- 2 -
ОГЛАВЛЕНИЕ:
ф Оглавление 2
ВВЕДЕНИЕ........................................................ 5
ГЛАВА 1. Теоретические и методологические предпосылки исследования биомеханической структуры спортивных движений 13
1.1. Средства и методы воспитания силовых и скоростносиловых качеств спортсменов ............................. 13
^ 1.2. Зависимость силы мышц от ее моторных и сенсорных
компонентов. Моторная функция мышцы ................ 23
1.3. Биомеханическая структура спортивных движений и проблема ее формирования ................................ 37
1.4. Тренажеры, тренировочные устройства. Их классификация и назначение......................................... 43
1.5. Гипотеза исследования .............................. 50
ГЛАВА 2. Цель, задачи, методы и организация исследования ...... 53
щ 2.1. Цель и задачи исследования ......................... 53
2.2. Методы исследования ................................ 54
2.3. Методы обработки экспериментальных данных .......... 64
2.4. Организация исследований ........................... 70
ГЛАВА 3. Формирование биомеханической структуры движений в
различных режимах внешней нагрузки ........................ 74
3.1. Кинематические и динамические характеристики прыжка взерх спортсменов различной квалификации ................... 74
3.2. Теоретическое обоснование совершенствования биомеханической структуры специальных упражнений ................... 80
3.3. Экспериментальная проверка теоретических положений по совершенствованию биомеханической структуры специальных упражнений ........................................... 89
3.3.1. Кинематические и динамические характеристики прыжков, выполняемые с различными видами отягощений ........................................................... 91
Заключение по главе.......................................... 101
ГЛАВА 4. Моторная и сенсорная активность мышц при выполнении физических упражнений в различных режимах внешней нагрузки ............................................................. 106
4.1. Критерии оценки мышечной активности при выполнении физических упражнений ........................................ 106
4.2. Изменение относительной длины мышц при взаимодействии с опорой при выполнении различных видов прыжков .......................................................... 112
4.3. Изменение скорости сокращения мышц при взаимодействии с опорой при выполнении различных видов прыжков 126
4.4. Оценка афферентного притока, поступающего от рецепторов мышц при выполнении физических упражнений ... 134
Заключение по главе.......................................... 136
ГЛАВА 5. Оценка эффективности и адекватности специальных
упражнений скоростно-силового характера ................ 140
5.1. Оценка эффективности специальных упражнений .......... 141
5.2. Оценка адекватности специальных упражнений ........... 147
Заключение по глазе'....................................... 169
ГЛАВА 6. Экспериментальная оценка эффективности методики применения тренажера с возможностью регулирования отягощением в учебно-тренировочном процессе .......................... 173
6.1. Характеристика педагогического эксперимента .......... 173
6.2. Принципы построения учебно-тренировочных занятий 3 группах при проведении педагогического эксперимента 175
6.3. Результаты педагогического эксперимента .............. 179
Заключение по главе........................................ 185
ГЛАВА 7. Обсуждение результатов исследования ..................... 188
ВЫВОДЫ............................................................ 202
Практические рекомендации ........................................ 207
Библиография ..................................................... 210
Приложения........................................................ 260
- 5 -
ВВЕДЕНИЕ
Физические упражнения представляют собой сложную и многогранную систему объединения составных частей с различными и разнооб-разными свойствами. Основными из них являются функции двигательного аппарата в качестве анализатора (органа чувств), двигателя и рекуператора энергии. Предметную область теории и методики физического воспитания и спортивной тренировки чаще всего составляют средства и способы развития двигательных качеств и формирования двигательных навыков. При этом, как правило, исследователи ограничиваются оценкой толь ;э моторного компонента организации двигательной деятельности спортсменов, ее кинематики и динамики. Гораз-« до меньше работ посвящено исследованию двигательного аппарата в
качестве анализатора и преобразователя энергии. Однако и в этих работах изучалась преимущественно какая-либо одна сторона организации и формирования двигательной деятельности человека (165. 166. 192. 193). Изучение какой-либо одной стороны сложного явления позволяет упростить исследовательские задачи, сделать их доступными для решения дифференцирования теоретических знаний и методов исследования - одно из основных направлений развития науки.
Однако не все проблемы удается решить таким способом, в част-14 ности проблему формирования новых, сложных свойств, которые появ-
ляются в результате взаимодействия составных частей сложного явления. Такой подход в большей степени соответствует духу современного этапа развития науки, методологическим причинам системного исс-
ледования.
Актуальность. Соответствие средств и методов подготовки двигательным возможностям организма спортсменов является непременным условием совершенствования учебно-тренировочного процесса. Несмотря на большое разнообразие специальных упражнений и тренажерных устройств, нацеленных на решение тренировочных задач и достижение высоких спортивных результатов, решение этой важной проблемы нельзя считать удовлетворительным. Это вызвано двумя основными причинами: первая - подбор тренировочных средств основывается на оценке внешней стороны движения, показатели которой не связаны однозначной зависимостью с содержанием двигательного действия; вторая -использование критериев, которые преимущественно оценивают какую-либо одну сторону организации физических упражнений. На первую причину обратил внимание H.A. Бернштейн, показав, что между командами, поступающими из нервных центров, и работой мышц существует сложная, неоднозначная связь. Мышцы функционируют в качестве двигателей. анализаторов и рекуператоров энергии. В связи с многообразием функций двигательного аппарата при обосновании средств и методов технической и физической подготовки выявляется зесьма сложная проблемная ситуация, ее техническая, методическая и прикладная стороны. Обоснование критериев, основанных на многообразии функций двигательного аппарата, для подбора эффективных и адекватных средств решения тренировочных и соревновательных задач биомеханики спорта. Поиск нозых средств, способствующих повышению эффективности учебно-тренировочного процесса, показал целесообразность использования тренажеров различного типа (97. 190, 205. 293] и привел в конечном итоге к формированию концепции "искусственной
- 7 -
управляющей среды". Однако основное внимание при обосновании эффективности работы с тренажерными устройствами исследователи уделяли преимущественно какой-либо одной стороне организации спортивных движений. Это не позволило рассмотреть проблему в широком плане так, чтобы создать новый класс специальных упражнений, нацеленных на совершенствование многогранной, полифункциональной природы двигательной системы, ее биомеханической структуры, и как следствие. - обосновать их место в общей системе средств подготовки спортсменов на основе оценки их эффективности и адекватности структуре основного двигательного действия. Актуальность данной работы обусловлена стремлением подойти к исследованию физических упражнений как единству трех основных компонентов двигательного аппарата и его функций анализатора, двигателя и рекуператора энергии, тем более, что системно-структурный подход стал надежным методологическим средством решения сложных биомеханических задач [30, 31, 74, 75, 122. 123 и др.]. Объединение составных частей в
единое целое происходит в рамках формирования биомеханической структуры движений. В ее состав входят компоненты различной природы: двигательная задача (абстрактный образ), двигательная программа (физиологический механизм координации движений), морфологические образования периферии двигательного аппарата (мышцы, кости и их сочленения).
Объект исследования. Основные и специальные упражнения в легкой атлетике, волейболе, силовом троеборье.
Предмет исследования. Биомеханическая структура соревновательных и специальных упражнений, интегрирующая основные функции дви-
- 8 -
гательного аппарата спортсмена как анализатора, дзкгателя и рекуператора энергии.
Новизна исследования заключается в постановке проблемы, отражающей основные противоречия скоростно-силовой подготовки: между требованием одновременно развивать значительные усилия к делать это с высокой скоростью (противоречие между реализацией двигательных качеств силы и скорости); между различными функциями двигательного аппарата: его активностью в качестве двигателя, накопителя упругой энергии, когда увеличение внешней нагрузки приводит к увеличению скорости сокращения мышц в одной части движения и. наоборот. к снижению - в другой. Получены новые факты, характеризующие активность мышечного аппарата в качестве двигателя, анализатора и рекуператора энергии.. Эти сведения послужили естественной научной базой для проектирования тренажерных устройств и тренажеров, применение которых позволило обеспечить высокий тренировочный эффект. Выдвинуто новое теоретическое положение, основанное ка знаниях о становлении биомеханической структуры специальных скоростно-силовых и силовых упражнений, приобретении новых системных свойств, расширяющих и усиливающих средства специальной физической и технической подготовки спортсменов, способствующих эффективному увеличению скорости сокращения мышц как в эксцентрическом, так и концентрическом режимах. Использование новых методик обработки экспериментальных данных (методика построения фазовых траекторий мышц и оценки их сенсорной активности) позволило подбирать и проектировать новые средства специальной физической и технической подготовки, основанные на комплексной оценке
- 9 -
Теоретическая и практическая значимость исследования для теории и методики физической культуры состоит в следующем:
1. Предложен новый класс специальных упражнений, основанный на использовании тренажерного устройства, позволяющего регулировать внешнюю нагрузку и снять противоречие между условиями для развития скорости и силы сокращения мышц.
2. Определено место предложенных специальных упражнений в общей системе средств подготовки спортсменов.
3. Разработано и создано "Тренажерное устройство", позволяющее регулировать внешнее отягощение в соответствии с особенностями строения и функциями двигательного аппарата спортсмена. Экспериментально оценена его эффективность.
4. Получен новый фактический материал о кинематике и динамике взаимодействия с опорой у спортсменов различной квалификации в различных видах спорта (легкая атлетика, волейбол, силовое троеборье).
5. Расширены представления о периферических механизмах регуляции мышечной активности при взаимодействии спортсмена с опорой.
Практическая значимость
1. Исследовано влияние различных видов отягощений, создаваемых тренажерным устройством для достижения максимальной эффективности использования специальных упражнений.
2. Разработана методика применения тренажерного устройства с возможностью регулирования внешнего отягощения.
3. Оценена эффективность и адекватность специальных упражнений. используемых в учебно-тренировочном процессе спортсменов в различных видах спорта (волейбол, легкая атлетика, силовое трое-
- 10 -
борье).
4. Получены новые теоретические и практические данные, которые могут быть внедрены в содержание лекционных и практических занятий по курсам теории и методики физического воспитания, физиологии, биомеханики и спортивных дисциплин (легкая атлетика, спортивные игры, тяжелая атлетика и др.).
- А.
Положения, выносимые на защиту:
Первое. Теоретические положения о технологии проектирования и конструирования тренажерных устройств, предназначенных для скоростно-силовой и силовой подготовки спортсменов различных зидов спорта. Специальные физические упражнения, созданные на основе теоретических положений о биомеханической структуре движений, реализация которых обеспечивается применением тренажерных устройств, позволяющих регулировать внешнее отягощение по ходу выполнения упражнения в соответствии с особенностями работы мышц спортсмена, влияющих на скорость, длительность и степень сокращения мышц в соответствии с тренировочными задачами. Для развития скоростно-силовых качеств мышц наиболее эффективной является нагрузка, возрастающая при амортизации и убывающая при отталкивании.
Второе. Средства и методы технической и физической подготовки спортсменов различных видов спорта с применением тренажеров и тренажерных устройств, построенных с учетом системности свойств двигательного аппарата по критериям эффективности, адекватности и показателям афферентного притока, в большей степени соответствующих задачам спортивной тренировки. Биомеханическая структура движений при взаимодействии спортсмена с опорой определяется системными свойствами двигательного аппарата, интеграцией его функций з ка-
- и -
честве двигателя, органа чувств и рекуператора энергии, что позволяет объяснить периферический механизм организации движений, который рассматривается как регулятор внешних и внутренних сил на основании характеристических зависимостей "сила - длина" и "сила -скорость".
Третье. Научно-методический подбор упражнений на основе всесторонней оценки биомеханической структуры специальных упражнений, являющийся основополагающим методическим принципом, определяющим содержание и формы специальных и базовых упражнений, технических средств обеспечения учебно-тренировочного процесса, что позволяет снять противоречия при сопряженном развитии двигательных качеств и техники движения. Подбор специальных упражнений, основанный на принципе превышения значений основных компонентов биомеханической структуры специального упражнения над аналогичными компонентами основного упражнения. Эффективности решения двигательной задачи соответствует не подобие различных сторон движения или динамических акцентов ее реализации, а соответствие основной задаче - достижению спортивного результата, т.е. повышению как двигательного потенциала, так и совершенствования механизмов для его реализации.
Апробация работы. Результаты исследования язились оснозой методических рекомендаций и указаний, которые способствовали повышению эффективности учебно-тренировочного процесса. Эти рекомендации изложены в ряде публикаций:
- Силовой тренажер с регулируемыми режимами сопротивления для тренировочных занятий с лицами, занимающимися физической культурой, а также инвалидами с ограниченными функциональными возможностями. - Майкоп: Изд-во Адыгейского гос. ун-та, 1990;
- 12 -
- Проблемы физического воспитания учащейся молодежи. - Карачаевок, 1991;
- Контроль за технической подготовленностью тяжелоатлетоз. Майкоп: Изд-во Адыгейского гос. ун-та. 1994;
- Скоростно-силозая подготовка спортсменов с использованием машины управляющего воздействия. - Майкоп: Изд-во Адыгейского гос. ун-та, 1995;
- Биомеханические основы волейбола.- Майкоп: Изд-во Адыгейского гос. ун-та. 1998;
- Совершенствование биомеханической структуры двигательных действий спортсменов на основе регуляции режимов мышечного сокращения. - Майкоп: Изд-во Адыгейского гос. ун-та, 1999.
Результаты исследования доложены на Всесоюзных научно-технических конференциях "Техника и спорт-У1".- Москва. 1982; "Электроника и спорт-VIIм.- Тула, 1983; Северо-Кавказская научно-практическая конференция "Проблемы физического воспитания учащейся молодежи". - Карачаевск, 1991, а также на других конференциях и семинарах.
Материалы исследования нашли свое отражение в 10 авторских свидетельствах на изобретения, два из которых разработаны, изготовлены и внедрены в практику спортивной тренировки (имеется 5 актов внедрения результатов диссертационного исследования).
- 13 -
ГЛАВА 1
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИССЛЕДОВАНИЯ БИОМЕХАНИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ СПОРТИВНЫХ ДВИЖЕНИЙ
9-
1.1. Средства и методы воспитания силовых и скоростно-силовых качеств спортсменов
Теоретические и экспериментальные исследования процесса взаимодействия спортсмена со снарядами средами и опорами предполагают разработку средств и методов взаимодействия на определенные элементы спортивной техники, на определенные структурные компоненты
* спортивных движений, что требует развития определенных физических качеств.
Физическими (двигательными) качествами принято называть отдельные качественные стороны двигательных возможностей человека [152, 153. 168, 169].
Известно, что любые движения человека - это результат согласованной деятельности центральной нервной системы и мышц.
Мышечная сила обеспечизает перемещение тела человека в пространстве. преодолевает внешнее сопротивление или противодействует
* ему. Внешним сопротивлением могут быть: сила земного притяжения, равная весу спортсмена; реакция опоры при давлении на нее; сопротивление внешней среды при движении спортсмена; вес отягощений; сопротивление партнера, упругой пружины или резины; сила инерции
- 14 -
других тел. сила трения и др.
Известно, что процесс спортивной тренировки составляют четыре органически взаимосвязанные части: физическая, спортивно-техническая . тактическая и психологическая подготовка. Физическая подготовка создает благоприятные предпосылки для решения задач спортивно-технической. тактической и психологической подготовки.
Многие работы посвящены выявлению закономерностей воспитания
* физических качеств (быстроты, мышечной силы, выносливости и др.)
[29. 31. 43. 44. 45, 46. 47. 49. 50. 52. 53. 54. 55. 56. 57, 65,
66. 78. 79. 80. 81. 82. 83. 84, 85, 86. 88. 90, 95. 101, 102, 103.
105. 108. 109, 110, 119. 124. 125. 128. 131. 132. 134. 135, 136.
137. 138, 139. 144, 150. 151. 152. 153. 155, 163. 164, 168. 169.
171, 172, 173. 175, 176, 182, 183, 185, 197. 205. 217, 261, 262.
263. 264. 265. 266. 267, 273. 274. 277, 279, 281, 287, 304. 309 И
ДР- )•
♦ Любые физические качества спортсмена можно развивать с помощью упражнений. Упражнение - это действие, выполняемое для приобретения и усовершенствования каких-либо физических качеств, умений и двигательных навыков [250] и является средством физического воспитания. Необходимо отметить, что разные упражнения предъявляют неодинаковые требования к проявлению тех или иных качеств. Каждое физическое упражнение решает многие задачи спортивной тренировки, но отдельные из них в большей или меньшей степени.
В.Н. Филин, Н.А. Фомин [274] делят физические упражнения на к три основные группы: упражнения в избранном виде спорта, в котором
совершенствуется спортсмен; общеразвивающие физические упражнения; специальные упражнения для развития физических и волевых качеств, применительно к избранному виду спорта, а также с целью обучения
технике и тактике.
Из них наибольший интерес представляют те. что направлены на развитие физических качеств, отвечающих специфике избранного вида спорта, и при этом ориентированы на предельную (максимально возможную) степень развития данных качеств [152].
Есть мнение, что проблема специальной физической подготовки заключается в интенсификации мышечной работы в специфичном для каждого конкретного вида спорта двигательном режиме [33. 34, 35;
53 и др.].
По данным многих авторов одним из основных условий достижения высоких результатов в скоростно-силовых видах спорта является скоростно-силовая подготовленность спортсменов [8. 9. 38. 42. 50. 59. 61. 82, 136, 173, 194. 195. 197, 230. 238. 249. 282. 344, 345, 361 и др.].
Под скоростно-силовой подготовленностью спортсменов подразумевается степень развития скоростно-силовых качеств, в первую очередь - способность спортсмена к проявлению взрывных усилий (7. 100, 180, 182, 274 и др.).
Известно, что уровень развития скоростно-силовых качеств обусловлен в той или иной мере развитием собственно силовых качеств и вместе с тем - максимальными показателями скорости движений [52. 53, 54. 75. 83. 136. 151. 175, 228, 268. 344 И др.].
Все многообразие средств, применяемых для решения задач скоростно-силовой подготовки, подразделяется рядом азторов [52. 138 и др.] следующим образом :
- упражнения с преодолением собственного веса тела : быстрый
бег. прыжки на одной и двух ногах с места и с разбега (различные по длине и скорости), прыжки в глубину . в высоту, на
- 16 -
дальность и различные их сочетания, а также силовые упражнения на гимнастических снарядах;
- упражнения с различными дополнительными средствами отягощения (пояс, жилет) в беге, в прыжковых упражнениях (в высоту, в длину, в тройном, с шестом с разбега);
- перемещения с варьированием внешних условий: бег и прыжки в гору, по ступеням, по различному грунту (газон, песок, отмель. опилки), против ветра и по ветру;
- упражнения с преодолением внешних сопротивлений в максимально быстрых движениях, в упражнениях с партнером, с отягощениями различного вида и веса (штанга, гантели, гири, мешки с песком). в упражнениях с использованием блоковых приспособлений;
- метание снарядов, различных по форме к весу [52. 130. 182. 183. 184 и др. ].
Рост спортивных результатов зависит от многих факторов и. прежде всего, от увеличения объема и интенсивности тренировочной нагрузки [59].
Однако чрезмерное увеличение тренировочной работы вошло в противоречие с другими компонентами нагрузки, отрицательно сказалось на эффективности процесса специальной физической и технической подготовки спортсменов [182, 183. 184, 185].
В связи с вышеизложенным полагаем,что повышение спортивного мастерства требует расширения средств и методов подготовки, повышающих эффективность тренировочных занятий без значительного возрастания объема и интенсивности тренировочной работы, позволяющих полнее раскрыть функциональные резервы организма спортсмена [3, 55. 56].
Решением проблемы, по мнению известных специалистов [86. 137. 172, 205. 209 и др.), являются тренировки с применением метода
сопряженного воздействия, предложенного В. М. Дьячковым.
Метод сопряжения нашел свое подтверждение в исследованиях, проведенных в легкой атлетике [27, 54. 71, 76, 152, 162, 205, 220, 222, 225. 275. 283 и др. ].
Характерной формой сопряженного совершенствования является совместная технико-физическая подготовка, осуществляемая в целостном двигательном акте, в структуре соревновательного упражнения [82].
Сложность сопряженного совершенствования заключается в отборе специальных упражнений, позволяющих добиваться высоких результатов в основном упражнении как за счет совершенствования физических качеств, так и за счет повышения спортивного мастерства. По существу, процесс отбора таких упражнений имеет все черты структурно-функционального моделирования основных фаз двигательного акта с возможно большей степенью подобия характеристик [86].
Специальные упражнения должны иметь сходство с кинематической и динамической структурой соревновательных упражнений [76]. Ряд авторов занимались исследованием динамических и кинематических характеристик тяжелоатлетических соревновательных и специально вспомогательных упражнений [5, 27. 56, 77. 98. 99, 146, 148, 186, 275, 278, 293 И др.].
Важными достоинствами специальных упражнений являются следующие:
- возможность локального воздействия на отдельные группы мышц, что позволяет добиться большей мощности их сопряжения, чем в основном упражнении при меньшей общей нагрузке на организм
спортсмена [305];
- исправление ошибок техники движений, освоение новых элементов движения в основном упражнении, а также при выходе их устоявшегося стереотипа на движения для повышения частоты и скорости его выполнения [276, 298, 300. 301 к др.];
- перенос положительных качеств и навыков на основное соревновательное упражнение [101].
Е.А. Гридасова. A.A. Умаров [69] предлагают обосновать принципы соответствия специального упражнения основному и выделяют основные признаки, по которым можно сгруппировать те или иные специальные упражнения:
1. Внешнее подобие, что заключается в том. чтобы внешний кинематический рисунок специального и основного упражнений был по возможности одинаков в одной или нескольких фазах, и это практически присутствует во всех видах легкой атлетики: в различных прыжковых упражнениях, беге с отягощениями (с автомобильной покрышкой, тормозным устройством, парашютом и т.п.); чем больше соответствие, тем больший эффект может быть достигнут.
2. Координационная зависимость - связь специальных упражнений с основным. Так. некоторые авторы предлагают упражнения для развития скоростно-силовых качеств спринтера [230]; для толкателей ядра рекомендуются жим штанги лежа и бросок ядра через голову.
3. Идентичность усилий отдельных групп мышц в специальном и основном упражнении, а также на силе взаимодействия спортсмена с опорой [77. 99. 178, 294, 296].
В исследовании A.B. Самсоновой [225] соответствие специальных упражнений основному осуществлялось по двум критериям: эффектив-
ности (Кэ) и адекватности (КА). Критерий эффективности оценивал
- 19 -
соответствие специальных беговых упражнений спринтеров и барьеристов основному движению на основе сопоставления скорости растяжения мышц при выполнении упражнений. Предложенный ею критерий эффективности имеет вид:
ГупрШ
К = —^ (1)
Ь’осн^)
где: £/уПр(^ ‘ скорость растяжения основных групп мышц при выполнении специального упражнения; Ь’осн(г) - скорость растяжения мышц при выполнении основного движения.
Критерий адекватности (Ка) оценивал соответствие "внешней” и "внутренней” структуры специальных упражнений основному. Соответствие "внешней" структуры оценивалось по степени пересечения фазовых траекторий основного и специального упражнений (2):
5(йJ© А В]у)
Ка - 1--------12-------- (2)
и В3о)
где: 30. Jу - контуры (фазовые траектории мышц) основного и специального упражнений; В3о. Э3у - области, ограниченные контурами ^ и 5(£) - площадь области 0: £);0Д1)Лу - сшметричес-кая разность множеств Д[0 и - объединение мно-
жеств Оао и DJy.
Соответствие "внутренней" структуры упражнений оценивалось по соответствию распределения активности мышц в ее фазовых траекториях. При выборе упражнений необходимо учитывать суставные углы, что более наглядно проявляется при выборе специальных упражнений изометрического характера [21, 22, 295, 296, 297).
Важно учитывать не только величину усилия, но и режим работы мышц, а именно уступающий, преодолевающий, баллистический [48, 77, 176).
Важным показателем при выборе специальных упражнений является сила реакции опоры, что отмечалось в ряде работ [29, 46, 77. 99,
161. 295. 296. 293 и др.].
4. Работа мышц, основанная на внешнем подобии миограмм, времени сокращения, а также величине усилий мышц [126, 197, 223].
5. Изменение условий выполнения основного упражнения за счет создания искусственной гравитационной силы при размещении грузов по окружностям биозвеньев спортсмена. Сила искусственной гравитации приложена строго к центру тяжести каждого звена тела. Спортсмен как бы помещается в гипергравитационную внешнюю среду, силовое поле которой по направленности своего воздействия на тренирующегося приближается к естественному, однако превосходит его по модулю в любое желаемое количество раз [468];
- бег с использованием отягощений на дистальных звеньях ног или поясе [286];
- бег с использованием тяговых и тормозных устройств [9, 193,:
- бег в гору и под уклон, по пересеченной местности, по песку и т.д. [238 и др.).
Ю.В. Верхошанский [46. 48] считает, что одним из эффективных
средств специальной силовой подготовки для прыгунов тройным прыжком являются активные отталкивания после прыжка в глубину, которые по своим динамическим характеристикам и режиму работы мышц больше соответствуют условиям, возникающим при тройном прыжке, чем принятые в практике упражнения (прыжковые и со штангой).
Отталкивание в результате свободного падения тела на опору получило название - ударный метод.
Применение ударного метода для развития взрывной силы (прыжки в глубину) имеет свои положительные и отрицательные стороны:
- ударный метод обладает чрезвычайно сильно выраженным тренирующим воздействием, преимущественно направленным на развитие абсолютной и взрывной силы;
- ударный метод обеспечивает значительно большие, чем любой другой способ стимуляции активности мышц, показатели мощности работы и быстроты сокращения мышц во время отталкивания;
- стремление к увеличению веса штанги при применении ударного метода приводит к чрезмерной и. главное, ничем не оправданной нагрузке на позвоночный столб;
- существенные и качественные сдвиги характеристик силы мышц при использовании ударного метода происходят очень быстро, однако длительность сохранения приобретенных сдвигов значительно короче, чем при использовании упражнений с отягощениями.
П.3. Сирис (232], В.Н. Платонов (183] указывают на следующие недостатки использования динамических упражнений с отягощениями:
- значительная и все увеличивающаяся длительность каждой тренировки;
- большой непроизводительный расход нервной и физической энергии;
- частые и долго не проходящие болевые ощущения, возникающие в результате использования в тренировке динамических упражнений с отягощением в большом объеме;
- необходимость в длительном периоде восстановления после динамической силовой тренировки;
- упражнения со штангой, блочными или другими подобными устройствами отягощения мало приемлемы для развития силовых качеств применительно к скоростной работе.
Добиться необходимых положительных сдвигов в скоростно-силовой
подготовке спортсменов общепринятыми средствами становится все труднее. Это связано с тем, что рост спортивных результатов зависит от многих факторов и прежде всего от увеличения объема и интенсивности тренировочной нагрузки [60]. Однако общий характер этой взаимосвязи до конца не выявлен. Так. в работе Т.М. Антоновой [18] установлена линейная зависимость роста спортивного результата от объема основных средств тренировки, а в барьерном беге - нелинейная [41].
В многолетней практике построения тренировочного процесса высококвалифицированных прыгунов в длину выявлена линейная тенденция прироста объема одних средств подготовки, а прирост других средств подготовки характеризуется изменением по экспоненте.
Тенденция к дальнейшему увеличению объемов тренировочной работы сохраняется и в наше время. Однако чрезмерное увеличение объема работы вошло в противоречие с другими компонентами нагрузки, отрицательно сказалось на эффективности процесса специальной физической и технической подготовки спортсменов [182].
Учитывая вышеизложенное, считаем, что выбор специальных упражнений должен происходить с учетом всех принципов, исключая проверку на возможный перенос и закрепление отрицательных элементов техники движения. Важно уделять особое внимание технологии и методике выполнения специальных упражнений, поскольку спортсмены быстро адаптируются к ним и тем самым ограничивают развитие необходимых физических качеств и выход на новый уровень достижений. Необходимо находить нетрадиционные приемы воздействия на организм спортсмена или такое сочетание знакомых практике средств, к которым организм не успел адаптироваться.
В связи с этим в вопросе повышения спортивного мастерства спе-
- 23 -
циалисты идут по пути расширения применения нетрадиционных средств подготовки: использование приборов, оборудования и методических
приемов, позволяющих полнее раскрыть функциональные резервы организма спортсмена.
Перспективным представляется применение различных тренажеров и машин, обеспечивающих взаимосвязанное совершенствование различных двигательных качеств, повышающих эффективность тренировочных занятий без значительного увеличения объема среднего значения нагрузок.
1.2. Зависимость силы мышц от ее моторных и сенсорных компонентов. Моторная функция мышцы.
Известно, что факторами, определяющими результат при выполнении физических упражнений, являются: характер функционирования отдельных мышц, а также их групповое взаимодействие. При этом немаловажное значение имеют параметры текущей длины и скорости, обусловливающие режим сокращения мышцы.
H.A. Бернштейн [33, 34] одним из первых показал, что результирующее усилие мышцы зависит от ее иннервационного состояния (£), длины (L) и скорости ее изменения (L'(t)):
F = f(E, L, L'(t)) (3)
Зависимость "сила-длина" активных /шщ
Изучению этой закономерности на активных мышцах предшествовало огромное количество экспериментов на пассивных мышцах [259, 280,
- 24 -
ф 352. 388, 428, 4463. Было установлено, что зависимость "сила-дли-
на" для пассивных мышц является нелинейной функцией.
Изучение функциональной зависимости "сила-длина" активных мышц продолжается более 100 лет. В 1895 году М. Блике [326] установил, что растягивание возбужденной поперечно-полосатой мышцы приводит к возрастанию силы. Однако дальнейшее растягивание приводит к уменьшению силы мышцы. Длина мышцы, при которой достигается максимум,
♦ получила название длины покоя.
Дополнительные исследования этого вопроса [346, 387] показали, что у мышц, богатых соединительно-тканными образованиями (например, у мышц нижних конечностей человека), зависимость "сила-длина" представляет собой монотонно возрастающую функцию (Рис. la). Если соединительно-тканных образований мало, то кривая имеет минимум (Рис. 16).
Установлено, что зависимость "сила-длина" определяется типом
# мышц [343]. У медленной камбаловидной мышцы (m. soleus) зависимость "сила-длина" характеризуется пологим участком, который позволяет сохранить неизменным усилие на большом диапазоне длины. Однако быстрая мышца - длинный сгибатель пальцев (m. flexor hallucls lon-gus) такого плато не имеет. Появление специальной аппаратуры сделало возможным изучать зависимость "сила-длина" на интактных мышцах [365]. Эти эксперименты показали, что работа мышц в естественных движениях (локомоции) значительно отличается от ее имитации в лабораторных условиях. Было показано (Рис. 2 и 3). что при растя-
* гивании активной мышцы в ней может накапливаться энергия упругой
деформации, за счет чего повышается сила и скорость последующего сокращения [20. 192, 310, 327, 348, 350, 351, 352, 368, 381, 395,
396, 407. 439].
25 -
*
♦
*
Рис. 1. Зависимость меаду длиной и силой тяги активных мышц
[по F.D. Carlson, D.R. Wilkie, 1974]
- 26 -
Рис. 2. Зависимость "длина - напряжение” для флексоров предплечья руки человека при эксцентрическом и концентрическом режимах сокращения. Скорость равна 0.8 см/с {по : Р.У. Коші, 1973]
1 концентрич. режим ♦ эксцснтрич. режим I
34
32
30
?28
^26
I24
^22-
20
18
16
14
0,5 1 1.5 2 2,5 3 3,5 4 4.5 5 5.5 6 6,5 7
Удлинение мышцы (мм)
0 5 10 15 20 25
Удлинение мышцы (мм)
Рис. 3. Зависимость "сила -длина” для флексоров предплечья человека [по : С.А. Сауа^па, В. Оштап, И. Маг^апа, 1972]
Мышца пассивно растягивается до максимальной длины, после чего она активно сокращается
Активную мышцу растягивают до максимальной длины, после чего она сокращается
- 27 -
Исследования ходьбы человека [415] показали, что для мышц задней поверхности бедра (mm.hamstrings) и икроножной мышцы (m.gastrocnemius) зависимость "сила-длина" представляет собой неубывающую функцию.
Резюмируя вышесказанное, можно сделать следующий вывод: для
мышц нижних конечностей человека зависимость "сила-длина" представляет монотонно возрастающую функцию. Она нелинейна. Чем больше степень растяжения, тем больше усилие, развиваемое мышцей.
Зависимость "сила-скорость"
Установлено, что сила мышцы зависит от скорости ее сокращения и режима мышечного сокращения: концентрического (мышца укорачива-
ется) или эксцентрического (мышца удлиняется).
Концентрический режим.
В. Фенн и Б. Марш [371] первыми предложили для описания зависимости "сила-скорость" эмпирическую формулу:
Г = Р0е-ау - КУ (4)
где: Р - сила мышцы, Г0 - максимальное усилие, развиваемое мышцей
при 7 = 0 (изотонический режим сокращения); V - скорость сокращения мышцы; а, к - эмпирические константы.
Исследования М. Полиссара [421] и X. Обера [319] также использовали экспоненту для описания зависимости "сила-скорость".
А. Хилл [379] предложил для описания зависимости "сила-скорость" гиперболическую функцию :
V . *-*<”---/> (5)
(Р + а)
- 28 -
где: Р0 - максимальная масса груза, при которой не происходит укорочения мышцы; Р - масса груза; а. Ъ - константы.
Последующие исследования подтвердили эту закономерность для мышц человека при выполнении различных движений [149. 359, 369,
396, 420. 421, 438].
Сущность этой зависимости (нелинейной) заключается в том. что увеличение скорости сокращения мышцы (мышца укорачивается) приводит к падению силы, которую она способна развить.
Эксцентрический режим
Исследования А. Хилла [380], П. Коми [394], В.М. Зациорского [104] и Б.И. Прилуцкого [192] показали (Рис. 4), что для эксцентрического режима сокращения мышц зависимость силы тяги мышц от скорости растяжения носит иной характер. Повышение скорости растяжения мышцы приводит к увеличению силы, развиваемой мышцей.
Сенсорная функция мьшгцы
Известно, что мышца является не только эффектором, но и рецептором. Еще в XIX веке в мышце были найдены структуры, напоминающие веретено. И.О. Шеррингтон [303] показал, что эти структуры служат чувствительными рецепторами.
К настоящему времени установлено, что мышцы обладают двумя типами рецепторов; мышечные веретена и рецепторы Гольджи.
Установлено, что мышечные веретена реагируют на степень изменения длины мышцы [372, 367, 390. 400, 408, 431]. По мнению одних
авторов [390], эта зависимость нелинейная, по мнению других [401, 408] - близка к линейной.
- 29 -
Кроме того, мышечные веретена реагируют на скорость изменения ДЛИНЫ МЫШЦЫ [227. 390. 400. 401. 409].
• Исследования П. Метьюза [409] показали, что зависимость между
скоростью растяжения мышц и частотой импульсации афферентных нервов, иннервирующих мышечные веретена, близка к линейной. Последующие исследования [384. 422] показали, что эта зависимость нелинейна.
Рецепторы Гольджи реагируют на изменение напряжения мышцы значительно сильнее, чем на изменение ее длины. Исследования У. Прос-ке [426] и А. Прохазки [315, 422, 424] показали, что кривая, отражающая изменение частоты импульсации рецепторов Гольджи. в стацио-нарном режиме локомоции полностью соответствует огибающей электро-миограммы.
Мышца в организме человека осуществляет несколько важнейших функций: движителя (преобразование химической энергии в силу тя-
—I 1 ~' I Г" " I ^
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
Скорость сокращения мышцы (см/с)
Рис. 4. Зависимость между силой и скоростью сокращения двуглавой мышцы плеча человека (т.Ысерз ЬгасЬН) (по : Р.У. КотЦ 1973)
- 30 -
ги), двигателя (преобразование силы тяги в движение на основе зависимости силы от напряжения, длины и скорости сокращения), рекуператора энергии и рецептора. Это определяет важнейшую их роль в координации движений, двигательной памяти и т.д.
Зависимость силы мыты от уровня ее возбуждения
Следует отметить, что эксперименты, проведенные с целью изучения зависимости силы мышцы от длины и скорости сокращения, предполагали. что напряжение мышцы - величина постоянная. Большинство экспериментов проводилось в лабораторных условиях на животных. Однако в интактном организме усилие, развиваемое мышцей, зависит от ее длины, скорости сокращения, а также от уровня ее напряжения.
Появление электромиографической методики позволило установить зависимость между уровнем напряжения мышц и величиной биопотенциалов. Одни исследователи [403] предполагают, что эта зависимость имеет линейный характер, другие [430. 448] предполагают, что эта связь нелинейна. В исследованиях P.R. Rack, D.R. Wesrbury [428], G.C. Joyce. P.M.H. Rack [389] было установлено, что повышение частоты стимуляции двигательного нерва приводит к переносу характеристик "сила-длина" вдоль оси абсцисс, а "сила-скорость" - вдоль оси ординат.
Механизмы управления длиной, скоростью и напряжением мышцы
В связи с тем. что мышца под дейстзием импульсов, поступающих из центральной нервной системы (ЦКС). может только активно укорачиваться. но не удлиняться, для регуляции ее длины на всем физиологическом диапазоне необходимо или участие мышцы-антагониста или внешней силы. H.A. Бернштейн [34] предстазлял механизм регуляции
- 31 -
длины следующим образом. Изменение напряжения мышцы влияет на ее наличную длину. Следовательно, регуляция длины мышцы при ее укорочении осуществляется посредством регуляции напряжения мышцы. При растягивании мышцы регуляция ее длины осуществляется посредством обратной связи, поступающей от мышечных веретен к альфа-мотонейронам, иннервирующим данную мышцу [402]. После открытия особой, эфферентной иннервации мышечных веретен, P.A. Merton [410] выдзинул гипотезу о серво-контроле мышцы. В результате моделирования работы мотонейронного пула на ЭВМ пришли к зыводу, что наиболее адекватный способ управления длиной мышцы - изменение порогов возбудимости веретен. Согласно исследованиям Дж. Хоука [385] регулируемым параметром является не длина, а первая производная по длине (то есть жесткость мышцы).
Даже в том случае, когда значения начального и конечного угла в суставе предписаны, сохраняется возможность выбора нервной системой скорости движения. Согласно гипотезе А.Г. Фельдмана [271] средняя скорость изменения межзвенного угла тем больше, чем больше скорость изменения порогов активации мышц. Это согласуется с тешем других исследователей [433] считающих, что регуляция быстро протекающих движений связана с изменением в регуляции отдельных параметров.
Регуляция уровня напряжения, развиваемого мышцей, заключается в том. что мотонейронный пул. посылая импульсы к мышечным волокнам. осуществляет дозирование силы сокращения и организацию его во времени для выполнения определенной двигательной задачи. Регуляция уровня напряжения, развиваемого мышцей, осуществляется на основе двух механизмов. Первый механизм реализуется отдельным мотонейроном. Это изменение управляющих параметров: паттерна (частоты им-
- 32 -
пульсации). Второй механизм реализуется мотонейронным пулом. Он заключается в рекрутировании разного количества ДЕ. Структурная организация мотонейронного пула такова, что в него еходят большие и маленькие мотонейроны. Установлено, что маленькие мотонейроны активируются раньше, чем большие. На основе установленной закономерности Е. Хенеманн с сотрудниками [377. 378] сформулировали
"принцип размера". Согласно этому принципу, при невысоком уровне синаптического потока, поступающего к мышце, первыми активируются
небольшие мотонейроны. По мере нарастания синаптического потока
активируются мотонейроны большого размера.
Существование нескольких параметров, по которым производится управление активностью мышц, ставит вопрос о том. насколько независимо это управление. Было высказано предположение о существова-
нии раздельных подсистем контроля напряжения, длины мышцы и скорости ее укорочения. Как указывает Ю. Т. Шапков [301]. эта гипотеза предполагает наличие для каждой подсистемы соответствующих типов мотонейронов, специализированных окончаний, дающих сигналы обратной связи и особые пути проведения центральных команд. Исследования Д. Козарова с соавторами [120] и H.A. Рокотовой [2213 подтверждают эту гипотезу.
Накопление и рекуперация энергии упругой дефорлюции
в танцах и сухожилиях
Многочисленные исследования свойств скелетных мышц и сухожилий свидетельствуют о том, что предварительно растянутая активная мышца способна развить большее усилие, чем если бы последующее сокращение происходило без предварительного растяжения [193, 327. 348,
368. 396].
- 33 -
Объяснить этот феномена возможно как центрально - нервными влияниями, так и свойствами самого мышечного аппарата, в частности упругими силами, возникающими при деформации "дающими, - как писал И.М. Сеченов,- себя знать тотчас возвращением в первоначальное состояние, как только напряжение прекращается... В этом факте заключается драгоценное свойство нашего двигателя приспособлять свои силы к величине преодолеваемых сопротивлений" [231].
В биомеханике при описании цикла "растяжение - сокращение" мышц на основе классических представлений о трехкомпонентной модели мышц [370, 379] утвердился термин "накопление и рекуперация
энергии упругой деформации". Элементами биомеханической модели мышцы являются упругие компоненты, расположенные последовательно (Пос УК) и параллельно (Пар УК), отличающиеся по геометрическому расположению относительно контрактильного компонента.
Параллельный и последовательный упругий компоненты представляют группы эластических структур, отличающихся по геометрическому расположению относительно контрактильного компонента.
Структуры, параллельные ему, не испытывают напряжения при сокращении, не подвергаются пассивному растягиванию и сохраняют длину покоя, когда мышца расслаблена. Считается, что параллельный упругий компонент активно участвует в процессах увеличения жесткости мышц при растяжении свыше 50 % длины покоя [347, 429]. К парал-
лельному упругому компоненту относятся эпизиум, перемизиум и эндо-мизиум мышцы.
Структуры, последовательно соединенные с контактильным компонентом, выполняют, в основном, функции трансмиссионного звена при передаче мышечного усилия. Последовательная упругость в большей степени сконцентрирована в сухожилиях. Поэтому их можно рассматри-
- 34 -
вать как "пассивный" компонент последовательной упругости. Остальная часть последовательного упругого компонента состоит из сократительных белков, испытывающих напряжение при сокращении. К ним относятся актино-миозиновые поперечные мостики, и, в меньшей мере.
- сами миофибрилы. Они составляют "активный" компонент последовательной упругости. В условиях целостной мышцы мышечное напряжение нарастает с увеличением жесткости "активного" компонента последовательной упругости [375, 413].
Процессы проявления силы в последовательном упругом компоненте описываются характерными взаимосвязями - "сила - скорость" и "сила
- длина" [380, 388].
Последовательный упругий компонент выполняет в основном функцию трансмиссионного звена при передаче мышечного усилия.
Считается, что контрактильный компонент производит усилие против последовательного упругого компонента, который при растягивании аккумулирует энергию, которую можно рекуперировать в последующем сокращении.
К последовательному упругому компоненту можно отнести сократительные белки которые испытывают напряжение при растяжении, обеспечивая упруго-подобное поведение (квазиупругость) контрактильного компонента. В отличие от истинной упругости, появление сил при насильственном растягивании системы актомиозиновых нитей, сопровождается образованием и разрывом поперечных спаек между филаментами. что связано с расходом метаболической энергии, но расход ее меньше, чем при миометрическом сокращении мышцы [379].
Параллельный упругий компонент (Пар УК) при сокращении подвергается пассивному растягиванию, и его вклад становится существенным при очень значительном растяжении мышцы [347, 429, 452].
- 35 -
Исходя из вышеизложенного, можно констатировать, что чем выше доля метаболической энергии в общем объеме положительной механической работы, тем экономичнее движение. Чем больше рекуперированной энергии упругой деформации можно добавить к максимальным конт-рактильным способностям мышечного аппарата, тем выше мощность двигательного акта. Трактовку феномена мышечной упругости нельзя свести только к механическому объяснению деформируемых биологических структур, не уделяя внимания рефлекторному контролю движений. Необходимо интегрировать знания и опыт в нескольких направлениях. Так, многие авторы проводили исследования эластических свойств биологических тканей (мышечной и сухожильной) на клеточном и субклеточном уровне с дифференцированной оценкой их способностей к накоплению и рекуперации энергии упругой деформации [391, 441, 442].
Много исследований биомеханических свойств мышц и сухожилий проводилось на изолированных препаратах с целью выявления закономерностей механики мышечного сокращения после растягивания (316. 348. 366. 432].
Ряд исследований мышечной активности проводился с использованием комплекса эргометрических методик при параллельном контроле электрической активности мышц и механическими параметрами движения для выявления степени использования энергии упругой деформации [21, 335, 330, 334. 335, 336, 339, 340, 446, 447].
Ведущее место в исследовании эластических свойств скелетных мышц и сухожилий занимает комплексный контроль [311, 312, 313,
323. 324. 325, 354. 389, 392. 393, 414]. Если подобный контроль
осуществлять во время выполнения движений, то появляется возможность, хотя и с некоторой осторожностью, проводить анализ организации и структуры двигательного акта, о чем свидетельствует ряд
работ [63. 320. 321, 357. 437].
Во время простой концентрической работы, эффективность преобразования метаболической энергии в положительную мышечную работу варьирует от 20 до 30% [107. 333. 362]. Максимальная эффективность мышечной работы, измеренная на изолированных мышечных препаратах, варьирует от 10 до 30 % [370.376]. В экспериментах с животными
после предварительного растягивания мышцы наблюдалась более высокая эффективность [348. 3531. Аналогичное увеличение наблюдается и в упражнениях, выполняемых спортсменами [20. 21. 318. 336, 354].
Исходя из вышеизложенного, можно предположить, что использование эластических свойств мышц и сухожилий повышает механическую эффективность движений [22. 24. 26, 48] .
При рассмотрении вопроса о накоплении и отдаче энергии упругой деформации в мышцах нижних конечностей в прыжках вверх с предварительным приседанием и без него было выявлено значительное повышение положительной механической работы к высоты прыжка в первом случае. Так. еще в 1985 году Магеу и Demeny [405] установили увеличение высоты прыжка после предварительного приседания, что нашло также подтверждение в ряде работ [318, 330, 336, 351].
Asmusen и Bonde - Peterson [318] в своих исследованиях установили. что прирост положительной механической работы составил 23 % от величины отрицательной механической работы. Кроме того, ими установлено. что произошло значительное повышение высоты прыжка после предварительного приседания.
Таким образом, можно предположить, что предварительное растягивание мышц в прыжках с приседанием способствует процессам накопления и рекуперации энергии упругой деформации, т.е. количество рекуперированной энергии упругой деформации является функцией на-
- Київ+380960830922