В.Л.Уткин "Биомеханика физических упражнений"

ГЛАВА 8. БИОМЕХАНИКА ПЕРЕДВИЖЕНИЯ НА ЛЫЖАХ И ВЕЛОСИПЕДЕ

Предок человека стал человеком тогда, когда он вооружился орудием труда.
Палка, камень, копье, лук со стрелой — все это удлиняло руку человека...
и, смастерив вначале примитивные, а затем все более совершенные
средства передвижения, человек «достроил» свои ноги...
и начал расширять среду обитания.

И. М. Фейгенберг

Быстрее ветра!

Стремясь повысить скорость передвижения, «достраивая свои ноги», человек издавна использовал различные технические приспособления. Наиболее популярные и доступные из них — велосипед и лыжи.

БИОМЕХАНИКА ПЕРЕДВИЖЕНИЯ НА ЛЫЖАХ

Первые лыжи были «снегоступами», они позволяли сравнительно легко передвигаться по рыхлому глубокому снегу, где пройти пешком очень трудно. На таких лыжах не скользили, а ходили по снегу.

Много позднее появились лыжи, близкие к современному типу,— длинные и узкие. Сначала даже слишком длинные, так как полагали, что удлинение лыжи увеличивает скорость бега. В столице Норвегии, г. Осло, в лыжном музее выставлены лыжи длиной 3 м 76 см.

Современные лыжные гонки — это спорт выносливых, сильных, быстрых и смелых, где длина дистанции бывает 50 км и более, а скорость (на спусках) — до 60 км/ч.

Кинематика лыжных ходов

Используются различные способы передвижения (лыжные ходы), выбор которых зависит от рельефа местности, условий скольжения, уровня подготовленности лыжника. Двигательные действия лыжника носят циклический характер. Цикл делится на временные интервалы — периоды, состоящие из отдельных фаз. Границей между соседними фазами считается момент, когда лыжник находится в строго определенном положении (граничной позе) и начинается выполнение задачи следующей фазы.

Таблица 12

Кинематическое описание попеременного двухшажного хода (по X. X. Гроссу, 1980 г.)

Продолжение

Лыжные ходы разделяют по способу отталкивания палками на попеременные и одновременные. По числу шагов в одном цикле выделяют двухшажный, четырехшажный и бесшажный ходы.

Попеременный двухшажный ход применяется на равнинных участках и отлогих склонах (до 2°), а при очень хорошем скольжении— и на подъемах средней крутизны (до 5°). Из таблицы 12 и рис. 82 ясен фазовый состав попеременного двухшажного хода и цели, к которым лыжник должен стремиться в каждой фазе.

Одновременный одношажный ход применяется на равнинных участках, на отлогих подъемах при хорошем скольжении, а также на уклонах при удовлетворительном скольжении. В каждом цикле лыжник делает одно отталкивание одновременно двумя палками и одно отталкивание лыжей. В цикле хода выделяют шесть фаз (табл. 13).

Рис. 82. Фазовый состав и граничные позы при передвижении попеременным двухшажным ходом (по X. X. Гроссу, Д. Д. Донскому)

Неодновременное выполнение отталкивания ногами и руками обусловливает меньшие перепады внутрицикловой скорости. Отталкивание палками обеспечивает ускорение общего центра масс тела во второй фазе и превышение скорости над среднедистанционной в последующей фазе.

В этом способе большее перемещение за цикл (около 7 м) сочетается с невысокой частотой шагов (около 0,75 1/с).

Одновременный двухшажный ход — это такой способ, когда одно отталкивание палками приходится на два отталкивания лыжами — левой и правой. Он экономичнее всех других лыжных ходов (кроме попеременного четырехшажного), но не обеспечивает высокой скорости, поэтому высококвалифицированные лыжники им не пользуются.

Одновременный бесшажный ход применяется на равнинных участках и пологих спусках при обычном и хорошем скольжении. Лыжник скользит на двух лыжах, не делая шагов и отталкиваясь одновременно обеими палками (рис. 83). Этот ход используется при скорости не более 7,5—8,0 м/с, так как при более высокой скорости лыжник не успевает отталкиваться палками.

Таблица 13

Фазовый состав одновременного одношажного хода

(по В. Н. Манжосову, В. П. Маркину, 1980 г.)

Полный цикл одновременного бесшажного хода состоит из одновременного отталкивания двумя руками и последующего двухопорного скольжения на лыжах (см. рис. 83).

Попеременный четырехшажный ход в соревнованиях уже не используют из-за низкой скорости передвижения, но он успешно применяется в туристических походах, когда глубокий снег не позволяет активно отталкиваться палками. Цикл этого хода состоит из четырех скользящих шагов. На первые два шага лыжник поочередно выносит палки вперед, на третий и четвертый шаги делает два попеременных отталкивания палками.

Коньковые способы передвижения широко используются с 1981 г., когда финский лыжник Сиитонен, которому тогда было уже за 40, впервые применил его в соревнованиях (в гонке на 55 км) и выиграл. Лыжи оригинальной конструкции (пластиковые, с металлическими

вставками и т. п.) и современные способы подготовки трассы позволяют реализовать преимущества этого хода в скорости, а при равной с классическими ходами скорости — в экономичности. В коньковых способах отталкивание осуществляется скользящей лыжей. При этом практически не играет роли коэффициент сцепления лыжи со снегом. Сила отталкивания уменьшена, а время отталкивания увеличено (около 50% от длительности шага). В результате увеличивается импульс силы, от которой зависит эффективность отталкивания ногой (рис. 84).

Рис. 83. Хронограмма и фазовый состав одновременного бесшажного хода (по М. А. Аграновскому с соавт.)

Рис. 84. Горизонтальная составляющая силы действия при отталкивании ногой в разных ходах:

1 — попеременный двухшажный ход; 2 — полуконьковый ход (по В. Н. Манжосову)

К числу наиболее распространенных вариантов конькового хода относятся: одновременный полуконьковый ход (на одно отталкивание руками приходится одно отталкивание ногой), коньковый одновременный двухшажный ход (в цикл хода включаются одновременное отталкивание палками и два шага), коньковый одновременный одношажный ход (одновременное отталкивание обеими руками на каждое отталкивание ногой), коньковый попеременный ход (на каждое отталкивание рукой следует отталкивание одноименной ногой). Схематическое изображение перечисленных способов передвижения представлено на рис. 85. При хороших условиях скольжения на равнине при передвижении одновременным полуконьковым ходом длина шага у мужчин составляет 6,5—7,5 м, а у женщин — 5,5—6,7 м. В коньковом одновременном двухшажном ходе длина шага несколько больше — у мужчин 7—8 м. На подъемах крутизной 5° при передвижении коньковым попеременным ходом длина шага 4—5 м, а на подъеме 10° 2,7—3,2 м.

Рис. 85. Схематическое изображение различных коньковых способов передвижения на лыжах (вид сверху):

А — полуконьковый одновременный ход; В — коньковый одновременный двухшажный ход; В — коньковый одновременный одношажный ход; Г — коньковый попеременный ход. Условные обозначения: пунктир — кривая перемещения общего центра масс; -> — направление движения (по А. В. Кондрашову)

Преимущество конькового хода перед классическими по скорости достигает 15—20%. Крутизна подъема 8—9° при хороших условиях скольжения является граничной, когда возможности ходов уравниваются. На более крутых участках выигрышнее подъем скользящим и ступающим шагом, на более пологих —коньковый.

Динамика передвижения на лыжах

Передвигаясь по лыжне, лыжник отталкивается с помощью лыж и палок. При этом на лыжника действуют те же силы, что и на бегуна (см. рис. 74), и, кроме того, сила трения скольжения. Ее величина равна произведению коэффициента трения скольжения на нормальную (перпендикулярную к лыжне) составляющую силы давления лыжи на снег. Чем меньше коэффициент трения скольжения, тем длиннее шаг и выше скорость при тех же энергозатратах. Для уменьшения коэффициента трения используются лыжные мази. Выбор мази зависит от температуры и состояния лыжни. При правильном подборе мази (что до сих пор является своеобразным искусством) коэффициент трения удается снизить до 0,02—0,04. Силы действия лыжи и палки на снег увеличиваются по мере увеличения скорости и крутизны подъема. Кроме того, величина силы отталкивания зависит от квалификации лыжника (табл. 14).

Величина вертикальной составляющей силы отталкивания ногой колеблется в пределах 1100—1500 Н, а горизонтальной составляющей— 100—180 Н (рис. 86).

Таблица 14

Сила отталкивания рукой у лыжников различной квалификации

при разной скорости передвижения попеременным двухшажным ходом

(по В. Н. Манжосову, В. П. Маркину. 1980 г.)

Рис. 86. Динамограммы отталкивания ногой и рукой при передвижении на лыжах попеременным двухшажным ходом:

1 - вертикальная составляющая силы отталкивания ногой; 2 — горизонтальная составляющая силы отталкивания ногой; 3 — вертикальная составляющая силы отталкивания рукой; 4 — горизонтальная составляющая силы отталкивания рукой; 5 —сила трения скольжения (по В. Н. Манжосову, В. П. Маркину; Komi — переработано)

Сила отталкивания ногой мало различается в классических ходах (одновременном и попеременном). В коньковых способах передвижения сила отталкивания ногой составляет: под носком ботинка — 600 Н, под каблуком — 380 Н (вертикальная составляющая), горизонтальная составляющая— около 200 Н.

Энергетика передвижения на лыжах

Энергетические затраты при передвижении у лыжника зависят от длины дистанции (табл. 15).

Исходя из продолжительности работы, гонки на лыжах относятся к зоне большой (5 и 10 км) и умеренной (15, 20, 30, 50, 70 км и более) относительной мощности. Однако в связи с резкой пересеченностью современных трасс правильнее характеризовать гонки на лыжах как работу переменной мощности.

Таблица 15

Особенности энергообеспечения передвижения на лыжах на различных соревновательных дистанциях

Рис. 87. Результаты экспериментального определения оптимального сочетания длины и частоты шагов при беге на лыжах (по В. В. Тихонову)

Оптимальные режимы передвижения на лыжах

Под оптимальными режимами в лыжных гонках понимают оптимальный способ передвижения, оптимальную динамику (раскладку) дистанционной скорости и оптимальное сочетание длины и частоты шагов.

Всего 65 лет назад (в 1924 г.) всерьез обсуждался вопрос о том, как рациональнее преодолевать подъемы: на лыжах или с лыжами в руках. С тех пор сложились определенные представления о рациональных способах передвижения на спусках, равнинных участках трассы и подъемах, которые представлены в таблице 16.

Таблица 16

Рациональные (+) и нерациональные (—) способы передвижения на лыжах при разной крутизне трассы

Передвижение на лыжах еще более, чем бег, требует экономии энергии, поскольку лыжник выполняет мышечную работу несколько десятков минут или даже несколько часов подряд. Поэтому для передвижения на лыжах найдены возрастные стандарты наиболее экономичной и пороговой (соответствующей анаэробному порогу) скорости (см. рис. 80), а также наиболее экономичные сочетания длины и частоты шагов (рис. 87, 88).

Рис. 88. Возрастные изменения оптимальных (наиболее экономичных) величин скорости, длины и частоты шагов при передвижении на лыжах попеременным двухшажным ходом; вертикальные отрезки — доверительные интервалы, в которых лежит 95% всех случаев

При снижении физической работоспособности человека, а также при усложнении условий передвижения на лыжах (увеличении крутизны подъема, коэффициента трения скольжения и т. д.) оптимальная скорость и оптимальная длина шага уменьшаются, а оптимальный темп увеличивается.

Биомеханика езды на велосипеде

Велосипед — самое распространенное техническое средство передвижения на земном шаре. Проект первого велосипеда предложил в 1495 г. Леонардо да Винчи, нарисовавший этот двухколесный механизм почти со всеми современными подробностями. Но об этом рисунке мир узнал лишь в конце XIX в., почти столетие спустя после того, как в России крепостной Артамонов сконструировал и изготовил первый в мире велосипед.

Езда на велосипеде — наиболее рациональный способ передвижения, поскольку благодаря седлу, поддерживающему и стабилизирующему тело, до минимума снижаются затраты энергии на перемещение тела в пространстве. Ведь активны только ноги велосипедиста, вращательное движение которых обеспечивает продольное перемещение тела.

Кинематика педалирования

Процесс вращения шатунов велосипеда называют педалированием. Педалирование есть результат трех одновременно совершаемых вращательных движений (рис. 89):

— бедра вокруг оси, проходящей через тазобедренный сустав;

— голени относительно коленного сустава.

— стопы относительно голеностопного сустава. Эффективность двигательных действий велосипедиста

зависит от посадки и техники педалирования. Посадкой называют позу гонщика на велосипеде. В зависимости от наклона туловища различают низкую, среднюю и высокую посадку. Чем ниже посадка, тем горизонтальнее расположено туловище и тем меньше мидель (т. е. наибольшая величина площади сечения, перпендикулярного воздушному потоку). Следовательно, меньше и сила лобового сопротивления воздуха. Поэтому гонщики, как правило, применяют низкую посадку. Но при низких скоростях (например, при езде на велосипеде в оздоровительных целях) привычнее и удобнее средняя и высокая посадка.

Рис. 89. Оси и направления вращения сегментов ног при педалировании на велосипеде (по Hay)

При педалировании центры масс левой и правой ноги движутся по круговым траекториям, а вот общий центр масс двух ног практически не перемещается относительно велосипеда. Из этого следует, что при езде по горизонтальной поверхности вертикальные перемещения общего центра масс практически отсутствуют и, следовательно, работа, направленная на вертикальные перемещения тела, близка к нулю.

Характер изменения углов в коленном, тазобедренном и голеностопном суставах напоминает синусоиду, а минимальные и максимальные пределы величин суставных углов составляют соответственно 40—140°, 20—70° и 80—100°.

Динамика и энергетика педалирования

На рис. 90 показано, как сила, прикладываемая к педали велосипеда, раскладывается на две составляющие: А — нормальную (перпендикулярную к педали) и Б — касательную, или тангенциальную. Полезной, продвигающей вперед является лишь тангенциальная составляющая сил.

При педалировании целесообразно, чтобы и правая, и левая нога в каждый момент времени создавали положительный (продвигающий вперед) момент силы. Это неосуществимо при импульсном педалировании и возможно при круговом педалировании при наличии специальных приспособлений— туклипсов и велошипов. Туклипсы необходимы для подтягивания педали вверх, а шипы — для ее проводки, т. е. перемещения назад и вперед.

Совместное действие мышц в режиме, близком к изометрическому, позволяет хорошо подготовленному велосипедисту развить силу 2500—3500 Н, а при проводке и подтягивании — 800—1100 Н.

Вопрос

В какой ситуации велосипедист может продемонстрировать силу, близкую к максимальной изометрической силе?

При передвижении на велосипеде механическая энергия затрачивается на преодоление силы трения качения и силы сопротивления воздуха (внешняя работа) и на перемещение ног относительно ОЦМ (внутренняя работа). Внешняя работа зависит от скорости передвижения, посадки и экипировки велосипедиста и коэффициента трения качения. Трение качения зависит от типа дорожного покрытия и самих колес. Чем больше поперечное сечение и ниже давление воздуха в шинах, тем больше трение качения и, следовательно, дополнительные затраты энергии. При езде по гладкой твердой поверхности на велосипеде со стандартными колесами, с давлением в них 7—8 атм стоимость метра пути вдвое меньше по сравнению с обычной ходьбой и втрое меньше, чем при беге. На очень гладких поверхностях затраты энергии уменьшаются наполовину, а на мощенных камнем дорогах, наоборот, возрастают вдвое.

Рис. 90. Средние величины сил, прикладываемых к педали:

А — нормальная составляющая силы; Б — тангенциальная (по В. Н. Селуянову Б. А. Яковлеву)

Рис. 91. Зависимость силы сопротивления воздуха от скорости передвижения на велосипеде и вида посадки. Условные  обозначения: А — низкая (гоночная) посадка; Б — высокая посадка (по В. М. Зациорскому с соавт.)

Сила сопротивления воздуха пропорциональна квадрату скорости (рис. 91), а мощность, которую необходимо развить для ее преодоления, пропорциональна кубу скорости.

Вопрос для самоконтроля знаний

Почему здесь имеет место кубическая зависимость мощности от скорости?

Потери энергии на трение в системе передачи и осях хорошего велосипеда малы. Поэтому работа, затрачиваемая на преодоление сопротивления воздуха,— наиболее весомая фракция полной механической работы велосипедиста. Так, при скорости 5 м/с на преодоление сопротивления воздуха затрачивается около 50% всей развиваемой мощности, а при скорости 10 м/с уже 80%. Именно поэтому так важно снижать аэродинамическое сопротивление. Для этого поза и одежда велосипедиста должны быть наиболее обтекаемыми.

Плотно облегающая тело рубашка и специальный пластиковый шлем, например «шлем Мозера», напоминающий своими очертаниями нос реактивного самолета, позволяют на 3 с улучшить результат в трековой гонке на 4 км. Еще 1,5 с могут сбавить обтекаемые велотуфли без шнурков. Улучшение результата объясняется снижением силы вихреобразования. Сила вихреобразования возникает потому, что в местах отрыва струй воздуха возникают завихрения, где по закону Бернулли давление меньше. В зону пониженного давления направлена тормозящая, «отсасывающая» сила. Для уменьшения вихреобразования применяют и обтекаемые дисковые колеса вместо обычных.

Топография работающих мышц

В процессе педалирования непосредственно участвуют кости нижних конечностей, таз и мышцы, осуществляющие сгибание и разгибание ног (рис. 92). При нажатии на педаль разгибаются бедро, голень и стопа. При этом активны следующие мышцы:

— ягодичная, двуглавая, полусухожильная, полуперепончатая (разгибание бедра);

— четырехглавая (разгибание голени);

— икроножная, камбаловидная, задняя большеберцовая, длинные сгибатели пальцев, длинная и короткая малоберцовые (разгибатели стопы).

Задание

Перечислите основные мышцы, участвующие в осуществлении проводки и подтягивания при круговом педалировании на велосипеде.

Оптимальные режимы педалирования

Велосипедисты применяют круговое и импульсное педалирование. Их чередование отдаляет наступление утомления.

Рис. 92. Активность мышц ног при педалировании (по Л. В. Чхаидзе; Ю. А. Голину, В. Ф. Татаренко, переработано); стрелками показаны векторы силы действия ноги на педаль и их нормальные тангенциальные составляющие

Эффективность езды на велосипеде зависит от частоты вращения педалей и выбора передачи. Чем больше передача, тем выше сила действия на педали и больше укладка — расстояние, преодолеваемое за один оборот педалей. За последние 40—60 лет значительное увеличение средней скорости на соревнованиях произошло исключительно за счет увеличения укладки. Темп педалирования практически не изменился.

Используя метод кардиолидирования (программированного регулирования частоты сердечных сокращений), Ю. Г. Крылатых определил оптимальные режимы педалирования при разных уровнях частоты сердечных сокращений. Так, при ЧСС, равной 150 1/мин, оптимальный темп равен 87 1/мин, а укладка 6,8 м. А при ЧСС, равной 180 1/мин, оптимальный темп составляет 100 1/мин, а укладка 7,1 м. Эти рекомендации относятся ко взрослым велосипедистам высокой квалификации.

При выборе режима педалирования следует учитывать индивидуальные особенности спортсмена и внешние условия. Чем ниже физическая работоспособность, значительнее утомление и сложнее условия (плохое покрытие дороги, встречный ветер и т. д.), тем выше оптимальный темп и меньше оптимальная передача.

Вопросы для самоконтроля знаний

1. Какой критерий оптимальности имеется в виду, когда говорят об оптимальном сочетании темпа и укладки?

2. Как влияет на оптимальное сочетание темпа педалирования и укладки мышечная композиция (соотношение быстрых и медленных мышечных волокон)?

Тактика езды на велосипеде зависит от цели велосипедиста. Например, при прогулочной езде основной критерий оптимальности — экономичность, и наилучшей является тактика постоянной скорости.

Для достижения наивысшего спортивного результата гонщик должен так выбирать скорость и так ее изменять, чтобы полностью использовать потенциальные возможности энергетических систем. Например, в индивидуальной гонке преследования на 4 км наиболее выгодна тактика «вовсю». При этом скорость сразу после стартового разгона на 7—8% выше среднедистанционной скорости, а в дальнейшем снижается (быстрее или медленнее — в зависимости от емкости фосфагенной и лактацидной систем и мощности окислительной энергетической системы у данного спортсмена) (см. рис. 24).

До сих пор продолжается усовершенствование велосипеда. Наряду с многочисленными конструкциями обычных велосипедов все более широкое распространение получают тандемы, а также одноместные и многоместные веломобили, которые развивают скорость до 30—40 км/ч.

Контрольные вопросы

1. Какие способы передвижения на лыжах вам известны?

2. Каковы преимущества и недостатки конькового хода по сравнению с традиционными способами передвижения на лыжах?

3. Какие внешние силы влияют на величину энергетических затрат лыжника и велосипедиста?

4. Что такое оптимальная скорость и как она связана с возрастом и физической подготовленностью лыжников и велосипедистов?

По горизонтали. 1. Техническое устройство для передвижения. 2. Фаза в цикле педалирования, в которой момент силы достигает наибольшего значения. 3. Устройство для передвижения по мягкой или рыхлой поверхности. 4. Расстояние, преодолеваемое велосипедистом за один оборот шатунов. 5. Одна из фаз одновременного одношажного лыжного хода. 6. Часть двигательного действия, объединяющая в себе несколько фаз. 7. Кинематический показатель, характеризующий интенсивность передвижения.

По вертикали. 6. Фаза в цикле педалирования, во время которой нога сгибается в коленном, тазобедренном и голеностопном суставах. 7. Физический процесс, позволяющий осуществить передвижение на лыжах с высокой скоростью. 8. Процесс вращения педалей велосипеда. 9. Поза гонщика на велосипеде. 10. Изобретатель велосипеда в России.

5. Для чего нужны лыжные мази?

6. Какова топография мышц, работающих при разных способах педалирования на велосипеде?

7. Из каких компонентов (фракций) складывается механическая работа велосипедиста?

8. Как можно уменьшить затраты энергии на преодоление сопротивления воздуха при езде на велосипеде и беге на лыжах?

9. Какие факторы влияют на оптимальное сочетание темпа и длины шага при беге на лыжах и на оптимальный темп педалирования при езде на велосипеде?

10.Решите кроссворд (рис. 93).

ГЛАВА 9. Биомеханика плавания.

Русский стиль - поддержка студии Black Ice (c) 1999-2004