Описание слайда:
1 Проведите исследование видов спорта, которые начинались на снегу, а теперь проводятся на специальных ледяных трассах. Какие физические законы особенно важны для победы?
Скоростной бег на коньках
Во время бега на коньках конькобежец расходует энергию на преодоление сил сопротивления воздуха, трения скольжения, инерции: сил, связанных с разгоном общего центра масс конькобежца (ОЦМК) после старта, ускорений по ходу бега, центробежной силы инерции при беге по повороту, ускорения ОЦМК в каждом шаге, разгона и торможения маховых звеньев, а также сил гравитации. Задача биомеханики заключается в оценке действующих на конькобежца сил и выявлении путей минимизации метаболических энерготрат при увеличении механической мощности бега на коньках, способствующих росту соревновательной скорости.
-Сила сопротивления воздуха
-Аэродинамические силы — это результат воздействия воздушного потока на поверхность тела конькобежца.
Сила сопротивления воздуха зависит не только от скорости бега конькобежца, но и от скорости и направления ветра. Так с увеличением скорости ветра до 3м/с результаты могут ухудшаться до 7%.
-Сила трения-скольжения
Противодействие относительному движению двух соприкасающихся тел, называется силой трения. Сила сопротивления трения-скольжения коньков по льду определяется по следующей формуле:
Fт = µ Q, где µ - коэффициент трения-скольжения положения полоза конька по льду, Q — сила давления полоза конька на поверхность льда.
Коэффициент трения-скольжения определяется экспериментально и варьирует от 0,004 до 0,02 в зависимости от качества лезвия конька (прямое, изогнутое), его заточки (овал, качество шлифовки) и свойств льда. В настоящее время механизм трения-скольжения описывают так. При скольжении конькобежца по льду под полозом его конька происходит нагрев трущихся поверхностей — плавление льда. В результате возникает водяная пленка, выполняющая роль жидкой смазки, что значительно уменьшает силу трения-скольжения. (Известно — нагрев полозьев в санном спорте значительно увеличивает скорость прохождения трассы).
Исследование показали, что трение-скольжение конька зависит от овала лезвия конька, наклона плоскости лезвия, величины нагрузки на конек и шлифовки лезвия.
Свойства льда в значительной мере определяются его строением (наилучшее скольжение имеет лед с возможно большими кристаллами) и температурой поверхности льда — ТПЛ . При низких температурах поверхности льда его твердость снижается медленно, а за тем, когда ТПЛ становиться равной —3° С, характер кривой резко меняется. Особенно значительно уменьшается твердость льда при ТПЛ, превышающей —1,5° С. При температуре —0,5°С и больше лед начинал катастрофически разрушаться.
При расчете величины силы трения-скольжения коньков можно в первом приближении принять загрузку коньков равной весу конькобежца, тогда Fтр =µ mg. Например: m = 80 кг; g=9.81 м/с2; µ — в лучшем случае 0,004, тогда Fтр = 0,004 * 80 * 9,81 = 3,14 Н, в худшем случаеµ =0,02, тогда Fтр = 0,02 * 80 * 9,81 = 15,7 Н.
На скорости 13 м/с мощность силы трения составит 40 — 200 Вт.
Сила инерции при стартовом разбеге. На первых 30м разбега имеется ускорение. Например: время пробегания со старта 30м составило 4,8с, масса конькобежца (m) 80кг
А = 3120Дж
N = A/t = 650Вт.
Энерготраты на перемещение ЦМ конькобежца в каждом беговом шаге. При выполнении отталкивания тело конькобежца получает ускорение, приобретает дополнительную кинетическую энергию
Затем при выполнении скольжения и одноопорного отталкивания ОЦМК будет тормозиться под действием сил сопротивления воздуха и трения — скольжения.
Для скорости 12м/с энергозатраты на преодоление веса тела, силы трения, функционирование внутренних органов составляют 37 % (2,8 л/мин), а на ускорение ОЦМК и преодоление сопротивления воздуха — 63 % (4,8 л/мин), от общего запроса кислорода.
На основе вычисления механической величины мощности на преодоление внешних сил и метаболических энергозатрат была выполнена оценка коэффициента механической эффективности (КМЭ) бега на коньках. Она составила 9 % и не изменялась в диапазоне изменения скорости бега от 6 до 12 м/с.
КМЭ, для случая, когда учитывается еще механическая мощность, затраченная на ускорение ОЦМК в каждом шаге, КПД= 25,5 %. Полученная величина КМЭ близка к оценкам КМЭ при педалировании на велоэргометре, что свидетельствует о низкой эффективности использования механизма накопления энергии упругой деформации мышц при беге на коньках без подседания.
Биологические закономерности, определяющие особенности техники бега на коньках. Если следовать законам механики, то наибольшая эффективность будет тогда, когда конькобежец будет отталкиваться назад, как легкоатлет. Именно так и бегут конькобежцы на первых метрах после старта, однако с увеличением скорости бега до 10–14 м/с конькобежец не может более поддерживать такую скорость, отталкиваясь назад. Связано это с особенностями строения скелетно-мышечного аппарата и закономерностями биомеханики мышечного сокращения.
.Техника и особенности строения опорно — двигательного и нервно — мышечного аппарата
Строение опорно — двигательного аппарата определяет условия функционирования мышц. Результирующее силовое действие мышц на опору определяется процессами возникновения и регулирования тянущих сил в самой мышце, а также особенностями расположения мышц на опорном аппарате, массой мышц и геометрией прикрепления их сухожилий к костям.
Действительно в беге на коньках имеется исключительная возможность, когда 500 м могут бежать быстро как люди одаренные от природы «быстрым» нервно — мышечным аппаратом, так и " медленным«. Одинаковых результат такие спортсмены могут показывать за счет преимущества либо в силе , либо в длине ног . Если спортсмен медленный , то он должен превосходить своих более одаренных соперников в максимальной силе . В этом случае техника бега должна существенно различаться, поскольку согласно законам Хилла (сила — скорость), у медленного спортсмена максимальная мощность должна наблюдаться при меньших скоростях мышечного сокращения, поэтому медленный спортсмен должен в меньшей степени разворачивать коньки, стремиться к увеличению относительной длительности фазы двухопорного скольжения, т. е. за счет уменьшения скорости разгибания ноги добиться максимальной мощности сокращения мышц. Быстрый конькобежец , имеющий низкий уровень силовой подготовленности (Ро) сможет показать хороший результат лишь за счет увеличения частоты шагов, компенсируя недостаток в силе отталкивания более частым ее приложением. Другими словами, N = A*f = Fср * S * f поддерживать мощность можно либо за счет большой силы (Fср) и пути приложения (S), либо при той же силе и меньшем пути ее приложения за счет большой частоты (f .). Однако второй вариант техники не выгоден в беге на 1000 м, где надо экономить «силы», поэтому на этой дистанции чистые спринтера часто проигрывают многоборцам.
В исключительно выгодных условиях при беге на коньках находятся длинноногие спортсмены. Известно, что при увеличении угла в коленном суставе сила разгибания ноги увеличивается, так, если (у спортсмена А) при угле в коленном суставе 90° сила равна 100 кГс, то при угле 130° она будет равна 380 кГс, т. е. в 3 раза больше. Поэтому в высокой посадке сидеть легче, требуется меньшая степень активации мышц, соответственно будут меньше и метаболические энерготраты. Однако увеличение высоты посадки уменьшает путь приложения силы, поэтому каждый спортсмен выбирает ту высоту посадки, которая соответствует его функциональным возможностям. Если два спортсмена сидят в одинаковой посадке (углы в коленных суставах равны), то преимущество будет иметь конькобежец с большей длиной ног, поскольку путь приложения силы у него будет больше.
Основные биомеханизмы повышения эффективности бега на коньках. Сила, скорость и экономичность спортивных движений зависят от того в какой степени спортсмену удается использовать упругие компоненты мышц. Известно, что деформированное внешней силой тело способно накапливать энергию в виде энергии упругой деформации, которая, освобождаясь, совершает работу. Большинству спортивных движений (типа отталкивания) предшествуют движения в направлении, противоположном основному (приседания, махи и пр.). Предварительные движения вызывают растягивание активных мышц, накоплению в них энергии упругой деформации, используемой в основном движении. В мышечных и сухожильных структурах может накапливаться довольно значительное количество энергии упругой деформации. Чем больше выход такой неметаболической энергии в общую величину затрат энергии, тем более экономично выполняются движения. Экономия метаболической энергии обусловлена тем, что при выполнении уступающей работы запрос кислорода мышцей в 10 раз меньше в сравнении с преодолевающим режимом сокращения.
В качестве примера можно привести результаты, полученные при имитации бега на коньках на посыпанной графитом доске. Была получена зависимость между углом в коленном суставе и коэффициентом эффективности механической работы (КМЭ=КПД), чем больше амплитуда подседа (группировки) перед отталкиванием, тем, видимо, в большей мере накапливается энергия упругой деформации, увеличивается КМЭ от 10 до 37 % .
В реальных условиях бега на льду, энергия упругой деформации мышц разгибателей коленного сустава может быть накоплена в результате использования следующих основных биомеханизмов:
1.Подседания на опорно-толчковой ноге (группировка).
2.Ускорение маховых звеньев.
3.Торможение поперечного смещения ОЦМК в фазе одноопорного отталкивания.
При беге по прямой на стайерских дистанциях (5000, 10000 м), когда руки заложены за спину, а мах ногой выполняется не с максимальной интенсивностью, основным способом эффективного использования энергии упругой деформации является подседание на опорно-толчковой ноге. При подседании ОЦМК приобретает под действием сил тяжести вертикальное ускорение направленное вниз, поэтому при последующем торможении мышцам ноги требуется не только преодолеть силу тяжести, но и инертную силу, которая в среднем будет пропорциональна количеству движения, приобретенного ОЦМК за время подседа, и обратно пропорциональна времени, за которое спортсмен будет изменять направление движения ОЦМК. Напомним, что дополнительная инерционная сила может появиться при совмещении подседа с изменением кривизны траектории следа конька, тогда ОЦМК будет ускоряться под действием сил тяжести и центробежных сил.
Пути повышения эффективности техники. Технику бега на коньках можно оценить в показателях рациональности, эффективности и экономичности. Эффективностью владения спортивной техникой называют степень близости ее к наиболее рациональному варианту. Поэтому прежде определим основные показатели рациональности технических действий, которые позволяют достигать конькобежцам высших спортивных достижений. Первым показателем рациональности техники является темп бега. Снижение темпа уменьшает энергозатраты на ускорение ОЦМК, и увеличивает долю их на преодоление внешних сил, т. е. увеличивается скорость бега при заданных функциональных возможностях. Снизить темп можно разными способами: увеличить продолжительность свободного скольжения или время отталкивания в двухопорном положении. Ясно, что первый путь не может увеличить эффективность техники, а вот второй путь несомненно выгоден. Продолжительность отталкивания в двухопорной фазе определяется глубиной посадки (увеличивается смещение туловища при разгибании ноги), углами разворота коньков (шириной елочки). Последнее время большинство тренеров и конькобежцев стремятся к минимизации ширины елочки, стараясь отталкиваться «главным образом вперед». Отталкнуться «главным образом вперед» невозможно, однако, осмысленное использование механических закономерностей двухопорного отталкивания необходимо. Это связано с возможностью регулирования продолжительности отталкивания (углы разворота коньков опорной и толчковой ног), т. е. увеличения относительной продолжительности двухопорного отталкивания, и, как следствие, уменьшения средней силы отталкивания (работа выполняется та же, но с меньшей силой на большем пути), что снижает возможность локального утомления мышц. Увеличить продолжительность фазы двухопорного отталкивания можно на любой дистанции и яркий пример такой техники демонстрировал Э. Хайден. Эффективность техники — это характеристика не того или иного варианта техники, а качество владения техникой. Например, спортсмен бежит стайерскую дистанцию с узкой елочкой следов за счет частого переступания с ноги на ногу (темп 65–75 шагов на круг, время круга 40 сек.), в этом случае техника бега явно нерациональная, поскольку спортсмен не владеет техникой двухопорного отталкивания; если же в движениях спортсмена мы обнаруживаем все признаки рациональной техники, но бежит он в высокой посадке, то о такой техника можно сказать, что она является рациональной и эффективной в рамках данного уровня физических качеств конькобежца. Последний пример мы обычно имеем ввиду при сравнении квалифицированных конькобежцев мужчин и женщин, которые примерно в равной степени владеют техникой, но значительно различаются по уровню физической подготовленности.
Заключение
Методология биомеханического анализа двигательных действий позволяет раскрывать биомеханизмы спортивной техники, определять рациональные и эффективные пути ее изменения, адаптации к индивидуальным особенностям спортсменов (соматическим, степени развития отдельных мышечных групп, функциональных возможностей мышц, сердечно-сосудистой и дыхательной систем).
Литература
1.Биомеханические закономерности взаимодействия бегуна с опорой / Селуянов В. H., Бришь П., Райцин Л. М., Мякинченко Е. Б. / Физиологические, биохимические и биомеханические факторы, лимитирующие спортивную работоспособность. — II часть. — М.: РИО ГЦОЛИФК, 1990. — С. 36–40.
2. Волков Н. И., Савельев И. А, Селуянов В. Н., Циркова Л. Г. Связь массы и силы ног с порогом анаэробного обмена.// Велосипедный спорт. М.:Физкультура и спорт.1983. С. 43 45.
3. Воронов А. В., Селуянов В. Н., Райцин Л. М., Андрюнин М. А., Чугунова Л. Г. Определение механической эффективности имитации и энергостоимости посадки конькобежцев. // Факторы, лимитирующие повышение спортивной работоспособности у спортсменов высшей квалификации. — М.: ГЦОЛИФК, 1985. — С. 49–53.
4. Максимальная алактатная мощность как фактор, определяющий результат в беге на 500 м у конькобежцев./ Безденежных А. И., Воронов А. И., Савельев И. А., Селуянов В. Н., Чугунова Л. Г. Конькобежный спорт, 1984. С.52 53.
5.Пути повышения экономичности бега на средние дистанции / Селуянов В. H., Мякинченко Е. Б., Бикбаев И. З., Козьмин Р. К., Прилуцкий Б. И., Цирков В. H. // Теория и практика физической культуры. — 1989. — N11. — C. 47–49.
6.Селуянов В. Н., Аиед Берхаим. Биомеханизм как основа развития теоретической биомеханики двигательной деятельности человека: Учебное пособие. — М.: Принт Центр, 1997. — 82 с.
7.Селуянов В. Н., Андрюнин М. А.: Биомеханические аспекты энергетики спортивных движений.//Сборник научных работ. — М.: ГЦОЛИФК, 1984. — С. 98–108.
