Биомеханика спорта

ОГЛАВЛЕНИЕ


1.МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЩЕГО ЦЕНТРА ТЯЖЕСТИ

. КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИЖЕНИЯ

. СИЛА И МОМЕНТ СИЛЫ

.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛОЖЕНИЕ СПОРТСМЕНА В ПРОСТРАНСТВЕ

. БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ОБУЧЕНИЯ ДВИГАТЕЛЬНЫМ ДЕЙСТВИЯМ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ


.МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЩЕГО ЦЕНТРА ТЯЖЕСТИ


Описывать положение тела человека можно разными способами.

Место тела характеризует, в какой части пространства (где именно - например, в какой части стадиона, комнаты) находится в данный момент человек. Чтобы определить место тела, достаточно указать три координаты какой-либо точки тела в неподвижной системе координат. В качестве такой точки обычно удобно выбирать общий центр масс тела (ОЦМ), связывая с ним начало другой, подвижной системы координат, оси которой ориентированы так же, как и оси неподвижной системы.

Ориентация тела характеризует его поворот относительно неподвижной системы координат (вверх головой, вниз головой, горизонтально и т. п.). Поза тела характеризует взаимное расположение звеньев тела относительно друг друга. Определение места тела обычно не связано с большими трудностями. Определение ориентации тела - задача гораздо более трудная, особенно при сложных позах. Объясняется это тем, что с точки зрения механики тело человека является телом переменной конфигурации (В. Т. Назаров, 1974). Для таких тел понятие об их ориентации в пространстве не является строгим.

Основные плоскости тела ориентируются в системе трех взаимно перпендикулярных осей: вертикальной и двух горизонтальных - поперечной и глубинной, или передне-задней. Вертикальная плоскость, проходящая через переднюю срединную и позвоночную линии, а также всякая плоскость, параллельная ей, называются сагиттальными. Они разделяют тело на правую и левую части. Вертикальная плоскость, проходящая перпендикулярно к сагиттальной, а также всякая плоскость, параллельная ей, называются фронтальными. Они разделяют тело на переднюю и заднюю части.

Горизонтальные плоскости проходят перпендикулярно по отношению к этим двум плоскостям и называются трансверсальными (поперечными). Они разделяют тело на верхнюю и нижнюю части. К сожалению, основные анатомические плоскости и оси мало пригодны для описания многих движений человека. Проблема здесь состоит в том, что с телом человека надо каким-то образом связать систему координат так, чтобы изменение ориентации этой системы отражало изменение ориентации тела.

М. С. Лукин (1964) предложил с этой целью определять продольную ось тела следующим образом. Тело человека (в стойке руки вверх) делится горизонтальной плоскостью на две равные по весу половины. Линия, соединяющая центры масс верхней и нижней половины тела (и проходящая через ОЦМ), образует продольную ось тела (OY). Другие две оси (ОХ и OZ) должны быть перпендикулярны ей и начинаться в ОЦМ. Передне-заднюю ось направляют параллельно плоскости симметрии таза, а поперечную- перпендикулярно ей.

В качестве начала систем координат, связанных с телом, не всегда удобно брать центр масс тела: его положение довольно трудно определить, при изменении позы ОЦМ смещается и может даже выйти за пределы тела. Поэтому в качестве фиксированных антропометрических ориентиров, с которыми удобно связывать начало системы координат, разными авторами предлагались:

а) выход крестцового канала (между крестцовыми рогами), который легко пальпируется. Так как крестец является жестким образованием, система координат, начинающаяся в этой точке, хорошо ориентируется: вертикальная ось OY направлена вверх по крестцу, фронтальная ОХ - влево, сагиттальная ось OZ - вперед (Panjabietal., 1974);

б)вершина остистого отростка пятого поясничного позвонка (А. Н. Лапутин, 1976)-точка, весьма близко расположенная к центру масс тела человека, стоящего в обычной стойке [6].

Для определения ориентации тела с ним надо связать две системы координат, имеющих начало в одной точке. Оси одной из них остаются параллельными неподвижной системе координат (по отношению к которой определяется место тела); оси второй - связаны с телом. Ориентацию тела в этом случае характеризуют три Эйлеровых угла, с помощью которой можно перейти от одной системы координат к другой.


Рис 1. Основные плоскости и оси человеческого тела


Инерционные характеристики раскрывают, каковы особенности тела человека и движимых им тел в их взаимодействиях. От инерционных характеристик зависит сохранение и изменение скорости. Это масса, момент инерции, обычно непосредственно не регистрируются. Определяются данные, по которым рассчитывают эти характеристики.

Масса тела (т) определяется взвешиванием. Зная по весу тела его силу тяжести (G) и ускорение свободного падения тела (g), G определяют массу: т =G/g [2].

Распределение масс в теле в известной мере характеризуется положением его общего центра тяжести (ОЦТ). Применяют опытное (экспериментальное) определение положения ОЦТ и расчетное.

Один из наиболее точных опытных методов - взвешивание человека на треугольной платформе (рис.2) в заданной позе.

Рис. 2. Определение положения ОЦТ тела человека взвешиванием на платформе (по Г. Хохмуту)


Необходимую позу устанавливают двумя способами. При первом способе позу срисовывают с кинокадра, увеличивая ее до натурального размера. На этот рисунок, находящийся на платформе, ложится испытуемый, принимая позу, соответствующую нанесенному контуру. При втором способе на кинокадре измеряют углы в крупных суставах тела (плечевые, локтевые, тазобедренные, коленные, голеностопные) и, используя угломеры, придают испытуемому на платформе требуемую позу.

Опытное определение выполняют и на моделях. Модель Абалакова - фигурка человека, построенная с соблюдением средних про порций тела (в 0,1 размера тела и 0,001 веса) Фигурка укладывается в заданной позе на лист бумаги с контурами позы (рис. 3, а) Лист с моделью передвигают по свободно качающейся на опоре О платформе, пока ОЦТ модели не совпадет с точкой подвеса платформы Нажимом снизу на иглу в центре платформы прокалывают лист бумаги в точке расположения ОЦТ.

Можно также применить шарнирную модель О. Фишера, которая позволяет определить положение ОЦТ в передне-задней плоскости (рис 3, б )

Масса - это мера инертности тела при поступательном движении. Она измеряется отношением приложенной силы к вызываемому ею ускорению: m=F/a ; [m]= M

Измерение массы здесь основано на втором законе Ньютона: Изменение движения пропорционально извне действующей силе и происходит по тому направлению, по которому эта сила приложена.

Масса тела характеризует, как именно приложенная сила может изменить движение тела. Одна и та же сила вызовет большее ускорение у тела с меньшей массой, чем у тела с большей массой.

Масса тела человека во время движения не изменяется. Так как она служит мерой инерции, то не следует говорить: «набрать инерцию», «погасить инерцию». Увеличивают и уменьшают не массу (как меру инерции), а кинетическую энергию (зависящую от скорости тела).

Для анализа движений часто приходится учитывать не только величину массы, но и ее распределение в теле. В известной степени это указывает на местоположение центра масс тела. Эта точка совпадает с центром тяжести тогоже тела (центр масс совпадает с центром инерции как точкой приложения параллельных сил инерции всех точек тела).


Рис. 3. Определение положения ОЦТ тела человека: а - по модели В. М. Абалакова, б - по модели О. Фишера


Момент инерции - это мера инертности тела при вращательном движении. Момент инерции тела равен отношению момента силы относительно данной оси к вызываемому им угловому ускорению:


I=Mz(F)/?=?mr2; [I]= ML2

Момент инерции тела относительно данной оси численно равен сумме произведений масс всех его частиц и квадратов расстояний каждой частицы до этой оси.

Отсюда видно, что момент инерции тела больше, когда его частицы дальше от оси вращения. В таком случае тот же момент силы Mz (F) вызовет меньшее угловое ускорение (?). Инерционное сопротивление быстро увеличивается с отдалением частей тела от оси вращения [2].

Обратим внимание на то, что основное уравнение динамики в принципе одинаково для поступательного и вращательного движения. В левой его части причина изменения движения - сила (F) или момент силы Мг (F); в правой части сначала мера инертности- масса (т) или момент инерции (I), и далее мера изменения скорости-ускорение линейное (а) или угловое (?).

Поступательное движение Вращательное движение


F=ma

Mz(F) = I ?

Fr = mR2 ?


Заметим также, что действие силы во вращательном движении зависит от того, как далеко проходит линия ее действия от оси вращения (r). Инертное сопротивление в этом случае зависит также от того, как частицы тела (их массы) распределены относительно оси вращения (R).

Величина R называется радиусом инерции. Она показывает, насколько удалены массы от оси вращения. Если расположить все частицы тела на одинаковом расстоянии от оси, получится полый цилиндр. Радиус такого цилиндра, момент инерции которого равен моменту инерции изучаемого тела, и есть радиус инерции (R). Он позволяет сравнивать различные распределения массы тела относительно разных осей вращения [5].

Понятие о моменте инерции очень важно для понимания движений, хотя точное количественное определение этой величины в конкретных случаях пока затруднено.

Тело человека - это система подвижно соединенных звеньев. На каждое звено тела человека действует сила тяжести звена, направленная вертикально вниз. Если силы тяжести звеньев обозначить соответственно G1, G2, ... Gn, то равнодействующая этих параллельных сил Gтела и модуль (величина) этой силы, равна:


Gтела = G1 + G2 + ... + Gn = .


При любом повороте тела силы остаются приложенными в одних и тех же точках звеньев и сохраняют свое вертикальное направление, оставаясь параллельными друг другу. Следовательно, и равнодействующая сил тяжести звеньев тела будет при любых положениях тела проходить через одну и ту же точку тела, неминуемо с ним связанную, являющуюся центром параллельных сил тяжести звеньев.

Точка, через которую проходит линия действия равнодействующей элементарных сил тяжести при любом повороте тела в пространстве, являясь центром параллельных сил тяжести, называется общим центром тяжести (ОЦТ) твердого тела.

Так как тело человека не является неизменным твердым телом, а представляет собой систему подвижных звеньев, то положение ОЦТ будет определяться главным образом позой тела человека (т.е. взаимным относительным положением звеньев тела) и изменяться с изменением позы.

Знание положения ОЦТ человека важно для биомеханического анализа и для решения многих самостоятельных задач механики спортивных движений. Часто по движению ОЦТ мы судим о движении человека в целом, как бы оцениваем результат движения. По характеристикам движения ОЦТ (траектории, скорости, ускорению) можно судить о технике выполнения движения.

Степень напряжения тех или иных мышечных групп в статическом положении зависит от распределения массы тела (от конструкционных особенностей), и этим определяются двигательные возможности человека.

Говоря об ОЦТ тела человека, следует иметь в виду не геометрическую точку, а некоторую область пространства, в которой эта точка перемещается. Это перемещение обусловлено процессами дыхания, кровообращения, пищеварения, мышечного тонуса и т.д., т.е. процессами, приводящими к постоянному смещению ОЦТ тела человека. Ориентировочно можно считать, что диаметр сферы, внутри которой происходит перемещение ОЦТ, в спокойном состоянии, составляет 10-20 мм. В процессе движения смещение ОЦТ может значительно увеличиваться и этим оказывать влияние на технику выполнения упражнений.

На каждое звено и на все тело человека постоянно действуют силы тяжести, вызванные притяжением и вращением Земли.

Когда тело покоится на опоре (или подвешено), сила тяжести, приложенная к телу, прижимает его к опоре (или отрывает от подвеса). Это действие тела на опору (верхнюю или нижнюю) измеряется весом тела.

Вес тела (статический) - это мера его воздействия в покое на покоящуюся же опору (подвес), препятствующую его падению. Он равен произведению массы тела m на ускорение свободного падения g.

= m×g ; [P] - H (ньютон)


Значит, сила тяжести и вес тела - не одна и та же сила. Вес тела человека приложен к опоре, а сила тяжести приложена к телу человека (центру тяжести).

Опытным путем (О. Фишер, Н.А. Бернштейн) были определены средние данные о весе звеньев тела и положении их центров тяжести. Если принять вес тела за 100%, то вес каждого звена может быть выражен в относительных единицах (%). При выполнении расчетов не обязательно знать ни вес всего тела, ни каждого его звена в абсолютных единицах.

Центры тяжести звеньев определены или по анатомическим ориентирам (голова, кисть), или по относительному расстоянию ЦТ от проксимального сустава (радиус центра тяжести - часть всей длины конечностей), или по пропорции (туловище, стопа).

При учебных расчетах принято считать относительный вес головы равным 7% веса всего тела, туловища - 43%, плеча - 3%, предплечья - 2%, кисти - 1%, бедра - 12%, голени - 5%, стопы - 2%.

Центр тяжести звена определяют по расстоянию от него до оси проксимального сустава - по радиусу центра тяжести. Его выражают относительно длины всего звена, принятой за единицу, считая от проксимального сочленения. Для бедра он составляет приближенно 0,44; для голени - 0,42; для плеча - 0,47; для предплечья - 0,42; для туловища - 0,44 (отмеряют расстояние от поперечной оси плечевых суставов до оси тазобедренных суставов). Центр тяжести головы расположен в области турецкого седла клиновидной кости (проекция спереди на поверхность головы - между бровями, сбоку - на 3-3,5 см выше наружного слухового прохода). Центр тяжести кисти расположен в области головки третьей пястной кости, центр тяжести стопы - на прямой, соединяющей пяточный бугор пяточной кости с концом второго пальца, на расстоянии 0,44 от первой точки (рис. 4, а).

Зная вес звеньев и радиусы центров их тяжести, можно приближенно определить положение ОЦТ всего тела [3].

Общий центр тяжести всего тела - это воображаемая точка, к которой приложена равнодействующая сил тяжести всех звеньев тела. При основной стойке он расположен в области малого таза, впереди крестца (по М.Ф. Иваницкому). Положение ОЦТ тела надо знать при определении равновесия человека на опоре (или в подвесе), в водной среде, в покое, а также под воздействием потока воздуха или воды. Для определения условий равновесия тела при покое или движении в среде важно узнать положение двух точек: центра объема и центра поверхности тела.

Центр объема (ЦО) тела человека- это точка приложения выталкивающей силы при полном погружении тела в воду. Он совпадает с центром тяжести вытесненной воды в форме погруженного тела. Так как плотность тела человека неодинакова, ЦО обычно на несколько сантиметров ближе к голове (при выпрямленном положении тела), чем ОЦТ. Значит, погруженное в воду тело человека в выпрямленном положении будет поворачиваться вокруг поперечной оси ногами вниз.

Центр поверхности (ЦП) тела человека - это при данной позе тела и его ориентации относительно потока (воды или воздуха) точка приложения равнодействующей напора среды. Сила действия среды, будучи расположена по ту или иную сторону от ОЦТ человека, обусловливает соответствующий поворот тела.

Момент инерции звена тела дает представление о величине массы звена и ее распределении относительно заданной оси. Эта общая характеристика не отражает, насколько она зависит от величины масс и насколько от распределения материальных частиц относительно заданной оси. Момент инерции служит лишь мерой инертности. Относительно разных осей момент инерции звена различен. Обычно нужно знать момент инерции звена относительно поперечной оси проксимального сустава. Момент инерции для неоднородных тел, не имеющих правильной геометрической формы, определяют только опытным путем. Приближенно моменты инерции длинных звеньев конечностей равны 0,3 ml2 (где т - масса звена и l - длина звена). Радиусы инерции относительно поперечной оси проксимального сустава приближенно равны для плеча 0,55, для предплечья - 0,50, для бедра - 0,53 и для голени - 0,50 всей длины звена. Радиусы инерции существенно больше радиусов центров тяжести, поэтому при расчетах нельзя считать их равными.

Момент инерции тела человека относительно заданной оси определяется как сумма моментов инерции всех звеньев тела относительно той же оси. Наименьший момент инерции выпрямленного тела человека - момент инерции относительно продольной оси тела, проходящей через его ОЦТ (рис. 4, б). Направленное изменение момента инерции широко используется при управлении вращательными движениями тела.


Рис. 4. Геометрия масс тела человека: а - центры тяжести и относительные веса звеньев (по О. Фишеру и Н. А. Бернштейну); б - моменты инерции тела относительно разных осей


2.Кинематические характеристики движения


Из определения механического движения как изменения взаимного расположения тел в пространстве следует, что для постановки и решения задач кинематики и динамики тела на математическом языке необходимо задать систему отсчета - совокупность системы координат и часов, связанных с некоторым телом отсчета. Кроме того, при решении физических задач используются модели движущегося реального тела. Материальная точка (МТ) - модель такого объекта, который можно рассматривать как точку, имеющую массу, но размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь [3].

Положение МТ в пространственной системе отсчета задается радиус-вектором - вектором, проведенным из начала координат в данную точку А. При движении МТ ее радиус-вектор меняется. Линия в пространстве, по которой перемещается конец радиуса вектора МТ, называется траекторией. Функция , выражающая изменение радиус-вектора во времени, называется законом или кинематическим уравнением движения. Закон движения можно записать как в векторной, так и в координатной форме


или (1)


Знание закона движения МТ позволяет определить вектор перемещения , пройденный путь, уравнение траектории, радиус кривизны траектории скорость, ускорение и другие характеристики движения.

В частности, скорость движения МТ - величина, определяющая быстроту изменения координат МТ, может быть представлена в виде векторной и координатных функций от времени по аналогии с соотношениями (1)


(2)


Ускорение движения МТ - величина, определяющая быстроту изменения скорости движения МТ, может быть задано функциями


(3)


Например, закон прямолинейного равноускоренного движения вдоль оси Oх из точки х0 с начальной скоростью ?0х имеет вид


. (4)


После дифференцирования этой формулы по времени получается формула для расчета проекции скорости


. (5)


При движении МТ по окружности с центром в начале координат ее радиус-вектор меняется только по направлению, а скорость может меняться и по величине и по направлению. Обычно движение МТ по окружности удобнее задавать в полярных координатах (рис. 1). В этом случае положение точки А определяется ее полярным радиусом r (модулем радиус-вектора) и величиной полярного угла j. Изменение полярного угла в процессе вращательного движения МТ определяют как угловой путь



, (6)


пройденный МТ от начального полярного угла j0.

Угловая скорость вращательного движения МТ - величина, определяющая быстроту изменения полярного угла, равна


. (7)


Угловое ускорение вращательного движения МТ - величина, определяющая быстроту изменения угловой скорости, равная


. (8)


Эти характеристики вращательного движения МТ имеют смысл, аналогичный смыслу соответствующих характеристик поступательного движения

и .


При движении МТ по окружности радиусом r между скоростью и угловой скоростью имеется взаимосвязь


. (9)


Вектор ускорения МТ можно представить как сумму двух составляющих


,


где (10)


тангенциальное ускорение, направленное по касательной к траектории и совпадающее по направлению со скоростью, которое характеризует изменение скорости по абсолютной величине, а


(11)


нормальное ускорение, определяющее изменение скорости по направлению, которое направлено к оси вращения перпендикулярно к вектору скорости.



Абсолютно твердое тело (АТТ) - модель реального тела, деформациями которого в условиях данной задачи можно пренебречь. АТТ рассматривается как система жестко закрепленных материальных точек в задачах механики объектов, которые нельзя рассматривать как МТ. Движение АТТ является сложным. Его можно разложить на два основных вида движения - поступательное и вращательное [7].

Система отсчета, в которой центр масс покоится, называется системой центра масс. Центр масс АТТ движется так, как двигалась бы под действием приложенных к телу внешних сил материальная точка с массой, равной сумме масс всех МТ, из которых состоит тело.

Поступательным движением АТТ называется такое движение, при котором прямая, проведенная через любые две точки тела, остается параллельной самой себе (рис. 2). Для описания поступательного движения АТТ достаточно определить движение одной из точек тела. Такой точкой может являться центр масс (центр инерции) тела. Если АТТ представить как систему материальных точек с массами mi, то радиус-вектор центра масс находят по формуле


, (12)


где - радиус-векторы соответствующих МТ.


При вращательном движении АТТ относительно оси все точки тела движутся по окружностям, центры которых лежат на прямой, называемой осью вращения (рис. 3). Для описания вращательного движения нужно задать положение оси вращения в выбранной системе отсчета и определить угловую скорость вращения тела. Сложное движение АТТ можно представить как вращение с угловой скоростью в подвижной системе отсчета, которая поступательно перемещается со скоростью центра масс относительно неподвижной системы отсчета. Скорость движения некоторой точки АТТ, радиус-вектор которой в подвижной системе отсчета равен , может быть представлена в неподвижной системе отсчета в виде


. (13)


3.Сила и момент силы


Действия тел друг на друга, создающие ускорения, называют силами. Все силы можно разделить на два основных типа: силы, действующие при непосредственном соприкосновении, и силы, которые действуют независимо от того, соприкасаются тела или нет, т. е. силы, которые могут действовать на расстоянии.

Для того чтобы одно тело могло действовать на другое при непосредственном соприкосновении, первое должно быть в особом состоянии: чтобы рука действовала на мяч, мышцы руки должны быть сокращены; чтобы действовать на пробку игрушечного пистолета, воздух или пружина должны быть сжаты, и т. д. Сжатия, растяжения, изгибы и т. п.- это изменения формы или объема тел по сравнению с их исходным состоянием. Такие изменения называют деформациями и при наличии таких изменений говорят, что тело деформировано. Мышцы, пружины, газ и т. п. должны находиться в деформированном состоянии, чтобы действовать на соприкасающиеся с ними тела с некоторой силой. Эти силы в большинстве случаев действуют только до тех пор, пока тела деформированы, и исчезают вместе с исчезновением деформаций. Такие силы называют упругими. Кроме упругих сил, при непосредственном соприкосновении могут возникать еще и силы трения. Примеры: сила трения между бандажом колеса железнодорожного вагона и прижатой к нему тормозной колодкой; сила трения, действующая на тело, движущееся в вязкой жидкости («сопротивление среды») [3].

Для сил, действующих на расстоянии, нет такой простой картины взаимодействия тел, как для упругих сил. Важнейший пример сил, действующих на расстоянии,- силы всемирного тяготения и, как частный случай, сила тяжести (сила земного притяжения). Падение тела, т. е. наличие ускорения, направленного вниз, у тела, поднятого над Землей и предоставленного самому себе, показывает, что со стороны Земли на него действует сила, хотя во время падения тело и не соприкасается с Землей.


Рис. 3.1. Магнит действует на другой магнит, находящийся от него на некотором расстоянии.

Силы всемирного тяготения, действующие между предметами нашей обыденной жизни, ничтожны по сравнению с остальными силами, действующими между ними. Например, резиновая нить длиной в 1 м и поперечником в 1 мм, растянутая всего лишь на 1 мм, действует с силой упругости, в миллионы раз превосходящей силу взаимного тяготения между двумя килограммовыми гирями, стоящими на расстоянии 1 м друг от друга. Но если одно (или оба) из притягивающих тел - это огромное небесное тело, силы всемирного тяготения также делаются огромными. Так, Земля притягивает килограммовую гирю в 1011 раз сильнее, чем притягиваются гири в приведенном примере, а Солнце притягивает Землю в 4*1021 раз сильнее, чем Земля притягивает гирю.

Кроме сил тяготения, на расстоянии действуют также магнитные и электрические силы. Если к магниту, плавающему в воде на поплавке, приблизить другой магнит так, чтобы они не соприкасались друг с другом, то магнит на поплавке приобретет ускорение и либо начнет приближаться ко второму магниту, либо оттолкнется от него, в зависимости от взаимного расположения их полюсов (рис. 3.1.). Электрически заряженные тела, находясь на расстоянии друг от друга, притягиваются или отталкиваются в зависимости от того, разноименны или одноименны их заряды.

О покое тела и о движении по инерции. Если на тело действует только одна сила, то оно обязательно получает ускорение. Но если на тело действует не одна, а две или большее число сил, то иногда может оказаться, что тело ускорения не получит, т. е. либо останется в покое, либо будет двигаться равномерно и прямолинейно. В таких случаях говорят, что все силы взаимно уравновешиваются и что каждая из них уравновешивает все остальные, или что их равнодействующая равна нулю.

Простейшим является случай, когда на тело действуют две уравновешивающие друг друга силы: при их совместном действии тело не получает ускорения. Такие силы, как показывает опыт, действуя на тело каждая в отдельности, сообщили бы ему равные ускорения, направленные противоположно. Действуя совместно на какое-нибудь другое тело, эти силы снова взаимно уравновесились бы, а действуя в отдельности, сообщили бы ему ускорения другой величины, но также равные друг другу и направленные противоположно. Поэтому уравновешивающиеся силы считают равными по величине и противоположными по направлению. Например, на гирю, подвешенную на пружине, действует сила притяжения Земли (вниз) и равная ей сила упругости пружины (вверх), уравновешивающие друг друга.

Итак, если ускорение тела равно нулю, это значит, что либо на него не действуют силы, либо равнодействующая всех сил, действующих на тело, равна нулю: все силы взаимно уравновешиваются [2].

Здесь надо иметь в виду следующее. Среди сил, действующих на равномерно и прямолинейно движущиеся тела, обычно есть силы, действующие в направлении движения, которые мы создаем намеренно, например сила тяги винта самолета, вращаемого мотором, или сила мускулов человека, везущего санки. Часто говорят даже: «самолет летит, так как на него действует сила тяги винта»; «санки скользя, так как на них действует усилие тянущего человека», и т. д.

При этом, однако, часто упускают из виду силы, направленные противоположно движению: сопротивление воздуха для летящего самолета, трение полозьев о лед для санок и т. д. Для равномерности и прямолинейности движения необходимо, чтобы намеренно созданные силы как раз уравновешивали силы сопротивления. Иногда говорят, что тело движется равномерно и прямолинейно, если на него не действуют никакие силы. Мы видим, что правильнее говорить: «тело движется равномерно и прямолинейно, если равнодействующая всех сил, на него действующих, равна нулю». В предыдущих параграфах, говори о движении по инерции или о покое тел, мы рассматривали именно такие случаи; например, при качении шарика по стеклу сила тяжести уравновешивалась упругостью стекла, сила тяжести подвешенного тела уравновешивалась упругостью нити и т. д.

Причина того, что силы сопротивления часто ускользают от внимания обучающегося в противоположность бросающимся в глаза «движущим» силам, заключается в следующем. Чтобы создать силу тяги винта, на самолет нужно поставить мотор, расходовать на него бензин, масло; чтобы двигать санки, нужно тянуть за веревку, утомлять свои мускулы. В то же время силы сопротивления возникают, так сказать, «бесплатно», благодаря лишь наличию движения. Для их возникновения при движении тела не нужно ни моторов, ни мускульных усилий: их источник либо в невидимом воздухе, либо в частицах льда, соприкасающихся с полозьями. Чтобы обратить на эти силы внимание, их нужно еще обнаружить, в то время как «движущие» силы - предмет нашей специальной заботы и затрат усилий и материалов.

До исследований Галилея считалось, что если на тело будет действовать одна сила, то оно будет двигаться равномерно в направлении этой силы; здесь, конечно, упускалась из виду сила трения. Действие силы, направленной вперед, действительно необходимо для равномерности движения, но именно для того, чтобы уравновешивать силу трения.

Тело движется без ускорения как в случае, когда на него не действуют никакие силы, так и в случае, когда действующие силы уравновешивают друг друга. Однако принято говорить, что тело движется «по инерции» только в том случае, если в направлении движения силы отсутствуют: силы, направленной вперед, нет, а силой трения или сопротивления среды можно пренебречь.

Для лучшего уяснения сказанного рассмотрим еще, как возникает равномерное прямолинейное движение из состояния покоя. Возьмем для примера электровоз, везущий поезд. В первый момент, когда мотор включен, но поезд еще не двинулся, сила тяги электровоза, действующая через сцепку на состав, уже велика и превосходит силу трения колес вагонов о рельсы. Поэтому поезд начинает двигаться вперед с ускорением. По мере увеличения скорости силы сопротивления (трение колес и сопротивление воздуха) растут, но, пока они остаются меньше силы тяги, скорость поезда продолжает расти. При дальнейшем увеличении скорости избыток тяги по сравнению с силами сопротивления будет делаться все меньше и меньше, и наконец эти силы сравняются друг с другом. Тогда исчезнет и ускорение: дальнейшее движение будет равномерным. Если увеличить тягу (увеличив ток, проходящий через мотор), то равновесие сил нарушится, и поезд снова получит ускорение вперед. Скорость снова начнет расти, пока возрастающее с увеличением скорости сопротивление не уравновесит новую, увеличенную силу тяги. Обратно, если уменьшить силу тяги, ослабляя ток, проходящий через мотор, то равновесие сил снова нарушится, поезд получит отрицательное ускорение (так как теперь сила сопротивления будет больше тяги электровоза) и будет замедлять свое движение. Но при этом будет уменьшаться и сила сопротивления, и, когда она сравняется с уменьшенной силой тяги, движение снова станет равномерным, но уже при меньшей скорости. Наконец, при выключении тока тяга исчезнет, и скорость поезда будет непрерывно убывать вследствие продолжающегося действия сил сопротивления, пока поезд не остановится.

Наблюдая ускорения, получаемые каким-либо телом под действием различных сил, мы заметим, что ускорения могут оказаться различными как по величине, так и по направлению. Значит, силы можно различать по величине и по направлению: сила есть векторная величина [4].

Для измерения величины силы необходимо, во-первых, выбрать эталон силы и, во-вторых, установить способ сравнения других сил с эталоном, т. е. самый способ измерения сил. За эталон можно выбрать, например, какую-либо упругую силу. Так как упругие силы зависят от величины деформации, за эталон можно принять силу, с которой какая-либо определенная пружина, определенным образом растянутая, действует на тело, прикрепленное к одному из ее концов.

Такой эталон в принципе можно осуществить, например, в виде цилиндрической пружины, снабженной указателем, позволяющим всякий раз устанавливать одно и то же растяжение пружины (рис. 3.2.). За направление силы примем направление оси пружины. Наш эталон определяет, таким образом, как величину, так и направление силы.


Рис. 3.2. Простейший эталон силы - действие пружины, растянутой до метки A


На практике, однако, такой эталон силы неудобен: упругие свойства пружины зависят от температуры, могут изменяться с течением времени и т. п. Поэтому стремятся выбрать эталон таким образом, чтобы изменчивость свойств пружины не могла сказываться. Это можно сделать так. Выберем какую-нибудь пружину и подвесим к ней какую-либо определенную гирю. Гиря начнет опускаться, растягивая пружину, пока та не растянется до определенной длины, после чего растяжение пружины прекратится и гиря остановится: сила тяжести гири окажется уравновешенной силой упругости пружины.

Если бы мы подвесили ту же гирю к другой пружине, то растяжение было бы другим. Но сила, действующая со стороны новой пружины на гирю, будет равна силе, с которой действовала первая пружина, так как в обоих случаях силы упругости пружины уравновешивают силу тяжести той же гири (рис. 3.3.). Таким образом, пользуясь какой-либо определенной выбранной гирей, мы можем установить, как надо растягивать любую пружину для того, чтобы она действовала с определенной силой, т. е. могла служить эталоном силы. Для получения силы, равной эталону, но направленной не по вертикали вверх, а по любому направлению, можно использовать нить, перекинутую через направленной под любым углом к блок, как показано на рис. 3.3. (сила со стороны нити всегда действует вдоль нити). Таким образом, трудную задачу изготовления и сохранения эталонной пружины при определенном растяжении мы заменяем гораздо более простой - изготовлением и сохранением эталонной гири. За образец такой гири-эталона признана платиновая гиря, хранящаяся в Международном бюро мер и весов в Париже и именуемая килограммом. Любая пружина, растянутая подвешенной к ней гирей-эталоном, будет действовать с определенной силой, которую называют килограмм-сила и обозначают кГ.


Рис. 3.3. При подвешивани одной и той же гири к разным пружинам пружины действуют на гирю с одинаковой силой


Рис. 3.4. Получение эталонной силы, направленной под любым углом к вертикали

Наряду с единицей силы 1 кГ, нередко применяют единицу силы в тысячу раз меньшую (грамм-сила, обозначаемая Г) и единицу силы в тысячу раз большую (тонна-сила, обозначаемая Т);

Т = 1000 кГ; 1 кГ = 1000 Г.

Определение, данное нами силе в один килограмм, нуждается в уточнении. Дело в том, что одна и та же гиря вызовет различное растяжение одной и той же пружины в зависимости от того, где именно на поверхности Земли произвести опыт. Однако это различие для разных точек земной поверхности невелико и поэтому мы пока не будем принимать его во внимание.

До последнего времени сила, равная 1 кГ, широко применялась в технике как единица силы. В настоящее время рекомендованной единицей силы как в физике, так и в технике является принятая в системе СИ единица силы, примерно в десять раз меньшая силы в 1 кг.

Силы, действующие при непосредственном соприкосновении, действуют по всей соприкасающейся поверхности тел. Например, молоток, ударяющий по шляпке гвоздя, действует на всю шляпку. Но если площадь соприкосновения тел мала, то можно считать, что сила действует только на одну точку тела. Например, можно считать, что нить, за которую тянут тележку, действует на тележку только в точке, где она привязана к тележке. Эта точка называется точкой приложения силы.

Вначале мы будем рассматривать только такие случаи, когда можно указать точку приложения силы. Такие силы мы будем изображать направленными отрезками, начало которых лежит в точке приложения силы, направление совпадает с направлением силы, а величина изображает в некотором масштабе величину силы. Например, на рис. 3.5. стрелка показывает силу, действующую со стороны веревки на санки [4].

Если на данное тело действует одновременно несколько сил, то их действие на движение тела можно заменить действием одной силы). Такую замену называют сложением сил. Данные силы называют слагающими или составляющими, а заменяющую их силу - их суммой или равнодействующей. Правила сложения сил устанавливаются из опыта. Равнодействующая уравновешивающихся сил, например двух сил, равных по величине и противоположных по направлению, равна нулю.

Заметим, что равнодействующая заменяет действие нескольких сил только по отношению к движению тела в целом: равнодействующая сила сообщит телу то же ускорение, что и все составляющие, действующие на тело одновременно, а сила, уравновешивающая равнодействующую, уравновесит одновременное действие всех составляющих. Но, конечно, равнодействующая не заменит действия составляющих в других отношениях. Достаточно указать такой пример: растянем пружину двумя руками. Силы, действующие на пружину, равны и прямо противоположны, и, значит, их равнодействующая равна нулю: действительно, пружина в целом остается в покое. Однако, если бы на пружину вообще не действовали никакие силы, равнодействующая по-прежнему равнялась бы нулю, но пружина не была бы растянута.

Вместо того, чтобы искать равнодействующую, можно искать силу, уравновешивающую данные силы при их одновременном действии на тело; равнодействующая равна уравновешивающей силе и противоположна ей по направлению.

Основные законы механики - второй и третий законы Ньютона - заключают в себе возможность решения любой механической задачи. В следующих параграфах мы увидим, что применение законов Ньютона к решению задач часто можно облегчить, применяя следующий вывод из второго закона.

Если сила не остается постоянной, то формула применима только для таких малых промежутков времени, за которые сила не успевает еще заметно измениться ни по величине, ни по направлению. При большом изменении силы формулой также можно пользоваться, но в качестве / следует тогда брать среднее значение силы за рассматриваемый промежуток времени.

В случае прямолинейного движения тела формулу можно написать в скалярном виде: mv - mv0 = ft.

В этой формуле, как обычно, разные знаки величин v, v0 и f будут обозначать противоположные направления скоростей и сил.

Итак, для равновесия тела, закрепленного на оси, существенна не сама величина силы, а произведение проекции силы на направление, перпендикулярное к радиусу, проведенному к точке приложения силы, на расстояние этой точки от оси. Это произведение будем называть моментом силы относительно данной оси или просто моментом силы (рис. 3.5.). Моменты разных сил, приложенных к одной точке, равны, если равны проекции этих сил на направление, перпендикулярное к радиусу данной точки.


Рис. 3.5.. Момент силы F paвен произведению ее проекции F\' на расстояние r


Рис. 3.6. Силы F, F1, F2 и F3 имеют одинаковые моменты отноcительно оси О

Условимся считать момент силы положительным, если эта сила, действуя в отдельности, вращала бы тело по часовой стрелке, и отрицательным в противоположном случае (при этом нужно заранее условиться, с какой стороны мы будем смотреть на тело). Например, согласно рис. 3.5., силам F1 и F2 следует приписать положительный момент, а силе F3 - отрицательный.

Моменту силы можно дать еще и другое определение. Момент силы F на рис. 3.6. есть M=rF\'. Опустим перпендикуляр d из точки О на направление силы. Прямоугольные треугольники на чертеже подобны, ибо их соответственные углы равны. Следовательно.


Рис. 3.5. Моменты сил F1 и F2 положительны, момент силы F3 отрицателен.


Рис. 3.6. Момент силы можно выразить через силу и плечо силы, M=Fd.


Следовательно, M=Fd, т. е. момент силы равен произведению силы F на длину перпендикуляра d, опущенного из оси на направление силы.

Длину перпендикуляра, опущенного из оси на направление силы, называют плечом силы. Значит, момент силы равен произведению величины силы на плечо силы. Ясно, что перенесение точки приложения силы вдоль ее направления не меняет ее момента. Если направление силы проходит через ось вращения, то плечо силы равно нулю; следовательно, равен нулю и момент силы этом случае сила не вызывает вращения тела: сила, момент которой относительно данной оси равен нулю, не вызывает вращения вокруг этой оси.

Пользуясь понятием момента силы, мы можем по-новому сформулировать условия равновесия тела, закрепленного на оси и находящегося под действием двух сил. Как мы видели, для равновесия необходимо, чтобы силы стремились вращать тело в противоположных направлениях и чтобы произведения сил на их расстояния до оси были равны. Значит, при равновесии моменты обеих сил должны быть равны по величине и противоположны по знаку. Таким образом, для равновесия тела, закрепленного на оси, алгебраическая сумма моментов действующих на него сил должна быть равна нулю.

Так как момент силы определяется произведением величины силы на плечо, то единицу момента мы получим, взяв силу, равную единице, плечо которой также равно единице. Значит, в системе СИ единицей момента силы является момент силы в 1 н, действующей на плече в 1 м, т. е. 1 н*м, в системе СГС -1 дин*см, в системе МКСС- 1 кГ*м. Если на тело, закрепленное на оси, действует много сил, то, как показывает опыт, условие равновесия остается тем же, что и для случая двух сил: для равновесия тела, закрепленного на оси, алгебраическая сумма моментов всех сил, действующих на тело, должна быть равна нулю.

Можно ввести понятие об уравновешивающем моменте, о равнодействующем моменте и о сложении моментов сил, действующих на тело, закрепленное на оси, подобно тому как были введены понятия об уравновешивающей силе, о равнодействующей силе и о сложении сил. Так, результирующим моментом нескольких моментов, действующих на тело (составляющих моментов), будем называть алгебраическую сумму составляющих моментов. Под действием результирующего момента тело будет двигаться (вращаться вокруг оси) так же, как оно вращалось бы при одновременном действии всех составляющих моментов. В частности, если результирующий момент равен нулю, то тело, закрепленное на оси, либо покоится, либо вращается равномерно.

В технике мы часто встречаемся с вращением тел: вращаются колеса экипажей, валы машин, пароходные винты и т. д. Во всех этих случаях на тела действуют моменты сил. При этом часто нельзя указать какую-либо одну определенную силу, создающую вращающий момент, и ее плечо, так как вращающий момент создается не одной силой, а многими силами, имеющими разные плечи. Например, в электромоторе к виткам мотки якоря приложены на разных расстояниях от оси вращения электромагнитные силы; их совместное действие создает некоторый вращающий момент, который и вызывает вращение якоря и соединенного с ним вала мотора. В подобных случаях нет смысла говорить о силе и плече силы. Значение имеет единственно результирующий момент силы. Поэтому возникает необходимость непосредственного измерения момента силы.


Рис. 3.7. Измерение момента силы, создаваемого электромотором


Для измерения какого-либо момента силы достаточно приложить к телу другой известный момент силы, который уравновешивал бы измеряемый момент. Если достигнуто равновесие значит, оба момента сил равны по противоположны по знаку. Например, чтобы измерить вращающий момент, развиваемый электрическим мотором на шкив мотора А надевают сжатые болтами колодки ВВ так чтобы шкив мог с достаточно сильным трением вращаться под колодками, колодки скреплены с длинным стержнем, к концу которого прикрепляют динамометр. Ось вращения колодок совпадает с осью мотора. При вращении мотора момент сил трения, действующий со стороны шкива на колодки, поворачивает колодки со стержнем на некоторый угол в направлении вращения мотора. При этом динамометр несколько растягивается и на колодки начинает действовать со стороны динамометра противоположный момент, равный произведению силы натяжения динамометра на плечо d. Сила натяжения динамометра равна по величине и противоположна по направлению силе F, действующей со стороны стержня на динамометр. Так как колодки покоятся, то вращающий момент, развиваемый мотором, должен быть равен по величине и противоположен по направлению моменту натяжения динамометра. Итак, при данной скорости мотор развивает момент, равный Fd.

При измерениях очень малых вращающих моментов (например, в чувствительных гальванометрах и других физических измерительных приборах) измеряемый вращающий момент сравнивают с вращающим моментом, действующим со стороны закрученной нити. Измерительную систему, находящуюся под действием вращающего момента, подвешивают на длинной тонкой нити, металлической или из плавленого кварца. Поворачиваясь, измерительная система закручивает нить. Такая деформация вызывает появление сил, стремящихся раскрутить нить и обладающих, следовательно, вращающим моментом. Когда измеряемый момент становится равным по величине моменту закрученной нити, устанавливается равновесие. По углу закручивания при равновесии можно судить о величине вращающего момента нити и, следовательно, о величине измеряемого момента. Связь между величиной вращающего момента нити и углом закручивания определяется путем калибровки прибора.

4. Определение положение спортсмена в программе


Внешние силы - это силы, действующие на тело извне. Под влиянием внешних сил тело или начинает двигаться, если оно находилось в состоянии покоя, или изменяется скорость его движения, или направление движения. Внешние силы в большинстве случаев уравновешены другими силами и их влияние незаметно.

Внешние силы, действуя на твердое тело, вызывают изменения его формы, обуславливаемые перемещением частиц.

Внутренними силами являются силы, действующие между частицами, эти силы оказывают сопротивление изменению формы.

Изменение формы тела под действием силы называют деформацией, а тело, претерпевшее деформацию, называют деформированным.

Равновесие внутренних сил с момента приложения внешней силы нарушается, частицы тела перемещаются одна относительно другой до такого состояния и положения, когда возникающие между ними внутренние силы уравновешивают внешние силы и тело сохраняет приобретенную деформацию.

После удаления внешней силы, если она не превзошла некоторого определенного предела, тело принимает свою первоначальную форму.

Свойство сохранения телом приобретенной деформации после снятия нагрузки называется пластичностью, а деформация - пластической.

При соприкосновении два тела воздействуют друг на друга и деформируются. Недеформированных тел не существует. Всякое тело деформируется при воздействии на него сколько угодно малой силы. Величину внутренних сил характеризует прочность сцепления частиц данного тела.

Тело при движении преодолевает силы сопротивления, величины которых различны, от небольшого торможения до сопротивления, останавливающего движущееся тело. К числу сил сопротивления, кроме внутренних сил, относят сопротивление среды (воздух, вода), силы инерции, силы трения [7].

Действие силы на тело, заключающееся в изменении состояния этого тела, вполне определяется следующими тремя факторами: точкой приложения силы, направлением силы, величиной силы.

Точкой приложения силы называется точка данного тела, на которую сила непосредственно действует, изменяя состояние данного тела.

Под направлением силы понимают то направление движения, которое получит тело под действием этой силы. Линией направления данной силы называется линия действия этой силы.

Измерение величины силы означает сравнение ее с некоторой силой, принятой за единицу. Измеряют силу обычно динамометрами разных конструкций.

Сила - величина векторная, т. е. имеющая не только числовое значение, но и направление, поэтому действие силы на тело определяется не только ее величиной, но и ее направлением.

Положения тела характеризуются его ориентацией в пространстве (вертикальное, горизонтальное, наклонное, головой вниз и т.д.), позой (расположением отдельных звеньев тела по отношению друг к другу) и отношением к опоре.

Положения тела относят к статическим, когда внешние силы (сила тяжести и сила реакции опоры) взаимно уравновешены. Условия равновесия зависят от взаимного расположения звеньев тела и площади опоры. Поскольку обычно звенья тела находятся не в одной плоскости, а между ними образуются углы и возникают моменты сил, то сохранение любого положения требует напряжения мышц. При этом чем больше момент силы тяжести звеньев тела, тем большая нагрузка падает на мышцы, сохраняющие их в определенном положении. В зависимости от распределения нагрузки на правую и левую половины тела положения тела разделяют на симметричные и асимметричные.

При симметричных положениях тела работа двигательного аппарата на правой и левой половинах тела одинакова, что обеспечивает гармоничность его развития. Асимметричные положения (например, стойка боксера, фехтовальщика) характеризуются неодинаковым участием в работе двигательного аппарата правой и левой половин тела, что может приводить к дисгармоничности в его строении и развитии.

По отношению к опорной поверхности различают положение тела с нижней опорой (положения стоя, мост, шпагат), с верхней опорой (висы, за исключением виса прогнувшись), со смешанной опорой (упор на параллельных брусьях). По виду равновесия положения тела разделяются на положения неустойчивого равновесия и ограниченно устойчивого равновесия. В зависимости от характера опоры внешние силы могут действовать на сжатие, на разрыв, на изгиб и на скручивание, что обусловливает определенные особенности в работе двигательного аппарата, в функционировании внутренних органов, сердечно-сосудистой и других систем организма.

При положениях с нижней опорой сила тяжести действует сдавливающим образом на нижележащие звенья тела, на которых уравновешиваются вышележащие. Поэтому чем ниже расположено звено, тем большая сила на него действует и тем больше должны напрягаться мышцы.

При положениях тела с верхней опорой, наоборот, мышцы нижележащих звеньев тела напрягаются меньше, чем мышцы вышележащих. Так, в положении стоя мышцы голеностопного сустава уравновешивают вес всего тела, в висе эти же мышцы уравновешивают вес лишь одной стопы. В разных положениях с верхней опорой степень подвижности тела различна (в зависимости от расстояния ОЦТ тела до опоры и величины площади опоры). Подвижность тем меньше, чем меньше расстояние от ОЦТ до опоры и чем больше площадь опоры. Перемещения звеньев тела при положениях как с нижней, так и с верхней опорой сопровождаются дополнительными (компенсаторными) движениями в других звеньях, в других суставах. Например, для сохранения тела в равновесии при удержании груза перед собой туловище отклоняется назад, при удержании груза в правой руке - влево; подтягивание на перекладине вызывает компенсаторное перемещение ног.

Положение стоя - это естественное, привычное для человека положение тела, выработанное в процессе длительной эволюции. Оно может являться рабочей позой, исходным и конечным положением для движений и физических упражнений. При стоянии тело занимает вертикальное положение, руки опущены вдоль туловища, голова держится прямо, ноги соприкасаются с опорной поверхностью подошвенной стороной стоп. Сила тяжести направлена вниз и действует сдавливающим образом на звенья тела. Чем ближе звено к опорной поверхности, тем больше момент силы тяжести. Поэтому наибольшую нагрузку испытывают нижние конечности, особенно стопа. Сила реакции опоры равна силе тяжести, но направлена противоположно [4].

Одним из условий сохранения равновесия тела человека в положении стоя является расположение ОЦТ тела непосредственно над площадью опоры. Если вертикаль этого центра выходит за пределы площади опоры, то равновесие нарушается и тело падает. Кроме того, положение стоя можно сохранить только тогда, когда подвижные друг относительно друга звенья, входящие в состав тела, удерживаются при помощи напряжения мышц и связок в закрепленном состоянии.

Стояние относится к положениям тела с нижней опорой. Площадь опоры образуется площадью подошвенной поверхности стоп и площадью пространства, заключенного между ними. Главными местами опоры стопы является нижняя поверхность пяточного бугра и головок плюсневых костей, а также (возможно) и пальцев. Площадь опоры с сомкнутыми пятками бывает большей в том случае, когда стопы располагаются друг относительно друга под некоторым углом. Она составляет примерно 250-350 см2.

В положении стоя давление приходится в большей мере на пятку и в меньшей - на область головок плюсневых костей, преимущественно 2-й и 3-й. На задний отдел стопы падает примерно 3/4 тяжести тела, на передний - 1/4. Если в положении стоя отвести туловище назад или же, наоборот, вывести вперед, то сила давления на площадь опоры переднего и заднего отделов стопы будет изменяться. В первом случае давление переднего отдела стопы уменьшится, а заднего - увеличится, а во втором - наоборот. Кроме того, вертикаль ОЦТ тела приближается то к заднему, то к переднему краю площади, опоры, в связи с чем нагрузка на мышцы изменяется. Так называемая действующая опорная поверхность стопы значительно меньше той поверхности, которая видна на отпе чатках. Это объясняется тем, что мягкие части стопы не могут служить достаточной опорой для тела.

Если человек стоит в обуви, особенно в жестких ботинках, «бездействующая» поверхность стопы больше, чем без обуви, так как в первом случае мягкие ткани края стопы оказывают большее сопротивление действию силы тяжести.

При симметричном стоянии масса тела распределяется равномерно на обе стопы и вертикаль ОЦТ тела проходит приблизительно в середине площади опоры. Но равновесие может быть нарушено, если эта вертикаль выйдет за границу площади опоры. В связи с этим положение стоя относят к ограниченно устойчивому виду равновесия.

В зависимости от расположения вертикали ОЦТ тела ближе к заднему или к переднему краю опоры различают три вида положения стоя:

) антропометрическое,

) спокойное,

) напряженное.

Антропомеrрическим положениемсчитается такое, которое служит исходным для различных измерений (обычно для определения длины тела деревянным ростомером). При этом тело выпрямлено и несколько отведено назад. ОЦТ тела находится приблизительно в той же фронтальной плоскости, в которой лежат поперечные оси главных суставов конечностей (плечевого, локтевого, тазобедренного, коленного и голеностопного) и центры тяжести отдельных звеньев тела (головы, туловища и конечностей). Антропометрическое положение мало удобно, так как площадь опоры сзади от фронтальной плоскости очень невелика и достаточно небольшого действия внешних сил, чтобы вызвать падение тела. Кроме того, неодинаковое развитие мышц, расположенных спереди и сзади поперечных осей вращения в суставах, приводит к быстрому утомлению тех, которые недостаточно сильны (например, мышц передней nоверхности голени). В некотором напряжении должны быть как те мышцы, которые расnоложены спереди от поперечных осей суставов, так и те, которые находятся сзади этих осей т.е. сгибатели и разгибатели.

Спокойное положение характеризуется тем, что все тело находится в непринужденном состоянии (например, при положении по команде «Вольно!»). Располагаясь симметрично, верхняя часть тела несколько отведена на назад, а таз, наоборот, вперед. Фронтальная плоскость, проведённая через ОЦТ тела, проходит сзади поперечной оси тазобедренного сустава, спереди осей коленного и голеностопного суставов, приоли зительно через середину площади опоры. Углы устойчивости спереди и сзади, как и боковые, одинаковы. В этом положении человек может выполнять движения в пределах площади опоры без потери равновесия.

Поскольку плечи силы тяжести в тазобедренном, коленном и голеностопном суставах небольшие, как и их моменты, то спокойное положение стоя связано с минимальным напряжением мышц. При этом движение тела назад (под влиянием силы тяжести) предупреждается натяжением подвздошно-бедренной связки, хотя мышцы-сгибатели бедра, удерживающие таз, в некоторой мере напрягаются.

Укреплению коленного сустава, по отношению к поперечной оси которого вертикаль ОЦТ тела проходит спереди, способствует натяжение связок, раположенных на его задней поверхности и внутри сустава. Укрепление голеностопного сустава обеспечивается устройством самого сустава Блок таранной кости спереди несколько шире, чем сзади, поэтому, когда голень наклонена кпереди, он укрепляется между лодыжками костей голени лучше, чем при антропометрическом положении. При спокойном положении, когда туловище несколько откинуто назад, для укрепления как тазобедренного, так и коленного сустава требуется не значительное напряжение мышц.

Верхняя часть туловища удерживается от наклона вперед мышцами спины, из которых наибольшее значение имеет мышца-выпрямитель позвоночника. Ввиду того что продолженная вверх вертикаль ОЦТ тела проходит довольно близко от поперечных осей соединений головы и туливища, требуется сравнительно небольшое мышечное напряжение, чтобы удержать в равновесии эти части тела. Связочный аппарат в этом также играет существенную роль.

Напряженное положение тела характеризуется тем, что туловище выпрямлено и несколько выведено вперед, так что вертикаль ОЦТ тела проходит вблизи передней границы площади опоры, спереди поперечных осей всех главных суставов нижней конечности: тaзoбедренного, коленного и голеностопного. Таким образом, мышцы, расположенные на задних поверхностях этих суставов, должны постоянно находиться в сокращенном состоянии, чтобы предохранить тело от падения.

При напряженном положении основная нагрузка падает на мышцы, находящиеся на стороне, противоположной той, где проходит вертикаль ОЦТ тела и туловище удерживаются мышцами.

При висе на прямых руках тело находится в вертикальном положении, руки фиксированы к гимнастическому снаряду (кольцам, перекладине), голова держится прямо, туловище разогнуто, ноги прямые.

Руки могут быть пронированы, когда большие пальцы обращены друг к другу, или супинированы, когда они обращены в разные стороны.

Площадь oпopы представлена площадью опорных поверхностей ладоней, соприкосающихся со снарядом и площадью пространства, заключенного между ними. Сила тяжести, направленная сверху вниз, действует на разрыв, стремясь отделить нижележащие части тела от вышележащих. Этому препятствуют мышцы, нагрузка на которые тем больше, чем выше они расположены. Равновесие в данном положении устойчивое.

Наибольшая нагрузка падает на мышцы верхней конечности.

При висе на стопах местом опоры являются их тыльные поверхности Для удержания стоп и пальцев в разогнутом положении необходимо сильное напряжение передней группы мышц голени и мышц тыльной поверхности стопы. Требования, nредъявляемые к мышцам разгибателям стопы Чpeзвычайно велики, так как эти мышцы (передняя большеберцовая, длинный разгибатель большого пальца, длинный разгибатель пальцев, а тем бoлее короткие разгибатели пальцев расположенные на тыльной стороне стопы) являются сравнительно слабыми для удержания тяжести всего тела. К тому же эта сила в данном положении имеет большее плечо силы мышц-разгибателей стопы Можно сказать, что нет другого гимнастического упражнения, при котором зтим мышцам приходилось бы испытывать столь 6oльшую нагрузку. Поэтому выполнение данного виса удается лишь людям с очень хорошо развитыми мышцами нижней конечности, особенно голени.

Для удержания тела в висе на согнутых ногах тpeбуется сохранять согнутое положение голени примерно под прямым углом по отношению к бедру. Это не представляет затруднений, так как мышцы-сгибатели голени чрезвычайно мощная группа мышц, включающая не только мышцы задней поверхности бедра, но и икроножные мышцы. Подъемная сила этих мышц около 500 кг.

При упоре на паралельных брусьях тело находится в вертикальном положении, руки выпрямляны, расположены вдоль туловища и фиксированны к спортивному снаряду. Вместе с ними закреплен и пояс верхних конечностей. Это упражнение относится к упражнениям со смешанной опорой. Площадь опоры верхних конечностей нижняя и представлена площадью опорных поверхностей кистей и площадь пространства мелжду ними. Голова, туловище и нижние конечности нижние конечности имеют верхнюю опору - пояс верхних конечностей. ОЦТ тела по отношению к верхним конечностям расположен выше площади опоры, обусоловливая ограниченно устойчивый вид равновесия. По отношению к остальной части тела он находится ниже площади опоры, обеспечивая ей устойчивое равновесие. Сила тяжести в области верхних конечностей оказывает сдавливающее влияние, увеличиваясь сверху вниз. В области туловища она действует на разрыв, как при висе, стремясь отделить нижележащие звенья тела от вышележащих, и увеличивается при этом снизу вверх (самая большая нагрузка падает на мышцы пояса верхней конечности).

Работа двигательного аппарата при выполнении упора на параллельных брусьях сводится главным образом к противодействию влияния силы тяжести и удержанию рук в вытянутом положении, пояса верхней конечности - укреплённым по отношению к туловищу.

Кисть находится в разогнутом положении, что происходит совершеннно пассивно под действием силы тяжести. При этом мышцы-сгибатели пальцев растягиваются, их напряжение повышается и увеличивается сила захвата места опоры. Наиболее «ответственным» местом кисти, с которого передается тяжесть на брусья, является запястье и основание пясти [4].

Лучезапястный сустав укрепляют мышцы, окружающие его, при этом движение рук в стороны предотвращают мышцы сгибатели и разгибатели кисти и пальцев, а движение вперед и назад - мышцы, отводяшие и приводящие кисть.

Опусканию туловища под действием силы тяжести по отношению к поясу верхней конечности препятствуют мышцы, опускающие пояс вepxнeй конечности.

Грудная клетка при упоре находится в несколько растянутом состоянии; т.е. в положении вдоха, благодаря тому, что напряжены крупные мышцы, поднимающие ребра. Дыхание происходит преимущественно за счет движения диафрагмы, для работы которой в данном положении нет значительных затруднений.

В положении «мост» тело представляет собой изогнутую дугообразную фигуру с большим или меньшим радиусом кривизны. Из внешних сил значение имеет не только сила тяжести, но и сила трения, от величины которой зависят напряжение мышц и возможность выполнения самого упражнения. Площадь опоры представлена площадью соприкосновения ладонной поверхности кистей и подошвенной поверхности стоп с опорной поверхностью, а также площадью пространства между ними.

ОЦТ тела расположен выше площади опоры, вне тела, несколько ниже позвоночного столба, приблизительно над серединой площади опоры.

Равновесиеограниченно устойчивое, передний, задний и боковой углы устойчивости большие, степень устойчивости значительная.

В положении «мост» пояс верхней конечности смещен к голове, нижний угол лопатки обращен в латеральную сторону, головка плечевой кости упирается в акромион. В плечевых, локтевых и лучезапястных суставах наблюдается предельное разгибание. В крайне растянутом положении находятся мышцы живота (особенно прямая), большие и малые грудные, передняя зубчатая, широчайшая мышца спины, двуглавая мышца плеча, клювовидно-плечевая, сгибатели кисти и пальцев. Несколько меньше растянуты мышцы-разгибатели стопы и четырехглавая мышца бедра. В этих мышцах, а также в межпозвоночных дисках, связках позвоночного столоа, подвздошнобедренной связке возникают упругие силы, стремящиеся отделить друг от друга опорные части тела. Силе тяжести и силе эластической тяги противодействует напряжение мышц, сохраняя тело в данном положении.

Поскольку позвоночный столб сильно разогнут и голова откинута назад, грудная клетка оказывается в растянутом и приподнятом состоянии, межреберные промежутки (особенно нижние) расширены, реберная дуга и нижние ребра сильно выступают, подгрудинный угол увеличен. Грудная клетка находится в положении вдоха, причём увеличению ее вертикального размера несколько способствует выпрямление грудного кифоза. Наиболее подвижными рёбрами оказываются нижние, за счет чёго и происходит дыхание, т.е. увеличение и уменьшение объема грудной клетки. Мышцы живота растянуты и напряжены, что затрудняет движения диафрагмы. Она находится в положении выдоха, оттеснена к голове благодаря давлению на нее органов брюшной полости (печени, желудка, селезёнки), что также ограничивает ее экскурсию. Благодаря высокому стоянию диафрагмы вертикальньй размер грудной полости уменьшен, несмотря на растянутость грудной клетки по вертикальной оси.


5. Биомеханические принципы обучения двигательным действиям


Серьезные недостатки в технической подготовке спортсменов, медленный рост их спортивного мастерства отрицательно сказывается на пополнении наших сборных команд молодыми, перспективными в спортивном отношении спортсменами. Причинами такой ситуации, в первую очередь, следует признать отсутствие в настоящее время разработанной теоретической базы совершенствования технической подготовленности спортсменов на всех этапах многолетней подготовки. В методическом плане отсутствие теории не дает возможности обобщения имеющегося колоссального эмпирического опыта ведущих тренеров. Одним из путей преодоления этого методического тупика является совершенствование структуры тренировочного процесса, в том числе и со смещением инновационных акцентов в сторону разработки теории технической тренировки, что позволит определить основные методические принципы совершенствования системы технической подготовки спортсменов на разных этапах многолетней тренировки.

В биомеханике, в теориях моделирования движений одной из фундаментальных проблем является то, что в преобразовании субъективного феномена намерения и плана в объективный феномен нервно-мышечного управления движением и обучения, а в конечном счете в биомеханическое движение, остается столько же тайны, сколько в обратном преобразовании биомеханического движения путем нервно-мышечного сенсорного анализа в субъективный феномен восприятия (Даукс Р., 1997). В свою очередь это ведет к загрубению используемых моделей, отсутствия в них функций памяти, развития и саморазвития, что является неотъемлемой стороной биологических объектов.

С позиций педагогической науки, которая в вопросе теории обучения и совершенствования двигательного действия опирается на теории построения и управления движениями, моделирования движений биологических объектов, не может быть полностью удовлетворена моделями, описывающими недостаточно полно объект исследования. Соответственно, это ведет к отсутствию в настоящее время теоретической основы для синтеза накопленных знаний биологической (проблемы биомеханики) и педагогической направленности (проблемы обучения). В то же время, современный уровень развития сложнотехнических видов спорта требует решения основных проблем развития теории и методов управления тренировочным процессом, разработки эффективных средств и методов всех сторон подготовки спортсменов, в том числе и технической.

Исходя из основного положения теории деятельности, провозглашающего цель основной характеристикой действия, можно утверждать, что техника двигательного действия, выступающая как предмет обучения, должна иметь иные назначения, содержание и структуру, чем техника - предмет изучения биомеханики. Таким образом, биомеханика рассматривает двигательные действия как объект изучения, но не как объект обучения.

Определим понятие "техническая подготовка спортсмена" как процесс, направленный на сознательное изменение поведения спортсмена, в соответствии с задачами его спортивной деятельности. Так как решение, стоящих перед спортсменом задач, происходит по средством выполнения определенных движений, то в данном случае говорится о процессе, связанным с практическим осуществлением произвольных двигательных действий и способами их использования, выполняемых в соответствии с задачами и правилами соревнований. Объектом теории технической подготовки являются программы (образы) теоретических представлений и моторных реализаций целенаправленных двигательных действий в высших отделах головного мозга. Наличие и количественная оценка их совершенства выявляются в ходе двигательной деятельности. Предметом теории технической подготовки следует признать закономерности формирования двигательных умений и навыков.

Вопросы теории технической подготовки связаны с исследованиями изменений или стабильностью выполнения так называемых моторных программ. Можно предположить, что при выполнении спортсменом определенных движений или перемещений, работают некие программы действий, каждая из которых базируется на моторной программе.

Возможность осуществлять осознанные движения предполагает, что человек имеет возможность управлять, с большей или меньшей точностью, целенаправленными движениями всего тела или его отдельных частей. Предположительно это можно отнести к вопросам связанным с биомеханизмами.

Биомеханизмом назовем такую совокупность движений частей тела, независимую от движений других его частей, преобразующих один вид энергии в другой, в результате чего изменяется положение и скорость общего центра масс тела спортсмена при решении определенной двигательной задачи. Высказано предположение, что цель движения, которая решается при действии какого-либо биомеханизма, воспринимается сознанием, следовательно, возможно управление и сознательное изменение этих явлений [3].

Описывая двигательное действие как предмет обучения, техника должна обеспечить возможность формирования в сознании обучаемого представлений об основных требованиях к организации движений с учетом смысла и условий решаемой двигательной задачи.

На основе использования теории нейронных сетей и понятия "биомеханизм" были определены основные дидактические алгоритмы и методические принципы технической подготовки спортсменов.

При моделировании процесса обучения или совершенствовании какого-либо целенаправленного движения выделен ряд дидактические алгоритмов:

дидактический алгоритм - "много входов - много выходов". Тренировочные средства воздействуют на несколько параметров моторной программы одновременно; контроль за выполнением двигательного действия осуществляется также по нескольким параметрам или целостно;

дидактический алгоритм "один вход - много выходов". Воздействие проводится на один выбранный параметр моторной программы, контроль за выполнением двигательного действия осуществляется по нескольким параметрам или целостно;

дидактический алгоритм - "один вход - один выход". Тренировка направлена на изменение одного параметра моторной программы, оценка качества выполнения техники двигательного действия проводится по тому же параметру;

дидактический алгоритм - "случайный вход - много выходов". Изменение моторной программы ведется на основе введения коррекций по ходу тренировки, ориентируясь на промежуточные оценки выходных параметров. То есть, при наличии значительного отклонения от необходимого на выходе вводятся поправки в какой-нибудь из входных параметров.

Тип устойчивости при выполнении двигательных действий будет определяться по характеру возмущающих воздействий на имеющиеся в памяти спортсмена моторные программы:

устойчивость к случайным возмущениям, действующих на двигательную программу;

устойчивость к флуктуациям параметров двигательной программы;

устойчивость к изменению (разрушению) части элементов в рассматриваемом движении;

устойчивость к обучению новым двигательным программам. Следует рассматривать в данном случае модификацию рассматриваемого упражнения, как создание новой моторной программы.

В результате теоретического исследования сформулирована система основных принципов технической подготовки спортсменов, состоящая из принципов конвергенции, конгруэнтности, конкордантности, квантования и индивидуализации. Совокупность предлагаемых педагогических принципов технической подготовки спортсменов рассматривается в качестве функционального единства, с необходимостью и достаточностью позволяющего решать задачи технической подготовки на высоком уровне требований к качеству результатов. Критерием необходимости при этом выступает действенность отдельных принципов и системы в целом: в отсутствие необходимого элемента отдельные элементы и система в целом существенно теряют двойственность. Критерием достаточности выступает качество обучения.

Принцип конвергенции. Организация процесса технической подготовки в многолетнем аспекте требует от спортсменов на этапах начальной специализации и углубленной тренировки как можно более полного приобретения (конвергенции) в ходе тренировки сходной топологической структуры и функции двигательных действий с аналогичными у высококвалифицированных спортсменов, при соблюдении ограничений, накладываемыми другими принципами.

Принцип индивидуализации. Теоретически показано, что изменение масс-инерционных характеристик модели приводит не к линейной взаимосвязи с выходным параметром, а к скачкообразному изменению поведения выходной функции после определенного порога. Принцип индивидуализации предусматривает, что методика технической подготовки юных спортсменов должна учитывать сенситивные периоды изменения их масс-инерционных характеристик за счет внесения корректив в планирование. В этот период времени применение средств технической направленности связано в большей степени с работой над отдельными компонентами (биомеханизмами) целостного спортивного движения, которые имеют относительно невысокую координационную сложность.

Принцип конгруэнтности. Стратегия многолетнего планирования технической подготовки определяется соответствием уровня специальной физической подготовленности тем двигательным задачам, которые ставятся для реализации на каждом из этапов тренировочного процесса. Для каждого этапа многолетней тренировки критерии оценки технического мастерства являются строго детерминированными и строятся на особенностях взаимосвязи уровня специальной физической и технической подготовленности, присущих данному временному отрезку. То есть для адекватной работы моторной программы при выполнении двигательного действия должна иметься определенная соразмерность (конгруэнтность) между соответствующими показателями, определяющим успешность выполнения моторной программы. Отрицательное влияние на качество выполнения двигательного действия оказывает не только отсутствие должного уровня специальной физической подготовленности, но и его несоразмерное увеличение. Принцип конгруэнтности определяет необходимый и достаточный уровень специальной физической подготовки для качественного совершенствования уровня технической подготовленности атлетов.

Принцип квантования. Результаты модельного эксперимента показывают, что последовательное применение средств специальной физической и технической подготовки приводит к наилучшим результатам "тренировки" нейронной сети. Принцип квантования определяет, что в годичном цикле тренировки необходимо проводить разведение во времени тренировок с преимущественной направленностью по специальной физической и технической подготовке при приоритете по времени первой.

На основе проведенного педагогического эксперимента с участием прыгунов в длину доказана эффективность разработки программы распределения средств технической направленности в годичном цикле тренировки с применением компьютерного моделирования.

Принцип конкордантности определяет, что выбор тренировочных средств, используемых в ходе тренировки технической направленности, определяется сходством топологии используемых в них биомеханизмов, аналогичным основному соревновательному. Такое сравнение средств технической направленности отличается от ранее принятого, в котором анализ ведется по отдельным кинематическим или динамическим параметрам. Выбор и применение средств технической подготовки в ходе тренировочного процесса определяется не только по степени соответствия их основному соревновательному, но и степенью воздействия на биомеханизмы, задействованные в нем, что позволяет не разрушать уже сложившиеся моторные программы.

В качестве общего заключения можно констатировать, что моделирование является основным методом теории технической подготовки в спорте.

Биомеханизм и нейронная сеть как идеальные образы служат основой для теоретических поисков закономерностей управления процессом технической подготовки спортсменов.

Использование новейших информационных технологий позволяет создавать и реализовывать в виде компьютерных программ системы моделирования техники конкретных двигательных действий на уровне необходимом и достаточном для решений задач спортивной педагогики. При этом оказывается возможным осуществление эффективного и наглядного формирования цели технической подготовки спортсменов, компьютерной симуляции предлагаемого варианта и внесения соответствующих коррекций, с учетом индивидуальных особенностей.


СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

центр тяжести биомеханический плоскость спортсмен

1.Анатомия спортивной морфологии (практикум). - М.: ФиС, 1989.

2.Глухих Ю.Н., Серебряков Г.Н. Основы динамической морфологии. - Омск, СибГАФК, 1998.

.Липченко В.Л., Самусев Р.П. Атлас нормальной анатомии человека. - М.: Медицина, 1983.

.Лысов П.К., Никитюк Б.Д., Сапин М.Р. Анатомия (с основами спортивной морфологии. - М.: Медицина, 2003.

.Морфология человека / Под ред. Б.А. Никитюка, В.П. Чтецова. - М.: Изд-во МГУ, 1990.

.Синельников Ф. Атлас анатомии человека. Т. 1, 2, 3. - М., 1974.

.Шестаков М.П. К вопросу об основных принципах технической подготовки в спорте / Шестаков М.П. // Юбилейный сборник трудов ученых РГАФК, посвященный 80-летию академии. - М.: 1998. - Т. 3. - С. 55-59.


Теги: Биомеханика спорта  Контрольная работа  Туризм
Просмотров: 17758
Найти в Wikkipedia статьи с фразой: Биомеханика спорта
Назад