Опрос

Какие рубрики вам наиболее интересны?

View Results

Loading ... Loading ...

Наши партнеры

  • .

Последние комментарии

БИОМЕХАНИКА ЧЕТВЕРНОГО САЛЬХОВА

Опубликовал Сергей 10 января 2011 в рубрике Спорт.

История коньков в России началась с Петра I, который привез «голландскую потеху» и распространил среди своих царедворцев. Кем он был больше в современном понимании — фигуристом или конькобежцем — сказать трудно, но, как гласит легенда, именно ему первому пришла в голову мысль жестко прикрепить коньки к обуви.

«Лучший конькобежец по искусству» — так звучал титул победителя первых соревнований по фигурному катанию, проводившихся в Голландии полтора столетия назад. Сейчас многие готовы спорить, спорт это или искусство. Наверное, и то, и другое одновременно, но, прежде всего — искусство управлять своим телом, подчиняясь физическим законам и используя эти законы самым наилучшим образом. Что может дать фигуристам знание биомеханики в будущем?

БИОМЕХАНИКА - НАУКА СЛОЖНАЯ

Конечно, учесть все параметры, которые влияют на строение, развитие и деятельность двигательного аппарата человека и его индивидуальные способности, невозможно из-за их бесконечно большого множества. Но попытаться это сделать в рамках спортивной биомеханики — необходимо для совершенствования технического мастерства исполнения спортивных упражнений.

Однако приходится признать, что как наука она находится на начальной эмпирической стадии своего развития. Это, в основном, наблюдения определенного числа экспериментов, обработка опытных данных и попытка все это обобщить и систематизировать. Такие качественные представления не позволяют, например, проникнуть в сущность быстро происходящих двигательных действий спортсмена, тем более в таком сложном виде спорта, как фигурное катание, где большинство элементов выполняются на очень высокой скорости. Количественно не обоснованные законами механики результаты не дают полного представления о том, как все-таки эффективнее совершенствовать технику исполнения двигательных действий. Не хватает строгих математических обобщений. А как раз теория и могла бы стать средством вскрытия резервов и предсказания путей развития различных видов спорта.

На чем основывается теоретическая (количественная) спортивная биомеханика? Во-первых, на механическом моделировании спортсмена — построении антропоморфных (человекоподобные) механизмов (AM). Затем, на их основе необходимо математическое моделирование исполнения двигательных действий спортсмена. И наконец, параметрические исследования механико-математических моделей спортсмена и его двигательных действий.

Построение универсального AM не требует привязки к исполнению специализированных спортивных упражнений. Число звеньев универсального AM определяется числом суставов у человека, которые моделируются соответствующими шарнирами. Все звенья, кроме туловища, моделируются абсолютно твердыми телами. Туловище человека может изгибаться и закручиваться, поэтому моделируется деформируемым твердым телом. Если же речь идет о конкретном физическом упражнении, то число звеньев AM для решения поставленной задачи значительно сокращается.

К сожалению, математическое моделирование действий спортсмена на основе универсального AM неоправданно приводит к большим, а иногда непреодолимым трудностям. Построение же AM, адекватных задачам изучения исполнения конкретных физических упражнений, по силам только спортсмену, обладающему высоким техническим мастерством или (но в меньшей степени) его тренеру. Как выясняется, специалист в области механического моделирования физических явлений, но не спортсмен высокой квалификации, построить такие AM практически не может.

Как соединить знания, достаточные для математического моделирования?

Проблема решается, если спортсмен является мастером высокого класса и одновременно специалистом в этой области. Это явление возможное, но весьма редкое.

Построение математических моделей, соответствующих двигательным действиям спортсмена, приводит к записи дифференциальных уравнений динамики движения AM. Если они получаются линейными, то необходимо выбрать из известных численный метод решения. Затем построить алгоритм параметрических исследований и добиться устойчивости счета при решении компьютерных задач. Если дифференциальные уравнения нелинейные, то, как правило, необходимо построение нового численного метода и алгоритма решения нелинейных дифференциальных уравнений, а это уже — фундаментальная проблема. Более того, параметрические исследования математических моделей исполнения физических упражнений с помощью компьютера требуют специалиста-программиста в области численных методов решения дифференциальных уравнений.

Итак, чтобы построить фундаментальную теорию спортивной биомеханики, нужен коллективный, многолетний творческий труд различных специалистов. А результаты такого труда ожидаются не только в спорте. Они необходимы, например, для развития робототехники и т.п.

БУДЕМ ПРОЩЕ

Однако возможно построение и приближенной теории спортивной биомеханики. Каким образом?

1. Будем рассматривать, и моделировать только те физические упражнения, по которым главным образом судят о техническом мастерстве спортсмена. В одиночном фигурном катании — это многооборотные прыжки.

2. Использовать по возможности простые AM. Например, для моделирования прыжков в одиночном фигурном катании на коньках оказалось достаточно построение пятизвенных AM: туловище, жестко связанное с головой, две руки и две ноги, шарнирно связанные с туловищем.

3. Математические модели двигательных действий с использованием AM будем строить на основе теорем и законов теоретической механики.

4. Моделирование механики движений исключим, а рассмотрим характерные положения спортсмена. Это позволит избежать дифференциальной формы математических моделей и построить их в виде многопараметрических формул.

Используя эти положения, уже удалось получить зависимости скоростей вращения фигуриста в полете при исполнении всех известных прыжков от антропометрических параметров спортсмена и динамических параметров его двигательных действий при создании начального вращения до отрыва ото льда и в начальный момент свободного полета. Проще говоря, чтобы добиться успеха, спортсмен (и его тренер, конечно) должен обратить внимание на... геометрию собственного тела. Ведь фигуристы обычно встают на лед в 4 — 5 лет, и ко времени спортивного расцвета (18 — 20 лет) их тело успевает измениться, и даже не один раз, особенно у женщин. Спортсмены, используя полученные формулы, могут самостоятельно по своим антропометрическим параметрам определить для себя приоритетность исполнения известных прыжков, чтобы достичь наибольшей скорости вращения в полете и, следовательно, увеличить число оборотов в прыжках. Формулы вскрывают резервы увеличения многооборотности прыжков и объясняют скрытые от наблюдений причины их срыва и падений фигуристов.

КАК НЕ СОРВАТЬ САЛЬХОВ

Все прыжки в фигурном катании отличаются один от другого в основном способами отталкивания. Прыжки бывают реберные и носковые. В первом случае толчковую ногу фигурист ставит на лед ребром конька, а во втором — на зубцы. Толчок в реберных прыжках совершается одной ногой, в носковых — двумя. Аксель, сальхов, риттбергер (или петля) относятся к реберным прыжкам, а флип, лутц, тулуп — к носковым. Например, при исполнении прыжка сальхов (рис. 1) начальное вращение создается главным образом скольжением по дуге.

Фигурист перемещается по прямой и набирает скорость. Затем на одной ноге скользит по спирали с уменьшением радиуса дуги и увеличением угловой скорости ы вокруг воображаемой оси Ох. При отрыве ото льда движение фигуриста преобразуется во вращательное вокруг его продольной оси. Динамику преобразования прямолинейного движения фигуриста во вращательное в полете рассматривать не будем. Обратим внимание на характерное положение фигуриста перед отрывом ото льда. Будем считать, что в этот момент фигурист скользит по дуге окружности. Фигуриста моделируем предельно просто — однородным стержнем.

На рис.2 (а, б, в) изображен однородный стержень, различным образом вращающийся вокруг воображаемой оси Ох. А — точка опоры фигуриста о лед. Р — вес фигуриста, сила которого приложена в общем центре его тяжести. Эпюрами изображены силы инерции, действующие на фигуриста во время его вращения вокруг оси Ох. На рис. 2а движение стержня вокруг оси Ох равновесное, т.к. сила веса Р фигуриста и силы его инерции создают относительно точки А его опоры уравновешивающиеся моменты. Положение фигуриста устойчивое. На рис. 2в удержать движение стержня АВ вокруг оси Ох может только тяга ВД, если материализовать ось вращения.


Ox, т.к. сила веса Р фигуриста и его силы инерции действуют в одну сторону и стремятся «уложить» стержень на поверхность его опоры. Следовательно, существует неустойчивое положение стержня АВ.

Расчеты показывают, что устойчивость обеспечивается пока воображаемая ось Ох вращения отсекает от точки В стержня часть его длины, не превосходящую 1 /3 общей длины. Иначе стер- женьдолжен упасть на поверхность точки опоры. Очевидно, что основной способ создания начального вращения — скольжение по дуге — при исполнении прыжка сальхов ограничен возможностями увеличения его многооборотно- сти. Даже у фигуристов высочайшего класса при исполнении сальхова можно наблюдать срыв. Другим же удается без срыва исполнять этот прыжок в четыре оборота. Если внимательно присмотреться, то в последнем случае можно понять, что начальное вращение создается вспомогательным способом — способом закручивания тела.

Без механико-математического, пусть даже почти примитивного, моделирования установить причину срыва прыжка сальхов только с помощью наблюдений принципиально невозможно, т.к. ось вращения Ох воображаемая. Наблюдать силу веса и силы инерции невозможно. Кстати, модели позволяют ответить и на вопрос, почему срыв исполнения прыжка сальхов не сопровождается, как правило, падением фигуриста.

СПОРТ ИЛИ ИСКУССТВО? НАУКА!

Многочисленные ускорения и замедления, наклоны и вращения, сложность сохранения равновесия на малой площади опоры—все это можно найти в фигурном катании. Многообразие форм движений на льду развивает вестибулярный аппарат, координацию движений, гибкость и ловкость, статическую и динамическую силы, а также точность глазомера и слух — то что, собственно, и называют «чувством льда». Спортсмены высокого уровня начинают выполнять многие движения автоматически — они способны почти мгновенно реагировать на ледовые ситуации, не думая о трудностях, благодаря чему им удается сделать свои выступления более эмоциональными. У фигуристов хорошие возможности выступать и в других видах спорта.

Известно, например, что первый русский олимпийский чемпион по фигурному катанию Николай Панин-Коломенкин был блестящим стрелком и успешно выступал в этом виде спорта.

После отмены «школы» (исполнение обязательных фигур, требующее особой пунктуальности) в фигурном катании остались люди более артистичные, смелые и готовые к риску, которым удается овладеть искусством управления движениями в процессе скольжения, а в этом основная трудность современного фигурного катания. Более тридцати лет назад стал всерьез заниматься биомеханикой фигурного катания ныне известный тренер А.Н. Мишин. Он—автор учебников, а также изобретатель механизмов, помогающих освоить сложнейшие элементы фигурного катания на коньках.

При скольжении на плоскости конька увеличивается площадь опоры, уменьшается удельное давление, что приводит к ухудшению скольжения по льду, т.к. увеличивается сила трения. Поэтому качество скольжения определяется тем, как скользит спортсмен на внешнем и внутреннем ребре конька.

Естественно, такое скольжение выполняется только при движении по кривой, поэтому показателем мастерства катания считается крутизна дуг. Она создает дополнительную возможность для увеличения скорости движения.

Скольжение по дуге определяется скоростью, ускорением, радиусом дуги скольжения, силами инерции, трения, давлением конька на лед и т.п. Рассматривая тело фигуриста как физический объект и анализируя равновесие сил и моментов, можно определить зависимость величины давления конька на лед от массы тела фигуриста, скорости, радиуса дуги скольжения и угла наклона продольной оси тела фигуриста.

Чтобы твердо стоять, в том числе и на льду, нужно соблюдать закон равновесия: вертикальная проекция центра тяжести должна находиться внутри площади опоры. При скольжении центр тяжести фигуриста перемещается и выходит за пределы площади опоры. Чтобы не упасть, ему приходится переступать и балансировать на ребрах конька.

Чем выше центр тяжести, тем труднее сохранять равновесие. Вот почему многие фигуристы, добившиеся больших успехов, невысокого роста.

В фигурном катании наиболее характерны движения, связанные с вращением всего тела вокруг продольной оси. Во вращениях и комбинациях вращений число оборотов достигает нескольких десятков, а скорость — около 2 об/с. В прыжках скорость безопорного вращения достигает 4,5 об/с. и даже выше.

Зависимость между угловой и линейной скоростями точки тела определяется как V-wR, где R—расстояние от оси вращения. Мера инертности тела при поступательном движении — его масса. При вращательном движении очень важно распределение массы тела относительно оси вращения: удаление от оси вращения увеличивает инертность тела, а приближение—уменьшает.

Согласно закону сохранения углового момента (момент инерции), чтобы увеличить или уменьшить скорость вращения, нужно, соответственно, сгруппироваться или разгруппироваться. При этом возникают силы инерции Кориолиса, которые ускоряют или замедляют вращение тела. Когда фигурист выполняет пируэт, мы видим два движения: вращение тела и движение рук и свободной ноги вдоль радиуса к оси или от нее. Когда руки подтягиваются к оси вращения, линейные скорости их частей становятся меньше — звенья тела приобретают отрицательное Кориолисово ускорение, направленное против вращения. Т.к. всякая сила инерции направлена в сторону, противоположную ускорению, то силы Кориолиса будут направлены по ходу вращения и, тем самым, будут увеличивать угловую скорость тела.

В фигурном катании активно работают все основные группы мышц. Значительная нагрузка на ноги, но мышцы рук и туловище тоже выполняют большую работу. Но важнейшее качество фигуриста — прыгучесть, ведь прыжки — основной элемент программ одиночного катания: у мужчин количество прыжковых элементов составляет 88% а у женщин — 82% всех элементов, растет число оборотов в прыжках и их высота (до 0,6 м), увеличивается скорость, которая может достигать 8 м/с.

В прыжках, при разгибании толчковой ноги и выполнении маховых движений в толчке, часть энергии скольжения преобразуется в энергию вращательного движения вокруг продольной оси, сообщая телу движение вперед и вверх. Фигуристы сначала отрабатывают исполнение прыжков вне льда, но на льду, порой, все происходит иначе.

Тело фигуриста разгоняется до высокой скорости за доли секунды, даже по самым грубым оценкам с ускорением. большим того, что получают лучшие прыгуны в высоту, большим, чем при разбеге самолета. Перегрузки, которые испытывают фигуристы, можно ощутить, просматривая замедленную съемку. Они отражаются в буквальном смысле на лицах спортсменов. Мощность же прыжка при длительности толчка примерно 0,2 с и массе фигуриста около 60 кг составляет не менее четырех лошадиных сил (3 кВт).

Чтобы взмыть вверх, фигуристу нужно хорошо разбежаться и перевести горизонтальную составляющую набранной при разбеге скорости (она перед прыжком может достигать более 7 м/с) в вертикальную — около 5 м/с. В прыжках движение тела можно условно разделить на поступательное и вращательное, хотя они оба тесно связаны. Поступательное движение в прыжке сродни движению тела, брошенного под углом к горизонту. Поэтому максимальная высота и дальность прыжка зависят от начальных параметров движения общего центра тяжести тела фигуриста. Траектория движения в прыжке — парабола. Но не все так просто, как кажется на первый взгляд...

Читайте также:

ГРУППА КРОВИ НА ШЛЕМЕ
ISPO — ПАРАД СПОРТИВНЫХ ИННОВАЦИЙ


Написать комментарий

RSS

rss Подпишитесь на RSS для получения обновлений.