Биомеханика (биодинамика) бега

Биомеханика (биодинамика) бега

Бег — способ передвижения, при котором фаза опоры одной ногой чередуется с безопорной фазой полета, когда обе ноги находятся в воздухе (рис. 15.19, б; 15.23).

Временные фазы бега (А)

Кинематографическим методом выявлены фазы бега, или цикл движений, начинающийся касанием одной из ног земли и продолжающийся до тех пор, пока эта же нога вновь не коснется земли (см. рис. 15.23). Каждый цикл включает фазу опоры на одну ногу и фазу маха (т. е. возвращение ноги вперед), когда тело не опирается на эту ногу.

На рис. 15.23, б показан полный двигательный цикл. Он начинается в момент отталкивания правой ногой (А) и заканчивается в положении (Д), когда левая нога снова покидает землю. Момент постановки и отталкивания используются для выделения различных фаз бегового цикла.

При умеренных скоростях бега мах ногой длится примерно втрое дольше, чем опорный период (С. J. Dillman, 1970; D. Slocum, S.L. James, 1968). В течение фазы возвращения вперед имеется два периода, когда тело находится в воздухе: один — непосредственно после отрыва данной конечности, и второй — следующий за отрывом от земли противоположной ноги.

Опорный период (Б). Период опоры (от Б до В), при котором тело продолжает двигаться вперед. В последней стадии фазы опоры (В) тело снова выталкивается вперед. Второй безопорный период заканчивается, когда правая нога касается земли (Г) и затем тело поворачивается относительно опорной ноги до тех пор, пока она не отталкивается от земли, давая начало новому циклу бега.

От скорости бега зависит, какая часть ступни первой касается земли. Так, кинематографический анализ бега показывает, что при малых скоростях нога ставится на опору с пятки или на всю ступню, а при более высоких скоростях опора начинается с латеральной стороны ступни.

Движение в суставах опорной конечности, определяемых кинематографическим методом свидетельствуют, что немедленно после контакта ступни с землей в течение короткого промежутка времени в коленном суставе продолжается сгибание, а в голеностопном происходит тыльное сгибание. Когда центр тяжести (ЦТ) обгоняет опорную ногу и опорное бедро наклоняется вперед от вертикали, голеностопный сустав сгибается, а в коленном и тазобедренном суставах происходит разгибание, в результате чего ЦТ продвигается в направлении вверх и вперед.

Отмечено (D.B. Slocum, S.L. James, 1968), что в опорной фазе точкой опоры рычажной системы нижней конечности является поясничный отдел позвоночника.

Период опоры при увеличении скорости бега значительно уменьшается. В опорном периоде выделяют фазы амортизации и отталкивания. В фазе отталкивания суставы опорной ноги разгибаются. При беге выявлены вертикальные колебания тела, которые носят волнообразный характер (по движениям головы, таза, центра тяжести).

Отмечено, что в период опоры ЦТ снижается, а в фазе отталкивания — поднимается. Вертикальное снижение во время периода опоры не такое большое, как вертикальное падение в фазе полета.

Маховое движение ноги (В). Анализ бега спринтеров показывает, что когда маховая конечность движется вперед, то сгибание колена и пронос пятки выполняются бегуном ближе к тазу. Второй характерной чертой является высокий подъем колена; бедро! поворачивается до горизонтали перед телом в момент, когда противоположная опорная нога покидает землю (F.C. Clouse, 1959; J. Dittmer, 1962;W.O.Fenn, 1931;D. Slocum, S.L. James, 1968 и др.). Угол между бедром и горизонталью, проведенной через тазобедренный сустав, становится меньше, когда бедро поднимается ближе к горизонтали.

Движение ноги при беге можно разделить на две фазы. Во время контакта с землей нога поддерживает тело и выталкивает его вперед. После отталкивания нога движется из положения сзади ,в положение впереди туловища — эта фаза маха (переноса) или фаза возвращения ноги.

Когда стопа касается земли, суставы ноги (тазобедренный, коленный, голеностопный) кратковременно сгибаются, амортизируя приземляющееся тело. Как только тело продвинулось достаточно вперед, конечность разгибается, двигая тело вверх и вперед.

Длительность сгибания и разгибания колена во время периода опоры уменьшается при увеличении скорости. Обнаружено, что во время опоры высококвалифицированные бегуны полностью и быстро разгибают тазобедренный сустав, делая это раньше, чем стопа покидает землю (точку опоры, место отталкивания).

Обнаружено, что при максимальном проталкивании высококвалифицированный спортсмен выносит коленный сустав маховой ноги вверх-вперед тела.

В начале фазы маха, когда бедро быстро сгибается в тазобедренном суставе, происходит также быстрое сгибание голени в коленном суставе.

Длина и частота шага (Г). Поскольку скорость бега равна произведению длины на частоту шагов, C.J. Dillman (1970) отметил, что длина шага от отрыва правой ноги до отрыва левой ноги во всех случаях превышала 192 см.

Частота шага увеличивается со скоростью бега и она выше в короткий период начального ускорения, чем при беге на дистанции. Но линейная зависимость между частотой шага и скоростью бега наблюдается лишь до скорости примерно 6,1м/с, увеличение скорости за этой точкой происходило больше за счет частоты, чем длины шага (W. Fenn, 1930; P. Hogberg, 1952; R. Osterhoudt, 1969 и др.).

G.H. Dyson (1971) показал, что частота шага соревнующихся спортсменов высокого класса меняется в пределах 4,5—5,0 шагов в секунду.

На рис. 15.24 показана связь между длиной одиночного шага и скоростью бега. Кривая рисунка показывает, что при низких скоростях (3,5—6,5 м/с) длина шага увеличивается практически линейно по мере того, как дискретно растет скорость. При больших скоростях по мере того, как бегун дискретно увеличивает скорость бега, длина одиночного шага меняется относительно мало, а некоторые исследователи сообщают о небольшом уменьшении длины шага при максимальных скоростях (пунктирная линия на рис. 15.24). С ростом скорости частота одиночных шагов увеличивается. На рис. 15.25 показана зависимость между частотой шагов и скоростью. В зоне низких скоростей (3—6 м/с) отмечается небольшое увеличение частоты шагов по мере дискретного возрастания скорости. Если же скорость увеличивается от умеренно быстрой до максимальной (6—9 м/с), наблюдается пропорционально большее увеличение частоты шагов.

Рис. 15.24. Зависимость между длиной шага и горизонтальной скоростью бега (М. Saito et al, 1974; C.W. Buchanan, 1971; R.G. Osterhoudt, 1968)

Наблюдения показывают, что при одной и той же скорости лучшие бегуны имеют более низкую частоту шагов.

Вертикальные движения центра тяжести (ЦТ) (Д). Центр тяжести (ЦТ) тела при беге движется по волнообразной колебательной кривой (M.G. Beck, 1966; F.C. Clause, 1959 и др.).С увеличением скорости бега величина подъема тела, или вертикальное перемещение ЦТ, становится меньше, тогда как горизонтальное перемещение увеличивается. ЦТ движется вверх, пока нога выпрямляется в фазе опоры, и достигает максимальной высоты в момент отрыва от земли непосредственно после нее. Затем ЦТ движется вниз и вперед, достигая низшей точки непосредственно после касания земли опорной ноги (см. рис. 15.23, a). W.O. Fenn (1930) нашел, что общий подъем ЦТ у взрослых спринтеров-мужчин за время опоры равен примерно 6 см.

Рис. 15.25. Зависимость между частотой шагов и скоростью бега (М. Saito etal, 1974; C.W. Buchanan, 1971; R.G. Osterhoudt, 1968)

Положение туловища (Е). Наклон корпуса способствует более сильному проталкиванию вперед, вот почему спринтеры стартуют с колодок и низкого старта (рис. 15.26). Наклон туловища у ряда выдающихся спринтеров по данным R. Wickstzom (1970) лежал в пределах 12—20° с тенденцией уменьшения (см. рис. 8.8, 8.9).

М. Gagnon (1969) определил, что лучшее время на первых 2,3 и 5,5 метра от стартовой линии достигалось в том случае, когда соответствующие расстояния были предельно малыми. Расположение центра тяжести в стартовой позиции возможно ближе к стартовой линии оказалось фактором, наиболее тесно связанным со временем, требующимся на преодоление первых 5,5 м. R.A. Desrochers (1963), М. Gagnon (1969) обнаружили, что различия в расположении колодок влияют на длину и длительность первого шага, но не последующих.

Рис. 15.26. Низкий старт Р. Хейеса

Кинематические факторы бега. Факторы, влияющие на скорость бега, разнообразны. Так, при беге на короткие дистанции важным является стартовое ускорение и поддерживание максимальной скорости до конца бега. А при беге на длинные дистанции спортсмен должен бежать со скоростью, которая обеспечит ему возможность сохранить достаточно энергии, чтобы закончить дистанцию.

При беге с определенной скоростью спортсмен выбирает определенную длину и скорость одиночных шагов, так что комбинация этих двух величин создает (определяет) желаемую скорость.

Например, если длина шага спортсмена 2 метра и частота шагов 3 шага в секунду, его средняя скорость за один шаг будет 6м/с.

В табл. 15.1 приведены качественная оценка и спортивные достижения для ряда скоростей бега человека.

Таблица 15.1

Оценка скорости бега

* Вычисление основано на том, что вся дистанция преодолевается при постоянной скорости.

Антропометрические показатели и длина шагов. Длина ног существенно влияет на величину одиночного шага. В табл. 15.2 приведены данные зависимости между длиной тела и ног, с одной стороны, и длиной одиночного шага — с другой.

Таблица 15.2

Корреляция между длиной тела, длиной ноги и длиной шага

К. Rompott (1956) обнаружил низкую отрицательную зависимость между длиной шага и весом тела, равную 0,20. К. Hoffmann (1964) отметил зависимость между максимальной длиной одиночного шага, с одной стороны, и ростом и длиной ноги — с другой.

Результаты этих исследований свидетельствуют, что имеется выраженная корреляция между ростом, длиной ноги и величиной одиночного шага.

Возрастная биомеханика. Возрастные локомоции. У новорожденных двигательный аппарат имеет определенную степень зрелости, что позволяет выполнять целый ряд простейших движений (рис. 15.27).

В первые недели жизни у ребенка появляются условные рефлексы, которые отличаются крайней непрочностью, слабостью, и приобретают относительное постоянство лишь к 3—4 месяцам.

Нарастание тонуса затылочных мышц позволяет двухмесячному ребенку, положенному на живот, поднимать голову. К 2,5—3 месяцам начинается развитие движений рук в направлении к видимому предмету (игрушке), а к 5—6 месяцам ребенок точно протягивает руку к предмету, с какой бы стороны он ни находился.

В 4 месяца развиваются движения перевертывания со спины на бок, а в 5 месяцев — на живот и с живота на спину.

В возрасте 4—6 месяцев ребенок ползает, в положении на животе поднимает голову и верхнюю часть туловища.

В 6—7 месяцев начинает вставать на четвереньки. С развитием мышц туловища и таза ребенок в возрасте 6—8 месяцев начинает сидеть и делает попытки вставать, стоять и опускаться, придерживаясь руками за опору.

В период подготовки к ходьбе анатомо-физиологические особенности ребенка затрудняют процесс овладения равновесием: мышечная система нижних конечностей еще слаба, ножки короткие и полусогнуты; общий центр тяжести (ОЦТ) располагается более высоко, чем у взрослого человека; стопы также меньше, чем у взрослого. Поэтому в период обучения ходьбе очень важно помочь ребенку в поддержании равновесия. К концу первого года ребенок свободно стоит и, как правило, начинает самостоятельно ходить. Началом самостоятельной ходьбы можно считать тот день, когда ребенок впервые пройдет несколько шагов. Но в этот период устойчивость его при ходьбе и прямостоянии незначительна. Равновесие ему удается сохранять, балансируя руками, разведенными в стороны и широко расставленными ногами.

К 3—4 годам совершенствуется координация движений, что позволяет ребенку при ходьбе и стоя сохранять равновесие, не прибегая к помощи рук.

Рис. 15.27. Последовательность овладения основными движениями у детей (по Сейдж)

В возрасте 4—5 лет ребенку доступны разнообразные и сложные по координации движения: бег, прыжки, гимнастические и акробатические упражнения, катание на коньках и т. д. В этом возрасте ребенок осваивает и более точные движения, связанные с развитием мелких мышц кисти, предплечья и т. д.

К 6—7 годам заметно увеличивается сила мышц разгибателей туловища, бедра и голени. Важнейшим в формировании двигательных факторов является ходьба, игры, бег и сочетание ходьбы с бегом, прыжками.

В возрасте 5—8 лет заметно увеличивается точность и меткость движений (метание мяча и других предметов).

В период от 8 до 11—12 лет продолжается дальнейшее совершенствование двигательных навыков, особенно в беге, ходьбе, прыжках, метании, гимнастических и акробатических упражнениях.

Вместе с тем у школьников по сравнению с дошкольниками, увеличивается время вынужденной неподвижности (гиподинамия). На этом этапе важной является роль активных движений как фактора здоровья (бег, игры, ходьба на лыжах, плавание и другие виды локомоций).

Показано, что у дошкольников и младших школьников при увеличении возраста и скорости бега в фазе отталкивания увеличивается скорость выпрямления опорной ноги, а при более высокой скорости характерны также большой угол разгибания в коленном суставе и большее продвижение тела вперед от опорной ноги в момент отрыва ее от земли. С возрастом, особенно у лиц преклонного возраста, эти показатели значительно меняются.

Центр тяжести (ЦТ) при беге движется по волнообразной колеблющейся кривой. С увеличением возраста величина подъема тела или вертикальное перемещение ЦТ, становится меньше, тогда как горизонтальное перемещение увеличивается.

Отмечены также возрастные изменения временной структуры шага; в частности, до 30 лет время опоры немного и постепенно увеличиваются, а затем остается приблизительно постоянным (K.U. Smith et al., 1960; K.U. Smit., D. Greene, 1962). У пожилых людей, занимающихся бегом, полного разгибания в тазобедренном и коленном суставах до завершения отталкивания не происходит. Кроме того, маховая нога выносится вперед незначительно, бегун держит ее вблизи опорной ноги.

Рис. 15.28. Скорость общих энерготрат (ординат) человека при ходьбе

и беге в зависимости от скорости движения (абсцисса)

(no R. Passmore, J.V. Durnin, 1955; Е.М. Roth, 1966)

Энергетический обмен при ходьбе и беге (рис. 15.28). Организм получает энергию из окружающей среды в виде потенциальной энергии, заключенной в химических связях молекул жиров, углеводов и белков. В результате сложных окислительных процессов образуется энергия.

Выявлено, что 80\% энергии, используемой при мышечной деятельности, теряется в виде тепла из-за малой эффективности ее превращения, и только 20\% превращается в механическую работу.

Мышечная работа существенно изменяет интенсивность обмена. Так, у спортсменов при кратковременных интенсивных упражнениях, выявлено увеличение метаболизма в 20 раз по сравнению с показателем основного обмена, а при продолжительной работе — в 10 раз.

У людей метаболизм неуклонно меняется с возрастом. У детей он больше, в период полового созревания уменьшается и меньше всего он в старости.

В табл. 15,3 показаны энерготраты при ходьбе и беге.

Таблица 15.3

Энерготраты при ходьбе и беге

Расчеты показывают, что человек, преодолевающий в день при обычной ходьбе расстояние в 5 км, нуждается в восполнении энергии, равной 5 МДж, а на терренкуре (ходьба с углом подъема 15° и скоростью 2 км/ч) 60 мин — 450 ккал (при массе тела 70 кг).

Затраты энергии растут с увеличением скорости в степенной зависимости. Они увеличиваются при малых скоростях во второй степени, а при приближении к доступному для данного лица максимуму — в третьей и даже в четвертой степени.