необходима человеку, прежде всего, для поддержания вертикального положения тела. При сохранении различных других поз и положений тела человека вращающий момент силы его тяжести должен быть уравновешен с таким же по величине, но не обратным по знаку вращающим моментом силы тяги мышц. Специалисты различают три основных разновидности такой физиологической (статической) работы мышц: удерживающую, укрепляющую и фиксирующую. При удерживающей работе момент силы тяги мышцы в системе связанных с нею рычагов противодействует моменту силы тяжести определенной части тела. При укрепляющей работе мышцы вместе с другими соединениями (например, связками, сухожилиями) создают силы сопротивления внешним силам, воздействующим на разрыв той или иной биокинематической пары или цепи. При фиксирующей работе, благодаря напряжению мышц, фиксируются положения сопряженных с ними суставов в ответ на действие сил напряжения мышц-антагонистов.

Наиболее выгодные с точки зрения затрат энергии условия для физиологической работы наблюдаются при предварительно несколько растянутом состоянии работающих мышц. Система управления физиологической работой мышц базируется во многом на тонических и позных рефлексах, которые связаны с возбуждением проприорецепторов мышц и сухожилий.
Механическая (динамическая) работа мышц наблюдается только тог да, когда моменты активных мышечных сил и моменты внешних сил, действующих на ту или иную мышечно-суставную систему, не уравновешивают друг друга. Когда момент мышечной силы превосходит момент противодействующих сил, мышца сокращается. Такая разновидность механической работы называется преодолевающей работой. Благодаря преодолевающей работе мышца, как правило, перемещает сопряженные с ней системы звеньев тела, преодолевая силы гравитации или другие внешние по отношению к ней силы.

Когда мышца растягивается (удлиняется) под действием сил сопротивления (ее момент меньше момента противодействующих сил), а механическую работу производят внешние силы, деформируя мышцу и преодолевая напряжение на пути, равном ее удлинению, тогда такая разновидность механической работы называется уступающей работой. Если же внешние силы растягивают сокращающуюся мышцу, а им противостоят не только ее пассивные упруговязкие компоненты, но и активная сила ее сокращения, то сама мышца производит работу, которая является ее активной уступающей работой.

Мышца имеет вполне определенный предел скорости сокращения, превзойти который она никак не может. Вместе с тем специалисты давно заметили, что сопряженные с ней звенья тела довольно часто двигаются со скоростями, превосходящими возможную максимальную скорость сокращения звеньев, приводящих их в движение. Этот феномен объясняется благодаря еще одной разновидности механической работы мышц — баллистической работе, которая характерна для скоростных метаний, бросков, ударов, в момент которых концевые звенья верхних и нижних конечностей человека обычно перемещаются с высокой скоростью. Сам термин происходит от «балло» (греч.) — бросаю. При баллистической работе мышца вначале предварительно растягивается (например, при замахе для удара по мячу в волейболе), затем она из растянутого состояния сокращается, при этом момент ее силы за короткое время существенно возрастает, значительно превосходя момент сил сопротивления. После резкого сокращения мышца выключается из работы раньше финала движения. Звено тела человека, которому мышца сообщила ускорение, продолжает движение по инерции, наращивая скорость до тех пор, пока его не остановят внешние силы сопротивления.

Существует еще один вид работы, который не принято считать естественной работой мышц. Фактически, это искусственный способ работы, который применяется только в тренажерных устройствах — изокинетических тренажерах с целью преимущественно наращивания мышечной массы и силы. Основным элементом устройства изокинетических тренажеров являются так называемые кулачковые механизмы, позволяющие создавать в тренажерах полный объем вращательных движений при действии постоянных моментов суставных сил. В частности, одним из таких тренажерных систем является комплекс REV—9000.

Гравитационное поле оказывает существенное влияние на все виды и разновидности работы мышц. При физической работе действие сил гравитации уравновешивается изотоническим или изометрическим напряжением мышц. При наличии равенства моментов силы мышц и силы тяжести тело человека или его отдельное звено приходит в равновесие в соответствии с законом равновесия рычагов.

Когда человек изменяет позу или положение своего тела в пространстве, изменяются и плечи момента силы тяги мышц. При физиологической работе величина силы тяжести частей тела и удерживаемого человеком груза, а также расположение центров масс звеньев определяют степень необходимого изометрического напряжения мышц и интенсивность возбуждения соответствующих двигательных центров.

При изменении положения или позы тела изменяются и условия работы мышц, и плечо действия силы тяжести. Наибольших значений оно достигает при горизонтальном положении продольной оси тела. Если же продольная ось тела располагается вертикально, параллельно вектору гравитации мышц, тяжесть тела может проходить через опорный сустав нижней конечности. В таких условиях плечо и момент силы тяжести тела равны нулю, а сила тяжести уравновешивается реакцией опоры. При изменении момента силы тяжести для сохранения равновесия тела должен измениться и момент силы тяги мышц.

При движениях человека в горизонтальной плоскости сила тяжести его тела действует под прямым углом к направлению движения. Для такого движения она будет нейтральной — ни движущей, ни тормозящей, поэтому не будет оказывать непосредственного силового влияния на работу мышц.

Мышечная работа находится также под постоянным влиянием инерции тех масс звеньев тела, движение которых стимулируется определенными конкретными группами мышц. Из-за инерции покоя тела человека мышцам якобы трудно начинать движения. В то же время, когда одно звено тела, обладающее определенной массой, набрало скорость движения, им тяжело управлять. Но с другой стороны, движение звеньев тела человека по инерции будто бы экономит энергетические резервы мышц. Практика спорта показывает, что чем выше качество движений человека, тем он более эффективно использует инерцию масс звеньев своего тела. Хорошие спортсмены, как правило, способны управлять массой своего тела таким образом, чтобы максимально экономить энергию активных мышечных сокращений.

Скелетные мышцы, обеспечивающие решение человеком той или иной двигательной задачи, не работают изолировано друг от друга. Напротив, каждое движение обычно реализуется своеобразным согласованным, единым ансамблем сокращений многих мышц. Например, практически при организации любого двигательного акта одни мышцы находятся в состоянии опорного напряжения (обеспечивают устойчивость позы и положения основной массы звеньев), другие — в состоянии рабочего напряжения (обеспечивают непосредственное исполнение действия или решение финальной части двигательной задачи).

Опорные напряжения мышц обычно обеспечиваются за счет их изометрического сокращения в условиях физиологической (статической) работы. Рабочее напряжение они реализуют, как правило, путем выполнения механической (динамической) работы за счет ауксотонического режима сокращения. Примеров такого характера и опорного, и рабочего напряжения мышц в движениях человека достаточно много. Они наблюдаются практически во всех естественных локомоциях человека — в ходьбе, прыжках, беге, манипуляционных и многих других движениях. Обычно в опорном напряжении находятся антигравитационные мышцы туловища, в рабочем — мышцы верхних и нижних конечностей.

Сокращаясь, мышцы взаимодействуют между собой таким образом, чтобы обеспечить координацию движений частей тела человека при решении двигательной задачи. При этом ими используются активные сократительные элементы, управляемые нейромоторными комплексами, их пассивные упруговязкие элементы, реагирующие на гравитацию и гравитационные взаимодействия, а также скелетные элементы и достаточно твердые компоненты морфологической конструкции. Благодаря этому мышцы способны, с одной стороны, в нужный момент времени сообщать требуемые ускорения конкретным массам звеньев тела, а с другой, в необходимый момент времени тормозить или ограничивать движения этих частей тела.

Силы и силовые взаимодействия в спортивных движениях

Движения спортсмена, как и любого тела, происходят в пространстве и во времени под влиянием различных причин. Силы, действующие на тело человека, при анализе можно разделить на несколько групп: дистантные, возникающие на расстоянии без непосредственного соприкосновения тел (силы тяжести), и контактные, возникающие при соприкосновении тел (упругие силы и силы трения). Исходя из того, какое влияние оказывают те или иные силы на движение тела, можно выделить силы активные (задаваемые) и реакции связи, которые накладывают определенные ограничения на движение тела (они не вызывают движения, а противодействуют активным силам или уравновешивают их). В зависимости от выбранной системы отсчета относительно тела человека (от состава системы) различают внешние и внутренние силы (рис. 7.2).

По отношению к пространству, занимаемому телом человека и отдельными его образованиями, действующие силы могут рассматриваться как сосредоточенные (приложенные в одной точке) или распределенные (поверхностные, объемные). В зависимости от продолжительности действия на тело человека они могут быть постоянными (например, сила гравитации) и переменными (практически все другие силы).

В плане изучения возможности повышения спортивной работоспособности особый интерес вызывают результаты исследований, касающиеся применения биомеханических эргогенных средств, влияющих на физическую сопротивляемость естественным факторам, снижающим эффективность мышечной работы. Показатели специальной работоспособности спортсмена во многих видах спорта зависят от способности развиваемых им мышечных усилий преодолевать внешние естественные сопротивления, препятствующие выполнению движений. Наиболее значимыми из таких сил являются сила гравитации, силы трения и силы физического сопротивления движению тел в воде и в воздушной среде.

В некоторых видах спорта рациональное использование этих сил может способствовать улучшению спортивной работоспособности. Например, во время спуска велосипедиста с преодоленного им горного этапа сила гравитации служит ему помощником. Перемещающаяся окружающая среда (вода, воздух) может способствовать повышению показателей спортивной работоспособности (при сопутствующем потоке воздуха или воды). В некоторых видах спорта эти потоки служат основным фактором, на котором базируется тренировочная и соревновательная деятельность.

Прыгуны на лыжах с трамплина и горнолыжники тесно зависимы от гравитационных сил, тогда как яхтсмены — от ветра и создаваемых им волн.

Как правило, внешние силы сопротивления препятствуют достижению успеха в спорте. Так, спортсмены, специализирующиеся в прыжках в высоту и в прыжках с шестом, по существу, соревнуются с гравитацией.

Горнолыжник испытывает значительное сопротивление встречного потока воздуха, тогда как пловец должен преодолеть значительное сопротивление воды. Существенно повлиять на спортивный результат могут и силы трения (например, в случае ухудшения скольжения лыж при таянии снега). Поэтому основная цель применения механических эргогенных средств заключается в максимальном извлечении пользы от указанных внешних сил или сведении к минимуму любых неблагоприятных сопротивляющих влияний. В видах спорта, где результат во многом зависит от воздействия внешних сил на движение, как в парусном спорте, некоторые исследователи акцентируют внимание на путях повышения эффективности использования этих сил (например, путем улучшения конструкции яхты). Однако большинство ученых занимается изучением возможностей снижения сопротивления воды, воздуха, силы гравитации и трения (Уильяме, 1997).

Гравитационная сила. Наиболее значительная сила, воздействующая на нас, — это сила земного притяжения. Вероятно, самой первой силой, существование которой осознал человек, являлась сила притяжения, действующая на тела со стороны Земли.

Любые два тела притягиваются друг к другу. Сила притяжения между точечными телами направлена по прямой, их соединяющей, прямо пропорциональна массам обоих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Под точечными телами в данном случае понимают тела, размеры которых во много раз меньше расстояния между ними.

Силы всемирного притяжения называют гравитационными силами. Коэффициент пропорциональности G называют гравитационной постоянной. Его значение было определено экспериментально:

Сила притяжения, действующая вблизи поверхности Земли, направлена к ее центру и вычисляется по формуле:

F = m*g
где g — ускорение свободного падения.

Роль силы притяжения в живой природе очень значительна, так как от ее величины во многом зависят размеры, формы и пропорции живых существ. Величина этого притяжения зависит, в основном, от двух факто-ров. Первым из них является расстояние тела или предмета от центра Земли. Чем ближе к центру, тем больше сила притяжения.

Следовательно, на значительной высоте над уровнем моря и на определенных географических широтах спортивные результаты в отдельных видах спорта могут быть улучшены просто из-за меньшей силы земного притяжения. Второй фактор — масса тела, включая экипировку и одежду. С увеличением массы возрастает и гравитационная сила, поэтому для ее преодоления необходимо развивать большее усилие.

Когда тело покоится на опоре (или подвешено), сила тяжести, приложенная к нему, прижимает его к опоре (или отрывает от подвеса). Это действие тела на опору измеряется весом тела. Вес тела (статический) — это мера воздействия тела в покое на покоящуюся опору, мешающую его падению. Сила тяжести и вес тела — не одна и та же сила. Вес всего тела человека приложен не к нему самому, а к его опоре (сила тяжести — дистантная сила, а вес — контактная сила).

При движении тела с ускорением, направленным по вертикали, возникает вертикальная сила инерции. Она направлена в сторону, противоположную ускорению. Если сила инерции направлена вниз, то она складывается со статическим весом, сила давления на опору при этом увеличивается. Если же сила инерции направлена вверх, то она вычитается из статического веса, сила давления на опору уменьшается. В обоих случаях измененный вес называют динамическим. Динамический вес туловища при выпрыгивании вверх действует на нижние конечности внутри тела спортсмена (внутренняя сила — относительно всего тела и внешняя — относительно нижних конечностей).

Силы упругой деформации. Силы, действующие на тело, не только создают его ускорение,, но и меняют его форму — создают деформацию.

Сила, возникающая при деформации тела и направленная в сторону, противоположную смещению частиц тела, называется силой упругой деформации (Fy).

Сила упругой деформации — это мера действия деформированного тела на другие тела, вызывающие эту деформацию. Упругие силы зависят от свойств деформированного тела, а также вида и величины деформации.

Сила упругости (Fy), возникающая при малой (по сравнению с раз-мерами тела) деформации, прямо пропорциональна величине деформации (х) и направлена в сторону, противоположную смещению частиц тела:

Коэффициент пропорциональности к называется жесткостью тела. Коэффициент жесткости равен отношению силы, например веса тела (Р) к вызванной ею деформации:

В международной системе жесткость выражается в ньютонах но метр (Н-м-1).
В некоторых случаях, например в прыжках с трамплина, очень важен процесс восстановления формы деформированного тела. Так, при прыжках в воду используют упругий трамплин, который, распрямляясь, сообщает телу спортсмена дополнительную скорость, и он прыгает выше (сила упругости деформированного трамплина совершает множительную работу).

Искусственные покрытия спортивных сооружений обладают определенной жесткостью, что позволяет использовать силы упругой деформации при амортизации и отталкивании.

Силы реакции опоры. Любое действие веса тела человека на опору встречает противодействие, которое принято называть опорной реакцией (или реакцией опоры).

Опорноя реакция — это мера противодействия опоры действию на нее тела, находящегося с ней в контакте (в покое Оли движении). Она равна силе действия тела на опору, направлена в противоположную сторону и приложена к этому телу.

Находясь на горизонтальной опоре, человек испытывает противодействие своему весу, а опорная реакция (нормальная или идеальная), как и вес тела, направлена перпендикулярно к опоре. В том случае, когда поверхность не плоская, опорная реакция перпендикулярна к плоскости, касательной к точке опоры.

Если вес статический, то реакция опоры называется статической, она по величине равна статическому весу. Когда спортсмен на опоре движется с ускорением, направленным вверх, то к статическому весу добавляется сила инерции и возникает динамическая реакция опоры. Реакция опоры представляет собой пассивную (реактивную) силу, она не может сама по себе вызвать положительные ускорения, но без нее человек не может активно перемещаться. Если отталкиваться от горизонтальной опоры не прямо вверх, то и сила давления на опору будет приложена не под прямым углом к ее поверхности. Тогда реакция опоры также не будет перпендикулярна к поверхности, ее можно разложить на нормальную и касательную составляющие. Когда соприкасающиеся поверхности ровные, без выступов, шипов и т. п. (асфальт, подошва кроссовка), то касательная составляющая реакции опоры и есть силой трения.

Как правило, касательная реакция обусловлена не только трением (например, между лыжей и снегом), но и другими взаимодействиями (например, шипы беговых туфель, вонзившиеся в дорожку).

Равнодействующая нормальной и касательной составляющих называется общей реакцией опоры. Она только при свободном неподвижном положении над опорой (или под опорой) проходит через общий центр масс человека. Во время же движений, отталкивания или амортизации она обычно не проходит через общий центр масс, образуя относительно него момент.

Силы действия среды. Сопротивление жидкой и газообразной среды зависит от многих факторов. Одним из них является природа жидкости или газа. Все спортивные упражнения выполняются в воздушной или водной среде, и поскольку плотность воздуха меньше плотности воды, то и сопротивление воздуха также меньше. Однако некоторые внешние факторы могут повлиять на плотность этих сред. На значительных высотах над уровнем моря плотность воздуха намного меньше, в связи с чем он оказывает и меньшее сопротивление движению. Снижение плотности воздуха в сочетании с меньшей гравитационной силой может способствовать улучшению спортивных результатов. Ярким примером этому может служить феноменальный рекорд Р. Бимона в прыжках в длину на Играх XIX Олимпиады в Мехико в 1968 г., которые проходили на высоте около 2250— 2300 м над уровнем моря.

Для спортсменов, которые перемещаются с высокой скоростью, сопротивление окружающей среды приобретает особое значение. Необходимо отметить, что сопротивление воздуха и воды возрастает не прямопропорционально увеличению скорости движения спортсмена. На самом деле сопротивление возрастает пропорционально квадрату скорости. Таким образом, при увеличении скорости бега с 16 км-ч"1 до 32 км-ч-1 сопротивление воздуха возрастает в 4 раза. Это не означает, что спортсмену необходимо увеличить общую энергопродукцию в 4 раза, а следует иметь в виду, что часть вырабатываемой организмом энергии расходуется на преодоление возросшего сопротивления воздуха. Хотя количество этой энергии и незначительно при умеренной скорости бега, однако при высоких спринтерских скоростях, как в велосипедном спорте или скоростном беге на коньках, этот фактор приобретает чрезвычайную важность (Уильяме, 1997).

При движении спортсмена в жидкой или газообразной среде сила, действующая на его тело в этом случае, называется силой сопротивления. Если тело не движется относительно среды, то сила сопротивления равна нулю, т.е. аналога силе трения покоя в данном случае нет. Действие среды может быть статическим (выталкивающая сила) и динамическим (лобовое сопротивление).

В воде тело человека находится под действием нескольких сил, которые, суммируясь, обеспечивают его плавучесть в неподвижном состоянии и продвижение вперед при плавании.

Вертикально направленные силы:

Выталкивающая (архимедова) сила — это мера действия среды на погруженное в нее тело. Она измеряется весом вытесненного объема жидкости и направлена вверх.

Если выталкивающая сила больше силы тяжести тела, то тело всплывает. Если же сила тяжести тела больше выталкивающей силы, то оно тонет.

Центр объема, как правило, не совпадает с общим центром масс, поэтому возникает вращающий момент, и ноги человека, неподвижно лежащего в воде, опускаются.

Подъемная сила появляется при обтекании тела потоком воды. Она пропорциональна площади горизонтального сечения тела и скорости на-бегающего потока и зависит от угла атаки.

Поступательное движение пловца в результате подъемной силы обеспечивается в нестабильном потоке, главным образом, в результате изменений направления движения кисти при гребке. С позиции гидроаэродинамики образующее подъемную силу при плавании поступательное движение включает три последовательных этапа:

1) перед началом движущего импульса начальный вихрь образует присоединенный вихрь вокруг кисти, или ступни;

2) затем присоединенный вихрь вызывает подъемную силу;

3) когда циркуляция (в виде присоединенного вихря) больше не поддерживается, происходит срыв вихря, свидетельствующий о прекращении движущегося импульса (Платонов, 2000).

Горизонтально направленные силы:

Продвигающая сила (или сила тяги) возникает в результате действий руками и ногами.
Лобовое сопротивление — это сила, с которой среда препятствует движению тела относительно нее. Величина лобового сопротивления (Rx) зависит от площади поперечного сечения тела, его обтекаемости, плотности и вязкости среды, а также относительной скорости тела:

где Sm — площадь наибольшего сечения тела (мидель), м2; Сх — коэффициент лобового сопротивления, зависящий от формы тела, его величина у человека лежит в пределах от 0,58 до 1,04 (минимальная величина коэффициента Сх для каплевидного тела равна 0,5); р — плотность среды (воды — 1000 кг-м-3, воздуха — 1,3 кг-м-3); и — относительная скорость среды и тела, м-с~1. Изменяя площадь поперечного сечения, можно изменять и действие среды.

Силы трения покоя и скольжения. Коэффициент трения скольжения. Абсолютно гладких поверхностей опоры практически не существует. Между телом человека и опорой при движении по ней всегда возникает трение. Это связано с тем, что поверхность твердого тела не является идеально гладкой и содержит множество зазубрин. При соприкосновении поверхностей двух тел происходит сцепление зазубрин. Если к телу приложена небольшая сила (F), направленная по касательной к соприкасающимся поверхностям, под действием этой силы зазубрины будут деформироваться (изгибаться). Вследствие чего появляется сила упругости, направленная вдоль соприкасающихся поверхностей. Сила упругости, действующая на тело, к которому приложена сила F, компенсирует ее, и тело останется в покое.

Сила трения покоя возникает на границе соприкасающихся тел при отсутствии их относительного движения. Сила трения покоя направлена по касательной к поверхности соприкосновения тел в сторону, противоположную силе F\ и равна ей по величине: F = —F.

Сила трения — это мера противодействия движущемуся телу, направленного по касательной к соприкасающимся поверхностям. Сила трения считается равной произведению нормального давления на коэффициент трения:

где кр — коэффициент трения.

коэффициент трения — это отношение силы трения к силе нормаль¬ного давления, которая прижимает трущиеся тела друг к другу:

Это справедливо для трения скольжения, когда одно тело перемещается относительно другого, не теряя контакта с ним, скользит по нему.

Сила трения скольжения возникает на границе соприкасающихся тел при их относительном движении.

Вектор силы трения скольжения направлен противоположно вектору скорости движения тела относительно поверхности, по которой оно скользит.

Тело, скользящее по твердой поверхности, прижимается к ней какой- либо внешней силой Р (например, силой тяжести), направленной по нормали. В результате этого поверхность прогибается и появляется сила упругости N (сила нормального давления или реакция опоры), которая компенсирует прижимающую силу Р (N = —P) Чем больше сила N, тем глубже сцепление зазубрин и тем труднее их сломать. Опыт показывает, что модуль силы трения скольжения пропорционален силе нормального давления:

Безразмерный коэффициент ц называется коэффициентом трения скольжения. Он зависит от материалов соприкасающихся поверхностей. Например, при передвижении на лыжах коэффициент трения скольжения зависит от качества смазки (сорт мази, толщина слоя мази, качество разравнивания слоя), поверхности лыжни (мягкая, сыпучая, уплотненная, оледенелая, той или иной степени влажности и с тем или иным строением снега в зависимости от температуры и влажности воздуха и др.). Большое количество переменных факторов делает сам коэффициент непостоянным. Если коэффициент трения лежит в пределах 0,045—0,055, скольжение считается хорошим.

Можно считать, что максимальное значение силы трения покоя равно силе трения, действующей при скольжении:

В табл. 7.1 приведены значения коэффициента трения скольжения для различных соприкасающихся тел.

Сила трения скольжения всегда мешает движению, а роль силы трения покоя во многих случаях позитивна. Именно благодаря этой силе возможно передвижение человека, животных и наземного транспорта.

Сила трения снижает спортивные результаты, поэтому ведутся непрерывные исследования по ее уменьшению. Одним из направлений повышения результатов в лыжном спорте является совершенствование мазей.

Первоначально в качестве мазей для лыж использовались пчелиный воск, смола деревьев, растительные масла. В настоящее время появились новые мази— научно разработанные составы для обработки скользящей поверхности.

Сила трения качения. Этот вид трения проявляется при качении и — с деформацией зазубрин, а с деформацией дороги (прогиб) и самого колеса (небольшое сплющивание) (рис. 7.3).

При  качении по мягкому покрытию колесо вдавливается в опору, образуя ямку, через край которой ему все время приходится перекатываться ( 7.3, а). Французский физик Кулон на основе опытов определил, что  трения качения (Fкач ) пропорциональна силе нормального давления N и обратно пропорциональна  радиусу г колеса: 

Из формулы видно, что коэффициент трения качения зависит от радиуса колеса и выражается в единицах длины (м или см).
При движении по твердому покрытию сила трения качения связана с деформацией самого колеса. С этой силой особенно приходится считаться в вело- и мотоспорте. Ее величина определяется по формуле:

где N — сила нормального давления; b — расстояние между теоретической точкой опоры шины и фактической первой точкой встречи шины с поверхностью, по которой проходит перемещение (рис. 7.3, б).

Чем тяжелее спортсмен и велосипед, толще шины и ниже давление воздуха в них, тем больше трение качения. Неровности проезжей части увеличивают силу трения качения. При сильной накачке шин езда по брусчатке затруднительна из-за значительной вибрации велосипеда, а при подъеме в гору такие колеса будут проскальзывать. Слишком малое давление воздуха ведет к увеличению силы трения и даже к нарушению целостности шины из-за сильного ее сжимания.

В последнее время, как известно, применяются велосипеды с малыми колесами, однако нужно иметь в виду, что чем меньше колесо, тем больше трение качения.

Силы, действующие на велосипедиста при подъеме в гору, на поворотах, виражах. При езде в гору основным препятствием движению является сталкивающая сила, уменьшающая скорость передвижения. Чем больше крутизна подъема и масса спортсмена с велосипедом, тем больше сталкивающая сила. Поэтому в горах преимущество имеют спортсмены с малой массой тела.
Сталкивающую силу можно определить по формуле:

Fc = Gh/L,

где G — суммарная масса спортсмена с велосипедом, кг; L — длина подъема, м; h — высота подъема на 100 м пути, м.

При выполнении технических приемов на велосипедиста оказывают влияние и другие силы. Так, при выполнении поворотов на шоссе следует наклонить велосипед, но не более критического угла (25—28° от вертикали), поскольку при дальнейшем увеличении угла велосипед теряет сцепление с дорогой.

При езде в гору нет необходимости подробно рассматривать силы сопротивления, поскольку изменить их гонщик не может — всем велосипедистам приходится преодолевать перепады высот, стоящие на пути движения. Однако сталкивающую силу в гонках на треке можно использовать велосипедисту, находящемуся в высшей точке виража, для увеличения скорости. Эта сила пропорциональна высоте кривой и массе системы «велосипедист—велосипед». На рис. 7.4 показаны центробежная сила (F) и направления других сил (Fн — нормальная, Fс — сталкивающая, R — результирующая, а — угол крутизны, [3 — угол наклона велосипедиста), при езде на треке и шоссе, а также при прохождении поворота на шоссе (Юнкер и др., 1982).

Силы внутренние относительно тела человека. В результате взаимодействия различных частей биомеханической системы тела возникают силы притяжения и отталкивания внутри тела человека. Например, в абсолютно твердом теле такие силы взаимно уравновешены, деформации и напряжения не возникают. Внутренние силы в теле человека могут действовать как статически, вызывая только напряжения в деформированных тканях, так и динамически, вызывая движение биозвеньев и изменяя позу.

Различают внутренние силы активного действия (мышечная работа) и пассивные механические силы (пассивного взаимодействия).

Человек сохраняет необходимые позы, управляет движениями, изменяет взаимодействие тела с окружающими физическими объектами (опора, среда, снаряды и др.) благодаря силам мышечной тяги.

В отличие от сил мышечной тяги, силы пассивного взаимодействия не вызваны непосредственно физиологической активностью, биологическими процессами, хотя в некоторой степени и зависят от них. Звенья тела человека при наличии опоры всегда своим весом действуют на удерживающие их соседние звенья. При ускорениях биозвеньев к статическому весу прибавляются (или вычитаются из него) силы инерции звеньев. Как противодействие статическому и динамическому весу имеются соответствующие реакции опоры. Вследствие упругих деформаций возникают упругие силы, преимущественно в мягких тканях. Наконец, имеются и силы трения, обусловленные взаимным смещением органов и тканей в местах их контакта, в суставах, между мышцами, внутри мышц и т.п. (Донской, Зациорский, 1979)

По сравнению с силами мышечной тяги силы веса, статических peакций опоры и трения невелики, хотя статические моменты (например спортивной гимнастике) могут быть значительными, а силы инерции и у ругой деформации могут быть очень большими.

Все перечисленные силы, кроме сил инерции, встречаются в статик В движениях силы инерции обусловливают увеличение упругих сил, трения, динамического веса и реакций опоры.

Движения звеньев происходят с ускорениями центростремительными (неизбежны при суставных движениях) и тангенциальными (при разгоне звена — положительные, при торможении — отрицательные). Поэтому силы инерции имеются при движениях всегда. Это самая многочисленная группа сил внутреннего пассивного взаимодействия.

Поскольку в любом движении, тормозя биозвено и останавливая его, растягиваются мышцы-антагонисты, то всегда возникают упругие силы (деформация соединительнотканных и мышечных элементов). При больших ускорениях инерционные и упругие силы особенно велики. При так называемой «упругой отдаче» роль этих двух групп сил становится ведущей
Внутренние силы пассивного (в биологическом смысле) взаимодействия играют роль не только связей, ограничивающих движение, в определенных условиях они используются как движущие силы, эффективность мышечной работы .

Роль сил в движениях человека. Все силы, приложены двигательному аппарату человека, составляют систему сил внешних и внутренних. Система внешних сил проявляется чаще в виде силы сопротивления. Для преодоления сопротивления затрачивается энергии напряжения мышц человека. Различают рабочие и вредны сопротивления. Преодоление рабочих сопротивлений нередко оставляют главную задачу движений спортсмена (например, в преодолении веса включается цель движений со штангой). Вредные сопротивления поглощают положительную работу.

Внешние силы используются человеком в его движениях как движущие. Для совершения необходимой работы для преодоления сил сопротивления могут использоваться вес, упругие силы и др. Внешние силы являются в этом случае "даровыми" источниками энергии, поскольку человек расходует меньше внутренних запасов энергии мышц (Донской, Зациорский, 1979).

Человек преодолевает силы сопротивления мышечным ответствующими внешними силами и совершает как бы две части работ: а) работу, направленную на преодоление всех сопротивлений (рабочих и вредных); б) работу, направленную на сообщение ускорен и перемещаемым внешним объектам.

В биомеханике сила действия человека — это сила воздействия на внешнее физическое окружение, передаваемое через рабочие точки тела. Рабочие точки, соприкасаясь с внешними телами, передают движение (количество движения, а также кинетический момент) и энергию (поступательного и вращательного движения) внешним телам.

Тормозящими силами, входящими в сопротивление, могут быть все внешние и внутренние силы, в том числе и мышечные. Какие из них будут играть роль вредных сопротивлений, зависит от условий конкретного упражнения. Только реактивные силы (силы реакции опоры и трения) не могут быть движущими силами; они всегда остаются сопротивлениями (как вредными, так и рабочими).

Все силы, независимо от их источника, действуют как механические силы, изменяя механическое движение. В этом смысле они находятся в единстве как материальные силы: можно производить (при соблюдении соответствующих условий) их сложение, разложение, приведение и другие операции.

Движения человека представляют собой результат совместного действия внешних и внутренних сил. Внешние силы, выражающие воздействие внешней среды, обусловливают многие особенности движений. Внутренние силы, непосредственно управляемые человеком, обеспечивают правильное выполнение заданных движений.

По мере совершенствования движений становится возможным лучше использовать мышечные силы. Техническое мастерство проявляется в повышении роли внешних и пассивных внутренних сил как движущих сил.

Основными задачами совершенствования движений, повышения их эффективности в самом общем виде является повышение результата ускоряющих сил и снижение действия вредных сопротивлений. Это особенно важно в спорте, где все двигательные действия направлены на рост технического мастерства и спортивного результата (Донской, Зациорский, 1979).