ГЛАВА 4. БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДВИГАТЕЛЬНЫХ КАЧЕСТВ

Нет ничего практичнее хорошей теории.

К. Больцман

Citius, altius, fortius!

Для того чтобы повысить выносливость, быстроту, гибкость, ловкость и силу, недостаточно регистрировать внешние показатели. Нужно постараться понять суть жизненных процессов, обеспечивающих каждое двигательное качество.

БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫНОСЛИВОСТИ

Начнем рассмотрение этого вопроса на примере бега. Ясно, что, чем больше расстояние, тем больше времени нужно на его преодоление. Построим график, связывающий дистанцию со временем ее пробегания (рис. 49). Соединим точки на графике и продолжим полученную линию влево до пересечения с вертикальной осью, отсекая от вертикальной оси отрезок а. Математическая запись этого графика выглядит так:

где а — дистанция анаэробных р е з е р в о в, показывающая, какое расстояние человек может пробежать за счет анаэробных (бескислородных) источников энергии.

Рис. 49. Графический метод расчета дистанции анаэробных резервов и критической скорости бега

Рис. 50. Основные факторы, от которых зависит выносливость человека; условные обозначения: 0₂, L, F — емкость и мощность окислительной, лактацидной и фосфагенной энергетических систем (о которых подробнее говорится в курсах физиологии и биохимии)

У взрослого, хорошо тренированного человека это расстояние составляет (в среднем) 100—200 м и зависит от емкости анаэробных энергетических систем. У ребенка дистанция анаэробных резервов значительно меньше; с возрастом и по мере повышения физической работоспособности она увеличивается; b — критическая скорость бега, при которой достигается уровень максимального потребления кислорода (см. рис. 49):

Чем выше физическая работоспособность человека, тем больше критическая скорость.

Выносливость зависит не только от энергетического потенциала человека, но и от умения экономно расходовать запас энергии (рис. 50). Для того чтобы это важное положение лучше запомнилось, воспользуемся простыми житейскими аналогиями. Энергетический потенциал сравним с имеющейся в наличии суммой денег, а экономичность — с бережливостью. Здесь важно подчеркнуть: именно с бережливостью, а не со скупостью. Ибо значительные затраты порой необходимы, но их следует осуществлять рационально. Например, человек, который во время бега хаотично или поперек беговой дорожки размахивает руками, тратит энергию неразумно.

В спорте высших достижений, где энергетические возможности спортсменов близки друг другу, экономичность даже более важна, чем энергетический потенциал. Так, из членов национальной сборной команды по бегу на длинные дистанции были отобраны 12 спортсменов с равным уровнем максимального потребления кислорода. У всех спортсменов в лабораторных условиях определили потребление кислорода во время бега на тредбане со стандартной скоростью 4,5 м/с. Затем полученные данные сравнили с результатами этих же спортсменов на соревнованиях (рис. 51). Как видно, лучшее время показали те, кто использовал меньше кислорода, т. е. затратил меньше энергии на метр пути.

Прежде чем перейти к рассмотрению путей экономизации движений и тем самым повышения выносливости, нужно уяснить, от чего зависит экономичность. Поверхностный ответ на этот вопрос содержится на рис. 50. Основными

факторами экономичности являются интенсивность мышечной работы, техника двигательных действий и избранный тактический вариант. Для более подробного анализа проследим цепь преобразований метаболической энергии мышечного сокращения в полезный результат двигательной деятельности (рис. 52).

Как известно, любая форма активности живого организма обеспечивается энергией, запасенной в молекулах аденозинтрифосфата (АТФ). Но лишь около 25% энергии АТФ переходит в механическую при мышечном сокращении. Остальные 75% энергетического запаса расходуются на теплообразование и т. п., не увеличивая полной механической энергии (Происходящие при этом процессы чрезвычайно сложны, во многом еще не познаны и в настоящее время изучаются на клеточном и молекулярном уровне специалистами по физиологии и биохимии). Таким образом, по коэффициенту полезного действия мышцы не лучше машин, созданных человеком (известно, что КПД двигателя составляет у паровоза 5—8%, у автомобиля 20—25%, у тепловоза 40%, у электровоза 60%).

Полная механическая энергия создается за счет механической работы, совершаемой всеми без исключения мышцами тела. Ее удобно рассматривать как сумму явной, или наблюдаемой, механической работы и скрытой от нашего взгляда работы внутренних органов (сердца, дыхательной мускулатуры, а также мышц-антагонистов в тех случаях, когда их напряжение чрезмерно, нерационально).

Явная механическая работа состоит из внутренней и внешней работы. Внутренней называют работу, совершаемую при перемещении отдельных сегментов тела (в первую очередь рук и ног) относительно общего центра масс (ОЦМ). А внешней — работу по перемещению всего тела, масса которого как бы сосредоточена в точке ОЦМ. На внутреннюю работу приходится значительная часть расходуемой энергии; например, на перемещение ног у велосипедиста затрачивается более половины явной механической работы.

И наконец, внешняя механическая работа состоит из продольной работы, за счет которой движущийся человек или спортивный снаряд перемещается в нужном направлении, и непроизводительной поперечной работы.

Задания для самоконтроля и закрепления знаний

Для нескольких видов двигательной деятельности подробно расскажите о том, какое конкретное содержание заключено в терминах: внутренняя работа, работа в продольном и поперечном направлении. Например, у бегуна:

— внутренняя работа обеспечивает перемещение ног и рук относительно общего центра масс;

— работа в поперечном направлении приводит к перемещению тела вверх-вниз и влево-вправо;

— работа в продольном направлении выполняется против силы сопротивления воздуха и против сил инерции ускоряемых и тормозимых звеньев тела.

Теперь мы знаем, что полная механическая энергия человеческого тела состоит из фракций, часть из которых обеспечивает выполнение полезной работы, а другая часть бесполезна, непроизводительна и ее следует по возможности уменьшать. В соответствии с этим рекомендации, направленные на повышение выносливости, можно условно разделить на пять групп.

Во-первых, рекомендуется избегать излишних, непроизводительных мышечных сокращений и напряжений.

Тем самым уменьшается работа внутренних органов (см. рис. 52).

Даже при выполнении тяжелой работы движения должны быть возможно более свободными, незакрепощенными. Скованность движений вызывается излишней активностью мышц-антагонистов. К сожалению, ее не всегда заметишь со стороны, и потому педагог должен развивать у учеников умение контролировать свои движения, расслабляться.

Упражнение для закрепления знаний

Разогните руку в локтевом суставе дважды: первый раз предельно расслабленно, второй раз предельно напряженно, но так, чтобы угловая скорость предплечья во второй раз была такой же, как и в первый. Вы видите, что кинематика (т. е. внешняя картина двигательного действия) в обоих случаях одинакова. Так происходит потому, что и в том и в другом случае момент сил разгибателей предплечья больше момента сил сгибателей на одну и ту же величину. Но заметьте, что силы тяги мышц (а значит, и расходуемая энергия) во втором случае во много раз больше, чем в первом.

Не случайно во многих видах спорта (например, в плавании, горных лыжах и т. п.) умение расслаблять мышцы, которые в данный момент времени могут не участвовать в выполнении основного двигательного действия, является признаком высшего мастерства.

Во-вторых, следует уменьшать лишние, непроизводительные движения.

Тем самым уменьшаются внутренняя работа и работа в поперечном направлении (см. рис. 52).

С точки зрения экономичности избыточные, расхлябанные движения не менее вредны, чем скованные, закрепощенные. Мы редко придаем значения непроизводительным движениям, поскольку каждое из них в отдельности требует небольших энергозатрат. Но, как говорится, вода по капле камень точит. Приведем пример.

Идущий по дороге взрослый человек в каждом шаге поднимает и опускает себя примерно на 6 см. Чтобы пройти, например, 8 км при длине шага 0,8 метра, нужно сделать 8000:0,8=10000 шагов. Помножив это число на высоту подъема в каждом шаге, получим общую высоту подъема, равную 10000X0,06 = 600 м, т. е. на 70 м выше Останкинской телевизионной башни в Москве. Мало кто согласится без лифта забраться на ее верхнюю площадку. А вот в обыденной жизни мы совершаем этот подъем ежедневно, а порой несколько раз в день.

Заметим, что у детей вертикальные перемещения тела при ходьбе, беге и других циклических локомоциях больше, чем у взрослых. Дети младшего школьного возраста в каждом шаге поднимают и опускают свое тело на 8— 12 см. И наоборот, по мере совершенствования двигательного навыка (например, у опытных спортсменов-ходоков) вертикальные колебания общего центра масс снижаются до 3 см. Но в отличие от других непроизводительных движений (неритмичного размахивания руками и т. п.) полностью устранять вертикальные перемещения ОЦМ, так как это затрудняет использование рекуперации энергии.

В-третьих, целесообразно использовать рекуперацию энергии. В том числе:

— выбирать наименее энергоемкое сочетание проявляемой силы и быстроты (например, длины и частоты шагов); этим уменьшается внутренняя работа (см. рис. 52), так как потенциальная энергия сегмента переходит в кинетическую, а кинетическая — в потенциальную при минимальном притоке дополнительной метаболической энергии (В главах 7 и 8 приведены конкретные сведения о наиболее экономичных сочетаниях длины и частоты шагов при ходьбе, беге и передвижении на лыжах);

— использовать энергию, переходящую от одного сегмента тела к другому (примеры: выхлест голени может выполняться за счет энергии, накопленной при махе бедром; при метании механическая энергия переходит от предварительно разогнанных проксимальных сегментов тела к дистальным и метаемому снаряду);

— использовать энергию упругой деформации, накопленную в мышцах в предыдущих фазах двигательного действия.

Второй из названных вариантов рекуперации энергии является причиной удивительных фактов повышения коэффициента механической эффективности (см. подпись к рис. 52) до 40% при беге человека и до 76% (!) при прыжках кенгуру. Кинетическая энергия движущегося тела при приземлении частично переходит в потенциальную энергию мышц нижних конечностей, которые в данном случае функционируют подобно пружинам. Чем сильнее сдавили пружину, тем мощнее она распрямляется. И потому значительная часть энергии, необходимой для следующего бегового шага или прыжка, запасается в «мышцах-пружинах» в конце предыдущего движения. Так однажды произведенная механическая энергия используется многократно.

Интересно, что в Бельгии среди подростков стали популярными «прыжки по-кенгуриному» на специальных башмаках, в подошвы которых вмонтированы массивные пружины. Но есть разница между рекуперацией энергии в стальной пружине и в мышце. Запасенная в мышце потенциальная энергия очень быстро (в течение 1—5 с) переходит в тепло. Следовательно, чем быстрее движение, выше скорость, стремительнее походка, тем больше рекуперируемой энергии переходит в полную механическую энергию.

Рекуперация энергии может иметь место не только в мышцах рук и ног, но и во всякой другой скелетной мышце и даже в мышцах внутренних органов (Так, согласно известному в кардиологии «закону Старлинга» ударный объем сердца тем больше, чем выше венозный приток крови и, следовательно, растяжение сердечной мышцы. Это, по существу, одно из проявлений механизма рекуперации энергии). Поэтому поток рекуперируемой энергии (см. пунктир на рис. 52) при высокой культуре движений может составлять значительную часть полной механической энергии и существенно повышать выносливость человека.

В-четвертых, рекомендуется выбирать оптимальную по экономичности интенсивность двигательной деятельности.

Известно, что по мере увеличения интенсивности мышечной работы и механические, и метаболические энергозатраты растут не пропорционально интенсивности, а гораздо значительнее (рис. 53). Перечислим основные причины этого явления:

1) увеличение тепловых потерь в результате нагревания тела;

2) увеличение энергозатрат на работу внутренних органов (в первую очередь на усиленное функционирование сердца, на кровоснабжение которого при тяжелой мышечной работе тратится до 10% всей циркулирующей крови);

3) увеличение темпа движений и вызываемое этим повышение затрат энергии на внутреннюю работу, работу в поперечном направлении, а также на разгон и торможение тела;

4) увеличение сопротивления внешней среды; например, на преодоление сопротивления воздуха спринтер затрачивает до 16% всей метаболической энергии.

Из сказанного, казалось бы, следует, что увеличение интенсивности движений всегда сопровождается снижением экономичности. Но иной результат получается, если рассматривать не величину энергозатрат в единицу времени, а энергетическую стоимость единицы выполненной работы или единицы преодоленного расстояния (метра пути). Оказывается, в каждой конкретной ситуации существует оптимальная по экономичности интенсивность мышечной работы (например, скорость передвижения, при которой энергозатраты на метр пути минимальны).

Это утверждение настолько важно, что его справедливость должна быть доказана. Установлено, что показанная на рис. 53 зависимость энергетических затрат (£) от скорости передвижения (и) выражается многочленом второй степени:

где Ё₀ — энергетические затраты в покое, b₁ и b₂ — коэффициенты регрессионного уравнения.

Разделив обе части уравнения на скорость, получим зависимость энергетической стоимости метра пути от скорости:

Графическое изображение полученной зависимости (рис. 54) ясно показывает, что при сложении гиперболы

(Ё₀/v) и линейного члена (b₂V) получается кривая с минимумом в точке наиболее экономичной скорости (V_o)(Для строгого доказательства существования наиболее экономичной скорости достаточно продифференцировать полученное выражение по v и убедиться в существовании экстремума типа минимума).

В-пятых, следует осуществлять оптимальные двигательные переключения.

К двигательным переключениям относятся:

1) изменение интенсивности мышечной работы (например, скорости передвижения);

2) изменение проявляемой в двигательном действии силы и скорости (например, длины и частоты шагов);

3) переход с одного способа выполнения двигательного задания на другой (например, круговое — импульсное педалирование, ходьба — бег, одновременный — попеременный лыжный ход и т. д.).

Двигательные переключения схожи с действиями шофера, который имеет возможность увеличить или уменьшить скорость нажатием на педали газа или тормоза, переключить скорость, на скользкой дороге надеть на колеса цепи.

Вопрос для самоконтроля знаний

Какой из названных выше разновидностей двигательных переключений аналогичен каждому из перечисленных способов изменения режима автомобильной езды?

В отличие от других рассмотренных способов повышения выносливости оптимальные двигательные переключения дают возможность не только экономично расходовать энергетический потенциал, но и наиболее полно его использовать. И то и другое необходимо для проявления присущей человеку выносливости. Вначале расскажем о двигательных переключениях, делающих двигательную деятельность наиболее экономичной, а затем о переключениях, максимизирующих механическую производительность.

Оптимальная по экономичности интенсивность двигательной деятельности (например, скорость передвижения) зависит от физической работоспособности человека и меняется при изменении внешних условий. Чем выше физическая работоспособность и комфортнее условия, тем выше наиболее экономичная скорость. Если человек хочет передвигаться с минимальными энергозатратами, он должен изменить («переключить») скорость в соответствии с меняющимися условиями и собственным состоянием. Например, повышение температуры воздуха от +20°С до +40°С снижает наиболее экономичную скорость бега на 20%. К такому же эффекту приводит груз, если его тяжесть составляет 15—20% от веса тела.

Возникает вопрос: как узнать, какая интенсивность движений в каждой конкретной ситуации является оптимальной? Точный ответ на этот вопрос получен лишь для некоторых видов двигательной деятельности и возрастных групп (см. в главах 7, 8). Но есть возможность находить наиболее экономичную интенсивность интуитивно. Теоретической основой такой возможности служит принцип минимума энергозатрат, согласно которому психически нормальное живое существо произвольно организует свою двигательную деятельность так, чтобы свести к минимуму затраты энергии.

Стремление живых существ экономить энергию естественно. Ведь жизнь вне цивилизации чаще всего протекает в условиях недостатка пищи. Разные виды животных приспособились к этим условиям по-разному: медведь впадает в зимнюю спячку, степные черепахи и суслики — жители пустынь, наоборот, засыпают на несколько месяцев в самое жаркое время года и т. д. И человек как биологический вид формировался в беспрестанной борьбе за энергию и, в частности, научился самостоятельно находить наиболее экономичный двигательный режим. Вспомните, что сильно утомляют не только чрезмерно интенсивные движения, но и недостаточно энергичные, например при

ожидании в очереди или во время экскурсии, где энергозатраты хотя и невелики, но не оптимальны по экономичности, так как скорость передвижения ниже оптимальной (см. рис. 54). В подобных случаях усталость наступает не только потому, что произведена определенная работа, а в основном как расплата за нарушение принципа минимума энергозатрат. Природа тотчас штрафует за несоблюдение ее законов (У детей реализация принципа минимума энергозатрат имеет свои особенности (см. в главе 5)).

Если условия, в которых протекает двигательная деятельность, не изменяются, а усталость не возникает или ее удается преодолеть, то наименьших энергозатрат требует мышечная работа, интенсивность которой неизменна. Именно поэтому спортсменам в циклических видах спорта до недавнего времени рекомендовали от старта до финиша поддерживать постоянную скорость.

Задание для закрепления знаний

Пользуясь графиком, изображенным на рис. 53, докажите, что прохождение дистанции с постоянной скоростью всегда более экономично, чем тактика переменной скорости (при той же величине средней скорости).

Но тактика постоянной скорости далеко не всегда обеспечивает наивысшую механическую производительность (например, наивысшую среднюю скорость и наилучший результат на дистанциях циклических видов спорта). Лишь при мышечной работе, длящейся более 5—7 мин, тактика постоянной скорости оптимальна и по экономичности, и по механической производительности (Согласно классификации В. С. Фарфеля физическая работа, предельная продолжительность которой превышает 5 мин, относится к зонам большой и умеренной относительной мощности. Здесь имеется в виду, что человек работает, как говорится, до отказа, т. е. заканчивает выполнение упражнений в состоянии изнеможения). При стремлении показать рекордный результат при менее продолжительном упражнении оптимальная «раскладка скорости» иная (рис. 55). Она характеризуется высокой стартовой скоростью и постепенным ее снижением по мере исчерпания запасов фосфагенной, а затем и лактацидной энергетических систем.

Справедливость сказанного доказана методом имитационного моделирования двигательной деятельности на ЭВМ. Но суть вопроса понятна и без моделирования. Представьте себе двух людей с одинаковой экономичностью движений и одинаковым энергетическим потенциалом.

Кто из них продемонстрирует более высокую выносливость? Или, другими словами, кто из них за одно и то же время выполнит больший объем работы или преодолеет большее расстояние? Очевидно, преимущество будет за тем, кто сумеет более полно исчерпать свои энергетические ресурсы. Затратив больше труда, он по закону сохранения энергии сможет выполнить больший объем работы. Заметьте, что согласно правилу обратимости двигательных заданий (см. в главе 3) победитель этого конкурса будет первым и в том случае, когда необходимо как можно быстрее выполнить определенный объем работы или преодолеть заданную дистанцию. А для более полного исчерпания энергетического потенциала необходимо с первых же секунд упражнения поставить энергетические системы в наиболее трудные условия, т. е. сделать механическую мощность как можно более высокой. Именно с этой целью график изменения скорости следует выбирать таким, как показано на рис. 55.

Даже при стремлении к наивысшей механической производительности (например, на спринтерских и средних дистанциях) не следует забывать об экономичности движений. Но в этом случае экономичность играет роль второго по значимости критерия оптимальности. Например, при любой, сколь угодно высокой скорости передвижения существует оптимальное по экономичности сочетание длины и частоты шагов, которое зависит от скорости. Оптимизируя технику двигательных действий в каждом шаге, можно сэкономить энергию и использовать ее для того, чтобы еще более повысить скорость.

В заключение рассказа о биомеханических основах выносливости два замечания.

Первое замечание. Все сказанное о способах повышения выносливости относится как к циклической, так и к ациклической двигательной деятельности. Примеры, относящиеся к бегу и другим циклическим локомоциям, приведены лишь потому, что они просты и понятны каждому.

Задание для самоконтроля и закрепления знаний

Сформулируйте практические советы человеку, занимающемуся вашим любимым видом спорта, в соответствии с приведенными выше пятью группами рекомендаций о том, как повысить выносливость.

Второе замечание. К биомеханическим способам повышения выносливости необходимо приобщать человека еще в школьном возрасте.

Ибо исправить технику двигательных действий гораздо труднее, чем сформировать ее с самого начала правильно. И не случайно столь распространены и живучи неправильная осанка, неестественно замедленная ходьба, а у спортсменов— непонимание необходимости оптимизировать энергозатраты, предрассудок о целесообразности равномерной раскладки скорости независимо от длины дистанции и т. п. Все эти несовершенства двигательной культуры могут быть исправлены только на основе знания и

повседневного использования биомеханических закономерностей.

Вопрос для самоконтроля знаний

Существуют два представления о выносливости. Их суть ясна из рис. 27 и 50. В чем основное различие между ними?