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).