Механизм отталкивания от опоры
Отталкивание от опоры выполняется посредством: а) собственно отталкивания ногами от опоры и б) маховых движений свободными конечностями и другими звеньями. Эти движения тесно взаимосвязаны в едином действии — отталкивании. От их согласования в значительной мере зависит совершенство отталкивания.
Взаимодействие опорных и подвижных звеньев с опорой
При отталкивании опорные звенья неподвижны относительно опоры, а подвижные звенья под действием тяги мышц передвигаются в общем направлении отталкивания.
Во время отталкивания легкоатлета от опоры стопа зафиксирована на опоре неподвижно. Шипы туфель, погружаясь в покрытие дорожки (сектора) или брусок (в прыжках в длину), обеспечивают надежное соединение с опорой. На стопу как на опорное звено со стороны голени действует давление ускоряемых звеньев тела, направленное назад и вниз. Через стопу оно передается на опору. Противодействием этому давлению служит реакция опоры. Она приложена к стопе в направлении вперед и вверх. Реакция опоры и давление голени приложены к стопе в противоположных направлениях; они взаимно уравновешиваются и фиксируют стопу на опоре.
Силы мышечных тяг толчковой ноги выпрямляют ее. Поскольку стопа фиксирована на опоре, голень и бедро передают ускоряющее воздействие отталкивания через таз остальным звеньям тела. При ускоренном движении подвижных звеньев на них воздействуют тормозящие силы (тяжести и инерции) других звеньев, а также силы
сопротивления мышц-антагонистов. Следовательно, звенья тела получают ускорение вследствие того, что имеются движущие силы действие которых превышает сопротивление тормозящих сил.
Чтобы ОЦМ изменил движение, необходимо (в соответствии ( законом сохранения движения ЦМ системы) наличие внешней силы приложенной к системе (см. гл. VIII ). Реакция опоры при отталкиванш как раз и является такой необходимой внешней силой.
Работа ускоряющих сил и изменение кинетической энергии при отталкивании
Силы мышечных тяг, приложенные к подвижным звеньям, совершают механическую работу, которая увеличивает кинетическую энергию тела при отталкивании.
Нередко неверно полагают, что движущей силой для человека и источником работы, увеличивающей кинетическую энергию, может быть только реакция опоры как внешняя сила. С точки зрения механики тело человека — это самодвижущаяся система. В такой системе силы тяги мышц приложены к подвижным звеньям. Относительно каждого звена сила тяги мышцы, приложенная к нему извне, служит внешней силой. Следовательно, ускорения ЦМ подвижных звеньев обусловлены соответствующими внешними для них силами, т. е. тягой мышц.
Для всей системы — тело человека — имеется необходимая для ускорения ЦМ внешняя сила. Это реакция опоры. Однако она не служит движущей силой, источником работы.
Работа реакции опоры равна нулю. Это очевидно, если учесть, что точка приложения реакции опоры (опорная стопа) при отталкивании не отрывается от опоры и путь ее равен нулю. Следовательно, работа реакции опоры также равна нулю. Ни реакция опоры, ни ее составляющая — сила трения (на гладкой поверхности) сами по себе движения не вызывают, движущими силами не служат. Следовательно, именно работа мышц изменяет кинетическую энергию тела человека при отталкивании.
Реакции опоры при отталкивании под углом, отличающимся от прямого, наклонены к опорной поверхности и имеют вертикальные и горизонтальные составляющие. Вертикальные составляющие обусловлены динамическим весом, т. е. суммой статистического веса и сил инерции подвижных звеньев, имеющих ускорение (или его составляющую), направленное вертикально вверх от опоры. Горизонтальные составляющие реакций опоры обусловлены горизонтальными составляющими сил инерции подвижных звеньев. Однако ускорения подвижных звеньев могут иметь не только три взаимно перпендикулярных направления, что, кстати сказать, вызывает и поперечные составляющие опорных реакций опоры. Контакт опорных звеньев с опорой не точечный, поэтому могут проявиться и вращательные усилия, что усложнит изложенную упрощенную схему реакции опоры.
Маховые движения при отталкивании
Маховые движения при отталкивании — это быстрые движения Свободных звеньев тела, одинаковые в основном по направлению с Отталкиванием ногой от опоры.
При маховых движениях перемещаются ЦМ соответствующих звеньев тела. Значит, одновременно происходит перемещение ОЦМ всего тела. Так, при прыжках в высоту в результате маховых движений руками и свободной ногой ОЦМ к моменту отрыва от опоры поднимается выше, чем без маховых движений. Если ускорение звеньев тела, выполняющих маховые движения, увеличивается, то и ускорение ОЦМ увеличивается. Таким образом, маховые движения, как и отталкивание ногой, осуществляют перемещение и ускорение ОЦМ.
В маховых движениях в фазе разгона скорость звеньев увеличивается до максимума. С нарастанием ее нарастает и скорость ЦМ всего тела. Следовательно, чем выше скорость маховых звеньев, тем она больше сказывается на скорости ОЦМ. В фазе торможения мышцы-антагонисты, растягиваясь, напрягаются и этим замедляют движения маховых звеньев, совершая отрицательную работу (в уступающем режиме), скорость их уменьшается до нуля.
Мышечные тяги перераспределяют скорости звеньев тела; движение внутри системы передается от одних звеньев к другим. Поэтому для достижения более высокой скорости ОЦМ нужно стараться продлить фазу разгона на большей части пути махового перемещения. Когда ускорения маховых звеньев направлены от опоры, возникают силы инерции этих звеньев, направленные к опоре. Совместно с весом тела они нагружают мышцы опорной ноги и этим увеличивают их напряжение. Дополнительная нагрузка замедляет сокращение мышц и увеличивает их силу тяги, в результате чего мышцы толчковой ноги напрягаются больше и сокращаются относительно
дольше. В связи с этим увеличивается и импульс силы, равный произведению силы на время ее действия, а больший импульс силы дает больший прирост количества движения, т. е. больше увеличивает скорость.
Импульс переменной силы отталкивания равен площади между графиком силы по времени и горизонтальной линией, проведенной на уровне веса тела (рис. 83). Казалось бы, можно увеличивать эту площадь просто удлиняя время отталкивания. Однако искусственное замедление отталкивания уменьшит ускорения, силы инерции и силы тяги мышц. При замедленном отталкивании будет и медленное движение ОЦМ тела. Только естественное удлинение отталкивания ногой благодаря ускоренным маховым движениям увеличит время отталкивания и силу тяги мышц толчковой ноги, а значит, и импульс силы и ускорение ОЦМ.
В фазе торможения маховых звеньев их ускорения направлены к опоре, а силы инерции — от нее. Следовательно, нагрузка на мышцы толчковой ноги в это время уменьшается, их сила тяги падает, но быстрота сокращения увеличивается. Сокращаясь быстрее, они могут добавлять скорость в последние моменты отталкивания.
Так, маховые движения способствуют продвижению ОЦМ тела при отталкивании, увеличивают скорость ЦМ, увеличивают силу и удлиняют время отталкивания ногой и, наконец, создают условия для быстрого завершающего отталкивания.
Направление отталкивания от опоры
Угол наклона динамической опорной реакции дает представление о некоторых особенностях направления отталкивания от опоры в данный момент времени.
При выпрямлении ноги во время отталкивания от опоры происходит сложение вращательных движений звеньев тела.
При паре угловых скоростей, когда оба звена движутся в противоположные стороны с одинаковой угловой скоростью, следующее за ними третье звено (или группа зафиксированных звеньев) движется поступательно относительно опоры. Но достаточно рассогласования названных угловых скоростей, чтобы и третье звено получило поворот относительно опоры.
По координатам ОЦМ тела человека за время отталкивания можно рассчитать линейное ускорение ОЦМ в каждый момент времени. Однако сопутствующие движения, в том числе маховые, обусловливают кроме линейного ускорения ОЦМ еще и угловые ускорения многих звеньев.
Поэтому угол отталкивания как угол наклона динамической составляющей реакции опоры характеризует не полностью общее направление отталкивания в каждый данный момент времени. Если бы существовала внешняя движущая сила отталкивания, то угол ее наклона к горизонту можно было бы считать углом отталкивания. Однако в самодвижущейся системе к каждому звену приложены силы, которые в совокупности определяют движения именно данного звена. Заменить всю систему множества сил, приложенных к разным звеньям, равнодействующей движущей силой в этом случае невозможно. Одной эквивалентной (равноценной) равнодействующей силы отталкивания (приложенной к одной точке), которая могла бы вызвать различные сложные движения многих звеньев в разных направлениях, не существует. Именно поэтому предлагается лишь условно определять «угол отталкивания».
Угол наклона продольной оси толчковой ноги до некоторой степени характеризует направление отталкивания (рис. 84, о). Однако при одинаковой позе толчковой ноги можно действовать на опору больше вниз или больше назад благодаря различным вариантам усилий групп мышц. Иначе говоря, сама по себе поза не может определять однозначно направление отталкивания. Следует добавить, что предложение измерять таким способом угол «силы отталкивания» в момент отрыва толчковой ноги от опоры вообще лишено смысла: в этот момент сила отталкивания (сила давления на опору) равна нулю.
Угол наклона линии, соединяющей место опоры с ОЦМ (рис. 84, б), не может точно характеризовать направление отталкивания, так как закона, согласно которому линия действия силы реакции опоры должна проходить через ОЦМ, не существует. Более того, практически не удается выполнять отталкивание так, чтобы реакция опоры была направлена точно через ОЦМ; всегда регистрируются некоторые отклонения от этого направления.
Угол наклона общей реакции опоры (рис. 84, в) измеряют с помощью тензометрических устройств (платформа, стельки в обуви). Направление общей реакции опоры почти никогда не проходит через ОЦМ. Однако она оказывает противодействие силе, прижимающей тело к опоре, которое складывается из веса тела и сил инерции звеньев, движущихся с ускорением. Следовательно, можно определить отдельно реакцию на отталкивание, вызванную ускорением звеньев тела. Для этого из общей реакции
опоры нужно вычесть ее статическую составляющую (реакцию на вес тела).
Угол реакции опоры на движения отталкивания (рис. 84, г) наиболее правильно характеризует направление отталкивания. Можно представить себе следующее: в результате всех движений отталкивания ОЦМ тела получает определенное ускорение. Если предположить, что масса всего тела сосредоточена в ОЦМ, то по массе и ускорению можно подсчитать условную эквивалентную «ускоряющую» силу. Она примерно равна реакции опоры на отталкивание и направлена как и последняя. Следует только учесть, что, во-первых, реакция отталкивания не проходит через ОЦМ и обусловливает стартовый (опрокидывающий назад) момент; во-вторых, неизвестная часть работы сил затрачивается на неучитываемые деформации (диссипация энергии при переменной суставной жесткости), поэтому
реакция отталкивания и «ускоряющая» (расчетная) сила по величине будут отличаться друг от друга; в-третьих, как уже говорилось, реакция отталкивания — это не сила отталкивания.
Таким образом, так называемый угол отталкивания, каким бы способом его ни измеряли, не определяет полностью направления отталкивания. Надо всегда иметь в виду, что при отталкивании не только ОЦМ имеет определенное линейное ускорение, но и все звенья тела имеют угловые ускорения относительно ОЦМ.
Кроме того, нельзя забывать, что за время отталкивания все величины изменяются, какие бы углы ни измерялись. Значит, надо условиться, в какой именно момент измерять какой-либо условный угол (например, при максимуме всей реакции опоры на отталкивание либо при максимуме ее вертикальной составляющей или горизонтальной). Если отталкивание должно привести к последующему передвижению с наибольшей линейной скоростью ОЦМ при минимальном вращении тела, то необходимо, чтобы ускорения ОЦМ тела и всех ОЦМ звеньев имели возможно близкое к общему направление. Если же отталкивание должно усилить вращение тела (например, в акробатике), то необходимо наибольшее однонаправленное вращение звеньев тела и использование момента силы тяжести тела.
При движении по повороту в наземных локомоциях спортсмен находится в наклоне внутрь поворота. Прижимающая сила D , приложенная к опоре под острым углом (а), может быть разложена на вертикальную составляющую (Д.) и горизонтальную составляющую (Д), направленную по радиусу от центра поворота (рис. 85). Противодействие последней и есть центростремительная сила ( F w ), вызывающая центростремительное ускорение и искривляющая траекторию в движении по повороту. В инерциальной системе отсчета (Земля) центробежная сила — реальная сила инерции ( F m ) — и есть уже названная составляющая прижимающей силы, приложенная к опоре.