Читать книгу Гимнастика. Секреты эффективного движения. Биомеханика. Структура. Техника - Группа авторов - Страница 18

Движения, описываемые в данной главе, самая характерная часть упражнений спортивной гимнастики, наиболее определенно отражающая специфику этого вида спорта. По большей части это маховые движения, выполняемые в висах и упорах в переднезадней плоскости. Динамика данных движений в основном связана с действием трех сил – силы тяжести, Кориолисовой и центробежной сил инерции.

5.1.1. Действие силы тяжести

Действие силы тяжести – это фактор, определяющий состояние тела спортсмена в рабочих положениях на опоре и главное – это один из кардинальных механизмов, используемых для исполнения упражнений «махового» гимнастического типа.

Рис. 5.1. Пофазное действие силы тяжести при движениях типа больших оборотов на перекладине.

Давление на опору. Действие силы тяжести на тело гимнаста наиболее очевидно в ситуациях, когда она уравновешена нормальной опорной реакцией и стремится деформировать тело, воздействуя через него на опору с силой веса. Таковы все положения, при которых проекция силы тяжести проходит через опору, например, в статической или «проходной» стойке на руках, висах и др.

С точки зрения обучения упражнениям соответствующие состояния важны как фазы, требующие четко контролируемой осанки и соответствующего мышечного тонуса. Так, в положениях над опорой (рис. 5.1, а) сила тяжести прижимает тело гимнаста к снаряду, и ей необходимо сопротивляться, сохраняя должную техническую осанку в заданном (не обязательно прямом) положении. В чисто висовых положениях (д) та же сила «оттягивает» тело от опоры, стремясь привести его к максимально низкому положению, и спортсмен должен научиться рационально использовать этот эффект.

При вращениях вокруг опоры, происходящих с изменением высоты положения ОЦМ тела, действие силы тяжести носит более сложный характер. Составляющие силы тяжести, действующие на вращающееся тело спортсмена, пофазно изменяются. Сжимающее действие силы тяжести F_сж от максимальных значений у верхней вертикали (а) сходит к минимуму у горизонтали (а-в), а затем сменяется возрастающим до максимума оттягивающим действием силы F_от у нижней вертикали (в-д).

В свою очередь, тангенциальная, вращательная составляющая F_вр, начинаясь от нулевых значений у вертикали (а), по мере движения тела возрастает до максимума у горизонтали (а-в), сообщая телу положительное ускорение, а затем вновь сходит «на нет» (в-д). После прохождения ОЦМ тела нижней вертикали (д) оно движется против действия силы тяжести, которая сообщает телу отрицательное ускорение, замедляя подъем и изменяясь по тому же принципу, что и во время спада (д-е-а).

Таким образом, при вращении вокруг опоры исполнитель упражнения движется в сложно изменяющемся поле силы тяжести, что непосредственным образом связано с процессом формирования соответствующих двигательных навыков.

Действие момента силы тяжести и управление им. Целенаправленно меняя на опоре позу и, благодаря этому, плечо силы тяжести P_r (как следствие, ее момент относительно оси вращения), гимнаст получает возможность управлять ее вращающим эффектом. Этот механизм лежит в основе исполнения множества маховых движений в висах и упорах, построенных на вращении вокруг неподвижной опоры.

Рис. 5.2. Схема энергетической «подпитки» махов на снаряде.

На рис. 5.2 показана схема действий гимнаста при активных маховых движениях в висе. В начале каждого маха, на спаде, спортсмен должен доступным техническим приемом удалять, «оттягивать» массу тела от оси снаряда, а при подъеме, напротив, сближать их с опорой. Чем больше при этом разница в моментах силы тяжести, разгоняющих тело гимнаста при спаде и тормозящих его при подъеме, тем выше энергоподпитка движения, больше его амплитуда при размахиваниях или общая скорость при оборотах вокруг опоры.

Та же схема действий используется в ситуации, когда активность движения (амплитуда маха, скорость вращения) не изменяется, но ее необходимо поддерживать, восполняя активной работой неизбежные потери энергии на трение. Если действия гимнаста рациональны, то при их повторениях в виде размахиваний, оборотов и т. п. общая энергия в системе может прогрессивно нарастать. Это эффект, известный в механике как параметрический резонанс, простейшей внеспортивной иллюстрацией которого могут служить раскачивания на качелях20.

Существует и противоположная ситуация, когда перед спортсменом стоит задача ограничить силу маха на опоре. В этом случае действует противоположная схема, при которой на спаде масса тела сближается с опорой, а во время подъема, происходящего по инерции, в нужной мере удаляется от нее. Это приводит к форсированному рассеянию энергии в системе и соответствующему ограничению скорости маха и его амплитуды.

Конкретная техника, которой исполнитель может пользоваться, реализуя описанный выше механизм управления вращением вокруг опоры, зависит от многочисленных биомеханических особенностей движения и избранного способа исполнения упражнения (см.).

5.1.2. Действие Кориолисовой силы инерции (КСИ)

При активных вращениях вокруг опоры поза спортсмена неизбежно меняется. Это означает, что масса его тела совершает не только вращательное движение вокруг оси снаряда, но и перемещается по радиусу этого вращения, сближаясь с его осью или удаляясь от нее. В этой ситуации появляются т. н. Кориолисовы силы21, одна из которых – Кориолисова сила инерции (КСИ) – наиболее интересна в данном случае как фактор, существенно влияющий на движения тела спортсмена, технику упражнений.

На рис. 5.3 показано, в каких условиях возникает и как именно действует КСИ в условиях опоры.

Рис. 5.3. Принцип действия Кориолисовой силы инерции при вращениях на опоре.

В качестве типичного примера взят активный мах в висе на перекладине. В данном случае тело спортсмена вращается вокруг оси снаряда по часовой стрелке. Если при этом поза не изменяется (к.к. 1—4), то КСИ не возникает, так как в этой фазе маха отсутствует перемещение массы тела по радиусу. После прохождения нижней вертикали (к. 4) гимнаст выполняет «бросковое» движение, благодаря которому тело, продолжая вращение, притягивается к опоре, то есть получает некоторую скорость, направленную по радиусу (к.к. 4—6). Автоматически возникающая при этом КСИ направлена по ходу основного вращения и будет «подталкивать» тело гимнаста, ускоряя его движение вокруг оси снаряда (или поддерживая угловую скорость тела на относительно более высоком уровне, несмотря на ее снижение по абсолютной величине).

Природа этого явления проста: окружная скорость звеньев, удаленных от опоры (здесь – ног), всегда выше, чем у звеньев, приближенных к оси вращения, и, если масса «быстрых» звеньев, перемещается на меньший радиус относительно «медленных» звеньев, они их «подталкивают» в направлении исходного движения. Если же движение по радиусу направлено в противоположную сторону – от опоры, то КСИ дает, соответственно, обратный эффект – «притормаживает» начальное вращение тела. Это показано на рисунке (к.к. 6—8), когда гимнаст, завершая мах вперед, выпрямляется всем телом, «оттягиваясь» в висе.

Действие КСИ прямо пропорционально скоростям вращения тела вокруг опоры и перемещения его масс по радиусу вращения. Обусловленные этим эффекты могут быть весьма ощутимыми даже при незначительных, но быстрых изменениях позы в движении. Это одна из причин, по которой техника мастеров высокого класса отличается как бы внешней экономностью, изяществом, когда, казалось бы, сдержанные действия22 с незначительными изменениями в позе дают неожиданно высокий эффект.

Важной особенностью КСИ является также то, что она, действуя независимо от силы тяжести, при надлежащих условиях будет проявлять себя в любой фазе движения.

Так гимнаст, выполняющий из упора мах «не касаясь» (рис. 5.4), быстро приближает ОЦМ к оси вращения уже на спаде, вызывая тем самым значительное ускорение вращения тела вокруг грифа несмотря на то, что при этом плечо, на котором действует сила тяжести, уже на спаде начинает уменьшаться.

Рис. 5.4. Действие Кориолисовой силы инерции на спаде из упора.

Суммарное действие тангенциальных сил. В упражнениях типа махов, оборотов сила тяжести и КСИ, как вращающие (тангенциальные) силы, действуют совокупно, но независимо друг от друга, часто давая парадоксальные технические эффекты, связанные с вращением тела на опоре. Причем, в зависимости от структуры и скорости движения, наиболее важную роль может играть либо тот, либо другой динамический фактор, порождая как бы противоречивые требования к технике упражнения.

Так, если спортсмен стремится к увеличению активности движения в обороте на перекладине, то предельная «оттяжка» с выпрямлением тела, вполне естественная при исполнении «спокойного» большого оборота на перекладине (рис. 5.5, а), абсолютно противопоказана при быстром прохождении стойки на руках (б), так как в первом случае наиболее существенную роль играет механизм управления моментом силы тяжести, а во втором – действие КСИ.

Рис. 5.5. Замедляющее и ускоряющее действие Кориолисовой силы инерции в большом обороте.

Таким образом, техника завершающей стадии медленного и быстрого оборотов оказывается принципиально разной.

5.1.3. Действие центробежной силы инерции

Центробежная сила инерции (ЦБС), действующая по радиусу вращения (по нормали), при опорных вращениях типа махов в переднезадней плоскости проявляет себя в виде перегрузок, которые могут достигать значительных величин и поэтому в существенной мере определяют технику движений и требования к физической подготовленности, а, значит – и к методике подготовки.

Как известно, величина ЦБС находится в прямой зависимости от массы движущегося тела m, квадрата скорости движения V и в обратной зависимости от радиуса кривизны траектории ОЦМ тела R:

F_цбс = m·V²/R (2)

Практически это означает, что спортсмены, имеющие бóльшую массу тела, испытывают и бóльшие перегрузки, падающие на двигательный аппарат. В известном смысле, они быстрее амортизируются (это одна из причин, по которой легкие гимнасты более работоспособны). Вращательные движения, выполняемые по малым радиусам и, в особенности, движения с резким уменьшением кривизны траектории ОЦМ тела, сопровождаются, при прочих равных условиях, увеличенными перегрузками, иногда приводящими к срывам со снаряда. Наконец, наиболее важный фактор – скорость движения, от которой перегрузки зависят экспоненциально.

В табл. 5.1 даются в сравнении три условных примера максимальных механических нагрузок, действующих на тело гимнаста при исполнении большого оборота на перекладине (момент прохождения нижней вертикали) и зависящих от массы, длины тела спортсмена (радиуса ОЦМ) и максимальной скорости движения, достигнутой им при вращении вокруг опоры. При медленном обороте, исполняемом «маленьким» и легким гимнастом (пример 1), нагрузки, тем не менее, превышают вес его тела более чем в 4,5 раза. При средних показателях (пример 2) – уже в 5,5 раз, а при максимально быстром обороте в исполнении рослого и относительно тяжелого гимнаста (пример 3) почти в 6,5 раз.

Таблица 5.1. Модельные нагрузки на ОДА гимнаста при вращениях на опоре.

Однако, приведенные величины перегрузок легко преодолеваются спортсменами при верной технике упражнений и достаточной физической подготовленности.

Суммарное действие нормальных сил, отраженное в максимальных значениях нагрузок (табл. 5.1), может характеризовать физическую напряженность этих движений, но не дает полной динамической картины взаимодействия гимнаста с опорой, сопровождающего исполнение опорных вращений типа махов и оборотов. Между тем, техника этих упражнений существенно зависит от пофазных изменений нормального (т.е. направленного по радиусу) давления на опору.

Напомним, что это давление обязано двум силовым компонентам (рис. 5.6.): силе тяжести (а), прижимающей тело к опоре в верхней половине условного оборота и оттягивающей его от нее во второй, висовой половине движения. Второй компонент – центробежная сила инерции, всегда оттягивающая тело от опоры, но значительно зависящая от скорости движения тела (б).

Рис. 5.6. Суммарное давление на опору при исполнении движений типа больших оборотов на перекладине.

Наиболее интересна и практически важна суммарная картина действия двух этих сил (в). Выделяются две неравные зоны такого движения.

В верхней из них, меньшей по охвату, преобладает сжимающее действие силы тяжести, требующее от исполнителя активного контроля осанки и «оттяжки» от опоры. В другой зоне, преобладающей, решающую роль играет оттягивающее действие. По ходу оборота активность этого оттягивающего действия в широких пределах изменяется – от нуля до максимальных значений (см. табл. 5.1).

Эти изменения характерным образом отражаются в деформации опорных частей снаряда. Меняющееся по величине и направленности давление на опору, показанное на рис. 5.7, а, деформирует гриф снаряда, центр которого описывает в пространстве фигуру, носящую название «улитка Паскаля» или «кардиоида» (т.е. «подобная сердцу», б).

Рис. 5.7. Деформация опоры при исполнении оборотовых движений.

Практически важную и интересную особенность пофазных изменений давления на опору составляют пограничные зоны между фазами сжатия и оттяжки, когда какое бы то ни было давление на опору и связанные с этим деформации тела практически исчезают, благодаря чему становятся наиболее доступными различные перегруппировки – перехваты, повороты и т. п. В динамическом смысле эти пограничные зоны подобны «невесомости».

Другое, очень важное следствие изменений давления на опору связано с технической осанкой работы на снарядах типа перекладины или брусьев р. в. Современная техника работы на снарядах требует постоянной активной оттяжки от опоры с посильным для гимнаста удлинением тела. На первый взгляд кажется, что для выполнения этого требования достаточно контроля осанки в зоне сжатия (см. рис. 5.7, а), тогда как в зоне оттяжки все должно получаться «само собой», и нужно лишь расслабленно провиснуть, подчиняясь «даровым» вешним силам.

Действительно, в применении к зонам, где оттягивающее воздействие на тело гимнаста составляет сотни килограмм, это достаточно верно, но в зонах ослабленных внешних воздействий этого совершенно недостаточно. В особенности это относится к зонам движения около стойки на руках и прилегающим к ним зонам «невесомости».

5.1.4. Активное взаимодействие с опорой

Выполняя маховые движения на опоре, гимнаст активно взаимодействует с ней. Это действия обычно играют как бы регулирующую роль, являясь средством использования описанных выше внешних, «даровых» факторов движения. Но в отдельных случаях, когда возможности непосредственного активного взаимодействия с опорой оказываются более значительными, они используются как механизм непосредственного (за счет мышечных усилий) энергонасыщения маховых движений на опоре.

Характерный пример – маховые движения в упоре на брусьях (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Силовое взаимодействие с опорой при маховых движениях.

Попеременно действуя на махах разного направления мышцами плечевого пояса, гимнаст может существенно изменять скорость и амплитуду размахиваний. Вместе с тем, эти действия тесно связаны с изменениями момента силы тяжести P_r (здесь – относительно плечевой оси, а также фронтальной оси, проходящей через точки хвата) и условий равновесия: совершая силовые действия «от опоры», гимнаст умышленно провоцирует нарушение равновесия с тем, чтобы в критический момент (при прохождении вертикального упора) временно восстановить его. Фактически, это случай сохранения динамического равновесия в системе.

5.1.5. Действие диссипативных сил

Действие диссипативных сил (сил, рассеивающих энергию) играет внешне малозаметную, но в действительности, весьма существенную роль при исполнении упражнений типа махов и оборотов на опоре. Если силой сопротивления воздуха в данном случае можно пренебречь ввиду невысокой скорости движения тела23, то трение опорных звеньев гимнаста о снаряд рассеивает существенную часть общей энергии тела.

Рис. 5.9. Потери энергии на трение.

Так, если бы гимнаст попытался сделать полный большой оборот на перекладине, действуя все время со строго неизменной позой (т.е., фактически, не работая, рис. 5.9), он не дошел бы до конечного положения стойки на руках на угол, достигающий (в зависимости от силы хвата, коэффициента трения на грифе и др.) величины порядка 60^о. Это соответствует потере при подъеме более 20% кинетической энергии. Именно эти потери энергии должны, как минимум, восполняться за счет собственной мышечной работы спортсмена на опоре.