Научно-теоретические и методические возможности адаптивного управления взаимодействием спортсмена с внешней предметной средой

-2-
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.........................................................5
ГЛАВА 1. Методика и режимы тренировки мышечной силы..............16
1.1. Представление о силе как о двигательном качестве.........16
1.2. Сведения о влиянии различных режимов тренировки на силовые и скоростно-силовые показатели мышц при выполнении
упражнений......................................................27
1.3. Анализ технических средств, используемых для совершенствования двигательных действий спортсменов..............30
1.4.Характерисгика режимов работы мышц и тренажеров для развития специальных скоростно - силовых качеств и техники метательных движений.........................................................43
1.5. Биомеханические основы применения тренажеров. Средства и методы управления движениями в спорте........................... 49
1.6. Тенденции развития биомеханики за рубежом............... 55
Заключение................................................... 57
ГЛАВА 2. Задачи, методы, организация исследования............... 63
2.1. Цель и задачи исследования...............................63
2.2. Методы исследования......................................64
2.2.1. Мето дологические основы исследования..................65
2.2.2.Характеристика методов исследования.....................67
2.3. Организация исследования.................................75
ГЛАВА 3. Научно-теоретические основы обучения и управления движениями.......................................................84
3.1. Системный подход в изучении человека как объекта воспитания.......................................................84
3.2. Физиологические основы и предпосылки интеграции процесса
-3-
обучения...........................................................87
3.3. Координация функций организма - основа управления движениями.........................................................95
3.4. Интеграция в процессе обучения и совершенствования движениям Обратная связь в физическом воспитании............................102
3.5. Роль и значение обратной связи в адаптивной системе обучения......................................................... 105
Заключение.....................................................121
ГЛАВА 4. Программное управление взаимодействием спортсмена с внешними силами...................................................123
4.1.Проблемы пр01раммн01 о взаимодействия спортсмена с предметной
внешней средой. Внешние силы в формировании структуры движения.. 123
4.2.Тренажерные устройства с программированием внешней нагрузки (сопротивления)...................................................127
Заключение.................................................... 149
1 'ЛАВА 5. Адаптивное управление взаимодействием спортсмена с внешней предметной средой........................................ 151
5.1. Адаптивные тренажерные устройства для циклических видов спорта........................................................... 151
5.2. Адаптивный тренажерный комплекс (АТК) и исследование его возможности во взаимодействии со спортсменом................... 159
5.3. Взаимодействие спортсмена и АТК в метательном (бросковом движении)........................................................ 167
5.4. Кинематические, динамические и временные характеристики метательных движений, выполняемых на адаптивном
тренажерном комплексе.............................................172
5.5. Комплексное исследование адаптивного тренажерного
комплекса в простейшемодносуставном движении...................175
-4-
Заключение......................................................181
ГЛАВА б.Результаты педагогических экспериментов применения адаптивною тренажерного комплекса................................. 186
6.1. Характеристика педагогических экспериментов............... 186
6.2. Принципы построения учебно - тренировочных занятий 188
6.3. Результаты первого педагогического эксперимента........... 192
6.4. Результаты второго педагогического эксперимента........... 199
6.5. Результаты третьего педагогического эксперимента.......... 206
6.6. Результаты четвертого педагогического эксперимента........210
Заключение.....................................................212
ГЛАВА 7. Обсуждение результатов исследования Общие основы управления движениями человека.................................... 214
7.1. Физиологическая сущность управления движениями человека. Внутреннее управление. Внешнее управление при использовании адаптивных тренажеров..............................................215
7.2. Педагогические основы управления движениями человека при использовании адаптивных тренажеров как обучающих машин........... 225
7.3. Управление движениями человека с позиции кибернетики при использовании адаптивных тренажеров,...............................232
7.4. Процесс управления в физическом воспитании и в
спортивной тренировке............................................. 240
7.5. Биомеханическая сущность управления движениями
человека при использовании адаптивных тренажеров.................. 244
ВЫВОДЫ............................................................ 251
Практические рекомендации......................................... 259
Библиография...................................................... 261
Приложения........................................................ 306
-5-
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность. Одним из основных принципов государственной политики объявляется принцип общедоступности, «адаптивности системы образования к уровням и особенностям развития и подготовки обучающихся». Об этом говорится в законе Российской Федерации «Об образовании». В законе предполагается создание парадигмы среднего полного образования, на основе которой учащийся превращается из объекта обучения в субъект обучения, а его учебная деятельность приобретает характер самостоятельной деятельности. В последнее время в педагогике все большее значение приобретает адаптивная система обучения, явившаяся предметом специальных исследований (A.C. Гарницкой, И.Е. Торбан, Р.Г. Щукиной и др-)*
Основное назначение адаптивной системы - это интенсификация учебно-тренировочного процесса за счет рационального использования учебного времени, максимазьной активности учащихся, непрерывное управление учебно- тренировочным процессом на всех этапах подготовки, а также управления процессом с использованием обратной связи, обеспечивающей высокую степень индивидуализации обучения.
Управлением процессом обучения в педагогике через контроль и посредством возможностей технических средств занимались Г.Н. Александров, А.И. Берг, А.И. Гальперин, Д. Крамм, С. В. Мачиновский; адаптивным обучением авторы Б. Скиннер, Н. Краудер и Г. Паск, а также В.В. Одего-ва, А.Б. Тменов, И.Е. Торбан и др.
Спортивную тренировку как управляемый процесс рассматривали многие ученые (Ю.В. Верхошанский, Д.Д. Донской, В.М, Дьячков, В.М. Заци-орский, А.Д. Новиков, Я.К. Коблев, Н. Г. Озолин, И.П. Ратов, J1.B. Чхаидзе, В.П. Филин и др.). Ее педагогическими положениями занимались П.Ф. Jlec-гафт, Г.И. Кукушкин, Л.П. Матвеев; физиологическими - А. Н. Крестовни-
-6-
ков, B.C. Фарфель, Н. В. Зимкин, И. М. Козлов; биомеханическими - H.A. Бернштейн, Д.Д. Донской, В.М. Зациорский, И.П. Ратов, В.Б. Коренбсрг, В.Л. Уткин и др.
Об использование спортивных тренажеров и других технических средств в целях управления эффективностью обучения и совершенствования движениями известно из исследований: И.П. Ратова, разработавшего основные положения теоретической концепции «искусственной управляющей среды»; С. П. Евсеева, предложившего условия принудительного управления суставными гимнастическими движениями с помощью «императивных тренажеров»; Н. Г. Сучилина, показавшего управляющие приемы программирования условий, обеспечивающих прогрессирующее возрастание сложности упражнений; Г. И. Попова выделившего основные условия подбора факторов предметной среды, детерминирующие изменение свойств и результативности упражнений в процессе их выполнения; Ю. Т. Черкесова определившего приемы и методические возможности детерминации режимов силового взаимодействия спортсменов с объектами управляющей предметной среды; В.И. Жукова остановившегося на оптимальном характере выполнения силовых и скоростно-силовых упражнений.
Поиски путей с целью повышения качества выполнения тренировочных упражнений все чаще приводят специалистов по биомеханике и теории спортивной тренировки к необходимости анализа методических условий использования упражнений и к необходимости применения нетрадиционных технических средств для повышения эффективности тренировочного процесса (Ю. К. Гавердовский, Г. А. Гилев, Л. С. Дворкин, А.М. Доронин, В. И. Жуков, В. В. Иванов, Ю. А. Ипполитов, И. М. Козлов, В. В. Кузнецов, В. Н. Курысь, А.Н. Лапутин, И. П. Ратов, В. Л. Уткин, Л. В. Чхаидзе, G. Ariel, J Counsilmen, A. Del Monte и др.).
Наиболее эффективными методами совершенствования спортивных
-7-
движений многие ученые (P.S. Rasch, 1957; R.A. Berger, 1962; D.E. Belka, 1968; D.E.ClarkJ973) считают изотоническую тренировку другие же отдают предпочтение изокинетической (H.G. Thistle et al., 1967; T.V. Pipes, J.H. Wilmore, 1975; R. Stevtns, 1980;G. Ariel, 1986, 2000; L.E. Brown, 2000; D.H. Perrin, 2000).
Существующее противоречие есть следствие отсутствия научных данных о правильных и рациональных путях формирования эффективных движений в условиях проявления различных режимов работы мышц.
Причиной тому является то, что предлагаемые до настоящего времени тренажеры для совершенствования метательных движений не позволяют создавать на одном устройстве разные режимы сопротивления. В этой связи нам представляется, что создание условий для проявления новых режимов работы мышц, автоматического перехода от одного режима к другому в процессе выполнения упражнения по мере роста физических качеств посредством новых тренажерных усгройств весьма актуально.
Спортивная деятельность характеризуется значительными противоречиями, двигательные действия различаются сложной специализацией и одновременным согласованием активностью мышц в качестве двигателя, движителя и рецептора (И.М. Козлов, A.B. Самсонова, А.М. Доронин).
До настоящего времени не нашла отражения в научно - исследовательской литературе по теории и методике физического воспитания тема широкого использования тренажеров с обратной связью, да и определение понятия «обратная связь » не однозначно (H.A. Бернштейн, П.К. Анохин, Л.В. Чхаидзе, В.Б. Коренберг).
Актуальность темы определяется важностью знаний о совершенствовании двигательных способностей человека, о способах, расширяющих его возможности, и трудностями, связанными с тем, что дальнейшее приращение спортивных результатов, за счет уже известных средств и методов
-8-
тренировки, становится невозможным. Поэтому поиск новых возможностей совершенствования учебно-тренировочного процесса посредством использования технических средств и новых технологий является весьма актуальной задачей в теории и методике спортивной тренировки.
Актуальность темы определяется также тем, что в последние годы все возрастающее внимание привлекает к себе метод программированной тренировки спортсменов с учетом индивидуальных особенностей. Важнейшей предпосылкой этого метода является разработка технических средств обучения и контроля, применение которых позволит значительно улучшить учебно - тренировочную работу по совершенствованию двигательных способностей спортсменов.
Актуальность темы определяется необходимостью более широкого внедрения в учебно-тренировочный процесс новейших технических средств тренировки и создания на их основе современных новейших технологий.
Использование тренажерных устройств в процессе специальной подготовки имеет ряд преимуществ. Прежде всего, это четкое программирование структуры выполняемого движения или характера и величины специфической нагрузки. Кроме того, упражнения на тренажерах дают возможность целенаправленно воздействовать на отдельные мышцы или мышечные группы.
До настоящего времени в научно - методической литературе не нашла отражения система мер, позволяющая рационализировать тренировочный процесс за счет оперативной обратной связи в системе «спортсмен - тренажер» и ее взаимодействием с прямой связью с установлением между ними автоматической согласованности во время выполнения упражнения.
Проблемой нашего исследования является определение научно-теоретических основ адаптивного взаимного управления путем взаимодей-
-9-
ствия самоуправляемой системы - организма спортсмена с автоматически изменяемыми условиями внешней среды.
Цель исследования состоит в разработке, теоретическом и экспериментальном обосновании интенсивной технологии совершенствования двигательных действий, основанной на использовании адаптивных тренажеров, в которых величина и характер сопротивления автоматически приспосабливаются под изменяющиеся возможности спортсмена.
Объект исследования - процесс совершенствования двигательных действий в новых (адаптивных) условиях взаимодействия спортсменов с внешней предметной средой.
Предмет исследования - биомеханическая структура соревновательных и специальных упражнений как результат взаимодействия спортсмена с адаптивным тренажерным комплексом.
Анализ современного состояния спортивной науки позволил сформулировать гипотезы исследования. Предполагалось, что:
- при управлении тренировочным процессом с использованием адаптивных тренажеров, происходит автоматическое определение меры доступности величины нагрузки, в соответствии с изменяющимися функциональными возможностями спортсмена на различных этапах подготовки в заданном тренером диапазоне постепенно, а затем по мере перехода количественных изменений в качественные - скачкообразно;
- на основе теоретической концепции «искусственной управляющей среды» И.П. Ратова нами выдвигается предположение о том, что возможности формирования эффективных спортивных движений могут быть значительно улучшены за счет внедрения в практику адаптивных тренажеров, создающих непрерывное текущее (адаптивное) регулирование скоростного и силового взаимодействия спортсмена с внешними силами (объектами) на основе взаимообмена информацией по прямой и об-
- 10-
ратной связи между спортсменом и адаптивным тренажером во время выполнения двигательных действий, обеспечивающего необходимые условия интенсификации.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые: дано теоретическое и методическое обоснования «технологического механизма» адаптивных тренажеров, направленных на совершенствование физического воспитания:
разработан ряд тренажерных устройств, (защищенных авторскими свидетельствами), позволяющих осуществлять тренировку в рекордном режиме по скорости выполнения финальной фазы метательного движения; на теоретическом и практическом уровнях обоснована взаимосвязь биомеханических и педагогических составляющих двигательной деятельности, позволившая сформулировать педагогическое понятие процесса адаптивного обучения в физическом воспитании на основе применения адаптивных тренажеров;
экспериментально доказано, что применение адаптивных тренажеров, направленных на совершенствование физического воспитания, помогает на деле выполнять статью 2 «Закона об образовании», где указанно, что одним из основных принципов государственной политики объявляется принцип общедоступности, «адаптивности системы образования к уровням и особенностям развития и подготовки обучающихся»; конкретизированы пути повышения эффективности действующей системы физического воспитания за счет предложенной технологии, а также сформулированы технические требования к проектированию и конструированию технических средств, ориентированных на адаптивное взаимодействие спортсмена с внешними силами;
получены новые данные кинематических и динамических показателей технически сложного метательного движения и простого односуставного
-11 -
при использовании адаптивного тренажерного комплекса в разных его вариантах:
- предложена новая схема управления взаимодействием в системе «спортсмен - тренажер - спортсмен» в упражнениях циклического и ациклического характера
- обоснована возможность адаптивного управления взаимодействием спортсмена с внешними силами путем искусственных изменений внешней среды, выражающаяся в применении новых технических средств -адаптивных тренажеров, позволяющих обеспечивать приспосабливающее (адаптивное) сопротивление устройства по скорости выполнения упражнения спортсменом, как непосредственно во время выполнения двигательного действия (срочный тренировочный эффект), так и в результате кумулятивного тренировочного эффекта.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Новое научное направление преодоления противоречий: между управляющей (спортсменом) и управляемой (тренажером) системами; между все возрастающим объемом нагрузки и лимитом времени спортсмена на его освоение; между нагрузкой, получаемой спортсменом, и возможностями самого спортсмена; между стабилизирующимся навыком и ростом спортивных результатов; между силовым и скоростным компонентами в процессе выполнения движения, создающих предпосылки для преодоления противоречий между общей и специальной физической подготовкой спортсменов, посредством создания и использования адаптивных тренажеров в процессе обучения и совершенствования двигательных действий и развития физических качеств.
- 12-
2. Новое научное направление преодоления противоречий, возникающих в тренировочном процессе, между количественными и качественными компонентами движения путем автоматического перехода, который обеспечивается адаптивными тренажерами на основе одного из основных законов диалектики: «перехода количественных изменений в качественные».
3. Новый принцип управления во взаимодействии спортсмена с внешней предметной средой, названный нами «адаптивный резонанс», основанный на взаимодействии самоуправляемой системы - организма спортсмена с автоматически регулируемым сопротивлением нагрузочного устройства тренажерного комплекса что ведет к образованию новой сущности взаимодействия (взаимное управление двух управляемых систем) и образованию взаимообратной связи.
4. Новая технология программного управления взаимодействием спортсмена с внешней предметной средой, основанная на изменении сопротивления тренажерных устройств по их массе, количеству маховиков и плечу приложения силы.
Теоретическая значимость диссертационного исследования для теории и методики физической культуры и биомеханики состоит в том, что разработанная концепция посвящена углублению понимания механизма двигательных действий человека определяемой теорией построения движений
H.A. Бернштейна Система движений рассматривается как совокупность элементов, взаимосвязанные функции которых координированы для решения общей двигательной задачи. Изучение структуры движений человека с использованием различных тренажерных устройств и управление ими позволяют понять, как используются законы движений (механические и биологические) в двигательной деятельности человека
Теоретическая значимость состоит в том, что:
-13-
- получены новые данные по расширению понятия «искусственная управляющая среда» во взаимодействии с самоуправляемой системой - организмом спортсмена;
- на смену флуктуации, инерции, симметрии, принципу наименьшего действия и регулирования и другим формам внешнего управления системой движений человека приходит наиболее развитая и высокоорганизованная форма автоматической регуляции в природе, а именно - принцип обратной связи (управление по принципу обратной связи);
- предложена новая концепция управления в теории и методике физического воспитания, позволяющая осуществлять управление тренировочным процессом по малому кругу (срочный тренировочный эффект) и по большому (кумулятивный тренировочный эффект);
- расширены представления о механизмах управления движениями человека, осуществляемых взаимодействием самоуправляемой системы спортсмена с регулируемым сопротивлением нагрузочного устройства тренажерного комплекса по жесткому виду управления, когда одинаковые причины (конструктивные особенности тренажерных средств) вызывают одинаковые следствия у спортсменов.
Практическая значимость диссертационного исследования состоит в следующем:
1. Исследование показало возможность практического применения адаптивного управления в физическом воспитании. Управление движениями осуществляется специально созданными устройствами - адаптивными тренажерами. Применение адаптивных тренажеров вносит значительные положительные изменения в реализацию всех дидактических принципов обучения.
-14-
2. В условиях формирующего эксперимента двигательная задача детерминирована постоянным стремлением спортсмена к самоусовершенствованию. Спортсмен, решающий типовые двигательные задачи, становится, таким образом, субъектом собственного развития, а не только субъектом познания, оценки и преобразования объекта Очень важным практическим результатом работы является возможность понять тот регуляторный механизм, который порождает те или иные решения.
3. Разработаны тренажерные устройства позволяющие разрешить противоречий между силой приложения к снаряду и скоростными возможностями ее приложения, защищенные авторскими свидетельствами, с создаваемыми впервые новыми программированными условиями взаимодействия спортсмена с внешней предметной средой.
Апробация работы. Результаты исследования позволили создать и обосновать новую технологию адаптивных тренажеров, стали основой методических рекомендаций и указаний по повышению эффективности учебно-тренировочного процесса Эти рекомендации изложены в ряде публикаций. Результаты исследований доложены:
1. На Всесоюзной научно-технической конференции «Техника и спорт IV» -М.,1985.
2. На Всесоюзной научно-технической конференции «Электроника и спорт» -Л.,1986.
3. На международной конференции «Гипнология и интегративная антропология на службе педагогической, спортивной, медицинской и психотерапевтической практики». - Майкоп, 1994.
4. На научно- практической конференции «Интегративная антропология в решении задач здорового образа жизни». - Майкоп, 1995.
5. На научно - практической конференции «Проблемы теории и практики интегративной антропологии». - Майкоп, 1996.
-15-
6. На итоговых научно-методических конференциях Адыгейского государственного педагогического института. - Майкоп, 1985 - 1992.
7. На международной научной конференции «Современные проблемы развития физической культуры и биомеханики». - Майкоп, 1999.
8. На международной научно-практической конференции «Современные проблемы развития физической культуры и биомеханики». - Майкоп, 2001.
Материалы диссертационного исследования нашли свое отражение в шести авторских свидетельсгвах и одном патенте.
- 16-
ГЛАВА I
МЕТОДИКА И РЕЖИМЫ ТРЕНИРОВКИ МЫШЕЧНОЙ СИЛЫ
1.1. Представление о силе как двигательном качестве
«Движение тела тем экономичнее, а, следовательно, и рациональнее, чем в большей мере организм использует для его выполнения реактивные и внешние силы и чем меньше ему приходиться привносить активных мышечных добавок», - Н. А. Бернштейн.
И. П. Ратов: «Тренажеры должны обеспечивать внешние энергосиловые добавки в процессе воспроизведения естественных двигательных заданий».
Эти две цитаты ученых говорят о противоречивости процесса использования внешних и внутренних сил, о неоднозначном толковании роли силы в тренировочной и соревновательной деятельности.
Общеизвестно, что сила человека определяется, как способность преодолевать внешнее сопротивление или противодействовать ему за счет мышечных усилий (223, 139). Позднее В.Б Коренберг (175) уточнил и расширил понятие силы: характеристика механического действия одного тела на другое, количественная мера этого действия; характеристика моторики (физическое качество); мера максимально возможного развития силы тяги мышц (группы мышц) в изометрическом режиме (сила мышц, мышечной группы).
Сокращение мышцы, при котором она развивает напряжение, но не изменяет своей длины, называется изометрическим, - это статическая форма
- 17-
сокращения. Силу, проявляемую в этом режиме сокращения, называют статической или изометрической. Если длина мышцы уменьшается, мышца работает в преодолевающем режиме и, наоборот, если длина мышцы увеличивается, - это режим уступающий.
Когда внешняя нагрузка на мьшшу меньше, чем напряжение, и при этом мышца сокращается с постоянным напряжением, этот тип сокращения называют изотоническим. Скорость изотонического сокращения мышцы зависит от величины нагрузки: чем она больше, тем меньше скорость сокращения.
В реальных условиях деятельности мышц практически не встречается чисгго изометрическое или чисто изотоническое сокращение: при статическом сокращении из-за растяжения последовательных пассивных упругих элементов мышцы длина ее меняется; в динамических режимах с постоянной внешней нагрузкой истинное сопротивление движению меняется в результате изменения действия сил и углов их приложения. В практике спорта часто называют изотоническим режим, при котором мышцы выполняют работу против постоянного внешнего сопротивления, а изометрическим (статическим) - режим мышечного сокращения, не сопровождающийся движением звеньев тела.
Силовые способности зависят от физиологического поперечника мышцы (Вебер), их строения (Бернулли), количества включенных в работу двигательных единиц, соотношения мышечных волокон различных видов, механизмов межмышечной координации, и рассматриваются как собственно силовые, т.е. позволяющие перемещать груз определенного веса, и силовые способности как условие, определяющее скорость движений или перемещений спортсмена (257).
«Выделяют виды силовых способностей: максимальную силу,
взрывную силу и силовую выносливость. Под максимальной силой подра-
-18-
зумевается наивысшие возможности, которые спортсмен способен проявить при произвольном максимальном мышечном сокращении. Под взрывной силой понимают способность преодолевать сопротивление с высокой скоростью мышечного сокращения. Силовая выносливость - это способность длительное время поддерживать оптимальные силовые характеристики» (257).
К формам силовых проявлений, по мнению Ю.В. Верхошанского, относятся: абсолютная сила, скоростная сила, взрывная сила, силовая выносливость (62). Проблема определения наиболее эффективных методов развития скоростно-силовых качеств интересовала многих ученых (7, 57, 58, 59,60, 69, 81, 83, 87, 102, 105, 107, 108, 109, 110, 119, 121, 129, 139, 142, 145, 147, 153, 181, 192, 193, 220, 225, 236, 242, 244, 249, 257, 258, 260, 261, 265, 271, 293, 312, 316, 326, 334, 335, 346, 366, 370, 371, 372, 373). Исследования показывают, что определяющими факторами развития физических качеств является правильный выбор методов, адекватный подбор средств и рациональная организация занимающихся. В исследованиях С.Л. Ьо§ап (468) показано, что сила развивается в большей степени в той точке (отрезка пути) движения, где преодолевается наибольшее сопротивление. Целым рядом авторов отмечено, что величина изометрической силы в большей степени зависит от угла в суставе (96, 98, 164, 173, 189, 197, 202, 212). При этом минимальное значение силы, как правило, соответствует экстремальным положениям в суставе - полностью выпрямленное и полностью согнутое. Максимальная же изометрическая сила проявляется при определенном угле, характерном для данного сустава. На величину этого угла оказывает влияние положение смежных суставов (273, 275, 492). Исследования .1.8. РейоГэку, С.Л. РЫШрэ (477) в которых изучались движения в локтевом суставе, показали, что для каждого испытуемого существует свой оптимальный угол, при котором может быть достигнуто максимальное изометриче-
-19-
ское усилие. Экспериментально доказано (273), что эффективность силовых упражнений зависит от положения тела во время тренировки. При этом выявлено, что если наибольшее мышечное усилие проявляется в положении, соответствующем наибольшей длине активных мышц, то перенос силы на другие положения соразмерен. Наоборот, если максимальное мышечное усилие проявляется в положении тела, соответствующем укороченному состоянию активных мышц (т.с. наибольшему сгибанию в суставе при активности мышц сгибателей или наибольшему разгибанию при активности мышц - разгибателей), то перенос кумулятивного тренировочного эффекта на другие положения тела мал. С целью проверки достоверности отмеченных выше фактов в условиях динамических силовых упражнений Л.М. Райцин и С.К. Сарсания (275) провели эксперимент, в котором в качестве модельного упражнения использовали сгибание рук в локтевых суставах. В одном случае упражнения выполнялись со штангой, в другом -на специальном приспособлении, которое оказывало возрастающее сопротивление мышцам, уменьшающим свою длину.
Результаты этого эксперимента подтвердили данные, полученные при использовании изометрических упражнений, а также при элекгростимуля-ционной тренировке (274, 275). Более того, ранее проведенными исследованиями В.М. Зациорского, Ю.И. Смирнова и А. И. Михеева выявлено (147):
- скорость движений с преодолением больших сопротивлений увеличивается, если изометрическая тренировка силы проводится в том положении тела, где по ходу движения нужно проявить усилия;
- скорость движений с преодолением малых внешних сопротивлений растет быстрее всего в том случае, если изометрическая тренировка силы проводится при положении тела, соответствующем началу движения.
-20-
Эти особенности проявления силы мышц, в известной мере, могут быть объяснены тем, что мышцы способны работать не всей своей массой, а по частям (130). С помощью специальных устройств можно создать условия, при которых угловая скорость движения в суставе при сокращении мышц будет оставаться постоянной. Это изокинетический тип сокращения. М. N. Hinson с соавторами (457) математически доказали, что при постоянной скорости изменения угла в суставе линейная скорость мышечного сокращения непостоянна. Модели силовой тренировки делят на две категории - статические и динамические. Статическую тренировку, так же как и статическое сокращение, называют изометрической.
Идея изометрической тренировки заключается в том, чтобы вызвать напряжение тренируемой мышцы путем приложения ее силы тяги к неподвижному объекту и поддерживать это напряжение некоторое время. Этот вид тренировки получил широкое распространение в середине 50-х годов, благодаря работам Т. Hettinger et Е.М Muller (454).
T.V. Pipes (479) динамическую тренировку делит в зависимости от характера на1рузки на три вида а именно: с постоянным сопротивлением (constant resistanse exercise); с меняющимся сопротивлением; с аккомодационным сопротивлением. Общепринятое название первого метода тренировки - изотонический. В качестве нагрузки при такой тренировке чаще всего используются ядра гири, штанга гантели. Первую попытку систематизировать изотоническую тренировку предприняли T.V. Lorme et A.L. Wotkins (437). Ими был предложен метод прогрессивно возрастающего сопротивления (progressive resistanse exercise). Суть метода заключается в развитии силы путем повторного поднимания груза 860 которого постоянно увеличивается. Определяют вес, который можно поднять 10 раз подряд. Он обозначается как 10 МП, т.е. 10 максимальных повторений. В конце каждой недели тренировки определяют новое значение веса 10 МП, т.к.
-21 -
рост силы ведет к увеличению возможного числа подъемов первоначального веса.
R.A. Berger (424) использовал величину сопротивления, при которой упражнение можно было выполнять только один раз -1 МП, как показатель максимальной изотонической силы.
Некоторые авторы применяли другие значения нагрузки для определения наиболее эффективной величины сопротивления (61,421,422,426, 478). При изотонической тренировке мышца сокращаясь, совершает работу по перемещению определенного груза В этом случае нагрузка прикладываемая к скелетному рычагу, остается постоянной на протяжении всего движения. Однако, сопротивление, прикладываемое к мышце, непостоянно из-за изменения плеча силы. Сопротивление, оказывающее наибольшее механическое воздействие на мышцу при экстремальных положениях сустава и, соответственно, нагрузка на мышцу в этих положениях будет наибольшей. В средней части движения, где плечо силы тяги для многих мышц максимально, нагрузка на мышцу меньше. Напряжение, развиваемое мышцей в изотоническом режиме, максимально только в небольшой части движения. Соответственно: общая проделанная работа значительно меньше максимально возможной (458, 479, 480).
Для устранения этого недостатка изотонической тренировки были сконструированы рычажные механические эксцентриковые устройства, в которых при выполнении определенных упражнений меняется внешнее сопротивление (примером такого тренажера является «Наутилус»). По классификации T.V. Pipes (478) этот метод называется «тренировка с меняющимся сопротивлением» (variable resistanse exercise). Но для разных суставов зависимость момента сил от суставного угла различна, и на тренажерах такого типа невозможно обеспечить оптимальные режимы сокращения для всех мышц. Третий вид динамической работы - тренировка с аккомо-
-22-
дационным сопротивлением (accomodeting ressistanse exercise). Она известна также под названием изокинетической тренировки. Предпосылкой ее возникновения послужили попытки приблизить силовую тренировку пловцов к реальным условиям, так как скорость гребка из-за большого сопротивления воды остается почти постоянной, вызывая сокращения мышц с максимальной силой.
Термин «изокинетическая тренировка» появился в конце 60-х годов. В это время в США появились первые изокинетические тренажеры, и была опубликована концепция выполнения упражнений (429, 458, 490) на них. Большая роль в пропаганде изокинетической тренировки среди спортсменов принадлежит американскому тренеру по плаванию J. Counsilman (163, 433, 434,435).
В отечественной (62, 84, 232, 374) и зарубежной (433, 434, 435, 479) литературе имеются сведения об эффективности изокинетической тренировки для улучшения результатов в плавании.
Принцип изокинетических упражнений состоит в том, что скелетно-мышечная система выполняет движения с постоянной угловой скоростью против сопротивления, величина которого в каждый момент движения равна моменту сил данной мышечной группы. При выполнении упражнения на изокинетическом тренажере мышца может развивать максимальное напряжение во время всего диапазона движения.
При изокинетической тренировке задается не величина сопротивления (нагрузки), а скорость выполнения упражнения. Нагрузка, действующая на скелетно-мышечную систему, при этом не соответствует общепринятому понятию этого слова Это не сила тяжести и не сила трения. «Изокинетическая нагрузка соответствует сопротивлению, которое препятствует выполнению движения с ускорением, в результаге чего сохраняется постоян-
-23-
ная скорость движения. Сопротивление приспосабливается ко всем факторам, являющимся причиной изменения силы во время движения» (458).
Благодаря приспосабливаемое™ сопротивления в изокинетических тренажерах к изменяемой силе скелетного рычага, мышца может находиться в состоянии максимального сокращения на протяжении всего движения. Так как с увеличением скорости сокращения уменьшается величина напряжения, развиваемого мышцей, то изокинетическая тренировка на малой скорости - это тренировка с большой нагрузкой, а на большой скорости - с малой нагрузкой.
Изометрическую тренировку можно рассматривать как частный случай изокинетической, когда скорость движения равна нулю. Некоторые модели изокинетических тренажеров снабжены регистрирующим устройством, которое позволяет записывать изменение момента силы.
Это делает тренажеры пригодными для физиологического исследования изокинетического и изометрического сокращений.
Полу - аккомодативный тип тренировки по виду сопротивления «полу - аккомодативное » предложил \У. АУ. Неивпег (455, 456). Этот тип сопротивления надуманный, поскольку он создается изотоническими тренажерами или снарядами постоянного сопротивления. W. W. НеиБпег отмечает, что на изокинетических тренажерах мышцы спортсмена получают максимальную нагрузку эквивалентную аккомодативному сопротивлению и выполняются без ускорения. Да и в изотонической тренировке последнее всегда соответствует требованиям изокинетической тренировки, однако, до этого необходимо проделать большой объем работы и затратить время. В спортивной деятельности существует многообразие различных упражнений. Некоторые из них по своей структуре часто совпадают с аккомодативным сопротивлением, которое получают мышцы спортсмена но сопротивление создаваемое устройством не аккомодативное. Это происходит, когда спорт-
-24-
смен, как мы говорили выше, выполняет упражнение последний раз в подходе или когда, например, изменение суставного угла соответствует изменению плеча рычага устройства, но это частный случай, а не закономерность.
В.Н. Платонов отмечает, что сейчас принято выделять упражнения силовой направленности, выполняемые в следующих режимах: 1) изометрическом (статическом); 2) изотоническом (динамическом); 3) изокинетиче-ском; 4) в режиме переменных сопротивлений. Это деление не является достаточно строгим, поскольку все режимы, кроме изометрического, являются различными вариантами работы динамического характера (247, 465). Эта классификация в основном аналогична классификации T.V. Pipes (479).
В зависимости от тренировочных задач Ю.В. Верхошанский (63) выделяет три режима работы мышц, преимущественно способствующих развитию максимальной силы и скоростно-силовых способностей (статодинамический режим), скоростной силы (изокинетический режим), взрывной силы и реактивной способности нервно-мышечного аппарата (ударный режим).
Статодинамический режим представляет собой последовательное сочетание в одном движении изометрической и динамической работы мышц. Известны несколько вариантов этого режима Метод промежуточных напряжений предусматриваег выполнение упражнения по заданной траектории с остановками. По методу Гофмана в начале упражнения 2-3 секунды мышцы работают в изометрическом напряжении, которое сменяется динамической работой взрывного характера с преодолением относительно небольшого отягощения (62).
Идея ударного метода заключается в использовании для стимуляции нервно-мышечного напряжения кинетической энергии тела (снаряда), запасенной при его падении с определенной, строго дозированной высоты, или
-25-
при использовании кинетической энергии вращающегося маховика при его остановке и проти во вращении в бросковых движениях. Торможение падения тела или вращения маховика на относительно коротком пути вызывает резкое (ударное) растяжение мышц, стимулирующее интенсивность центральной импульсации мотонейронов и создающее в мышцах упругий потенциал напряжения, что в целом способствует более быстрому их последующему рабочему сокращению при быстром переключении от уступающего к преодолевающему режиму работы (59).
Имеется ряд исследований по выявлению особенностей изокинетическо-го сокращения на изокинетическом динамометре. По данным некоторых авторов изокинетическая сила меньше изометрической (436, 442, 470 , 471). Однако J. J. Perrine, V.R. Edgerton (476) зарегистрировали максимальную силу на скорости 96 °/с. Между максимальными значениями изометрической и изокинетической силы существует корреляционная зависимость (443). Высокая положительная корреляция была найдена между максимальным и средним значением момента силы (г=0,9), а также между максимальным моментом и количеством работы (г=0,85) (464). Исследования некоторых авторов указывают на зависимость максимальной изокинетической силы от веса тела (442, 462). Сравнение изокинетического сокращения с изотоническим показало, что в начальной и конечной фазах движения изотоническая сила выше, в то время как изокинетическая сила превосходила изотоническую в средней фазе движения. Эта закономерность характерна как для быстрых, так и для медленных движений. Сравнение проводили при скорости изокинетического сокращения, равной средней скорости выполнения изотонического упражнения (465).
Исследования скоростно-силовых характеристик мышц, выполненные на изокинетическом динамографе, показали, что кривая сила- скорость для интактной мышцы человека - совпадает с кривой, полученной на изолиро-
-26-
ванной мышце и выраженной уравнением Хилла (357, 443, 476). Суть ее заключается в том, что увеличение скорости движения приводит к уменьшению пика момента силы, и почти линейно - увеличению мощности (474. 475,476).
Для эффективной силовой тренировки необходимо одновременное сокращение возможно большего числа мышечных волокон. Е. Henneman et al (452) было показано, что при произвольном сокращении мышцы, в первую очередь, активизируются малые двигательные единицы. По мере увеличения развиваемого усилия активизируются все более крупные двигательные единицы. Большие двигательные единицы активны только при нагрузках, близких к максимальным и максимальным напряжениям. Одним из эффективных способов решения затронутой проблемы, по мнению известных специалистов (62, 63, 121, 122, 189, 220, 242, 284, 288, 316, 346), являются тренировки с применением метода сопряженного воздействия, предложенного В.М. Дьячковым. Целесообразность этого метода была подтверждена исследованиями, проведенными в легкой атлетике с метателями (61, 62, 63, 102, 187, 220, 273), в спортивной гимнастике (103, 227, 228), спортивных играх (89,118, 154), тяжелой атлетике (1, 4, 27, 302, 326, 350, 362, 365).
Наиболее характерной формой сопряженного совершенствования является совместная технико-физическая подготовка, осуществляемая в целостном двигательном акте в структуре соревновательного упражнения (121, 122).
Главной проблемой сопряженного совершенствования технической и физической подготовки становится проблема отбора специальных упражнений, адекватных задачам физической подготовки. В таких упражнениях развитие физических качеств (во главе с ведущим качеством) следует осуществлять в соответствии с теми структурно - функциональными условиями, в которых эти качества проявляются в целостном спортивном уп-
-27-
ражнении. Иначе говоря, благодаря четкому сопряженному совершенствованию двигательной функции, должны осуществляться не только нужные морфологические и функциональные перестройки, обуславливающие особенности развития двигательных качеств, но и формирование специальных механизмов мышечной координации, соответствующих требованиям моделируемой части двигательного акта По существу, процесс отбора таких упражнений имеет все черты структурно-функционального моделирования основных фаз целостного двигательного акта с возможно большей степенью подобия характеристик движения (326).
Чтобы подобрагь специально вспомогательные упражнения с наибольшим сопряжением и положительным переносом навыка и двигательных качеств, необходимо иметь четкое представление об оптимальности кинематической и динамической структур движений соревновательных упражнений (114, 129, 174, 194, 367).
1.2. Сведения о влиянии различных режимов тренировки на силовые и скоростно-силовые показатели мышц при выполнении упражнений
Разные виды спортивной и профессиональной деятельности предъявляют свои характерные требования к функциональным свойствам нервно-мышечной системы. В связи с этим большой интерес представляет сравнительная оценка влияния методов силовой тренировки на функциональные свойства этой системы. Необходимо отметить, что при сравнении однотипных тренировок встречаются определенные трудности, связанные с уравниванием рабочих нагрузок, неодинаковой методикой тестирования. Одни и тс же мышечные группы развиваются разными упражнениями. Группы испытуемых часто неоднородны по своему составу. Обращают на
-28-
себя внимание различия в длительности тренировочного периода (от трех недель до шести месяцев) и количестве тренировочных дней в неделю (от двух до шести). Применение изокинетических тренажеров и динамометров позволяет в некоторой мере стандартизировать тренировку и тестирование, объективно оценивать силовые и скоростно-силовые характеристики отдельных мышц и мышечных групп.
За рубежом было проведено много исследований с целью сравнения эффективности различных методов и режимов тренировки мышечной силы. Результаты ранних исследований характеризуются большой противоречивостью. Ряд авторов (482, 484) считают, что изотоническая тренировка более эффективна для увеличения силы, чем изометрическая. Однако стандартизация нагрузки привела к выводу об отсутствии значительных различий между изометрической и изотонической тренировками (420, 430, 431).
R.A. Berger (421) указывает на специфическое влияние разных методов силовой тренировки: группа, тренирующаяся в изотоническом режиме, была лучше в изотонических тестах, а группа, применяющая изометрический режим, показала больший прирост в статической силе. Исследования более позднего времени подтвердили результат R.A. Berger (427, 439, 440, 441, 471, 478, 488). Авторы отмечают, что наибольший прирост силы соответствует тем скоростно-силовым условиям, при которых проводили тренировку.
Некоторые исследования указывают, что динамическая тренировка не влияет на величину статической силы (440 и др.).
Исследования изотонической тренировки (420) показали, что применение нагрузки меньше 50% от максимальной не ведет к росту динамической силы, но увеличивает выносливость.
Н.С. Thriste с соавторами (490), сравнивая результаты восьминедельной тренировки в изокинетическом, изотоническом и изометрическом режимах,
-29-
определили, что наибольшее увеличение динамической силы и работоспособности было после изокинетической тренировки, а наименьшее после изометрической.
М. Moffroid с со авт. (470) провели аналогичное исследование с четырехнедельной тренировкой. По их данным, каждый вид тренировки оказывает свое специфическое влияние. Так, изометрическая тренировка ведет к наибольшему увеличению статической силы, а изотоническая - динамической.
R. Stevens (488) сообщает, что изокинетическая тренировка дает больший прирост мощности, чем изотоническая (оценивали по высоте выпрыгивания).
В последние годы была опубликована серия работ по сравнительной оценке разноскоростных режимов изокинетической тренировки.
В исследованиях М. Moffroid, R. Wipple (471) первая группа тренировалась на низкой скорости (36 °/с), выполняя 20 сгибаний и разгибаний сустава за одну тренировку, вторая - на высокой скорости (108 %), выполняя 60 движений за тренировку. Длительность работы мышц за одну тренировку в обеих группах равнялась 2 мин. После шести недель тренировки сила увеличилась, причем наибольший эффект достигнут при тренировке на высокой скорости. Высокоскоростной режим тренировки привел и к большему приросту мощности.
Аналогичные результаты были получены Т. V.Pipes. J.H. Wilmore (478) при сравнении тренировок на скорости 24 и 36 °/с. Их данные показывают, что высокоскоростная тренировка более эффективна для улучшения результатов в таких тестах, как прыжок в длину с места, бег 40 ярдов (36 м), бросание набивного мяча и т.п.
Большинство авторов отмечают специфическое влияние изокинетической тренировки на разных скоростях. Не было обнаружено различий в
-30-
резко скоростных режимах, как правило, в тех исследованиях, в которых одну ногу тренировали на медленной скорости, а другую - на быстрой; или половину тренировки проводили в одном режиме, а вторую половину в другом.
Результаты исследования изокинетической тренировки вышеперечисленных авторов подтверждают данные Ю.Д. Бравой (50), отмечающей, что изокинетические режимы тренировки улучшают скоростные свойства мышц (длительность одиночного сокращения уменьшилась, абсолютный градиент вызванного сокращения увеличился).
Изокинетические режимы (50) ведут к значительному росту динамической силы, особенно в диапазоне скоростей, близких к тренировочным, по сравнению с изомегрической тренировкой. Эти данные хорошо согласуются с результатами многих авторов (471, 478 и др.) и подтверждают высокую специфичность адаптационных изменений нервно-мышечного аппарата. Результаты исследования изокинетической тренировки показали, что это высокоэффективный метод избирательного воздействия на скоростносиловые свойства отдельных мышечных групп. Тренировка на определенной скорости ведет к значительному увеличению силы не только на тренировочной скорости, но и на близлежащих скоростях.
Чем выше скорость тренировки, тем больше относительные приросты силы. Высокоскоростная тренировка более эффективна для увеличения мощности, чем низкоскоростная. Изокинетическая тренировка увеличивает силу, скорость и результат в отдельных двигательных тестах намного быстрее, чем тренировка на других тренажерах (486).
13. Анализ технических средств, используемых для совершенствования двигательных действий спортсменов.