Борис Евгеньевич Ламаш – Лекции по биомеханике


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
Ламаш Б.Е.
Лекции по БИОМЕХАНИКЕ
Содержание
Лекция № 1. Предмет и история биомеханики
Лекция № 2. Кинематика движений человека
Лекция № 3. Динамика движений человека
Лекция № 4. Механическая работа и энергия при движениях человека
Лекция № 5. Движения вокруг осей
Лекция № 6. Локомоторные движения
Лекция № 7. Локомоторные движения (окончание)
Лекция № 8. Перемещающиеся движения
Лекция № 9. Ударные действия
Лекция № 10. Индивидуальные и групповые особенности моторики

Лекция № 1
Предмет и история биомеханики
Для правильной подготовки спортсменов высокой квалификации тренер должен владеть
глубокими знаниями по основным естественным дисциплинам. К их числу относятся: физика
,
биология и химия. Со стороны социальных наук необходимо изучение психологии.
Любой тренер должен разбираться в биологии, точнее в ее разделе анатомии, чтобы прави
льно
представлять себе внутреннее строение атлета, работу его мышечного аппарата и, если в
озникнет
необходимость, локализацию того или иного заболевшего органа.
Для работы мышц нужна энергия. Ей можно взяться только за счет химических процессов,
протекающих в организме спортсмена во время выполнения упражнений. Чтобы яснее
представлять преобладание аэробных или анаэробных процессов для конкретных видов спор
та
необходимо знание биохимии.
Любое соревнование – это борьба индивидуумов. Немалую роль в победе играет не только
физическая выносливость, но и психологическая устойчивость. Недаром великие тренеры в
сегда
уделяют большое внимание тактической и психологической подготовке своих воспитанников
. По
этой причине обучение психологии является обязательным компонентом в подготовке трене
ра.
Любой вид спорта сопряжен с преодолением спортсменом сил трения, тяготения и других с
ил
физической природы. Чтобы свести к минимуму паразитную или вредную часть этих сил тре
нер
должен разбираться в физике. Кроме того, движение крови в организме также подчиняется
физическим законам. При изучении характера таких движений и возникла наука, которую п
ринято
называть
биомеханика
.
Термин
биомеханика
составлен из двух греческих слов:
bios
– жизнь и
mechanike
– наука о
машинах. Эта наука характеризуется применением основных принципов механики, т.е. наук
и о
механических движениях материальных тел и взаимодействиях, происходящих при этом межд
у
ними, к живым организмам. Область исследований, связанная с приложением механических
и
биомеханических закономерностей применительно к спорту, стала называться спортивная
биомеханика в отличие от других разделов биомеханики, которые имеют скорее медицинско
е
применение.
Все виды спорта тесно связаны с движением тел. В некоторых видах основным движущим
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 1 из 37
10.05.2012 18:30
объектом является сам спортсмен, в котором сочетаются различные формы перемещающихся
объектов, как, например, кости и мышцы. Спринтерский бег и прыжки в высоту, например,
являются теми видами спорта, в которых спортсмену необходимо как можно быстрее
перемещаться или как можно выше прыгнуть. Однако в приведенном примере мы сталкиваемс
я и
с перемещением других предметов, таких как обувь спортсмена или его одежда.
В некоторых видах спорта самое главное заставить перемещаться с максимальной скорость
ю на
возможно дальнее расстояние или же с максимальной скоростью не тело спортсмена, а дру
гие
предметы (снаряды – диск, ядро, мяч). В спорте используется большое разнообразие таки
х
предметов, для каждого из которых характерны свои типовые, количественные и конструкт
орские
характеристики. В разных видах спорта встречается много типов мячей.
В одних видах предметы перемещаются не непосредственно, а при помощи различных
приспособлений, например при помощи бейсбольной биты, теннисной ракетки или винтовки.
В
других же видах спорта спортсмену самому требуется приводить в движение и управлять
предметами, являющимися специальными атрибутами в конкретном виде спорта (например,
велосипед или яхта).
Сила способна вызвать или остановить движение. Энергетические системы обеспечивают
превращение химической энергии в механическую, что проявляется в развитии мышцами
сократительной активности и, как следствие,- проявлении силы. Во всех видах спорта кт
о-то (или
что-то) может препятствовать поставленной цели. Спорт не может существовать без сорев
нований,
в связи с чем всегда присутствуют факторы, требующие их преодоления. В некоторых вида
х
спорта эти факторы не связаны с непосредственным контактом с соперником. Однако в дру
гих
видах, таких как силовые единоборства, такой контакт имеет прямое отношение к взаимод
ействию
сил.
Во многих видах спорта показатели специальной работоспособности спортсмена зависят от
способности развиваемых им мышечных напряжений преодолевать внешние естественные
сопротивления, препятствующие выполнению движений. Наиболее значимые из таких сил
являются гравитация, силы трения и силы физического сопротивления движению тел в воде
и в
воздухе. В некоторых видах спорта рациональное использование этих сил может способств
овать
улучшению спортивной работоспособности. Например, во время спуск велосипедиста после
преодоления горного подъема гравитация служит ему помощником.
Перемещающаяся окружающая среда (вода, воздух) может способствовать повышению
показателей спортивной работоспособности (при сопутствующем потоке воздуха или воды).
Поэтому, например, рекордные результаты в беге на короткие дистанции или в прыжках в
длину
фиксируются только при скорости попутного ветра не более 2 м/с. В некоторых видах спо
рта
такие потоки служат основным фактором, на котором базируется тренировочная и
соревновательная деятельность. Прыгуны на лыжах и горнолыжники тесно зависимы от
гравитационных сил и потоков воздуха, а вот яхтсмены – от течения воды, от ветра и со
здаваемых
им волн.
Как правило, внешние силы сопротивления препятствуют достижению успеха в спорте. Так
прыгуны в высоту и с шестом, по существу, соревнуются с гравитацией. Горнолыжник испы
тывает
значительное сопротивление встречному потоку воздуха, тогда как пловец-спринтер долже
н
преодолеть значительное сопротивление воды. Существенно повлиять на спортивный резуль
тат
могут и силы трения, как в случае ухудшения скольжения лыж при таянии снега.
Поэтому в видах спорта, где результат во многом зависит от воздействия внешних сил на
движение, как, например, в парусном спорте, некоторые исследователи акцентируют свое
внимание на путях повышения эффективности использования этих сил (например, путем
улучшения конструкции яхты). Однако чаще изучаются возможности снижения сопротивления
воды, воздуха, сил гравитации и трения.
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 2 из 37
10.05.2012 18:30
Немного подробнее затронем каждую из внешних сил.
Наиболее значительная сила, действующая на нас,- это сила земного притяжения. Величин
а этой
силы зависит, в основном, от двух факторов. Первый – это расстояние от тела до центра
Земли.
Чем ближе к центру, тем сила притяжения больше. Следовательно, на значительной высоте
над
уровнем моря и на определенных географических широтах спортивные результаты в отдельн
ых
видах спорта могут быть улучшены просто из-за меньшей силы тяготения.
Второй фактор – масса тела, включая одежду. С увеличением массы возрастает и гравитац
ионная
сила, поэтому для ее преодоления необходимо развивать большее усилие.
Сопротивление жидкой и газообразной среды зависит от многих факторов. Одним из них яв
ляется
природа жидкости или газа. Все спортивные упражнения выполняются в воздушной или водн
ой
среде, и поскольку плотность воздуха меньше плотности воды, то сопротивление воздуха
также
меньше.
Однако некоторые внешние факторы могут повлиять на плотность этих сред. На значительн
ых
высотах над уровнем моря плотность воздуха намного меньше, а значит его сопротивление
движению также меньше. Поскольку с высотой снижается и сила тяготения, то такое сочет
ание
способствует улучшению спортивных результатов. Наглядный пример – рекорд Боба Бимона
в
прыжках в длину на Олимпийских играх 1968 года в Мехико. Мехико расположен на высоте
2 300
метров над уровнем моря.
Таким образом, для установления личного рекорда спортсмен может участвовать в соревно
ваниях,
которые проводятся в подходящих для этого условиях окружающей среды. Правда для побед
ы
этого может оказаться недостаточно, потому что соперники будут находиться в аналогичн
ых
условиях.
Сопротивление окружающей среды приобретает особое значение для спортсменов, которые
перемещаются с высокой скоростью. Сопротивление воздуха и воды возрастает не прямо
пропорционально увеличению скорости движения спортсмена, а пропорционально квадрату
скорости. Таким образом, при увеличении скорости бега в два раза с 5 м/с до 10 м/с со
противление
воздуха возрастет в 4 раза. Это не означает, что спортсмену необходимо увеличить общу
ю
энергопродукцию в 4 раза, а следует иметь в виду, что возрастающая часть вырабатываем
ой
организмом энергии будет расходоваться на преодоление растущего сопротивления воздуха
. Хотя
количество этой энергии и незначительно при умеренной скорости бега, однако при высок
их
спринтерских скоростях, как, например, в велосипедном спорте или скоростном беге на к
оньках,
этот фактор приобретает чрезвычайно важное значение.
Сопротивление жидкости или воздуха часто называют торможением. Два вида торможения,
взаимосвязанных со скоростью, имеют важное значение в спорте. Первый вид – торможение
,
обусловленное площадью сечения предмета, перпендикулярной силе воздействующего
сопротивления. Если высунуть руку из окна движущегося автомобиля и поставить ее ребро
м к
встречному потоку, то движение воздуха не доставит большого беспокойства. Если же лад
онь
развернуть на всю поверхность перпендикулярно движению потока воздуха, то сила
сопротивления заставит убрать руку из окна. Этот простой пример демонстрирует, как фо
рма
объекта может повлиять на сопротивление воздуха.
Поверхностное торможение представляет собой второй вид сопротивления, во многом завис
ящего
от размеров и структуры поверхности тел. Как правило, чем больше и грубее поверхность
, тем
сильнее тормозной эффект. Это сопротивление можно снизить, уменьшая площадь поверхнос
ти
движущихся тел или конструктивно уменьшая поверхностное торможение. Для этого создава
лись,
например, специальные костюмы для спринтеров бегунов и пловцов.
Еще одна сила сопротивления, возникающая уже не между газообразной или жидкой средой
и
твердым телом, а между твердыми телами,- это сила трения. Вместе с тем, оба вида сил
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 3 из 37
10.05.2012 18:30
сопротивления имеют место в различных видах спорта. Так, например, велосипедисту прих
одится
преодолевать не только сопротивление воздуха, препятствующее движению спортсмена и
велосипеда, но и сопротивление сил трения между деталями самого велосипеда и между ко
лесом
и поверхностью дороги.
Сила трения зависит, главным образом, от двух факторов. Одним из них является масса о
дного
предмета, приложенного к поверхности другого. При этом, чем больше масса (а точнее фи
зически
– вес), тем выше сила трения.
Вторым фактором, влияющим на силу трения, является качество двух соприкасающихся
поверхностей: чем грубее поверхности, тем сила трения больше.
В спорте трение несет двойную нагрузку. В одних случаях оно должно быть возможно боль
шим, а
в других, наоборот, - возможно меньшим. Так, например, для спринтера важно, чтобы меж
ду
подошвой обуви и поверхностью беговой дорожки существовало определенное трение,
позволяющее спортсмену эффективно перемещаться вперед. Если это трение очень низкое,
например, из-за износа шипов или из-за покрытия дорожки песком или водой, то нога мож
ет
проскальзывать, и эффективность продвижения вперед снижается. В то же время, если шип
ы
кроссовок будут слишком длинными, то это приведет к значительному увеличению сил трен
ия, что
также отрицательно отразится на скорости бега.
Мы показали механическую составляющую науки, называемой спортивная биомеханика. Тепер
ь
рассмотрим ее биологическую часть.
Теоретически, существуют два основных способа повышения спортивной работоспособности
за
счет модификации биомеханических характеристик организма спортсмена. Во-первых, этого
можно добиться за счет эффективного использования силы более совершенным способом.
Спортсмен может обладать высокоразвитыми физиологическими системами, но если
вырабатываемая в его организме энергия используется малоэффективно, то и уровень проя
вления
спортивной работоспособности также окажется невысоким. Можно обладать высокой мощност
ью
лактатной энергетической системы, которая позволяет достигнуть превосходных результат
ов в
плавании, однако если человек не умеет плавать, то вся эта его энергия будет потрачен
а только на
то, чтобы не утонуть.
Второй способ улучшения спортивной работоспособности заключается в придании телу
спортсмена такого положения, которой бы максимально способствовало снижению сопротивл
ения
воздуха или воды, препятствующих движению. Совершенствование положения тела пловца в
воде
в различные фазы гребка может уменьшить сопротивление воды. Уменьшение массы тела сни
жает
влияние гравитации, что может благоприятно отразиться на показателях спортивной
работоспособности в таком виде спорта, как спортивная гимнастика, где спортсмену прих
одится
постоянно удерживать или преодолевать свой вес. Увеличение же массы тела способствует
возрастанию сил трения и гравитации, а это важно в таком виде спорта как борьба сумо.
Одним из главных направлений в современных биомеханических исследованиях является
разработка особой спортивной техники для того, чтобы вырабатываемая спортсменом энерг
ия
наиболее эффективно трансформировалась в его двигательную функцию. Простые примеры
такого развития: переход от высокого к низкому старту при спринтерском беге, смена дв
ухударного
кроля на шестиударный, прыжок в высоту «флоп» вместо «перекидного».
Анализ механических усилий рук пловца и гребца, взаимосвязи движений ног и рук у лыжн
ика-
гонщика, старта легкоатлета-спринтера, последовательности движений ног и рук у прыгун
а в
высоту во время выполнения прыжка – вот несколько примеров исследований, которые могу
т
способствовать становлению более эффективной техники спортивных упражнений. Так,
например, положение кисти и предплечья у пловца в различные фазы гребка анализируется
для
того, чтобы обеспечить наиболее эффективную площадь поверхности и угла во время гребк
а. Это
позволяет максимально использовать прилагаемую силу и обеспечить оптимальный подъемны
й
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 4 из 37
10.05.2012 18:30
эффект.
В зависимости от вида спорта результаты исследований, проведенных с использованием
аэродинамической трубы, моделирующей движение в заданном потоке воздуха, свидетельств
уют о
том, что положение или площадь поверхности тела может способствовать снижению
сопротивления движению. В высокоскоростных видах спорта, таких как велосипедный спорт
,
скоростной бег на коньках, скоростной спуск на лыжах и бобслей, выбор обтекаемого пот
оком
воздуха оптимального положения спортсмена может значительно уменьшить сопротивление.
В
некоторых видах спорта спортсмены стараются придать своему телу изогнутую форму,
аналогичную падающей капле. Такая конфигурация сводит к минимуму площадь поверхности,
подставленную ветру, вследствие чего поток воздуха плавно огибает поверхность тела сп
ортсмена
и встречное сопротивление воздуха при этом снижается.
В высокоскоростных видах спорта использование такой техники приобретает чрезвычайно в
ажное
значение, поскольку около 90% общего сопротивления движению может приходиться на
сопротивление воздушному потоку.
Эксперименты показывают, что сопротивление воздуха можно снизить и другими способами,
применение которых в некоторых видах спорта может оказаться довольно эффективным. При
езде
на высокой скорости велосипедист, едущий за спиной ведущего спортсмена, может развива
ть на
30% меньше мощности, чем идущий впереди, который принимает главный удар воздушного
потока на себя. Результаты исследований свидетельствуют о том, тактика за спиной веду
щего
может создавать определенное преимущество и в беге, в частности при беге по шоссе про
тив
ветра. В среднем при таком беге для преодоления сопротивления воздуха требуется около
6-7%
общих энергозатрат, однако сильный встречный ветер может значительно их увеличить. В
таком
случае спортсмен, находящийся позади или в середине многочисленной группы бегунов,
пребывает в более благоприятных условиях, поскольку будет испытывать меньшее сопротив
ление
воздуха.
Помимо технических аспектов как уже говорилось немалую роль играет масса истроение те
ла.
Организм человека состоит из различных тканей, но с точки зрения биомеханики рассматр
иваются
только два основных компонента – жировая и обезжиренная масса. Большая часть обезжире
нного
компонента представлена мышечной массой, которая приблизительно на 70% состоит из вод
ы.
Таким образом, воду можно рассматривать как третий компонент, определяющий массу тела
.
Хотя результаты научных исследований и не выявили какой-то особой специфичности
процентного соотношения жира и обезжиренной массы, идеального для конкретного вида сп
орта,
все же накоплено достаточное количество данных для того, чтобы можно было сделать нек
оторые
обобщенные выводы. Научные компоненты говорят о том, что избыток жирового компонента
тела
отрицательно влияет на показатели спортивной работоспособности в тех видах спорта, гд
е
требуется совершать движения быстро и эффективно, как, например, в прыжках в высоту и
ли в
беге на длинные дистанции. Массовые обследования выявили низкий процент жирового
компонента у таких спортсменов как бегуны на длинные дистанции, прыгуны в высоту, гим
насты,
спринтеры и другие, для которых избыток жира может оказаться помехой.
Хотя определенное количество жира и необходимо для поддержания оптимального уровня
здоровья и нормального протекания физиологических процессов, все же его избыток в орг
анизме
является, в лучшем случае, просто лишним багажом. Так, например, в проведенном исслед
овании
было установлено, что для марафонца, имеющего массу тела 72 кг, чтобы улучшить резуль
тат в
марафоне на 6 минут, необходимо похудеть на 5%, что эквивалентно потере 3,6 кг жира.
Однако, резкий сгон веса может привести к выраженному снижению спортивной
работоспособности, особенно в видах, требующих выносливости. При этом уменьшается мас
са
жирового компонента и заметно снижается мышечная масса. Следовательно, и в тех видах
спорта,
в которых ведущими двигательными качествами являются сила и анаэробная выносливость,
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 5 из 37
10.05.2012 18:30
быстрое снижение спортсменом массы своего тела может отрицательно отразиться на показ
ателях
спортивной работоспособности.
В то же время в спортивных упражнениях взрывного характера, в которых развиваемая
спортсменом мощность направлена на перемещение его тела в пространстве, как, например
, в
прыжках в высоту, резкое снижение содержание воды в организме при дегидратации может
оказать благоприятное влияние на спортивный результат.
Таким образом, спортивная биомеханика является достаточно многогранной наукой,
охватывающей различные области тренировочной и соревновательной подготовки спортсмена
.
Основы биомеханики были заложены еще в далекой древности. Архимед вывел свой закон о
равновесии плавающих тел, Аристотель и Демокрит пытались объяснить органическую жизнь
с
точки зрения атомизма. Эти исследования относятся к III-IV векам до н.э.
Затем был длительный перерыв, характерный почти для всех наук. В XV веке Леонардо да
Винчи
описывает механику человеческого тела в движении. Немного позднее Галилей закладывает
основы механики, а Гарвей объясняет механизм кровообращения в организме животного и
человека. Эти исследования стали источником идей сравнения живого организма с машинам
и,
работающими по законам механики. В конце XVI века Гук формулирует закон механики о
зависимости между деформацией и напряжением идеально-упругого тела, который лег в осн
ову
биомеханического объяснения работы мышц. В 1679 году века Джованни Борелли выпускает
первую книгу по биомеханике «О движениях животных».
<>Открытие Ньютоном трех основных законов механики завершило формирование базиса для
биомеханических исследований. Дальнейшее развитие биомеханики пошло по нескольким
направлениям, среди которых, помимо спортивной биомеханики, можно выделить:
инженерная биомеханика, связанная с роботостроением;
медицинская биомеханика, исследующая причины, последствия и способы профилактики
травматизма, прочность опорно-двигательного аппарата, вопросы протезостроения;
эргономическая биомеханика, изучающая взаимодействие человека с окружающими
предметами с целью их оптимизации.
В нескольких странах созданы научные институты биомеханики. Выпускается журнал
“Biomechanics”, в котором публикуются последние исследования по этой науке.

Лекция № 2
Кинематика движений человека
Механика занимается рассмотрением простейшей формы движения материи – механической.
Такое движение состоит в изменении взаимного расположения тел или их частей в простра
нстве с
течением времени. При анализе необходимо исходить из ряда основных понятий. Рассмотри
м их в
отдельности.
Материальной точкой
называется тело, размеры и форма которого несущественны в
рассматриваемой задаче. Например, при изучении скорости прохождения дистанции марафон
цем
нет никакой необходимости рассматривать части тела спортсмена в отдельности, поскольк
у
размеры атлета и расстояние, им пройденной, отличаются на четыре порядка величины.
Системой материальных точек
или тел (механической системой) называется мысленно
выделенная совокупность материальных точек или тел, которые в общем случае взаимодейс
твуют
как друг с другом, так и с телами, не включенными в состав этой системы. При определе
нных
условиям биомеханика рассматривает тело спортсмена именно как систему материальных те
л.
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 6 из 37
10.05.2012 18:30
Классическая механика, т.е. механика, имеющая дело с телами, движущимися с малыми
скоростями, в отличие от релятивистской или квантовой механик, рассматривающих движен
ие тел
с околосветовыми скоростями или движение элементарных частиц, состоит из трех основны
х
отделов: статики, кинематики и динамики.
В
статике
исследуются законы сложения сил и условия равновесия твердых, жидких и
газообразных тел. В
кинематике
изучается механическое движение тел вне связи с определяющим
его взаимодействием между телами. В
динамике
рассматривается влияние взаимодействия между
телами на их механическое движение.
Существенной характеристикой движения является
перемещение
точки. В зависимости от
размерности пространства оно может одно-, двух- или трехмерным (или объемным).
Траекторией
называется линия, описываемая в пространстве движущейся точкой. Эта линия определяетс
я
поведением векторной величины – радиус-вектором – из некоторой точки отсчета.
Положение движущейся точки и некоторый фиксированный момент времени
t=t
0
называется ее
начальным положением. Длина пути пути точки определяется расстоянием между начальным
положением и положением ее в некоторый момент времени
t
и является скалярной функцией
s=s
(
t
).
Движение материальной точки характеризуется ее
скоростью
. В случае равномерного движения
(т.е. когда точка за равные промежутки времени проходит равный путь) скорость определ
еяется
длиной пути, пройденного за все время движения. В общем случае, когда движение
неравномерное и меняет свое направление, скорость определяется как векторная величина

v
,
равная первой производной от радиус-вектора
r
движущейся точки:

.
Скорость направлена по касательной к траектории в сторону движения точки и численно р
авна
первой производной от длины пути по времени:

.
Если точка движется в трехмерном пространстве, описываемом декартовой системой коорди
нат, то
необходимо рассматривать по отдельности проекции вектора скорости на каждую из осей (
x
,
y
,
z
).
В этом случае

.
Быстрота изменения скорости при неравномерном движении характеризуется
ускорением
a
,
которое определяется по формуле

.
Вектор ускорения проходит через главную нормаль и касательную к траектории и направле
н в
сторону вогнутости траектории.
Для трехмерного движения как и в случае со
скоростью необходимо работать с каждой из координат.
Движение точки называется
ускоренным
, если численное значение ее скорости
возрастает с течением времени и ускорение имеет положительное значение.
Движение точки называется
замедленным
, если численное значение ее скорости
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 7 из 37
10.05.2012 18:30
убывает с течением времени и ускорение имеет отрицательное значение.
Если во время движения тела взаимное расположение материальных точек, составляющих ег
о, не
меняется, оно не деформируется (не меняет форму и объем) и называется
абсолютно твердым
телом
. Для такого тела характерны следующие виды движения:
поступательное, когда все точки имеют одинаковые траектории перемещения;
вращательное, когда движение происходит вокруг оси вращения;
сложное, когда движение состоит из двух и более простых движений; например, тело може
т
совершать вращательное движение, а ось вращения может двигаться тем временем
поступательно.
Для поступательного движения абсолютно твердого тела справедливы законы, приведенные
выше.
Вращательное движение разбивается на линейную и угловую составляющие.
Угловой скоростью вращения
твердого тела называется вектор
w
, численно равный первой
производной от угла поворота по времени,

.
Направление вектора
w
совпадает с направлением поступательного движения рукоятки буравчика.
Линейная скорость
v
произвольной точки вращающегося тела определяется по формуле Эйлера
v
=[
wr
], или
v = wR
в скалярном виде,
где
R
– расстояние от оси вращения до точки.
Применительно к спортивной биомеханике законы кинематики действуют в полном объеме. В
этом случае мы, как правило, сталкиваемся со сложным движением, связанным с тем, что
тело
спортсмена представляет собой сложный механизм. При рассмотрении кинематики встречает
ся и
сложное движение в суставах при выполнении того или иного упражнения, и переменное
движение при беге, когда спортсмен рассматривается как материальная точка.

Лекция № 3
Динамика движений человека
Как мы узнали на прошлой лекции, динамика рассматривает влияние взаимодействия между
телами на их механическое движение. При этом надо различать:
динамику поступательного движения, или динамику материальной точки, и
динамику вращательного движения, или динамику твердого тела.
Силой
называется некоторая физическая величина, выражающая взаимодействие между
рассматриваемым телом и другими телами или полями. Поэтому все силы можно разделить н
а две
основных категории: силы, проявляющиеся при непосредственном взаимодействии тел, и си
лы,
которые действуют без непосредственного контакта. Ко второй категории относятся силы
от полей:
гравитационного, электромагнитного и других.
Ускорение тела пропорционально силе, действующей на тело:
F
~
a
. Тогда отношение величины
силы, действующей на тело, к приобретенному телом ускорению, постоянно для данного те
ла и
называется
массой тела
: масса = сила/ускорение.
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 8 из 37
10.05.2012 18:30
Масса тела является неизменной характеристикой данного тела, не зависящей от его
местоположения. Масса характеризует два свойства тела:
Инерцию: тело изменяет состояние своего движения только под воздействием внешней силы
.
Тяготение: между телами действуют силы гравитационного притяжения.
Не путать массу тела (мера инертности) с весом тела (силой с которой оно давит на опо
ру).
Простой пример – поведение тел в невесомости. Тогда тела не имеют веса (невесомость),
но
наличие массы не отменяет выполнения законов Ньютона.
Масса характеризует инертность тела при поступательном движении. При вращении инертно
сть
зависит не только от массы, но и от того, как распределена эта масса относительно оси
вращения.
Чем больше расстояние до оси вращения, тем больше вклад в инертность тела. Количестве
нной
мерой инертности тела при вращательном движении служит
момент инерции
:

,
где
R
ин
– радиус инерции – среднее расстояние от оси вращения (например, от оси сустава) до
материальных точек тела.
Сила, приложенная к твердому телу, которое может вращаться
вокруг некоторой точки, создает момент силы. Момент силы
M
равен векторному произведению радиус-вектора
r
на силу
F
:
M
=
r
x
F
=
rF
sin (
r
;
F
) .
Если на тело, которое может вращаться вокруг какой-либо точки, действуют одновременно
несколько сил, то для сложения моментов этих сил следует воспользоваться правилом сло
жения
моментов.
Другой физической величиной, связывающей движение тела с его инертностью, является
импульс
тела
– произведение массы тела на его скорость
p
=
mv
. Для импульса справедлив закон
сохранения, т.е. полный импульс замкнутой системы остается постоянным. Полный импульс
такой
системы представляет векторную сумму всех импульсов.
Для твердого тела вследствие вращения вокруг некоторой оси появляется
момент количества
движения
(угловой момент, момент импульса) – произведение момента инерции тела на его
угловую скорость:
L
=
J
w
. Изменение углового момента (при неизменном моменте инерции тела)
может произойти только вследствие изменения угловой скорости и всегда обусловлено дей
ствием
момента силы.
Центром масс называется точка, где пересекаются линии действия всех сил, не вызывающи
х
вращение тела. В поле тяготения центр масс совпадает с центром тяжести. Положение общ
его
центра масс тела определяется тем, где находятся центры масс отдельных звеньев. Для ч
еловека
это зависит от его позы, т.е. пространственного положения элементов тела.
В человеческом теле около 70 звеньев, но для биомеханического моделирования чаще всег
о
достаточно 15-звенной модели человеческого тела (например, голова, бедро, стопа, кист
ь и т.д.).
Зная, каковы массы и моменты инерции звеньев тела и где расположены их центры масс, м
ожно
решить многие задачи биомеханики, в том числе:
определить импульс тела;
определить момент количества движения, при этом надо учитывать, что величины моментов
относительно разных осей неодинаковы;
оценить, легко или трудно управлять скоростью тела или отдельного звена;
определить степень устойчивости тела и т.д.
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 9 из 37
10.05.2012 18:30
Простой пример применения этой теории. Фигурист может заставить себя вращаться быстре
е,
обнимая себя руками, или медленнее, расставляя руки в стороны. Во втором случае масса
тела
остается постоянной, но увеличивается радиус инерции и, следовательно, момент инерции
и
общая инертность тела.
Звенья тела как рычаги и маятники
Разбиение тела человека на звенья позволяет представить эти звенья как механические р
ычаги и
маятники, потому что все эти звенья имеют точки соединения, которые можно рассматрива
ть либо
как точки опоры (для рычага), либо как точки отвеса (для маятника).
Рычаг характеризуется расстоянием между точкой приложения силы и точкой вращения. Рыч
аги
бывают первого и второго рода.
Рычаг первого рода или рычаг равновесия состоит только из одного звена. Пример – креп
ление
черепа к позвоночнику.
Рычаг второго рода характеризуется наличием двух звеньев. Условно можно выделить рыча
г
скорости и рычаг силы в зависимости от того, что преобладает в их действиях. Рычаг ск
орости
дает выигрыш в скорости при совершенствовании работы. Пример – локтевой сустав с груз
ом на
ладони. Рычаг силы дает выигрыш в силе. Пример – стопа на пальцах.
Поскольку тело человека выполняет свои движения в трехмерном пространстве, то его зве
нья
характеризуются степенями свободы, т.е. возможностью совершать поступательные и
вращательные движения во всех измерениях. Если звено закреплено в одной точке, то оно
способно совершать вращательные движения и мы можем сказать, что оно имеет три степен
и
свободы.
Закрепление звена приводит к образованию связи, т.е. связанному движению закрепленног
о звена
с точкой закрепления.
Поскольку руки и ноги человека могут совершать колебательные движения, то к механике
их
движения применимы те же формулы, что и для простых механических маятников. Основные
вывод их них – собственная частота колебаний не зависит от массы качающегося тела, но
зависит
от его длины (при увеличении длины частота колебаний уменьшается).
Делая частоту шагов при ходьбе или беге или гребков при плавании или гребле резонансн
ой (т.е.
близкой к собственной частоте колебаний руки или ноги), удается минимизировать затрат
ы
энергии. При наиболее экономичном сочетании частоты и длины шагов или гребков человек
демонстрирует существенный рост работоспособности. Простой пример: при беге высокий
спортсмен имеет большую длину шага и меньшую частоту шагов, чем более низкорослый
спортсмен, при равной с ним скорости передвижения.
Механические свойства костей и суставов
Механические свойства костей
определяются их разнообразными функциями; кроме
двигательной, они выполняют защитную и опорную функции. Так кости черепа и грудной кл
етки
защищают внутренние органы, а кости позвоночника и конечностей выполняют опорную
функцию.
Выделяют 4 вида механического воздействия на кость: растяжение, сжатие, изгиб и круче
ние.
Установлено, что прочность кости на растяжение почти равна прочности чугуна. При сжат
ии
прочность костей еще выше. Самая массивная кость – большеберцовая (основная кость бед
ра)
выдерживает силу сжатия в 16-18 кН.
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 10 из 37
10.05.2012 18:30
Менее прочны кости на изгиб и кручение. Однако регулярные тренировки приводят к
гипертрофии костей. Так, у штангистов утолщаются кости ног и позвоночника, у теннисис
тов –
кости предплечья и т.п.
Механические свойства суставов
зависят от их строения. Суставная поверхность смачивается
синовиальной жидкостью, которую хранит суставная сумка. Синовиальная жидкость обеспеч
ивает
уменьшение трения в суставе примерно в 20 раз. При этом при снижении нагрузки на суст
ав
жидкость поглощается губчатыми образованиями сустава, а при увеличении нагрузки она
выжимается для смачивания поверхности сустава и уменьшения коэффициента трения.
Прочность суставов, как и прочность костей, небеспредельна. Так, давление в суставном
хряще не
должно превышать 350 Н/см
2
. При более высоком давлении прекращается смазка суставного
хряща и увеличивается опасность его механического стирания.
Биомеханические свойства мышц
Двигательная деятельность человека происходит при помощи мышечной ткани, обладающей
сократительными структурами. Работа мышц осуществляется благодаря сокращению
(укорачиванию с утолщением) миофибрилл, которые находятся в мышечных клетках. Работа
мышц осуществляется посредством их присоединения к скелету при помощи сухожилий.
К биомеханическим свойствам мышц относят сократимость, упругость, жесткость, прочност
ь и
релаксацию.
Сократимость
– это способность мышцы сокращаться при возбуждении. В результате
сокращения происходит укорочение мышцы и возникает сила тяги.
Упругость
мышцы состоит в ее способности восстанавливать первоначальную длину после
устранения деформирующей силы. Существование упругих свойств объясняется тем, что при
растяжении в мышце возникает энергия упругой деформации. При этом мышцу можно сравнит
ь с
пружиной: чем сильнее растянута пружина, тем большая энергия в ней запасена. Это явле
ние
широко используется в спорте. Например, в хлесте предварительно растягиваются и
параллельный, и последовательный упругий компонент мышц, чем накапливается энергия.
Запасенная таким образом энергия в финальной части движения (толкания, метания и т.д.
)
преобразуется в энергию движения (кинетическую энергию).
Аналогия мышцы с пружиной позволяет применить к ее работе закон Гука, согласно которо
му
удлинение пружины нелинейно зависит от величины растягивающей силы. Кривую поведения
мышцы в этом случае называют «сила-длина». Зависимость между силой и скоростью мышечн
ого
сокращения («сила-скорость») называют кривой Хилла.
Жесткость
– это способность противодействовать прикладываемым силам. Коэффициент
жесткости определяется как отношение приращения восстанавливающей силы к приращению
длины мышцы под действием внешней силы: К
ж
=D
F
/D
l
(Н/м).
Величина, обратная жесткости, называется
податливостью
мышцы. Коэффициент податливости:
К
п
=D
l
/D
F
(м/Н) – показывает, насколько удлинится мышца при изменении внешней силы.
Например, податливость сгибателя предплечья близка к 1 мм/Н.
Прочность
мышцы оценивается величиной растягивающей силы, при которой происходит разрыв
мышцы. Сила, при которой происходит разрыв мышцы составляет от 0.1 до 0.3 Н/мм
2
. Предел
прочности сухожилий на два порядка величины больше и составляет 50 Н/мм
2
. Однако, при очень
быстрых движениях возможен разрыв более прочного сухожилия, а мышца остается целой, у
спев
самортизировать.
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 11 из 37
10.05.2012 18:30
Релаксация
– свойство мышца, проявляющееся в постепенном уменьшении силы тяги при
постоянной длине мышцы. Релаксация проявляется, например, при прыжке вверх, если во в
ремя
глубокого приседа спортсмен делает паузу. Чем пауза длительнее, тем сила отталкивания
и высота
выпрыгивания меньше.
Существует два вида группового взаимодействия мышц:
синергизм
и
антагонизм
.
Мышцы-синергисты перемещают звенья тела в одном направлении. Например, при сгибании р
уки
в локтевом суставе участвуют двуглавая мышца плеча, плечевая и плече-лучевая мышцы и
т.д.
Результатом синергического взаимодействия мышц служит увеличение результирующей силы
действия. При наличии травмы, а также при локальном утомлении какой-либо мышцы ее
синергисты обеспечивают выполнение двигательного действия.
Мышцы-антагонисты имеют, наоборот, разнонаправленное действие. Так, если одна из них
выполняет преодолевающую работу, то другая – уступающую. Существованием
мышц-антагонистов обеспечивается:
высокая точность двигательных действий;
1.
снижение травматизма.
2.

Лекция № 4
Механическая работа и энергия при движениях человека
Если на частицу подействовать силой
F
и переместить ее на расстояние
s
, то сила совершит работу
A =
Fs
=
F s
cos(
F
;
s
) (угол (
F
;
s
) между направлением силы и перемещения рассматривается тогда,
когда эти вектора не совпадают по направлению). Единицей измерения работы является Дж
оуль (в
системе СИ) или киловатт-час.
Мощностью
называется работа, совершаемая за единицу времени, или
W
=
A/t =Fv
. По последней
формуле можно определить мощность коротких интенсивных движений (ударов по мячу,
боксерских ударов и других ударных действий), когда механическую работу определить тр
удно, но
можно измерить силу и скорость. Единица измерения мощности – ватт (Дж/с) (СИ) или лош
адиная
сила.
Если материальная точка находится в поле (гравитационном, электромагнитном), на нее д
ействует
сила F от этого поля, имеющая возможность совершать определенную работу. Этот запас р
аботы,
предопределяемый положением точки в поле, является ее потенциальной энергией. Принято
считать, что если силы, действующие на материальную точку, совершают положительную ра
боту,
то ее потенциальная энергия убывает.
При рассмотрении деформируемого тела часто используют понятие «
внутренней потенциальной
энергии
», которая равна работе деформации, взятой с обратным знаком.
Любое движущееся с поступательной скоростью
v
тело массой
m
обладает
кинетической энергией
,
равной E
k
=(1/2)
mv
2
.
Аналогичную формулу можно записать для вращающегося с угловой скоростью
w
твердого тела с
центром инерции
J
: E
k
вр
=(1/2)
J w
2
.
Полная энергия движущегося тела равна сумме его потенциальной энергии и кинетической
энергии в поступательном и вращательном движениях:
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 12 из 37
10.05.2012 18:30
.
Если мы рассматриваем замкнутую систему, т.е. систему, а которую не оказывают влияние
внешние силы, то для такой системы справедливо первое начало термодинамики: энергия в
заданной замкнутой механической системе сохраняется. Иначе – это
закон сохранения энергии
.
Если на систему действуют внешние силы и она переходит из одного состояния в другое,
то
изменение полной механической энергии при этом переходе равно работе внешних сил. В
деформируемых телах полная энергия равна сумме внутренней и кинетической энергий.
Переход одного вида механической энергии в другой называется
рекуперацией

механической
энергии
. Простой пример – вращение гимнаста на перекладине, когда вращательная кинетическая
энергия переходит целиком в потенциальную в верхней точке и наоборот – в нижней.
Оценка энергетических показателей деятельности спортсмена осуществляется с использова
нием
различного рода датчиков и тестов. С их помощью можно оценить физическое состояние
спортсмена и уровень его потенциальных возможностей.

Лекция № 5
Движения вокруг осей
Как мы уже знаем, тело человека можно разбить на 15 звеньев, которые имеют между собо
й
сочленения и представляются рычагами или маятниками. Поэтому одним из основных являет
ся
интерес биомеханики к движению звена в точке сочленения – суставе.
Рассмотрим рычаг первого рода. В этом случае его движение можно описать как вращатель
ное
движение вокруг точки, при котором одна его точка
О
(точка сочленения) остается неподвижной, а
все другие точки движутся по поверхностям сфер, имеющих центр в точке
О
. При таком
вращательном движении тела любое его элементарное перемещение представляет собой
элементарный поворот вокруг некоторой оси, проходящей через точку
О
и называемой мгновенной
осью вращения. Поскольку сочленение относится к телу спортсмена, то оно непрерывно из
меняет
свое положение в пространстве. В результате вращательное движение тела складывается и
з серии
элементарных поворотов вокруг непрерывно меняющих свое направление мгновенных осей.
Подобно тому как причиной ускоренного движения материальной точки или ускоренного
поступательного движения твердого тела может быть только приложенная к ним сила, прич
иной
начала, изменения или прекращения вращательного движения твердого тела (при этом
вращательное ускорение не равно нулю) относительно какой-либо оси является момент сил
ы
М
относительно этой оси.
Пусть имеется тело, которое может вращаться вокруг неподвижной оси, и к нему в какой-
то точке
приложена сила
F
. Найдем проекцию
F
n

приложенной к телу силы
F
на плоскость, проходящую
через точку приложения силы перпендикулярно к оси вращения, а также кратчайшее рассто
яние
r
от оси вращения до линии действия силы
F
n
, которое носит название плеча силы. Момент силы
F
относительно оси вращения определяется как физическая величина, численное значение ко
торой
равно произведению проекции
F
n
действующей на тело силы на длину плеча
r
:
M
=
F
n

r
.
Если проекция приложенной к телу силы
F
на плоскость, перпендикулярную к оси вращения,
равна нулю (
F
n
= 0), что возможно, когда сила
F
параллельна оси вращения, или если линия
действия силы
F
пересекает ось вращения, то в этих случаях силы не смогут изменить
вращательного движения тела, не смогут явиться причинами отличного от нуля углового
ускорения.
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 13 из 37
10.05.2012 18:30
Таким образом, сила не является величиной, достаточной для описания и расчета вращате
льного
движения тела. Необходимо рассматривать также ее пространственное направление.
Условием равновесия твердого тела, которое может совершать вращательное движение вокр
уг
какой-либо оси, является равенство сумм моментов сил, вращающих тело вокруг этой оси
по
направлению движения
М
i
и в противоположном направлении
M
j
:
М
1
+ М
2
+ М
3
+ … = M
1
+
M
2
+
M
3
+ …
Таким образом, из вышесказанного можно сделать простой вывод: чтобы звено человеческо
го тела
привести во вращательное движение, то направление действия силы не должно быть паралл
ельно
оси вращения этого звена или проходить через точку сочленения.
Другим важным понятием является центр тяжести тела или системы тел – единственная точ
ка,
относительно которой сумма моментов сил тяжести всех частиц тела или системы тел равн
а нулю.
При этом нельзя забывать, что центр тяжести иногда находится вне геометрических преде
лов тела.
Центр тяжести имеет большое значение при оценке вида равновесия тела. В зависимости о
т
расположения точки опоры или опорной поверхности по отношению к центру тяжести различ
ают
устойчивое, неустойчивое и безразличное равновесие.
Опорной поверхностью будем называть поверхность того тела, равновесием которого мы
интересуемся, а не поверхность какого-либо другого тела, с которым первое соприкасает
ся.
(Например, опорной поверхностью для тяжелоатлета будет поверхность подошв обуви, а не
вся
поверхность помоста.) Тело находится в устойчивом равновесии, если его центр тяжести
располагается ниже точки опоры или ниже горизонтальной опорной поверхности, причем ли
ния
действия силы тяжести проходит через точку опоры или пересекает горизонтальную опорну
ю
поверхность; в неустойчивом равновесии, если центр тяжести находится выше горизонталь
ной
опорной поверхности, причем линия действия силы тяжести не пересекает опорной поверхн
ости,
и в безразличном равновесии, если центр тяжести совпадает с точкой опоры. Равновесие
тела
будет устойчивым и в том случае, если центр тяжести находится выше горизонтальной опо
рной
плоскости, но линия действия силы тяжести тела пересекает эту плоскость.
Таким образом, если спортсмен стоит, то равновесие его тела будет устойчивым, посколь
ку хотя
центр тяжести и находится выше опорной плоскости, но линия действия силы тяжести прох
одит
через центр тяжести спортсмена. При отклонении от вертикального положения, особенно с
нагрузкой в руках, равновесие спортсмена из устойчивого переходит в неустойчивое из-з
а
изменения линии действия силы тяжести относительно центра тяжести.
Для вращающегося твердого тела через центр тяжести (центр масс) можно провести сколь
угодно
много осей вращения. Однако, исходя из геометрической формы тела и распределения масс
ы в
нем, можно выделить две взаимно перпендикулярных оси с наибольшим и наименьшим
моментами инерции. Устойчивое вращение незакрепленного тела возможно только вокруг эт
их
осей. Устойчивое вращение тела вокруг оси, перпендикулярной двум первым, невозможно.
Все
три оси называются главными осями инерции данного тела.
Любой контакт с опорной поверхностью добавляет дополнительную точку или ось вращения,
что
сказывается на характер движения спортсмена.

Лекция № 6
Локомоторные движения
У всех локомоторных движений общая двигательная задача – усилиями мышц передвигать те
ло
человека относительно опоры или среды. Среди передвижений относительно опоры (наземны
х
передвижений) наибольшее распространение имеют шагательные. В водной среде применяетс
я
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 14 из 37
10.05.2012 18:30
как отталкивание, так и притягивание. В некоторых видах спорта (спортивных играх,
единоборствах, гимнастике и др.) локомоторные движения играют вспомогательную роль.
Отталкивание от опоры
выполняется посредством:
а) собственно отталкивания ногами от опоры и
б) маховых движений свободными конечностями и другими звеньями.
Эти движения тесно взаимосвязаны в едином действии – отталкивании. От их согласования
в
значительной мере зависит совершенство отталкивания.
При отталкивании опорные звенья неподвижны относительно опоры, а подвижные звенья под
действием силы тяги мышц передвигаются в общем направлении отталкивания. Во время
отталкивания легкоатлета от опоры стопа зафиксирована на опоре неподвижно. Шипы туфел
ь,
погружаясь в покрытие дорожки или брусок, обеспечивают надежное соединение с опорой.
На
стопу как на опорное звено со стороны голени действует давление ускоряемых звеньев те
ла,
направленное назад и вниз. Через стопу оно передается на опору. Противодействием этом
у
давлению служит реакция опоры. Она приложена к стопе в направлении вперед и вверх.
Силы мышечных тяг толчковой ноги выпрямляют ее. Поскольку стопа фиксирована на опоре,
голень и бедро передают ускоряющее воздействие отталкивания через таз остальным звень
ям тела.
При ускоренном движении подвижных звеньев на них воздействуют тормозящие силы (тяжест
и и
инерции) других звеньев, а также силы сопротивления мышц-антагонистов. Реакция опоры
при
отталкивании является той внешней силой, которая обеспечивает ускорение телу спортсме
на и
передвижение его центра масс.
Однако, тело человека – это самодвижущаяся система. В такой системе силы тяги мышц
приложены к подвижным звеньям. Относительно каждого звена сила тяги мышцы, приложенна
я к
нему извне, служит внешней силой. Следовательно, ускорения центров масс подвижных зве
ньев
обусловлены соответствующими внешними для них силами, т.е. тягой мышц.
Реакция опоры не является источником работы. По закону сохранения кинетической энерги
и
изменение кинетической энергии равно сумме работ внешних и внутренних сил. Поскольку
работа
внешних сил (опоры) равна нулю, то кинетическую энергию спортсмена изменяет только ра
бота
внутренних сил (мышц).
Реакция опоры при отталкивании под углом, отличающегося от прямого (не перпендикулярн
о к
опорной поверхности), наклонены к опорной поверхности и имеют вертикальные и
горизонтальные составляющие. Вертикальные составляющие обусловлены динамическим весом
,
т.е. суммой веса и сил инерции подвижных звеньев, имеющих ускорение (или его составля
ющую),
направленное вертикально вверх от опоры. Горизонтальные составляющие реакций опоры
обусловлены горизонтальными составляющими сил инерции подвижных звеньев. Контакт
опорных звеньев с опорой не точечный, поэтому могут появиться и вращательные усилия,
что
усложнит схему реакции опоры.
Маховые движения
при отталкивании – это быстрые движения свободных звеньев тела в
основном по направлению с отталкиванием ногой от опоры. При маховых движениях
перемещаются центры масс соответствующих звеньев тела, что ведет к перемещению общего
центра масс (ОЦМ) всего тела. Так, при прыжках в высоту в результате маховых движений
руками
и свободной ногой ОЦМ к моменту отрыва от опоры поднимается выше, чем без маховых
движений. Если ускорение звеньев тела, выполняющих маховые движения, увеличивается, т
о и
ускорение ОЦМ увеличивается. Таким образом, маховые движения, как и отталкивание ного
й,
осуществляют перемещение и ускорение ОЦМ.
В маховых движениях в фазе разгона скорость звеньев увеличивается до максимума. С
нарастанием ее нарастает и скорость ЦМ всего тела. Следовательно, чем выше скорость м
аховых
звеньев, тем она больше сказывается на скорости ОЦМ. В фазе торможения мышцы-антагони
сты,
растягиваясь, напрягаются и этим замедляют движения маховых звеньев, совершая отрицат
ельную
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 15 из 37
10.05.2012 18:30
работу (в уступающем режиме), скорость их уменьшается до нуля.
Мышечные тяги перераспределяют скорости звеньев тела; движение внутри системы передае
тся
от одних звеньев к другим. Поэтому для достижения более высокой скорости ОЦМ нужно
стараться продлить фазу разгона на большей части пути матового перемещения.
Когда ускорения маховых звеньев направлены от опоры, возникают силы инерции этих звен
ьев,
направленные к опоре. Совместно с весом тела они нагружают мышцы опорной ноги и этим
увеличивают их напряжение. Дополнительная нагрузка замедляет сокращение мышц и
увеличивает их силу тяги, в результате чего мышцы толчковой ноги напрягаются больше и
сокращаются относительно дольше. В связи с этим увеличивается и импульс силы, равный
произведению силы на время ее действия, а больший импульс силы дает больший прирост
количества движения, т. е. больше увеличивает скорость.
В фазе торможения маховых звеньев их ускорения направлены к опоре, а силы инерции – о
т нее.
Следовательно, нагрузка на мышцы толчковой ноги в это время уменьшается, их сила тяги
падает,
но быстрота сокращения увеличивается. Сокращаясь быстрее, они могут добавлять скорост
ь в
последние моменты отталкивания.
Так, маховые движения способствуют продвижению ОЦМ тела при отталкивании, увеличивают
скорость ЦМ, увеличивают силу и удлиняют время отталкивания ногой и, наконец, создают
условия для быстрого завершающего отталкивания.
Угол наклона динамической опорной реакции дает представление о некоторых особенностях
направления отталкивания от опоры в данный момент времени.
При выпрямлении ноги во время отталкивания от опоры происходит сложение вращательных
движений звеньев тела.
По координатам ОЦМ тела человека за время отталкивания можно рассчитать линейное уско
рение
ОЦМ в каждый момент времени. Однако сопутствующие движения, в том числе маховые,
обусловливают кроме линейного ускорения ОЦМ еще и угловые ускорения многих звеньев.
Поэтому угол отталкивания как угол наклона динамической составляющей реакции опоры
характеризует не полностью общее направление отталкивания в каждый данный момент врем
ени.
Если бы существовала внешняя движущая сила отталкивания, то угол ее наклона к горизон
ту
можно было бы считать углом отталкивания. Однако в самодвижущейся системе к каждому з
вену
приложены силы, которые в совокупности определяют движения именно данного звена. Заме
нить
всю систему множества сил, приложенных к разным звеньям, равнодействующей движущей си
лой
в этом случае невозможно.
При движении по повороту в наземных локомоциях спортсмен находится
в наклоне внутрь поворота. Прижимающая сила
D
, приложенная к опоре
под острым углом (a), может быть разложена на вертикальную
составляющую (
D
y
) и горизонтальную составляющую (
D
x
),
направленную по радиусу от центра поворота (рисунок).
Противодействие последней и есть центростремительная сила
(F
цс
),
вызывающая центростремительное ускорение и искривляющая
траекторию в движении по повороту. В инерциальной системе отсчета
(Земля) центробежная сила – реальная сила инерции (
F
цб
) – и есть уже
названная составляющая прижимающей силы, приложенная к опоре. В
неинерциальной системе отсчета (тело спортсмена) центробежная сила –
фиктивная сила инерции (
F
ин
) – приложена к ОЦМ. Она образует
относительно опоры момент силы (
F
ин

h
), который уравновешивает
момент силы тяжести (
Gd
)
.
Угол наклона тела (a) зависит от соотношения силы тяжести (
G=mg
) и
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 16 из 37
10.05.2012 18:30
центробежной силы (
F
цб
=
) :
,
где
r
– радиус кривизны поворота,
v
– линейная скорость тела.
Рассмотрим также стартовые действия с точки зрения локомоторики. Стартовые действия о
бычно
направлены на то, чтобы начать передвижение и быстро увеличить скорость. Стартовыми
действиями начинается преодоление всех дистанций, а также передвижения в единоборства
х,
спортивных играх и других группах видов спорта.
Стартовые положения
– это исходные позы для последующего передвижения, которые
обеспечивают лучшие условия развития стартового ускорения. Стартовые действия (при ст
арте с
места) начинают из стартового положения. Оно обычно определено правилами соревнований
и
соответствует биомеханическим требованиям, вытекающим из задач старта.
Стартовое положение обеспечивает возникновение с первым движением ускорения ОЦМ тела
в
заданном направлении. Для этого проекция ОЦМ тела на горизонтальную поверхность
приближена к передней границе площади опоры. При прочих равных условиях выдвижение ОЦ
М
тела вперед и более низкое его положение увеличивают горизонтальную составляющую
начальной скорости. Так, в низком старте для бега угол начальной скорости ОЦМ тела ме
ньше,
чем в высоком.
Суставные углы в стартовом положении должны отвечать индивидуальным особенностям
соотношения рычагов, силовой подготовленности спортсмена и условиям стартового действ
ия.
Расположение всех звеньев тела зависит от условия стартового действия.
Стартовые движения
– это первые движения из
стартового положения, которые обеспечивают прирост
скорости и переход к последующему стартовому разгону.
При старте ОЦМ тела спортсмена имеет ускорение,
обусловленное мышечными усилиями. Как внутренние
силы направлены в противоположные стороны: вперед –
ускоряя подвижные звенья, назад – прижимая опорные
звенья к опоре. Это можно сделать лишь допустив
условно, что биомеханическая система тела человека
отвердела, а реакция опоры играет роль внешней движущей силы (рисунок). Перенесенная
сила
здесь условно рассматривается как стартовая сила (
S
), вызывающая стартовое ускорение ОЦМ. По
правилу приведения силы к заданной точке надо при переносе силы в ОЦМ прибавить пару
сил (
R
и
S'
), которая создает стартовый момент. Его действие направлено на уменьшение наклона те
ла
(например, у спринтера в стартовом разгоне). Уже говорилось, что сама опорная реакция
, как и
реакция связи, положительной работы не совершает. Стартовая сила и момент – это тольк
о
условные меры воздействия, которое вызывает сложное движение всей биомеханической сис
темы.
Стартовый разгон
обеспечивает увеличение скорости до такой, какая требуется для
передвижения по дистанции. В спринтерских дистанциях за время стартового разгона скор
ость
увеличивают до максимальной. В связи с этим разгон в спринте осуществляется дольше и
на
большем расстоянии, чем на более длинных дистанциях, где задача разгона – достижение
только
оптимальной для данной дистанции скорости, и поэтому необходимая скорость достигается
на
первых же шагах. В стартовом разгоне от цикла к циклу происходит изменение системы дв
ижений
от стартовых до оптимальных для заданной скорости. В беге, например, это проявляется
в
увеличении длины шагов и уменьшении общего наклона тела. Все стартовые действия отлич
аются
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 17 из 37
10.05.2012 18:30
частными особенностями движений, зависящими от вида локомоций.
ВИДЫ СПОРТИВНЫХ ЛОКОМОЦИЙ
Видов локомоций зависят от видов спорта и биодинамики передвижений спортсмена в движе
ниях
ациклического характера (прыжки) и циклического: с фиксированной опорой (ходьба и бег
), со
скольжением (лыжный ход), в водной среде (плавание), а также с механическим преобразо
ванием
движений на опоре (велосипед) и на воде (академическая лодка).
Рассмотрим в отдельности некоторые из этих движений.
Биодинамика прыжка
В прыжках расстояние преодолевается полетом. При этом достигается либо наибольшая дли
на
прыжка (прыжок в длину с разбега, тройной прыжок), либо наибольшая высота (прыжок в в
ысоту
с разбега, прыжок с шестом), либо значительная и длина и высота (опорный прыжок в
гимнастике). Траектория ОЦМ тела спортсмена в полете определяется формулами:
где
l
– длина и
h
– высота траектории ОЦМ (без учета его высоты в моменты вылета и
приземления),
v
- начальная скорость ОЦМ в полете, a - угол наклона вектора скорости к
горизонтали в момент вылета и
g
– ускорение свободно падающего тела. Как видно из формул,
особенно важны величина начальной скорости ОЦМ и угол его вылета. Начальная скорость
ОЦМ
создается при отталкивании, а также при подготовке к нему. Таким образом, в спортивны
х
прыжках различается подготовка к отталкиванию, отталкивание от опоры, полет и амортиз
ация
(после приземления)
[1]
. В подготовку входят разбег и подготовительные движения на месте
отталкивания. Биодинамику основных действий в прыжке рассмотрим на примере прыжка в
длину с разбега, сравнивая ее, где необходимо, с биодинамикой прыжка в высоту.
Разбег
В разбеге решаются две задачи: создание необходимой скорости к моменту прихода на мес
то
отталкивания и создание оптимальных условий для опорного взаимодействия. В прыжках в
длину
добиваются наибольшей скорости разбега. Перед постановкой толчковой ноги на место
отталкивания последние шаги изменяются: несколько шагов удлиняются, что снижает полож
ение
ОЦМ, а последний шаг делается быстрее и обычно короче. В прыжках в высоту не нужна бо
льшая
горизонтальная скорость, разбег короче (7-9 беговых шагов вместо 19-24) при меньшей с
корости.
На место отталкивания нога ставится стопорящим движением. Это уменьшает горизонтальну
ю
скорость и увеличивает вертикальную, позволяет занять исходное положение при оптималь
но
согнутой толчковой ноге, достаточно растянутых и напряженных ее мышцах, целесообразно
м
расположении ОЦМ и необходимой скорости завершения разбега.
Отталкивание
Отталкивание от опоры в прыжках совершается за счет выпрямления толчковой ноги, махов
ых
движений рук и туловища. Задача отталкивания – обеспечить максимальную величину векто
ра
начальной скорости ОЦМ и оптимальное ее направление. После отталкивания, в полете, те
ло
спортсмена всегда совершает движения вокруг осей. Поэтому в задачи отталкивания входи
т также
и начало управления этими движениями.
С момента постановки ноги на опору начинается амортизация – подседание на толчковой н
оге.
Мышцы-антагонисты растягиваются и напрягаются, углы в суставах становятся близкими к
рациональным для начала отталкивания. ОЦМ тела приходит в исходное положение для нача
ла
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 18 из 37
10.05.2012 18:30
ускорения отталкивания (удлинение пути ускорения ОЦМ). Пока происходит амортизация
(сгибание ноги в коленном суставе) и место опоры находится еще впереди ОЦМ, спортсмен
,
активно разгибая толчковую ногу в тазобедренном суставе, уже активно помогает продвиж
ению
тела вперед (активный перекат).
В течение амортизации горизонтальная скорость ОЦМ снижается, во время отталкивания
создается вертикальная скорость ОЦМ. К моменту отрыва ноги от опоры обеспечивается
необходимый угол вылета ОЦМ.
Выпрямление толчковой ноги и маховые движения, создавая ускорения звеньев тела вверх
и
вперед, вызывают их силы инерции, направленные вниз и назад. Последние вместе с силой
тяжести обусловливают динамический вес – силу действия на опору и вызывают
соответствующую реакцию опоры. Отталкивание вперед происходит только в последние соты
е
доли секунды; основные усилия прыгуна направлены на отталкивание вверх, чтобы получит
ь
необходимый для длинного прыжка больший угол вылета ОЦМ.
В прыжках в высоту по сравнению с прыжками в длину усилия направлены на обеспечение
наибольшей вертикальной скорости, стопорящее движение более значительно (более острый
угол
постановки ноги), задачи уменьшения потерь горизонтальной скорости нет.
Полет
В полете траектория ОЦМ предопределена величиной и направлением вектора начальной
скорости ОЦМ (углом вылета). Движения представляют собой движения звеньев вокруг осей
,
проходящих через ОЦМ. Задача сводится к возможно более дальнему приземлению, удержива
я
стопы как можно выше. Кроме того, существенно важно продвижение тела вперед после
приземления. Спортсмены стремятся к моменту приземления поднять выше вытянутые вперед
ноги и отвести руки назад: это обусловливает возможность после приземления рывком рук
вперед
с последующим разгибанием продвинуться вперед от места приземления.

Лекция № 7
Локомоторные движения (окончание)
Биодинамика с опорой на воду (плавание)
Способы плавания основаны на взаимодействии пловца с водой, при котором создаются сил
ы,
продвигающие его в воде и удерживающие на ее поверхности. Взаимодействие возникает
вследствие погружения в воду и активных движений пловца. Специфические особенности
биодинамики плавания связаны с тем, что силы, тормозящие продвижение, значительны,
переменны и действуют непрерывно. Постоянной же опоры для отталкивания вперед у пловц
а нет,
она создается во время гребковых движений и остается переменной по величине.
При всех гребковых движениях гребущие звенья движутся относительно остальных частей т
ела
назад, а последние относительно гребущих звеньев – вперед. В начале гребкового движен
ия
спортсмен плывет по дистанции с некоторой начальной скоростью. Вследствие гребка туло
вище
продвигается вперед со скоростью большей, чем начальная. Гребущие звенья движутся
относительно туловища назад быстрее, чем относительно воды. Таким образом, механизм
динамического взаимодействия пловца с водой основан на изменениях сопротивления воды,
обусловленных в первую очередь скоростью движения частей тела относительно воды.
Если рассмотреть технику плавания брассом, то из исходного положения для гребка с сог
нутыми и
разведенными ногами пловец делает сильный удар ногами назад, выпрямляя их в коленных
суставах (фаза I). Руки в течение этой фазы вытянуты вперед. После окончания удара но
гами
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 19 из 37
10.05.2012 18:30
происходит пассивное скольжение в воде при вытянутом положении тела (фаза Iа). Не доп
уская
значительной потери скорости, пловец начинает разводить кисти рук в стороны, постепен
но
сгибая руки в локтевых суставах и опуская их вниз (фаза II). Фаза гребка руками завер
шается при
наибольшей скорости продвижения кистей назад относительно тела. Друг за другом следую
т
гребковые движения ног (удар) и рук, вызывая дважды увеличение скорости передвижения
тела
вперед. В фазах I и II пловец стремится увеличить скорость, в фазе Iа, придавая обтек
аемую форму
телу,- меньше терять скорость.
С окончанием гребка руками начинается выведение их вперед со сгибанием в локтевых сус
тавах
(фаза III), а также сгибание ног. Это подготовка к гребковым движениям в следующем ци
кле.
Движения начинаются медленно, чтобы не создавать значительной скорости движений навст
речу
потоку. Одновременно выполняются и подготовительные движения ног – сгибание и движени
е
вперед. В следующей фазе (фаза IV) руки разгибаются в локтевых суставах и вытягиваютс
я
вперед, а ноги завершают подтягивание вперед до полного сгибания в коленных суставах.
В фазе
III необходимо избегать резкого снижения скорости, а в фазе IV – как можно меньше тер
ять ее.
Таким образом, из пяти фаз цикла только две – I и II – представляют собою последовате
льные
гребки (ногами, а потом руками), при которых наращивается скорость. В остальные три ф
азы
скорость снижается, причем IV и V одновременно подготавливают последующие гребковые
движения в очередном цикле.
В последние годы отмечается увеличение частоты гребковых движений, повышение их темпа
при
сохранении высокой скорости продвижения и небольших перепадах ее в цикле. Значительны
е
«пики» на кривой скорости привели бы к резкому повышению сопротивления воды.
Как и во всех локомоторных упражнениях, в плавании ищут оптимальное соотношение между
длительностью цикла (темп движений) и расстоянием, преодолеваемым за один цикл («шаг
цикла»). Более длинный «шаг» требует большего времени, снижает темп; более высокий те
мп
укорачивает «шаг». И то и другое может снизить скорость. При оптимальном соотношении
темпа и
«шага» достигается наивысшая возможная скорость.
Биодинамика передвижения со скольжением (лыжи)
Лыжник увеличивает скорость передвижения благодаря отталкиванию лыжами и палками от с
нега
в сочетании с маховыми движениями рук и ног (к отталкиваниям ногой и рукой присоедине
ны
махи рукой и ногой) и броском тела вперед (поворот таза вперед и рывок туловища вверх
). В
попеременном двухшажном ходе чуть позднее отталкивания палкой завершается отталкивани
е
лыжей, начинается скольжение на другой лыже. Свободное скольжение (фаза
I)
происходит при
тормозящем воздействии трения лыжи по снегу и незначительном сопротивлении воздуха. Ч
тобы
меньше терять скорость, нельзя делать движения с ускорениями звеньев, направленными в
верх;
это вызовет силы инерции, направленные вниз, которые прижмут лыжу к снегу и увеличат
трение.
Замедление же движений вверх рук и переносной ноги (после предыдущего отталкивания лы
жей
«на взлет»), наоборот, снизит давление на лыжу и уменьшит трение. Свободное скольжени
е
заканчивается постановкой палки на снег: после замедленного завершения махового вынос
а руки
вперед лыжник, слегка согнув ее и зафиксировав суставы руки и туловища, энергии ударо
м ставит
палку на снег.
Начинается фаза скольжения с выпрямление опорной ноги (фаза II). Усиливая наклоном ту
ловища
над на палку, лыжник стремится повысить скорость скользящей лыжи. Стопа опорной ноги,
немного выдвинутая вперед, предупреждает потерю энергии на амортизацию и преждевремен
ный
перекат. Опорная нога выпрямляется, подготавливаясь к последующему подседанию на ней.
Подседание начинается еще при скольжении лыжи (фаза III), которая при энергичном разг
ибании
опорной ноги в тазобедренном суставе быстро теряет скорость и останавливается. В фазе
I
необходимо как можно меньше терять скорость, в фазе II – увеличить скорость скользяще
й лыжи,
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 20 из 37
10.05.2012 18:30
в фазе III – быстрее остановить лыжу.
Лыжа, стоящая неподвижно на снегу, благодаря силе трения (статической) служит опорой
для
отталкивания ногой и маховых движений (рукой, ногой и туловищем). Подседание, начато
в фазе
III, продолжается и завершается в фазе IV, сопровождаемое выпадом – движением перенос
ной
ноги вперед от носка стопы опорной ноги. С остановкой лыжи тело лыжника продолжает
ускоренное продвижение вперед (перекат) благодаря: а) началу разгибания бедра опорной
ноги в
тазобедренном суставе («активный перекат»), б) выпаду переносной ногой, в) маху свобо
дной
рукой, г) началу поворота таза вперед и д) усиленному до максимума нажиму на палку в
наиболее
наклоненном ее положении.
С окончанием подседания начинается выпрямление толчковой ноги в коленном суставе (фаз
а V),
сопровождаемое завершающимся выпадом. Отталкивание ногой и рывок туловищем вверх
обеспечивают общее направление отталкивания «на взлет», что снижает трение в фазе I
следующего скользящего шага. Снижение скорости выпада из-за торможения растягиваемых
мышц-антагонистов тазобедренного сустава компенсируется, насколько возможно, ускоренн
ым
поворотом таза вперед и энергичным завершением отталкивания палкой (до выпрямления ру
ки и
палки в одну линию). В фазе IV необходимо повысить скорость выпада, в фазе V – меньше
терять
скорость стопы в выпаде.
Характерными особенностями современной техники считаются стремление уменьшить трение
лыжи о снег завершенным отталкиванием лыжей («на взлет») и опорой на палку, а также в
ысокий
темп шагов. У хорошо подготовленных лыжников темп шагов достигает 110—120 в минуту.
С повышением скорости хода изменяется ритм скользящего шага: относительно сокращается
время отталкивания лыжей; подседание и выпрямление толчковой ноги делаются быстрее.
Биодинамика передвижения с механическим преобразованием энергии
Передача усилий при педалировании
Велосипед как аппарат для передачи усилий на опору создает особые условия для приложе
ния
усилий велосипедиста и использования внешних сил.
Давление ноги велосипедиста на педаль в системе велосипедист - велосипед - это внутре
нняя
сила, вся система самодвижущаяся с внутренним источником движущихся сил. Давление на
педаль создает момент силы относительно оси ведущей шестерни. Через цепь эта сила пер
едается
на ведомую шестерню заднего колеса
.
Под действием этой силы колесо, когда у него нет опоры,
вращается вокруг своей оси: верхняя точка обода вперед, нижняя – назад
.
При опоре благодаря
сцеплению покрышки колеса с грунтом сила трения, направленная вперед, уравновешивает
действие обода на покрышку, направленное назад; в результате колесо не проскальзывает
и вперед
движется ось колеса
.
Точка, относительно которой она движется,– место опоры колеса.
Источник движущей силы – мышцы ног спортсмена, передающие усилия через педаль, шатун,
ведущую шестерню, цепь на заднюю шестерню. Нижняя точка обода заднего колеса не может
сместиться назад и фиксирована на опоре с помощью силы трения (необходимая внешняя си
ла).
Поэтому ось от связанной с нею задней шестерни получает ускорение вперед. Сила трения
скольжения (статическая) не дает проскальзывать покрышке заднего колеса назад по грун
ту. Она
служит той внешней силой, без которой ускорение системы на горизонтальной поверхности
невозможно.
Передача усилий при академической гребле
Самым характерным в академической гребле является значительное перемещение гребца
относительно лодки посредством подвижного сиденья (банки), перемещающегося на роликах
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 21 из 37
10.05.2012 18:30
вдоль продольной оси лодки на полозках.
Выносные уключины увеличивают плечо рычага (расстояние от оси вращения весла до места
хвата рукой). Гребец прилагает усилия руками к рукоятке весла и ногами к подножке,
укрепленной неподвижно.
При проводке весла лопасть встречает сопротивление воды. Сначала подтягивая лодку вес
лом, а
потом отталкивая ее от воды, захваченной лопастью, гребец продвигает лодку вперед. За
время
проводки гребец перемещается на банке вперед, к носу лодки. Начало гребка выполняется
одновременно с быстрым и ровным давлением ног на подножку в виде «прыжка» в сторону н
оса
лодки. Этот «прыжок» как бы тормозится на рукоятке весла, что увеличивает силу, прило
женную
через весло к воде.
После окончания гребка следует фаза заноса весел. Это движение является подготовитель
ным для
следующего гребка и совершается посредством перемещения на банке к корме; весла в это
время
заносятся лопастями к носу. Однако в этой фазе усилия гребка, приложенные к лодке, на
правлены
в сторону движения лодки. Подтягивая себя к подножке за носковые ремни, гребец этим
выталкивает из-под себя лодку вперед. ОЦМ системы гребец—весла—лодка от перемещения н
а
-
зад свою скорость изменить не может (если не учитывать увеличения сопротивления воды
в
зависимости от скорости лодки). Но лодка относительно гребца и воды получает ускорени
е
вперед. Наличие его уменьшает падение скорости лодки, скользящей по инерции. Это дела
ет
скорость хода лодки более равномерной, что выгодно для продвижения против сопротивлен
ия
воды. Таким образом, активные усилия гребка приложены через весла к воде в одном
направлении, а через подножку к лодке – поочередно в двух («прыжок» от подножки и
перемещение).

Лекция № 8
Перемещающиеся движения
Перемещающимися
в биомеханике называют движения, задача которых – перемещение
какого-либо тела (снаряда, мяча, соперника, партнера). Перемещающие движения разнообр
азны.
Примерами в спорте могут быть метания, удары по мячу, броски партнера в акробатике и
т. п.
К перемещающим движениям в спорте обычно предъявляются требования достичь максимальны
х
величин:
а) силы действия (при подъеме штанги), б) скорости перемещаемого тела, (в метаниях),
в)
точности (штрафные броски в баскетболе). Нередки и случаи, когда эти требования (напр
имер,
скорости и точности) предъявляются совместно. Среди перемещающих различают движения:
а) с разгоном перемещаемых тел (например, метание копья),
б) с ударным взаимодействием (например, удары в теннисе или футболе).
Поскольку большинство спортивных перемещающих движений связано с сообщением скорости
вылета какому-нибудь снаряду (мячу, снаряду для метания), рассмотрим прежде всего
механические основы полета спортивных снарядов.
Полет спортивных снарядов
Траектория (в частности, дальность) полета снаряда определяется:
а) начальной скоростью вылета,
б) углом вылета,
в) местом (высотой) выпуска снаряда,
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 22 из 37
10.05.2012 18:30
г) вращением снаряда и
д) сопротивлением воздуха, которое, в свою очередь, зависит от аэродинамических свойс
тв
снаряда, силы и направления ветра, плотности воздуха (в горах, где атмосферное давлен
ие ниже,
плотность воздуха меньше и спортивный снаряд при тех же начальных условиях вылета мож
ет
пролететь большее расстояние).
Начальная скорость вылета
является той основной характеристикой, которая закономерно
изменяется с ростом спортивного мастерства. В отсутствие сопротивления воздуха дально
сть
полета снаряда пропорциональна квадрату скорости вылета. Увеличение скорости вылета,
скажем,
в 1,5 раза должно увеличить дальность полета снаряда в 1,5
2
, т.е. в 2,25 раза. Например, скорость
вылета ядра 10 м/с соответствует результату в толкании ядра в среднем 12 м, а скорост
ь 15 м/с –
результату около 25 м.
У спортсменов международного класса максимальные скорости вылета снарядов равны: при
ударе
ракеткой (подача в теннисе) и клюшкой (хоккей) – свыше 50 м/с, при ударе рукой (напад
ающий
удар в волейболе) и ногой (футбол), метании копья – около 35 м/с. Из-за сопротивления
воздуха
скорость в конце полета снаряда меньше начальной скорости вылета.
Углы вылета.
Различают следующие основные углы вылета:
1. Угол места – угол между горизонталью и вектором скорости вылета (он определяет дви
жение
снаряда в вертикальной плоскости: выше – ниже).
2. Азимут – угол вылета в горизонтальной плоскости (правее – левее, измеряется от усл
овно
выбранного направления отсчета).
3. Угол атаки – угол между вектором скорости вылета и продольной осью снаряда. Метате
ли копья
стремятся, чтобы угол атаки был близок к нулю («попасть точно в копье»). Метателям ди
ска
рекомендуется выпускать диск с отрицательным углом атаки. При полете мячей, ядра и мо
лота
угла атаки нет.
Высота выпуска снаряда
влияет на дальность полета. Дальность полета снаряда увеличивается
примерно на столько, на сколько увеличивается высота выпуска снаряда.
Вращение снаряда и сопротивление воздуха.
Вращение снаряда оказывает двойное влияние на
его полет. Во-первых, вращение как бы стабилизирует снаряд в воздухе, не давая ему
«кувыркаться». Здесь действует гироскопический эффект, подобный тому, который позволя
ет не
падать вращающемуся волчку. Во-вторых, быстрое вращение снаряда искривляет его траект
орию
(так называемый эффект Магнуса). Если мяч вращается (такое вращение нередко называют
спином, от англ. spin – вращение), то скорость воздушного потока на разных его сторон
ах будет
разной. Вращаясь, мяч увлекает прилегающие слои воздуха, которые начинают двигаться в
округ
него (циркулировать). В тех местах, где скорости поступательного и вращательного движ
ений
складываются, скорость воздушного потока становится больше; с противоположной стороны
мяча
эти скорости вычитаются и результирующая скорость меньше. Из-за этого и давление с ра
зных
сторон будет разным: больше с той стороны, где скорость воздушного потока меньше. Это
следует
из известного закона Бернулли: давление газа или жидкости обратно пропорционально ско
рости
их
движения (этот закон можно применить к случаю, показанному на рисунке). Эффект Магну
са
позволяет, например, выполняя угловой удар в футболе, послать мяч в ворота. Величина
боковой
силы, действующей на вращающийся мяч, зависит от скорости его полета и скорости враще
ния.
Влияние вращения мяча на его траекторию тем выше, чем больше поступательная скорость.
Пытаться придать медленно летящему мячу большое вращение, чтобы влиять на направление
полета, нецелесообразно. Теннисные мячи при соответствующих ударах вращаются со скоро
стью
выше 100 об/с, футбольные и волейбольные – значительно медленнее. Если направление
вращения мяча совпадает с направлением полета, такой мяч в спортивной практике называ
ют
крученым, если не совпадает,- резаным (крученый мяч катился бы по земле в направлении
своего
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 23 из 37
10.05.2012 18:30
полета, а резаный - назад к игроку, пославшему мяч).
Если воздушный поток обтекает снаряд под некоторым
углом атаки, то сила сопротивления воздуха направлена
под углом к потоку (рис.97). Эту силу можно разложить
на составляющие: одна из них направлена по потоку – это
лобовое сопротивление, другая перпендикулярна к потоку
– это подъемная сила. Существенно помнить, что
подъемная сила не обязательно направлена вверх; ее
направление может быть различным. Это зависит от
положения снаряда и направления воздушного потока относительно его. В тех случаях, ко
гда
подъемная сила направлена вверх и уравновешивает вес снаряда. он может начать планиро
вать.
Планирование копья и диска существенно повышает результаты в метании.
Если центр давления воздушного потока на снаряд не совпадает с центром тяжести, возни
кает
вращательный момент силы, и снаряд теряет устойчивость. Аналогичная картина и проблем
а
сохранения устойчивости возникают и в полетной фазе в прыжках на лыжах. Отсутствие
вращения достигается выбором правильной позы, при которой центр тяжести тела и центр
его
поверхности (центр давления воздушного потока) расположены так, что вращательный моме
нт не
создается.
Сила действия в перемещающих движениях
Сила действия в перемещающих движениях обычно проявляется конечными звеньями
многозвенной кинематической цепи. При этом отдельные звенья могут взаимодействовать д
вумя
способами:
1. Параллельно – когда возможна взаимокомпенсация действия звеньев; если сила, проявл
яемая
одним из звеньев, недостаточна, другое звено компенсирует это большей силой. Пример:
при
бросках в борьбе недостаточная для выполнения приема мышечная сила одной руки может
компенсироваться большей силой действия второй руки. Параллельное взаимодействие возм
ожно
лишь в разветвляющихся кинематических цепях (действия двух рук или двух ног).
2. Последовательно – когда взаимокомпенсация невозможна. При последовательном
взаимодействии звеньев многозвенной кинематической цепи нередко бывает что какое-то о
дно
звено оказывается более слабым, чем остальные и ограничивает проявление максимальной
силы.
Очень важно уметь распознавать такое отстающее звено с целью либо его целенаправленно
укрепить, либо изменить технику движения таким образом, чтобы данное звено не огранич
ивало
роста результатов. Например, толкатели ядра, у которых мышцы голеностопного сустава и
стопы
относительно слабые, делают скачок перед финальным усилием с опорой на всю стопу;
спортсмены с сильной стопой могут выполнять скачок с приходом на носок. Включение в р
аботу
слабых звеньев (если они могут быть выключены) является технической ошибкой, приводящ
ей к
снижению спортивного результата.
Скорость в перемещающих движениях
необходимо определенное сочетание во времени движений отдельных звеньев тела (рис. 10
0).
Каждое из этих звеньев участвует во вращательном движении относительно оси сустава и
в
поступательном движении этого сустава, которое можно рассматривать как переносное.
Например, при ударе ногой по мячу голень перемещается за счет разгибания в коленном с
уставе
(движение по отношению к бедру и коленному суставу) и за счет движения бедра и самого
коленного сустава (переносное движение).
Вращательное движение звеньев двигательного аппарата человека обусловлено:
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 24 из 37
10.05.2012 18:30
1) действием момента силы тяги мышц, проходящих через сустав, например сгибателей и
разгибателей его;
2) ускоренным движением самого сустава. Оно вызвано силой, линия действия которой про
ходит
через суставную ось (так называемой суставной силой).
Если бы сустав был неподвижен, то, конечно, под действием этой силы движения относите
льно
оси не возникло бы. Ведь нельзя же раскачать качели, надавливая на их ось. Но если ос
ь под
действием силы смещается, то подвешенное к ней звено поворачивается вокруг оси.
У здорового человека голень при ходьбе движется как за счет движения колена, так и за
счет силы
тяги мышц коленного сустава. Подобное выполнение вращательного движения в спортивной
практике нередко называют «хлестом». Он широко используется в быстрых перемещающих
движениях. Выполнение движений «хлестом» основано на том, что проксимальный сустав
сначала быстро движется в направлении метания или удара, а затем резко тормозится. Эт
о
вызывает быстрое вращательное движение дистального звена тела. На рис. 8.1 показано,
как
последовательно двигается волна таких отрицательных ускорений от нижних конечностей к
верхним при метании.
Рис. 8.1.
Горизонтальные ускорения основных суставов при метании мяча 150 г (результат 95 м 20
см) (Е. Н. Матвеев).
На кадрах
3
и
4,
видно, как быстро изменилось ускорение плечевого сустава с положительного на
отрицательное
При выполнении движений «хлестом» максимумы переносной и относительной скорости не
совпадают во времени, т. е. движения выполняют не так. В самом деле, торможение
проксимальных звеньев (например, туловища и плеча на рис. 8.1), конечно, снижает их с
корость.
Однако это повышает скорость (относительную) дистальных звеньев, так что, несмотря на
снижение переносной скорости, абсолютная скорость конечного звена, равная сумме перен
осной
и относительной скорости, может оказаться выше. В случае перемещения тел с разгоном (
метания,
броски и т. п.) увеличение скорости снаряда обычно проходит в три этапа:
1. Скорость сообщается всей системе «спортсмен—снаряд», от чего она приобретает
определенное количество движения (разбег в метании копья, повороты при метании диска
и
молота и т. п.).
2. Скорость сообщается только верхней части системы «спортсмен—снаряд»: туловищу и сн
аряду
(первая половина финального усилия; в это время обе ноги касаются опоры).
3. Скорость сообщается только снаряду и метающей руке (вторая половина финального уси
лия).
Скорость вылета снаряда представляет собой сумму скоростей, приобретенных им на каждо
м из
этих этапов. Однако векторы скоростей стартового и финального разгонов обычно не совп
адают по
направлению, поэтому их суммирование может быть только геометрическим (по правилу
параллелограмма). Значительная часть стартовой скорости теряется. Например, сильнейши
е
толкатели ядра могут толкнуть ядро с места на 19 м, что соответствует скорости вылета
снаряда
около 13 м/с. В скачке они сообщают ядру скорость до 2,5 м/с. Если бы эти скорости уд
алось
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 25 из 37
10.05.2012 18:30
сложить арифметически, то скорость вылета ядра была бы равна 13 + 2,5 —15,5 м/с, что
дало бы
результат около 26 м — примерно на 4 м выше мирового рекорда.
Для увеличения скорости вылета снаряда стремятся увеличить путь воздействия на него в
финальном усилии. Например, у сильнейших в мире толкателей ядра — финалистов олимпийс
ких
игр — расстояние между ядром и землей на старте уменьшилось со 105 см в 1960 г. до 80
см в
1976 г. Для увеличения пути воздействия на снаряд используют так называемый обгон зве
ньев.
Точность в перемещающих движениях
Под точностью движения понимают степень его близости требованиям двигательного задани
я.
Вообще говоря, любое движение может быть выполнено лишь в том случае, если оно достат
очно
точно. Если, например, во время ходьбы человек будет выполнять движения очень неточно
, то идти
он не сможет. Однако здесь будет идти речь о точности в более узком смысле слова - о
точности
рабочего звена тела (например, кисти) или управляемого этим звеном снаряда (фехтоваль
ного
оружия, мяча, ручки для письма).
Различают два вида точностных заданий. В первом необходимо обеспечить точность движен
ия на
всей его траектории (пример - обязательная программа в фигурном катании на коньках, г
де
требуется, чтобы след конька был идеальной геометрической фигурой). Такие двигательны
е
задания называют задачами слежения. Во втором виде заданий неважно, какова траектория
рабочей точки тела или снаряда, необходимо лишь попасть в обусловленную цель (в мишен
ь,
ворота, поражаемую часть тела противника и т. п.). Такие двигательные задачи называют
задачами
попадания, а точность - целевой точностью.
Целевая точность характеризуется величиной отклонения от цели. В зависимости от конкр
етного
вида двигательного задания используют различные способы оценки точности. Если стоит,
например, задача бросить мяч на определенное расстояние и ошибка может выражаться тол
ько в
перелете или недолете (отклонения вправо или влево значения не имеют), то при большом
числе
бросков мяч будет приземляться, конечно, не в одно и то же место. При этом средняя то
чка
попадания может отклоняться от центра мишени. Это отклонение называется систематическ
ой
ошибкой попадания. Кроме того, места приземления мяча будут как-то рассеяны относител
ьно
средней точки попадания. Из баллистики известно, что это рассеивание подчиняется зако
ну
нормального распределения. Нормальное распределение характеризуется средней величиной
и
стандартным (средним квадратическим) отклонением. Стандартное отклонение указывает
величину случайной ошибки попадания. Величина, обратная стандартному отклонению,
называется кучностью попадания. Систематическая ошибка и кучность вместе характеризую
т
целевую точность. Если систематическая ошибка равна нулю, т. е. если спортсмен попада
ет в
центр мишени, целевая точность характеризуется только кучностью. Когда имеют значения
отклонения от центра мишени не только, вперед-назад (вверх-вниз), но и вправо-влево,
например в
пулевой стрельбе или при ударах по воротам, различают вертикальную и горизонтальную
точность. Для оценки каждой из них надо знать систематическую и случайную ошибки, т.
е. Всего
четыре показателя.
Часто более удобно оценивать точность по числу удачных попыток — попаданий в цель. Ес
ли
систематическая ошибка известна (в частности, если она равна нулю), то, пользуясь
статистическими таблицами -нормального распределения, по проценту попаданий легко
вычислить величину стандартной ошибки.
Отклонения от центра мишени вправо и влево зависят от азимута, а отклонения вперед-на
зад
(вверх-вниз) — от угла места и скорости вылета снаряда. При этом снаряд попадает в це
ль лишь
при строго определенном сочетании угла и скорости вылета. Изменение одной из этих
характеристик при постоянном значении второй приводит к промаху. Исследования показыв
ают,
что главная трудность в достижении высокой целевой точности как раз и состоит в том,
чтобы
обеспечить правильное сочетание угла и скорости вылета. Например, отклонения (дисперс
ия)
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 26 из 37
10.05.2012 18:30
начальных характеристик вылета мяча — угла и скорости — у баскетболистов-"снайперов"
такие
же, как у тех, кто не отличается высокой точностью бросков. Но у первых избранный уго
л вылета
соответствует скорости, а у вторых такого соответствия нет.
В достижении высокой целевой точности существенную роль играет техника выполнения
упражнения, в частности такая организация движений, при которой облегчается исправлен
ие
ошибок, допущенных по ходу попытки. Поскольку подобная коррекция происходит до того,
как
становится ясен итоговый результат действия, ее называют предварительной или прелимин
арной
(от лат. pre – перед и limin – порог) коррекцией. Например, при выполнении баскетболь
ных
бросков с разных дистанций большая часть скорости вылета мяча создается движением ног
, руки
же обеспечивают тонкие корректирующие добавки.
Рис. 8.2.
Показатели, используемые при оценке целевой точности.
Показан также процент попаданий при отклонении снаряда на разные расстояния от центра
попадания (кривая нормального распределения)
Особенно трудно добиться необходимой точности при ударных действиях. Например, в футб
оле
при ударе с 20 м достаточно ошибиться в точке приложения удара всего на 1 см, чтобы м
яч
отклонился от цели почти на 2 м. Поэтому более точны те удары, которые выполняются пр
и
относительно большой площади соприкосновения с мячом. Так, при ударах внутренней стор
оной
стопы («щечкой») легче добиться необходимой точности, чем при ударах носком. Наиболее
трудно
добиться высокой точности при ударах по движущемуся мячу («в одно касание»).
Биомеханическая основа этих, затруднений состоит в следующем.
Мяч, ударяясь о плоскость под определенным углом, отскакивает от нее примерно под тем
же
углом. Следовательно, если подставить, например, ракетку под мяч вертикально на разны
х
участках его траектории, то он отразится по-разному (рис. 8.2). Чтобы отразить мяч в
нужном
направлении (не ударяя по нему), нужно подставить плоскость ракетки (или ноги)
перпендикулярно к линии, делящей угол между направлениями полета мяча до и после отск
ока
примерно пополам.
При ударных действиях к первоначальной скорости мяча добавляется скорость, привносима
я
ударом. Они складываются геометрически (по правилу параллелограмма). В результате
оказывается, что мяч после удара движется не в направлении действия силы удара. Мяч п
опадает в
цель лишь в том случае, если направление и сила удара будут строго соответствовать на
правлению
и скорости летящего мяча. Добиться такого соответствия трудно.
Целевая точность снижается при значительном увеличении скорости движений. Небольшие
колебания скорости от попытки к попытке на точность попадания в цель не влияют. Целев
ая
точность зависит также от расстояния и направления до цели.

Лекция № 9
Ударные действия
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 27 из 37
10.05.2012 18:30
Основы теории удара
Ударом в механике называется кратковременное взаимодействие тел, в результате которог
о резко
изменяются их скорости. При таких взаимодействиях возникают столь большие силы, что
действием всех можно пренебречь.
Примерами ударов являются:
- удары по мячу, шайбе. В данном случае происходит быстрое, изменение скорости по вел
ичине и
направлению. Подобные удары с последующим отскоком часто встречаются в перемещающих
спортивных движениях;
- приземление после прыжков и соскоков (скорость тела спортсмена резко снижается до н
уля).
Особенно целесообразно рассматривать приземление как удар, если оно происходит на
выпрямленные ноги или связано с падением;
- вылет стрелы из лука, акробата в цирке с подкидной доски и т.п. Здесь скорость до н
ачала
взаимодействия равна нулю, а затем резко возрастает.
Изменение ударных сил во времени происходит примерно так. Сначала сила быстро возраст
ает до
наибольшего значения, а затем падает до нуля. Максимальное ее значение может быть оче
нь
большим. Однако основной мерой ударного взаимодействия является не сила, а ударный им
пульс,
численно равный заштрихованной площади под кривой
F
(
t
). Он может быть вычислен как
интеграл:
где
S
– ударный импульс,
t
1
и
t
2
– время начала и конца удара,
F(t) –
зависимость ударной силы
F
от времени
t
.
За время удара скорость тела, например мяча, изменяется на определенную величину. Это
изменение прямо пропорционально ударному импульсу и обратно пропорционально массе тел
а.
Другими словами, ударный импульс равен изменению количества движения тела.
Последовательность механических явлений при ударе такова: сначала происходит деформац
ия
тел, при этом кинетическая энергия движения переходит в потенциальную энергию упругой
деформации, затем потенциальная энергия переходит в кинетическую. В зависимости от то
го,
какая часть потенциальной энергии переходит в кинетическую, а какая рассеивается в ви
де тепла,
различают три вида удара:
1. Вполне упругий удар – вся механическая энергия сохраняется. Таких ударов в природе
нет
(всегда часть механической энергии при ударе переходит в тепло). Однако в некоторых с
лучаях
удары, например удар бильярдных шаров, близки к вполне упругому удару.
2. Неупругий удар – энергия деформации полностью переходит в тепло. Пример: приземлен
ие в
прыжках и соскоках, удар шарика из пластилина в стену и т. п. При неупругом ударе ско
рости
взаимодействующих тел после удара равны (тела объединяются).
3. Не вполне упругий удар — лишь часть энергии упругой деформации переходит в кинетич
ескую
энергию движения.
Ньютон предложил характеризовать не вполне упругий удар гак называемым
коэффициентом
восстановления
. Он равен отношению скоростей взаимодействующих тел после и до удара.
Коэффициент восстановления можно измерить так: сбросить мяч на жесткую горизонтальную
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 28 из 37
10.05.2012 18:30
поверхность, измерить высоту падения мяча (
h
п
) и высоту, на которую он отскакивает (
h
о
)
.
Коэффициент восстановления равен:
Коэффициент восстановления зависит от упругих свойств соударяемых тел. Например, он
будет различен при ударе теннисного мяча о разные грунты и ракетки разных типов и кач
ества.
Зависит коэффициент восстановления и от скорости ударного взаимодействия:
с увеличением скорости он уменьшается. Например, по международным стандартам теннисны
й
мяч, сброшенный на твердую поверхность с высоты 2 м 54 см (100 дюймов), должен отскак
ивать
на высоту 1,35-1,47 м (коэффициент восстановления 0,73-0,76). Но если его сбросить, с
кажем, с
высоты в 20 раз большей, то даже без сопротивления воздуха отскок возрастет меньше че
м в 20
раз.
В зависимости от направления движения мяча до удара различают прямой и косой удары; в
зависимости от направления ударного импульса - центральный и касательный удары.
При прямом ударе направление полета мяча до удара перпендикулярно к
плоскости ударяющего тела или преграды. Пример: падение мяча сверху
на горизонтальную поверхность. В этом случае мяч после отскока летит в
обратном направлении.
При косом ударе угол сближения (рис.) отличен от нуля. При идеальном
упругом ударе углы сближения и отскока равны. При реальных (не вполне
упругих) ударах угол отскока больше угла сближения, а скорость после
отскока от неподвижной преграды меньше, чем до удара.
Центральный удар характеризуется тем, что ударный импульс проходит через ЦМ мяча. В э
том
случае мяч летит не вращаясь. При касательном ударе ударный импульс не проходит через
ЦМ
мяча – мяч после такого удара летит с вращением. Как уже отмечалось, вращение мяча из
меняет
траекторию его полета. Изменяет оно также отскок мяча. Например, в настольном теннисе
поступательная скорость крученого мяча (шарика) после отскока нередко выше, чем до
соприкосновения со столом: часть кинетической энергии вращения переходит в энергию
поступательного движения.
При центральном ударе двух упругих тел (например, двух бильярдных шаров) количество
движения в системе этих тел остается постоянным:
m
1
v
1
+
m
2
v
2
=
m
1
и
1
+m
2
u
2
= const. где

1
и
m
2
– массы первого и второго тела,
v
1
и
v
2
– их скорости до удара; и
u
1
и
и
2

их скорости после
удара.
Если скорость одного из тел до удара равна нулю, то после удара она станет:
Из формулы видно, что скорость после удара будет тем больше, чем больше скорость и ма
сса
ударяющего тела (ударная масса). В более сложных случаях (нецентральный и не вполне у
пругий
удар) картина сложнее, однако и в них скорость после удара будет тем выше, чем больше
ударная
масса и скорость тела, наносящего удар.
Биомеханика ударных действий
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 29 из 37
10.05.2012 18:30
Ударными в биомеханике называются действия, результат которых достигается механически
м
ударом. В ударных действиях различают:
1. Замах – движение, предшествующее ударному движению и приводящее к увеличению
расстояния между ударным звеном тела и предметом, по которому наносится удар. Эта фаз
а
наиболее вариативна.
2. Ударное движение – от конца замаха до начала удара.
3. Ударное взаимодействие (или собственно удар) – столкновение ударяющихся тел.
4. Послеударное движение – движение ударного звена тела после прекращения контакта с
предметом, по которому наносится удар.
Уже говорилось, что при механическом ударе скорость тела (например, мяча) после удара
тем
выше, чем больше скорость ударяющего звена непосредственно перед ударом. При ударах в
спорте
такая зависимость необязательна. Например, при подаче в теннисе увеличение скорости д
вижения
ракетки может привести к снижению скорости вылета мяча, так как ударная масса при уда
рах,
выполняемых спортсменом, непостоянна: она зависит от координации его движений. Если,
например, выполнять удар за счет сгибания кисти или с расслабленной кистью, то с мячо
м будет
взаимодействовать только масса ракетки и кисти. Если же в момент удара ударяющее звен
о
закреплено активностью мышц-антагонистов и представляет собой как бы единое твердое т
ело, то
в ударном взаимодействии будет принимать участие масса всего этого звена.
Иногда спортсмен наносит два удара с одной и той же скоростью, а скорость вылета мяча
или сила
удара оказывается различной. Это происходит из-за того, что ударная масса неодинакова
.
Величина ударной массы может использоваться как критерий эффективности техники ударов
.
Поскольку рассчитать ударную массу довольно сложно, ее оценивают так:
Эффективность ударного взаимодействия =
скорость мяча после_______________
скорость ударяющего сегмента до удара.
Этот показатель различен в ударах разных типов. Например, в футболе он изменяется от
1,20 до
1,65. Зависит, он и от веса спортсмена.
Некоторые спортсмены, владеющие очень сильным ударом (в боксе, волейболе, футболе и д
р.),
большой мышечной силой не отличаются. Но они умеют сообщать большую скорость ударяюще
му
сегменту и в момент удара взаимодействовать с ударяемым телом большой ударной массой.
Многие ударные спортивные действия нельзя рассматривать как «чистый» удар, основа тео
рии
которого изложена в предшествующем параграфе. В теории удара в механике предполагаетс
я, что
удар происходит настолько быстро и ударные силы настолько велики, что всеми остальным
и
силами можно пренебречь. Во многих ударных действиях в спорте эти допущения не оправд
аны.
Время удара в них хотя и мало, но все-таки пренебрегать им нельзя; путь ударного
взаимодействия, по которому во время удара движутся вместе соударяющиеся тела, может
достигать 20-30 см.
Поэтому в спортивных ударных действиях, в принципе, можно изменить количество движени
я во
время соударения за счет действия сил, не связанных с самим ударом.
Это легко объяснить на таком примере. Представим, что автомобиль, едущий со скоростью
30
км/час, ударяется о подвижное препятствие. При этом возможны три ситуации:
1. Автомобиль едет с неработающим двигателем и невключенными тормозами. В системе
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 30 из 37
10.05.2012 18:30
«автомобиль – препятствие» действуют только ударные силы.
2. Двигатель включен, более того – автомобиль двигается ускоренно. Тогда в конце удар
а его
скорость будет больше, чем в начале, количество движения (импульс) системы возрастет,
а на
ударяемое тело подействует еще дополнительная сила, вызванная действием двигателя
автомобиля.
3. Двигатель выключен, а тормозная система включена. Скорость и количество движения
автомобиля уменьшатся из-за включенных тормозов.
Описанное можно сравнить с действием мышц человека при ударах. Если ударное звено во
время
удара дополнительно ускоряется за счет активности мышц, ударный импульс и соответстве
нно
скорость вылета снаряда увеличиваются; если оно произвольно тормозится, ударный импул
ьс и
скорость вылета уменьшаются (это бывает нужно при точных укороченных ударах, например
при
передачах мяча партнеру). Некоторые ударные движения, в которых дополнительный прирос
т
количества движения во время соударения очень велик, вообще являются чем-то средним м
ежду
метаниями и ударами (так иногда выполняют вторую передачу в волейболе).
Координация движений при максимально сильных ударах подчиняется двум требованиям:
1) сообщение наибольшей скорости ударяющему звену к моменту соприкосновения с ударяем
ым
телом. В этой фазе движения используются те же способы увеличения скорости, что и в д
ругих
перемещающих действиях;
2) увеличение ударной массы в момент удара. Это достигается «закреплением» отдельных
звеньев
ударяющего сегмента путем одновременного включения мышц-антагонистов и увеличения
радиуса вращения. Например, в боксе и карате сила удара правой рукой увеличивается пр
имерно
вдвое, если ось вращения проходит вблизи левого плечевого сустава, по сравнению с уда
рами, при
которых ось вращения совпадает с центральной продольной осью тела.
Время удара настолько кратковременно, что исправить допущенные ошибки уже невозможно.
Поэтому точность удара в решающей мере обеспечивается правильными действиями при зама
хе и
ударном движении. Например, в футболе место постановки опорной ноги определяет у
начинающих целевую точность примерно на 60-80%.
Тактика спортивных игр нередко требует неожиданных для противника ударов («скрытых»).
Это
достигается выполнением ударов без подготовки (иногда даже без замаха), после обманны
х
движений (финтов) и т. п. Биомеханические характеристики ударов при этом меняются, та
к как
они выполняются в таких случаях обычно за счет действия лишь дистальных сегментов (ки
стевые
удары).

Лекция № 10
Индивидуальные и групповые особенности моторики
Индивидуальные и групповые особенности движений и двигательных возможностей людей
изучают в разделе биомеханики, называемом
дифференциальной биомеханикой
. Подобные
разделы существуют и в смежных научных дисциплинах. Так, дифференциальная психология
изучает индивидуальные и групповые психологические различия и т. п.
Телосложение и моторика человека
Как двигательные возможности людей, так и многие индивидуальные черты спортивной техн
ики в
значительной степени зависят от особенностей телосложения. К ним в первую очередь отн
осят:
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 31 из 37
10.05.2012 18:30
а) тотальные размеры тела – основные размеры, характеризующие его величину (длина тел
а, вес,
окружность грудной клетки, поверхность тела и т. п.);
б) пропорции тела – соотношение размеров отдельных частей тела (конечностей, туловища
и др.);
в) конституциональные особенности.
Тотальные размеры тела у людей существенно различны. В одном и том же виде спорта (на
пример,
в борьбе или тяжелой атлетике) можно встретить спортсменов с весом тела менее 50 и св
ыше 150
кг. Двигательные возможности этих спортсменов будут разными.
При одинаковом уровне тренированности люди большего веса могут проявлять большую силу
действия. С этим, в частности, связано деление на весовые категории в таких видах спо
рта, как
борьба, бокс, тяжелая атлетика.
Для сравнения силовых качеств людей различного веса обычно пользуются понятием
«относительная сила», под которым понимают величину силы действия, приходящейся на 1
кг
собственного веса. Силу действия, которую спортсмен проявляет в каком-либо движении
безотносительно к собственному весу, иногда называют абсолютной силой:
Абсолютная сила
Относительная сила = ---------------------------------
Собственный вес
У людей примерно одинаковой
тренированности, но разного веса
абсолютная сила с увеличением веса
возрастает, а относительная падает (рис.).
Аналогичные закономерности наблюдаются
и в отношении некоторых других
функциональных показателей (например,
максимального потребления кислорода –
МПК). В то же время, скажем, высота
подъема ОЦТ в прыжках или дистанционная
скорость бега не зависят от тотальных
размеров тела, а максимальная частота
движений и стартовое ускорение
уменьшаются с их увеличением.
Биомеханическая основа этих явлений
заключается в следующем.
Предположим, что два спортсмена (А и Б) одинаково тренированы и во всех отношениях ра
вны
друг другу, но один из них в 1,5 раза крупнее нее другого: у одного из них рост 140 с
м, а у другого
– 210 см. Сопоставим линейные (
h
– длина, ширина, глубина), поверхностные (
h
2
– площадь
сечений, поверхность тела) и объемные
(h
3
– объем и вес тела) размеры этих людей:

А
Б
Линейные размеры
1
1,5
Поверхностные размеры (площади)
1
2
= 1
1,5
2
= 2,25
Объемные размеры
1
3
= 1
1,5
3
= 3,375
Видно, что если длина тела возрастает в 1,5 раза, то площади сечений (
h
2
, например,
физиологические поперечники мышц) увеличатся в 2,25 раза, а, скажем, вес тела – в 3,3
75 раза.
Поскольку при прочих равных условиях сила тяги мышц определяется величиной их
физиологического поперечника, то Б будет в 2,25 раза сильнее, чем А (например, подним
ет вес в
2,25 раза больше). Но если этим людям надо поднимать собственное тело (т. е. проявлят
ь
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 32 из 37
10.05.2012 18:30
относительную, а не абсолютную силу), то преимущество будет у А: ведь он легче в 3,37
5 раза.
Величина механической работы пропорциональна одновременно силе (т. е. физиологическом
у
поперечнику
h
2
) и пути действия силы (
h
). Поэтому она пропорциональна линейным размерам
тела в третьей степени (
h
3
).
Высота подъема ОЦМ тела при прыжке вверх (высота прыжка) прямо пропорциональна той
максимальной работе, которую мышцы могут совершить при отталкивании (
h
3
) и обратно
пропорциональна весу тела (
h
-3
). В результате высота прыжка не зависит от размеров тела, а
высота планки, которую может преодолеть спортсмен, зависит.
При оценке максимальных показателей мощности людей разных тотальных размеров тела над
о
учитывать, что время выполнения движения (например, одного шага или выпрямления ноги
при
отталкивании или даже время дыхательного или сердечного цикла) при прочих равных усло
виях
зависит от размеров тела. Это выводится из второго закона Ньютона
(F=ma).
Рассмотрим,
например, шаг при ходьбе. Длина шага (
l
)
,
очевидно, пропорциональна линейным размерам тела
(
h
); средняя скорость ноги
l
/
t,
где
t
– время одного шага; ускорение (
а
) пропорционально
l
/
t
2
.
Подставляя это в формулу второго закона Ньютона, получим:
F=ml/t
2
.
Поскольку мышечная сила пропорциональна
h
2
, вес тела
h
3
,
а длина шага
h
, имеет место
следующая пропорциональность:
h
2
»
h
3

h
/
t
2
.
Отсюда следует, что
t
2
»
h
2
и
t
»
h,
т. е. с увеличением линейных размеров тела время отдельных
движений увеличивается. Следствием этого является то, что максимальная мощность (т. е
. работа,
деленная на время) пропорциональна
h
3
/
h
=
h
2
.
Максимальная частота движений обратно
пропорциональна времени выполнения движений, и, следовательно, максимальная частота »

h
-1
.
Поскольку максимальная скорость бега равна произведению длины и частоты шагов, то она
пропорциональна
h h
-1
=
h
0
= 1, т. е. не зависит от размеров тела.
Другие показатели, характеризующие двигательные возможности человека, могут быть
проанализированы подобным образом (табл.1).
Таблица 1
Теоретически предсказанные изменения двигательных возможностей и некоторых
морфофункциоиальных показателей человека при увеличении тотальных размеров тела
(h)
Показатель
Пропорционален
Абсолютная сила
h
2
Относительная сила
h
-1
Механическая мощность
h
2
Частота движений
h
-1
Высота прыжка
h
0
Скорость бега
h
0
Стартовое ускорение
h
-1
Жизненная емкость легких
h
3
Максимальная легочная вентиляция
h
2
Максимальное потребление кислорода
h
2
Систолический объем крови
h
3
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 33 из 37
10.05.2012 18:30
Часто за основу такого анализа берут не линейные размеры, а вес тела, который сам
пропорционален кубу этих размеров. Тогда, например, для мышечной силы можно записать:

F = k
w
-2/3
,
где
F –
максимальная сила действия, которую может проявить спортсмен,
w –
его вес,
k–
параметр, характеризующий подготовленность спортсмена.
Разумеется, подобного рода уравнения и зависимости типа приведенных в табл. 1 не могу
т быть
идеально точными. Ведь они очень многое не учитывают. Например, люди больших тотальны
х
размеров геометрически не вполне подобны людям маленького роста и веса (скажем, если
один
человек тяжелее другого в 2 раза, вес его головы или кистей не обязательно будет в 2
раза больше).
Не учтены физиологические различия этих людей (скажем, различная активность гипофиза,
что,
возможно, и было одной из причин больших различий в размерах тела), а также психологи
ческие
факторы (замечено, что дети, отличающиеся по тотальным размерам от своих сверстников,
меньше
участвуют в играх и, следовательно, имеют меньше возможностей для развития моторики).
Тем не
менее многочисленные проверки показали, что данные, приведенные в табл. 1, в принципе
справедливы.
Пропорции и конституциональные особенности тела, как и тотальные размеры, влияют на в
ыбор
вида спорта, узкой специализации в рамках данного вида, используемого варианта спорти
вной
техники, а также тактики действий на соревнованиях (например, в единоборствах).
Так, техника подъема штанги различна у тяжелоатлетов одной и той же весовой категории
и
примерно с одной и той же длиной тела, но разными пропорциями (длинные ноги–короткое
туловище или короткие ноги–длинное туловище и т. п.). В борьбе спортсмены более низко
го роста
(по сравнению со своим противником) не показывают высокой результативности, применяя,
скажем, такие приемы, как броски прогибом; броски через спину и подхватом в этом случ
ае, как
правило, более эффективны.
У спортсменов высокого класса даже отдельные мелкие особенности телосложения могут им
еть
значение. Например, у тяжелоатлетов длинная кисть позволяет захватить штангу при рывк
е всеми
пальцами; при короткой кисти захват выполняется лишь тремя пальцами, что снижает его
силу.
Поэтому у большинства рекордсменов мира в рывке длина кистей выше средних размеров.
В практической работе тренеры должны учитывать неодинаковые двигательные возможности
людей с различным строением тела.
Онтогенез моторики
Онтогенезом моторики называется изменение движений и двигательных возможностей челове
ка
на протяжении его жизни. Новорожденный – существо, не владеющее даже простейшими
произведи» .ыми движениями. С возрастом его двигательные возможности расширяются,
достигают расцвета в молодости и постепенно снижаются к старости.
Роль созревания и научения в онтогенезе моторики
Два основных фактора определяют развитие моторики – созревание и научение.
Созреванием
называются наследственно обусловленные изменения анатомического строения и
физиологических функций организма, происходящие в течение жизни человека: увеличение
размеров и изменение формы тела ребенка в процессе его роста, изменения, связанные с
половым
созреванием, старением и др. В раннем детстве громадное значение имеет дозревание нер
вно-
мышечного аппарата (в частности, коры больших полушарий головного мозга, которая к мо
менту
рождения еще не сформировалась). В основных чертах двигательный аппарат ребенка
формируется лишь к 2—2,5 годам.
Под
научением
понимают освоение новых движений или совершенствование в них под влиянием
специальной практики, обучения или тренировки.
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 34 из 37
10.05.2012 18:30
Не всегда легко определить, что лежит в основе того или иного изменения двигательных
показателей – созревание или научение, особенно в младенческом и преддошкольном возра
сте (до
3 лет). Например, почему младенец начинает сам сидеть, стоять, ходить? Потому, что он
научился
этому или вследствие того, что его нервная система и мышечный аппарат настолько созре
ли, что
он оказывается в состоянии это сделать без обучения и поэтому обучать его подобным дв
ижениям
вовсе не надо?
Подобные вопросы часто исследуют на идентичных близницах: одного из них обучают, а др
угого
нет. Оказывается, есть такие позы и движения (сидение, стояние, ходьба, произвольное
мочеиспускание и др.), специальное обучение которым в младенческом возрасте практичес
ки не
ускоряет овладения ими. Приходит время, и дети, не подвергавшиеся специальной трениро
вке,
догоняют своих братьев и сестер. Такого рода факты привели некоторых западных ученых
к мысли
о том, что главное в онтогенезе моторики в раннем детском возрасте – созревание. Они
предполагали, что все основные движения наследуются ребенком от родителей и проявляют
ся
вовне по мере того, как созревает его нервная система и двигательный аппарат.
Эта теория является неправильной. Также неправильна и противоположная точка зрения, с
огласно
которой ребенка в любом возрасте можно научить чему угодно, лишь бы была соответствую
щая
методика обучения. Исследователи, стоящие на этой точке зрения, вовсе отрицают роль
созревания.
В действительности же научение эффективно лишь тогда, когда достигнута необходимая ст
епень
анатомо-физиологической зрелости организма, и вовсе без обучения (хотя бы в виде возм
ожности
наблюдать правильный образец) овладение новыми движениями невозможно. Это доказываетс
я, в
частности, тем, что дети, выключенные из человеческого общества, не овладевают типичн
ыми для
человека движениями, например прямохождением.
Таким образом, онтогенез моторики определяется взаимодействием созревания и научения.
При
попытках, в частности, раздельного обучения близнецов было показано, что сроки овладе
ния
некоторыми движениями (например, начало ходьбы) не изменялись под влиянием обучения и
помощи; другие движения осваивались намного быстрее обычного (например, можно обучить
ребенка катанию на роликовых коньках одновременно с началом ходьбы, а обучить плавать
даже
раньше, чем ходить). Однако иногда чрезмерно раннее обучение мешает овладению движени
ем.
Например, годовалые дети, ежедневно обучавшиеся в течение полугода езде на трехколесн
ом
велосипеде, хуже ездили на нем впоследствии из-за неправильных навыков и потери интер
еса, чем
дети, которые впервые сели на велосипед в более позднем возрасте.
Созревание у детей проявляется, в частности, в их росте, т. е. увеличении тотальных р
азмеров и
изменении пропорций тела. Увеличение тотальных размеров по-разному влияет на двигател
ьные
показатели. Одни из них (например, скорость бега, высота прыжка) не зависят от размер
ов тела,
другие (например, относительная сила, величина МПК, приходящаяся на 1 кг веса тела, и
зависящая от нее критическая скорость) снижаются с увеличением тотальных размеров.
Увеличение размеров тела у детей в процессе роста тоже должно было бы приводить к так
им
изменениям. Однако здесь картина более сложная. Если говорить, например, об относител
ьной
силе, то созревание ребенка выражающееся, в частности, в его росте, должно приводить
к
снижению относительной силы. Но в процессе созревания происходят такие анатомо-
физиологические перестройки в организме, которые вызывают увеличение силовых
возможностей. В результате нередко относительная сила у детей длительное время не изм
еняется,
т. е. абсолютные силовые показатели растут в той же мере, что и собственный вес ребен
ка (если,
конечно, он не занимается специально силовыми упражнениями). Поэтому юные гимнасты пр
и
соответствующем уровне подготовки могут поднимать свое тело так же успешно, как и взр
ослые
спортсмены. Совершенно аналогичная картина наблюдается и в отношении других показател
ей,
которые изменяются пропорционально квадрату линейных размеров тела (
h
2
, где
h
– линейный
размер тела, например длина тела). У детей школьного возраста такие показатели изменя
ются
мало.
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 35 из 37
10.05.2012 18:30
У детей одного возраста, но с разными размерами тела зависимость спортивных результат
ов от
длины тела, в принципе, такая же, как и у взрослых. Например, максимальная скорость б
ега не
зависит от тотальных размеров. Однако есть и существенное различие. Большая длина тел
а
нередко свидетельствует о более раннем созревании, в частности о наступлении полового
созревания, что сопровождается очень большими перестройками в организме. Поэтому в 14
лет у
мальчиков (возраст полового созревания) отмечается положительная зависимость между дл
иной
тела и максимальной скоростью бега. В 11 и 18 лет такой зависимости нет. Если же срав
нивать
детей разного возраста, но имеющих одинаковую длину тела, то старшие бегут быстрее, ч
то,
конечно, совершенно, естественно.
Рост связан с изменением пропорций тела. Это также влияет на показатели моторики. Нап
ример,
при одной и той же длине тела дети более старшего возраста делают при беге шаги больш
ей
длины. Частично это объясняется тем, что у них в среднем более длинные ноги.
Двигательный возраст
Если измерить результаты в каких-либо двигательных заданиях большой группы детей одно
го
возраста, то можно определить средние достижения, которые они показывают. Зная затем
результаты отдельного ребенка, можно установить, какому возрасту в среднем соответств
ует
данный результат. Таким образом определяют двигательный возраст детей.
Конечно, не все дети одного и того же возраста показывают одинаковые результаты. Дете
й, у
которых двигательный возраст опережает календарный, называют
двигательными акселерантами
.
Детей, у которых двигательное развитие отстает, называют
двигательными ретардантами
.
Например, если подросток в возрасте 14 лет и 2 месяца прыгает в длину с места на 170
см, он
двигательный ретардант (в этом упражнении), а если его результат более 210 см,– двига
тельный
акселерант.
Акселеранты в одних двигательных заданиях могут быть ретардантами в других. Полные
акселеранты или ретарданты встречаются редко.
Методы математической статистики позволяют точно определить, какой процент людей в
состоянии показать тот или иной результат. Подобного рода данные используют при отбор
е
талантливых в спортивном отношении детей.
Если ребенок почему-либо попадает в неблагоприятные условия (болезнь, недостаточное п
итание
и т. п.), то темпы развития моторики у него замедляются. Однако после устранения этих
вредных
влияний, если они не были чрезмерными, его двигательные возможности развиваются
ускоренными темпами, так что он возвращается, как говорят в данном случае, в свой кан
ал
развития. Подобное свойство живых организмов (оно касается не только движений, но и д
ругих
показателей) называют
катализированием
или
гомеорезом
.
Прогноз развития моторики
При начальном выборе спортивной специализации, отборе в ДЮСШ и некоторые специальные
школы (балетную, цирковую и др.) встает задача прогноза двигательной одаренности. Как
порекомендовать ребенку именно тот вид спорта, в котором он сможет добиться наибольши
х
успехов, как выявить наиболее одаренных? Для ответа на эти вопросы проводят научные
исследования в двух основных направлениях:
а) изучение стабильности показателей моторики,
б) изучение наследственных влияний.
При изучении стабильности показателей моторики измеряют, например, у 7-летних детей с
корость
бега, силу, выносливость и другие
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 36 из 37
10.05.2012 18:30

[1]
В биомеханике приземлением называется момент касания опоры, а не последующие действи
я
(амортизация).
Лекции по биомеханике
http://dvfu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
Стр. 37 из 37
10.05.2012 18:30

Приложенные файлы

  • pdf 8840622
    Размер файла: 521 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий