1. Основы эргометрии
Эргометрией - называется совокупность количественных методов измерения физической работоспособности человека.
Когда человек выполняет какое-либо достаточно длительное двигательное задание можно говорить о трех основными переменными:
1. Интенсивность выполняемого двигательного задания. Словами «интенсивность двигательного задания» обозначается одна из трех механических величин:
а) скорость спортсмена (например, в беге; единица измерения — м/с);
б) мощность (например, при педалировании на велоэргометре; единица измерения — ватты);
в) сила (например, при статическом удержании груза; единица измерения — ньютоны).
2. Объем выполненного двигательного задания. Этими словами обозначается одна из следующих трех механических величин:
а) пройденное расстояние (например, в беге; единица измерения—метры);
б) выполненная работа (в физическом смысле, например, при вращении педалей велоэргометра; единица измерения — джоули);
в) импульс силы(при статическом усилии; единица измерения—ньютон-секунды).
3. Время выполнения (единица измерения—секунды).
Показатели интенсивности, объема и времени выполнения двигательного задания называются эргометрическими показателями. Один из них всегда задается как параметр двигательного задания; два других — измеряются. Например, при беге на 5000 м дистанция задается заранее, а время бега и средняя скорость измеряются; при часовом беге задается время, а измеряются дистанция и скорость; при беге с заданной скоростью «до отказа» измеряются дистанция и время, скорость же определяется заранее и т. д.
В табл. 7 сведены воедино разные варианты измерения физической работоспособности человека.
Если величины времени, интенсивности и объема двигательных заданий соответствуют друг другу, то, как экспериментально показано, при разных вариантах заданий получаются совпадающие результаты. Например, если спортсмены пробегают дистанцию 3 км за 12,0 мин (средняя скорость ~ 4,1 м/с), то при задании пробежать наибольшую дистанцию за 12 мин (так называемый тест Купера) они пробегут тоже 3 км, а если им предложить бежать с постоянной скоростью 4,1 м/с, то они будут в состоянии поддерживать ее в среднем лишь 12 мин,(это для них предельная длительность данного двигательного задания — t m ; и пробегут за это время те же 3 км. Таким образом, конкретный вариант задания (что именно — дистанция, скорость или время — задается, а что измеряется) для эргометрических показателей не имеет значения. Поэтому результаты, полученные в заданиях одного типа (например, в беге с заданной скоростью), можно переносить на задания другого типа (например, бег на определенную дистанцию), если только задаваемые или регистрируемые значения времени, интенсивности и объема двигательных заданий совпадают. Это так называемое правило обратимости двигательных заданий.
Как уже говорилось, двигательные задания могут отличаться по задаваемым условиям (параметрам) выполнения. В видах спорта циклического характера параметром является длина дистанции (гораздо реже задается время работы — часовой бег, часовая езда на велосипеде и т. п.). В результате возникают три зависимости: дистанция — время,
скорость — время и дистанция — скорость. Наиболее интересны две первые из них. Их можно проанализировать на примере мировых рекордов.
Во всех видах спорта циклического характера v широком диапазоне дистанций связь между длиной дистанции и рекордным временем ( fc ) прямолинейна (рис. 55). Как известно, уравнение прямой линии имеет вид:
D = а + b * t m (1),
где D — дистанция (м), t m — время, а и b — коэффициенты. На графике а равно величине отрезка, отсекаемого на оси ординат (т. е. величине дистанции при t m =0), a b — тангенсу угла наклона «линии рекордов» к оси абсцисс. Чем большую работу выполнил спортсмен (например, чем большую дистанцию он преодолел), тем больше энергии он затратил. С точки зрения биомеханики (в частности, анализа затрат энергии) коэффициенты а и б в приведенном уравнении имеют четкий смысл:
а — величина дистанции, пройденная за счет запасов энергии, не восстанавливаемых по ходу выполнения двигательного задания;
b — максимальная скорость передвижения, которая может быть достигнута за счет энергии из источников, восстанавливаемых по ходу выполнения задания.
Из курсов биохимии и физиологии известно, что в организме человека есть два источника энергопродукции: анаэробный и аэробный. Наибольшая величина энергии, освобождаемой при мышечной работе, определяяется величинами:
а) максимального кислородного долга,
б) кислородной емкости, т. е. произведения времени работы ( t m ) на скорость потребления кислорода (л/мин).
Поскольку величины кислородного долга и текущего потребления кислорода характеризуют величину освобожденной энергии, можно записать:
Е = a 1 + b 1 * t m (2),
где Е — суммарная величина энергии, t m — предельная продолжительность работы, а, — анаэробная энергопродукция (калории или джоули), b 1 —скорость аэробной энергопродукции (кал/мин или ватты).
Видно, что уравнение (2) совпадает с уравнением (1). На основе этого принято считать, что коэффициент а в уравнении (1) отражает «дистанцию анаэробных резервов», а коэффициент b — скорость, при которой имеет место максимальное потребление кислорода (критическую скорость).
Значения дистанции анаэробных резервов и критической скорости в некоторых видах спорта циклического характера приведены в табл. 8.
Работа со скоростью ниже критической может продолжаться очень долго — часами. Превышение же этой скорости быстро приводит к снижению работоспособности.
Поскольку средняя скорость на определенной дистанции равна частному от деления длины дистанции ( D ) на время ( tm ), можно на основе уравнения (1) записать:
V = D / t m = a / t m + b (3).
Из уравнения (3) видно, что увеличение t m приводит к снижению v (и наоборот, вспомните правило обратимости двигательных заданий). Анализ параметрической зависимости «скорость — время» подтверждает это (рис. 56).
Проведенный выше анализ и уравнения (1), (2) и (3) справедливы лишь в принципе, в своих основных чертах. В действительности эти зависимости усложняются рядом дополнительных факторов (например, возможностью локального утомления отдельных мышечных групп, замедленностью развертывания аэробных процессов в начале мышечной работы, неодинаковой экономичностью мышечной работы разной продолжительности).
2. Утомление и его биомеханические проявления
Утомлением называется вызванное работой временное снижение работоспособности.
Существуют, как известно, несколько основных типов утомления: умственное, сенсорное, эмоциональное, физическое (вызванное мышечной деятельностью). В биомеханике рассматривается только физическое утомление.
Утомление при мышечной работе проходит через две фазы:
1) фазу компенсированного утомления — в ней, несмотря на возрастание затруднения, спортсмен сохраняет интенсивность выполнения
двигательного задания например, сжиристь плавании; на прежнем уровне;
2) фазу декомпенсированного утомления — в ней спортсмен, несмотря на все старания, не может сохранить необходимую интенсивность выполнения задания.
Утомление проявляется в специфических субъективных ощущениях, объективных физиологических и биохимических сдвигах (например, в уменьшении систолического выброса, сдвиге рН крови в кислую сторону). Проявляется оно очень заметно и в биомеханических (двигательных) показателях.
В фазе компенсированного утомления скорость передвижения (или другой показатель интенсивности двигательного задания) не снижается, но происходят изменения в технике движений. Снижение одних показателей компенсируется ростом других. Наиболее часто уменьшается длина «шагов», что компенсируется возросшей их частотой. Особенно четко эта закономерность проявляется при задании удерживать как можно дольше постоянную скорость передвижения (например, при плавании за механическим лидером или светолидером).
Под влиянием утомления снижаются скоростно-силовые показатели утомленных мышц. Такое снижение может до известной степени компенсироваться сознательным или бессознательным изменением техники движения.
Наблюдаемые в состоянии утомления изменения в технике движений имеют двоякую природу: изменения, вызванные утомлением, и приспособительные реакции, которые должны компенсировать эти изменения, а также снижение функциональных (в частности, скоростно-силовых) возможностей спортсмена.
В результате далеко не всегда ясно, полезным или вредным
является то или иное изменение в технике движений при утомлении (например, меньшее сгибание ноги в коленном суставе при беге: надо ли с ним бороться или именно такой вариант исполнения в утомленном состоянии лучше других?). Это решается в каждом конкретном случае на основе практического опыта и специальных биомеханических исследований.
Повышение устойчивости спортивной техники по отношению к утомлению — одна из важных задач во многих видах спорта. Это достигается длительной специальной тренировкой (в том числе и в состоянии утомления).
3. Выносливость и способы ее измерения
Если предложить одно и то же двигательное задание разным людям, признаки утомления у них появятся через разное время. Причиной этого является, очевидно, разный уровень выносливости у этих людей. Выносливостью называется способность противостоять утомлению. При прочих равных условиях у более выносливых людей наступает позже как первая, так и вторая фаза утомления. Основным мерилом выносливости считают время, в течение которого человек способен поддерживать заданную интенсивность двигательного задания (В. С. Фарфель, 1937). Согласно правилу обратимости двигательных заданий, для измерения выносливости можно использовать и другие эргометрические показатели (в соответствии с табл.7).
Однако в этой таблице не указано точно, как определяется интенсивность двигательных заданий: одинаково для всех занимающихся или в зависимости от их индивидуальных возможностей.
Рассмотрим пример: спортсмены лежа выжимают «до отказа» штангу 50 кг. Если не учитывать уровень их максимальной ( F mm ) силы, то более выносливыми следует считать тех, кто смог поднять штангу большее число раз. Если же учесть, что максимальная сила у одних спортсменов невелика (скажем, 55 кг), а у других намного больше, то ясно, что на полученный результат повлияет не только разный уровень выносливости испытуемых, но и разные силовые возможности. Устранить их влияние можно было бы, например, так: предложить всем выжимать штангу, вес которой равен определенному проценту от их максимальной силы (скажем, 50% от F mm ). В первом случае интенсивность задания уравнивалась в абсолютных единицах (килограммах), во втором — в относительных (в % от R m ).
Рассмотрим другой пример: два спортсмена (условно А и Б) бегут 800 м. Результат А — 2 мин 10 с, Б — 2 мин 12 с. Очевидно, А более вынослив, чем Б. Однако допустим, что А пробегает 100 м за 10,5 с, а Б — лишь за 15,0 с. Если учитывать уровень скорости, которым владеют спортсмены, результат А на 800 м является слабым; время Б, наоборот, надо расценивать как очень хорошее. Таким образом, если не учитывать уровень максимальной скорости спортсменов, то А выносливее, чем Б; если же учесть их скоростные возможности, соотношение меняется: Б будет выносливее, чем А.
В этих примерах видна причина, обусловливающая два типа показателей выносливости — явные и латентные. Явные (используется также термин «абсолютные») — без учета развития силовых или скоростных качеств; латентные (говорят еще — относительные) — с учетом развития названных качеств, когда их влияние каким-либо образом исключается.
Хотя латентных показателей выносливости существует довольно много, в их основе всегда лежит сравнение эргометрических показателей в данном двигательном задании с достижением в других заданиях.
Примерами латентных показателей выносливости могут быть:
1. Коэффициент выносливости — отношение времени преодоления всей дистанции ко времени преодоления какого-либо короткого отрезка (100 м в беге, 50 м в плавании и т. п.): KB = t д , где t эт — время на дистанции (например, 400 м за 48,0 с), t 3 T — лучшее время на коротком («эталонной») отрезке (100 м— 11,0 с). KB = 48,0:11,0 = 4,3636.
2. Запас скорости (по Н. Г. Озолину) — разность между средним временем преодоления эталонного отрезка при прохождении всей дистанции и лучшим временем на этом отрезке.
Запас скорости (3 C )= t д: n - t 3 r , где и — число, показывающее, во сколько раз эталонный отрезок меньше всей дистанции (400м : 100 м = 4). Запас скорости =48,0:4—11,0 = 1 с.
Чем меньше запас скорости, тем выше выносливость. С ростом спортивной квалификации запас скорости, как правило, уменьшается. Например, у сильнейших бегунов мира на 400 м он равен 0,9—1,0 с, у начинающих — 2—2,5 с. С увеличением дистанции запас скорости также увеличивается (рис. 57).
Тренеры в видах спорта циклического характера должны знать, чему
равны показатели запаса скорости (или другие латентные показатели выносливости) на разных дистанциях у спортсменов разной квалификации, это поможет определять слабые стороны в подготовке своих учеников, видеть, что именно отстает — скорость или выносливость.
4. Проблема экономизации спортивной техники
Если у разных спортсменов при выполнении одного и того же двигательного задания измерить энергозапрос, то его величины могут оказаться резко различными: одна и та же работа будет для разных спортсменов связана с неодинаковым расходом энергии. Так, например, при плавании с одинаковой скоростью на дистанции 150 м (время плавания —146 с) величина кислородного запроса у пловцов-третьеразрядников составляла в среднем 5486 мл/мин, а у мастеров спорта лишь 2726 мл/мин, т. е. в 2 раза (!) меньше (Фам Чонг Тхань). При плавании с той же скоростью третьеразрядники затрачивают в 2 раза больше энергии, чем мастера.
Экономичность работы нередко оценивают с помощью коэффициентов, связывающих величины выполненной работы с величинами затраченной при этом энергии. Наиболее часто применяют три таких коэффициента.
1. Валовый коэффициент (брутто-коэффициент) экономичности работы:
K1=A/E
где А — выполненная механическая работа (в джоулях), Е— затраченная энергия (в джоулях).
2. Нетто-коэффициент; в данном случае из величины энерготрат при выполнении работы вычитают величину энерготрат в состоянии покоя (в условиях основного обмена или в рабочей позе):
K2=A/(E-En)
где А — величины работы (в джоулях), En —энерготраты (в джоулях).
3 Дельта коэффициент сравнивают величины выполненной работы в двух двигательных заданиях разной интенсивности
K3=(A2-A1)/(E2-E2)
где A 1 и А 2 величины работы в джоулях, Е1 и Е2 энерготраты в джоулях
Например, определяются энерготраты при педалировании на велоэргометре с мощностью 50 и 250 вт в течение 100 с. Выполненная работа равна 5 тыс. джоулей (А 1 ) и 25 тыс. джоулей (А 2 ).
Все эти коэффициенты введены по аналогии с известным по школьному Курсу физики коэффициентом полезного действия (к.п.д.), a K t формально равен ему. Однако отношение к введенным коэффициентам Ki , К 2 и К з, их использование и трактовка отличаются от того, что имеет место в физике и в технике.
Таким образом, использование указанных коэффициентов, во-первых, позволяет анализировать лишь внешние результаты двигательных заданий (но не процессы, лежащие в их основе); во-вторых, приемлемо лишь при анализе двигательных заданий сходного типа. Можно, например, сравнивать величины этих коэффициентов в одном и том же движении (например, в беге), и нельзя — в движениях далеких друг от друга (например, в плавании и прыжках в воду).
В циклических локомоциях для характеристики экономичности техники обычно используют не указанные выше коэффициенты, а так называемую константу пути — величину энерготрат, приходящуюся на 1 метр пути.
При сравнении разных локомоций значения константы пути и коэффициентов экономичности работы могут не совпадать, поскольку в разных локомоциях для того, чтобы преодолеть одно и то же расстояние, надо выполнить разную механическую работу. Например, при ходьбе по сравнению с ездой на велосипеде коэффициенты К1 и К2 больше (т. е. работа экономичнее), но в то же время и сама механическая работа больше (главным образом из-за подъема общего центра тяжести в каждом шаге). При езде на велосипеде К х и К 2 меньше, но меньше и механическая работа. В результате затраты энергии на метр пути (константа пути) при езде на велосипеде гораздо меньше, чем при ходьбе.
Экономичность техники зависит от двух групп факторов: 1) физиологических и биохимических (в частности от того, аэробными или анаэробными процессами обеспечивается поставка энергии) и 2) биомеханических.
5. Биомеханические основы экономизации спортивной техники. Особенности спортивной техники в упражнениях, требующих большой выносливости
С биомеханической точки зрения есть два различных пути повышения экономичности движении:
1) снижение величин энерготрат в каждом цикле (например, в каждом шаге);
2) рекуперация энергии, т. е. преобразование кинетической энергии в потенциальную и ее обратный переход в кинетическую.
Что касается первого пути, то он реализуется несколькими основными способами:
а) устранением ненужных движений (например, в вертикальном направлении; ведь каждая работа по подъему тела требует затрат энергии и оправданна лишь постольку, поскольку она абсолютно необходима для продвижения вперед);
б) устранением ненужных сокращений мышц. У квалифицированных спортсменов суммарное время активности мышц меньше, время расслабленного состояния больше, чем у новичков. Это достигается за счет так называемой концентрации активности мышц. Внешне это выражается в легкости и свободе движений;
в) уменьшением внешнего сопротивления (например, уменьшением сопротивления воды в плавании за счет выбора более обтекаемого положения тела);
г) уменьшением внутрицикловых колебаний скорости. Повышение скорости (после ее падения) требует затрат энергии. По возможности такие колебания надо уменьшать, хотя в некоторых видах спорта (плавание брассом, академическая гребля) они поневоле остаются значительными;
д) выбором оптимального соотношения между силой действия и скоростью рабочих движений. В некоторых видах спорта (велосипедном, гребле) можно сохранить одну и ту же скорость передвижения при разном соотношении силы действия и скорости отдельных движений (например, в гребле за счет изменения площади лопасти весла). Аналогично в лабораторных условиях можно поддерживать ту же мощность на велоэргометре при разном соотношении силы действия и скорости педалирования. Для каждой заданной скорости передвижения или мощности существует свое оптимальное соотношение между силой действия и скоростью рабочих движений. Наиболее просто вопрос сохранения его решается в велосипедном спорте, где величина сопротивления задается сменой передачи (можно сделать так, что за один рабочий цикл велосипед будет проезжать разные расстояния). На разных передачах велосипедист будет ехать при одной и той же величине энерготрат с разной скоростью (рис.58);
е) выбором оптимального соотношения между длиной и частотой шагов. На рис. 59 показано, как изменяется расход энергии при ходьбе с одной и той же скоростью, но при разном соотношении длины и частоты шагов. На абсциссе этого графика — число шагов в минуту, на ординате—длина шага в сантиметрах. Пунктирные дугообразные линии, идущие из верхнего левого угла в правый нижний угол, соответствуют определенным скоростям, значения которых нанесены сверху. Остальные линии соединяют точки одинаковой затраты энергии. На линии, обозначенной цифрой 40 и
пересекающей абсциссу при числе шагов 70 и 120 в минуту, лежат все комбинации длины и частоты шага, при которых затраты энергии на 1 м пути (константа пути) составляют 40 калорий. Крестиком обозначена точка наименьшей траты энергий —35 калорий на 1 м пути. Номограмма дает для каждой скорости оптимальную (с точки зрения затрат энергии) комбинацию длины и частоты шагов. Этот оптимум обозначен толстой линией, идущей из левого нижнего угла в правый верхний угол. Если длина и частота шагов соответствуют этой линии, затраты энергии на 1 м пути минимальны (для данной скорости передвижения).
Подобного рода зависимости существуют и в других циклических локомоциях. Интересно, что в ходьбе оптимальная (по затратам энергии) длина и частота шагов подбирается человеком без специального обучения. В других циклических локомоциях нередко можно наблюдать довольно значительные отклонения от наиболее выгодного соотношения этих характеристик. Подобные отклонения должны устраняться тренером.
Рекуперация 4 энергии в движениях человека осуществляется двумя способами.
Во-первых, кинетическая энергия движения может переходить в потенциальную энергию гравитации (сил тяжести). Например, в обычной ходьбе наивысшему положению ЦМ тела (максимуму потенциальной энергии) соответствует минимум кинетической энергии, и наоборот, кинетическая энергия тела самая большая, когда его ОЦМ находится в самом низком положении. Образно можно себе представить, что ОЦМ движется как шарик, катящийся по неровной поверхности:, на подъемах кинетическая энергия переходит в потенциальную, а на спусках — наоборот. Благодаря этому полная механическая энергия тела (т. е. сумма его кинетической и потенциальной энергии) сохраняется. Разумеется, это
сохранение не стопроцентное — значительная часть энергии рассеивается. Но все же благодаря описанному явлению экономичность ходьбы значительно повышается.
Во-вторых, кинетическая энергия движения превращается в потенциальную энергию упругой деформации мышц, а накопленная потенциальная энергия частично снова превращается в работу — идет на сообщение скорости телу и его подъем. В модельных опытах (прыжки на месте) показано (А. С. Аруин), что рациональное использование упругих сил мышц может повысить экономичность работы более чем в 2 раза.
Повышение экономичности спортивной техники — основное направление ее совершенствования в видах спорта, требующих большой выносливости. Определенное значение имеют и другие факторы, в частности предупреждение локального утомления отдельных мышечных групп, что может наблюдаться, если нагрузка на какую-либо мышечную группу становится особенно велика