Анализ механизма взаимодействия с опорой

Практическое занятии № 2. УИРС №2.

Анализ механизма взаимодействия с опорой

Теоретические сведения

В основе большинства локомоций лежит механизм взаимодействия с опорой, осуществляемый по способу отталкивания (ходьба, бег, прыжки и т.п.). Тренеру необходимо знать биомеханические закономерности взаимодействия спортсмена с опорой, так как это дает ключ к формированию и совершенствованию техники опорной фазы ходьбы, бега, прыжков.

Для изучения взаимодействия спортсмена с опорой и записи усилий, развиваемых им при отталкивании, используется методика тензодинамографии (подробно с этой методикой студенты знакомятся в курсе “Спортивная метрология”).

Тензодинамограмма (ТДГ) – это кривая изменения во времени усилий F(t), развиваемых спортсменом в процессе взаимодействия с опорой.

В данной работе механизм взаимодействия с опорой изучается на примере прыжка вверх с места толчком двумя ногами.

В качестве исходные данных используется тензодинамограмма вертикальной составляющей силы давления на опору при выполнении прыжка вверх с места (рис. 2.1.). Сила давления спортсмена на опору согласно третьему закону Ньютона по модулю равна силе реакции опоры – внешней силе, которая приложена к телу спортсмена.

Фазовый состав механизма взаимодействия с опорой

Фаза – это часть движения, выделенная во времени, в течение которой решается самостоятельная двигательная задача. При анализе прыжка вверх с места будем различать фазу взаимодействия с опорой и фазу полета. В свою очередь фаза взаимодействия с опорой подразделяется на фазы: амортизации и отталкивания.

Фаза амортизации является подготовительной для выполнения непосредственно рабочей фазы – фазы отталкивания от опоры.

Рис. 2.1

Поэтому двигательные действия в фазе амортизации должны обеспечить оптимальные условия для выполнения фазы отталкивания.

В фазе амортизации происходит сгибание ног в тазобедренных, коленных и голеностопных суставах. При этом сильные, мощные мышцы (ягодичные, четырехглавые, камбаловидные) растягиваются (уступающий режим работы), в них накапливается энергия упругой деформации, которая должна быть реализована для создания мышечной тяги непосредственно в фазу отталкивания (преодолевающий режим работы мышц). В преодолевающем режиме (фаза отталкивания) мышцы проявляют наибольшую тягу, если их предварительное растяжение было достаточно быстрым и переход от фазы амортизации к фазе отталкивания происходил быстро без релаксации мышц и потери энергии в них.

Начало фазы амортизации – точка а на ТДГ; конец – точка 1(рис. 2.1.А). Фаза амортизации состоит из двух фаз: фазы «разгона» ОЦТ и фазы «торможения» ОЦТ.

Начало фазы “разгона” – точка а на ТДГ, конец – точка с.В фазе разгона скорость ОЦТ возрастает (по модулю) от  до . Направлен вектор скорости ОЦТ вертикально вниз. Вектор ускорения ОЦТ в фазе разгона совпадает по направлению с вектором скорости.

Начало фазы торможения – точка с на ТДГ, конец – точка 1(рис. 2.1.А). В фазе торможения вектор скорости ОЦТ не меняет направления (направлен вертикально вниз), но уменьшается по модулю отдо.Это связано с тем, что спортсмену необходимо остановить движение ОЦТ вниз и перейти к фазе отталкивания. В фазе торможения вектор ускорения ОЦТ направлен в сторону, противоположную вектору скорости, т.е. вертикально вверх.

Фаза отталкивания – основная фаза движения. Этой фазе соответствует участок ТДГ от точки 1 до точки d.Вектор скорости ОЦТ в этой фазе меняет направление (направлен вертикально вверх), и по модулю возрастает от нуля (точка 1на ТДГ) до V_d (точка d на ТДГ).Разгон ОЦТ в фазе отталкивания происходит от точки 1 до точки d, в которой сила давления на опору становится меньше Р_ст. (рис. 2.1.А).

Начало фазы полета соответствует точке е на ТДГ, конец – точке f. В середине фазы полета ОЦТ достигает максимальной высоты H_max. В этот момент вектор скорости ОЦТ меняет направление и по модулю равен нулю.

Характеристика внешних и внутренних сил при взаимодействии спортсмена с опорой

Для изменения движения ОЦТ тела к нему должна быть приложена внешняя неуравновешенная сила (согласно теореме о движении ОЦТ). Такой внешней силой для ОЦТ тела будет реакция опоры, а точнее ее динамическая составляющая R_дин. Реакция опоры – это пассивная (реактивная) сила. Сама по себе она не может вызвать движение ОЦТ. Но если нет опоры, не от чего оттолкнуться, нет и реакции опоры. Следует помнить, что реакция опоры – это внешняя сила, обеспечивающая движение ОЦТ, но источник энергии движения нашей биомеханической системы – внутренний, это биоэнергия мышечного сокращения.

В покое силу тяжести тела, которая передается на опору в виде веса Р_ст, уравновешивает статическая реакция опоры R_ст (рис. 2.1.А). Силы Р_сти R_ст равны по величине, противоположны по направлению и приложены к разным телам (Р_ст – к опоре, R_ст– к телу спортсмена).

В процессе взаимодействия с опорой спортсмен оказывает на опору динамическое давление Р_дин. Характер изменения динамического давления на опору отражает тензодинамограмма (рис. 2.1.А).

Рассмотрим, как организуется динамическое давление на опору Р_дина, следовательно, и равная ему по величине динамическая реакция опоры R_дин., т.е. та внешняя сила, которая изменяет движение ОЦТ тела человека. Движение ОЦТ рассматривается в неподвижной системе отсчета.

В рамках кинетостатики с началом движения подвижных звеньев с ускорением возникают силы инерции F_ин этих звеньев, по модулю равные произведению массы движущихся звеньев на ускорение их центров масс (ЦМ): F_ин = – ma.

Сила инерции, как мера противодействия начавшемуся движению, всегда направлена против ускорения ЦМ звена и приложена к связи, т.е. к опорному звену, которое как бы “тянет” за собой первое звено.

Внутри нашего тела разыгрывается целое силовое поле частных сил инерции отдельных звеньев. А равнодействующая частных сил инерции приложена к опоре, как к связи, и по модулю равна произведению массы тела на ускорение его ОЦТ. На рис. 2.1.А силы инерции подвижных звеньев и их направления показаны штриховкой.

В фазе “разгона” вектор ускорения ОЦТ направлен вертикально вниз, а значит вектор сил инерции тела спортсмена приложен к опоре и направлен вверх. Динамическое давление на опору уменьшается на величину сил инерции (участок ТДГ от точкиадо точки с) и по модулю равно разности:

В фазе торможения вектор ускорения ОЦТ меняет направление (вертикально вверх). Вектор сил инерции тоже меняет направление (вниз), а значит, динамическое давление на опору увеличивается на величину сил инерции (участок ТДГ от точки с до точки 1) и по модулю равно сумме:

В соответствии с изменением динамического давления Р_дин, изменяется и равная ему по величине, противоположно направленная и приложенная к телу спортсмена динамическая реакция опоры R_дин, т.е. та внешняя сила, которая обеспечивает движение ОЦТ спортсмена в результате позвенной передачи импульса тела (количества движения) от опоры к ОЦТ тела.

Один из критериев рациональной техники – умение использовать реактивные силы. Применительно к анализу механизма отталкивания – уметь использовать реактивные силы означает начать отталкивание в тот момент, когда реакция опоры наибольшая, т.е. в тот момент, когда опора “выталкивает” спортсмена с наибольшей силой (точка 1 на ТДГ).

Импульс силы отталкивания

В фазе отталкивания мышцы, предварительно растянутые при амортизации, работают в преодолевающем режиме, разгоняют ОЦТ тела вверх. Активность этих мышц при отталкивании определяет величину и характер изменения динамической составляющей реакции опоры R_дин (участок ТДГ от точки 1 до точки d). Результат отталкивания (максимальный разгон ОЦТ) определяется не только величиной R_дин, но и временем ее действия ∆t, т.е. величиной импульса силы.

Импульс силы – это мера действия силы на тело за данный промежуток времени.

УсилиеF(t), развиваемое спортсменом при взаимодействии с опорой, является величиной переменной, изменяемой во времени, поэтому импульс силы отталкивания – это определенный интеграл:

,

где: S– импульс силы;

F(t) – сила отталкивания (участок ТДГ от точки 1 до точки d);

t₁ – момент начала отталкивания (точка 1 на ТДГ);

t_d – момент окончания отталкивания (точка d на ТДГ).

Импульс силы отталкивания S, как определенный интеграл, вычисляется графически по ТДГ. Численно импульс силы равен площади, образованной кривой изменения силы и осью времени, т.е. площади 1-2-d-к (рис. 2.1.). Величина импульса силы отталкивания не зависит от формы кривой силы отталкивания, а определяется только площадью под кривой.

В результате взаимодействия с опорой (создания на опоре импульса силы) ОЦТ спортсмена приобретает импульс тела(количество движения)mV_d, где: m – масса спортсмена; V_d – скорость ОЦТ, достигаемая в результате отталкивания в точке d.

Согласно теореме динамики, импульс тела, приобретаемый ОЦТ спортсмена в результате взаимодействия с опорой, численно равен импульсу силы отталкивания:

*

*Примечание. Справедливо при условии, что скорость ОЦТ в начале отталкивания равна нулю V₁=0.

Иными словами, значение скорости V_d, достигаемой ОЦТ в результате отталкивания, определяется величиной импульса силы отталкивания, т.е. величиной площади трапеции 1-2-d-к (рис. 2.1.А).

Основной двигательной задачей при выполнении прыжка вверх является достижение наибольшей высоты H подъема ОЦТ в полетной фазе. Высота подъема ОЦТ связана с величиной вертикальной составляющей скорости ОЦТ следующим соотношением:

.

Учитывая, что величина V_d определяется величиной импульса силы отталкивания, можно заключить, что эффективность решения двигательной задачи и программа движения ОЦТ в полетной фазе H = H(t) закладывается в процессе взаимодействия с опорой по следующей цепочке: чем больше импульс силы отталкивания, тем больше приобретаемый ОЦТ импульс телаm V_d, тем больше скорость ОЦТ V_d и тем выше прыжок.

Задача же создания необходимого импульса силы отталкивания, с точки зрения биомеханики движения, состоит в выборе оптимального соотношения между величиной силы и временем отталкивания в процессе взаимодействия с опорой  и должна решаться индивидуально для каждого спортсмена с учетом свойств его биомеханической системы (например, соотношения быстрых и медленных волокон в мышце), уровнем развития скоростно-силовых качеств, спортивной специализацией.

Выбор оптимального соотношения между силой и временем отталкивания с учетом двигательных возможностей спортсмена является центральным элементом в структуре механизма отталкивания и имеет огромное педагогическое значение, являясь одним из решающих условий постановки рациональной техники отталкивания. Короткое, динамичное, взрывное отталкивание и медленный "жимовой" толчок различаются величиной потери энергии. За время короткого взрывного отталкивания в жестко организованной системе подвижных звеньев меньше диссипативных потерь.

Тензодинамографическая методика позволяет решить основную задачу динамики – по заданным силам, развиваемым спортсменом при отталкивании (зарегистрированным на ТДГ), определить кинематические характеристики ОЦТ в опорной и полетной фазах прыжка, а именно:

1) ускорение ОЦТ a = a(t);

2) скорость ОЦТ V=V(t);

3) перемещение ОЦТ (закон движения) H = H(t).

Решение этой задачи имеет чрезвычайно важное значение в спортивной педагогике, т.к. позволяет оценить технику выполнения движения, степень реализации двигательных возможностей спортсмена, находить оптимальные варианты техники для конкретного исполнителя и моделировать двигательные действия.

Исследование закономерностей взаимосвязи таких кинематических характеристик ОЦТ, как a = a(t), V=V(t), H = H(t) позволяет изучить кинематическую структуру отталкивания, что является важным инструментом анализа и корректировки техники взаимодействия с опорой.

Цель работы: Произвести анализ механизма отталкивания от опоры и дать оценку техники прыжка.

Исходные данные:

1.                 Тензодинамограмма (ТДГ) вертикальной составляющей силы давления на опору при выполнении прыжка вверх с места толчком двумя ногами (рис.3.2).

2.                 Вес испытуемого Р =________ (Н). (вес Р указан на рис 2.2)

Порядок выполнения работы:

1. Определить масштаб записи тензодинамограммы по усилию и по времени m_р =50                    ;       m_t =0,04

2. Определить фазовый состав прыжка.

Обозначения: t_р – фаза разгона общего центра масс (ОЦМ) при амортизации;

    t_т – фаза торможения ОЦМ при амортизации;

    t_ам – фаза амортизации;

    t_отт – фаза отталкивания от опоры;

    t_пол – фаза полета.

Измерить по ТДГ длительность отдельных фаз прыжка. Результаты измерений занести в таблицу 2.1.

Таблица 2.1.

3. Измерить по ТДГ силу давления на опору в характерных точках. Результаты измерений занести в таблицу 3.2

                                                        Таблица 3.2

4. Рассчитать импульс силы отталкивания.

Импульс силы отталкивания S есть определенный интеграл

где F(t) – сила отталкивания,

t₁ и t_d- время начала и окончания отталкивания.

Импульс силы отталкивания S[Н с], как определенный интеграл, вычисляется графически по ТДГ и численно равен площади криволинейной трапеции 1-2-d-k (рис.2.2).

Определить масштаб импульса силы отталкивания:

               m_s = m_р´m_t = 50‧0,04=2                 ,

где: m_s – масштаб импульса силы;

m_р – масштаб записи тензодинамограммы по усилию;

m_t – масштаб записи тензодинамограммы по времени.

Рассчитать величину импульса силы отталкивания:

                   S = n ´m_s = n‧2 =                   ,

где: n – число клеток внутри трапеции 1-2-d-k.

5. Рассчитать величину максимальной скорости ОЦМ тела при отталкивании. V_max, учитывая, что ,

где:S–импульс силы; m – масса спортсмена

6. Рассчитать двумя способами максимальную высоту подъема ОЦМ тела в прыжке:

а) по величине скорости отталкивания: H_max =               =             [м],  

б) по величине времени полета: H_max =                 =                    [м].

7.Провести анализ работы мышц нижних конечностей при взаимодействии с опорой.Анализ работы мышц представить в таблице 2.3.

Таблица 2.3

ВЫВОДЫ.

В выводах следует отразить:

1. Закономерность взаимосвязи высоты прыжка и импульса силы отталкивания.

2. Учитывая, что величина импульса силы отталкивания равна площади S1-2-d-k под кривой отталкивания, как надо изменить технику отталкивания, чтобы увеличить импульс силы. Варианты ответа:

·        Резче переходить от амортизации к отталкиванию, чтобы исключить явление релаксации мышц.

·        Несколько увеличить время активной фазы отталкивания (промежуток времени от точки 1 до точки 2)

·        Для уменьшения диссипативных потерь жестко организовать систему подвижных звеньев нижних конечностей.