Соединенные два соседнихзвена тела образуют пару, а пары, в свою очередь, соединены в цепи.
Биокинематическая пара — это подвижное(кинематическое) соединение двух костных звеньев, в котором возможностидвижений определяются его строением и управляющим воздействием мышц.
В технических механизмах соединения двух звеньев— кинематические пары — устроены обычно так, что возможны лишь вполне определенные,заранее заданные движения. Одни возможности не огра-ничены (их характеризуютстепени свободы движения), другие полностью ограничены (их характеризуютстепени связи)
Различают связи: а) геометрические (постоянные препятствияперемещению в каком-либо направлении, например костное ограничение в суставе)и б) кинематические (ограничение скорости, например мышцей-антагонистом).
В биокинематических парах имеются постоянныестепени связи которые определяют собой сколько как максимум и каких остаетсястепеней свободы движения. Почти все биокинематические пары в основномвращательные (шарнирные); немногие допускают чисто поступательное скольжениезвеньев относительно друг друга и лишь одна пара (голеностопный сустав) — винтовоедвижение.
Биокинематическая цепь — это последовательноелибо незамкнутое (разветвленное), либо замкнутое соединение ряда биокинематическихпар (рис. 1).
/>
Рис. 1. Биокинематические цепи тела человека: а - видыцепей, bат — незамкнутая,ABCDEA-замкнутая на себя, dff1d1d — замкнутая через опору; б- взаимосвязь движений в замкнутой цени; в, г, д, е — степенисвободы движений тела.
В незамкнутых цепях имеется свободное (конечное)звено, входящее лишь в одну пару. В замкнутых цепях нет свободного конечногозвена, каждое звено входит в две пары.
В незамкнутой цепи, следовательно, возможны изолированныедвижения в каждом отдельно взятом суставе. В двигательных действиях движения внезамкнутых цепях происходят обычно одновременно во многих суставах, новозможность изолированного движения не исключена.
В замкнутой цепи изолированные движения в одномсуставе невозможны: в движение неизбежно одновременно вовлекаются и другиесоединения (рис. 1 (б)).
Значительная часть незамкнутых биокинематическихцепей оснащена многосуставными мышцами. Поэтому движения в одних суставахчерез такие мышцы бывают связаны с движениями в соседних суставах. Однако приточном управлении движениями во многих случаях эту взаимную связь можнопреодолеть, «выключить». В замкнутых же цепях связь непреодолима и действиямышц обяза-тельно передаются на отдаленные суставы.
Незамкнутая цепь может стать замкнутой, есликонечное свободное звено получит связь (опора, захват) с другим звеном цепи(непосредственно или через какое-либо тело).
11) Звенья тела как рычагии маятники
Разбиение тела человекана звенья позволяет представить эти звенья как механические рычаги и маятники,потому что все эти звенья имеют точки соединения, которые можно рассматриватьлибо как точки опоры (для рычага), либо как точки отвеса (для маятника).
Рычаг характеризуетсярасстоянием между точкой приложения силы и точкой вращения. Рычаги бываютпервого и второго рода.
Рычаг первого рода илирычаг равновесия состоит только из одного звена. Пример – крепление черепа кпозвоночнику.
Рычаг второго родахарактеризуется наличием двух звеньев. Условно можно выделить рычаг скорости ирычаг силы в зависимости от того, что преобладает в их действиях. Рычагскорости дает выигрыш в скорости при совершенствовании работы. Пример –локтевой сустав с грузом на ладони. Рычаг силы дает выигрыш в силе. Пример –стопа на пальцах.
Поскольку тело человекавыполняет свои движения в трехмерном пространстве, то его звеньяхарактеризуются степенями свободы, т.е. возможностью совершать поступательные ивращательные движения во всех измерениях. Если звено закреплено в одной точке,то оно способно совершать вращательные движения и мы можем сказать, что оноимеет три степени свободы.
Закрепление звенаприводит к образованию связи, т.е. связанному движению закрепленного звена сточкой закрепления.
Поскольку руки и ногичеловека могут совершать колебательные движения, то к механике их движенияприменимы те же формулы, что и для простых механических маятников. Основныевывод их них – собственная частота колебаний не зависит от массы качающегосятела, но зависит от его длины (при увеличении длины частота колебанийуменьшается).
Делая частоту шагов приходьбе или беге или гребков при плавании или гребле резонансной (т.е. близкой ксобственной частоте колебаний руки или ноги), удается минимизировать затратыэнергии. При наиболее экономичном сочетании частоты и длины шагов или гребковчеловек демонстрирует существенный рост работоспособности. Простой пример: прибеге высокий спортсмен имеет большую длину шага и меньшую частоту шагов, чемболее низкорослый спортсмен, при равной с ним скорости передвижения.
Рычаги в биокинематических цепях
Костные рычаги — звенья тела, подвижно соединенные всуставах под действием приложенных сил, — могут либо сохранять свое положение,либо изменять его. Они служат для передачи движения и работы на расстояние.
Все силы, приложенные к звену как рычагу, можнообъединить в две группы: а) силы или их составляющие, лежащие в плоскости осирычага (они не могут повлиять на движение вокруг этой оси) и б) силы или ихсоставляющие, лежащие в плоскости, перпендикулярной к оси рычага (они могутвлиять на движение вокруг оси в двух противоположных направлениях).Рассматривая действие сил на рычаг, учитывают только силы, направленные по ходудвижения (движущие) и против него (тормозящие).
Когда группы сил приложены по обе стороны от оси(точки опоры) рычага, его называют двуплечим или рычагом первого рода (рис. 2 (а)),а когда по одну сторону — одноплечим, или рычагом второго рода (рис. 2 (6)).Для разных мышц, прикрепленных в разных местах костного звена, рычаг может бытьразного рода. Так, относительно своих сгибателей предплечье (при работе противвеса груза) представляет собой одноплечий рычаг; относительно жемышц-разгибателей (при удержании груза над головой) — двуплечий рычаг.
При преодолевающих движениях сила сокращающихсямышц (их равнодействующая тяга) — движущая сила, при уступающих движениях силарастягиваемых мышц (их равнодействующая тяга) — тормозящая. Силы сопротивлениянаправлены противоположно действию мышц.
Каждый рычаг имеет следующие элементы (рис. 2 (в)):
а) точку опоры (0),
б) точки приложения сил,
в) плечи рычага (расстояния от точки опоры доточек приложения сил — l),
г) плечи сил (расстояния от точки опоры до линийдействия сил — опущенные на них перпендикуляры— d).
Мерой действия силы на рычаг служит ее моментотносительно точки опоры (произведение силы на ее плечо).
12) Механические свойства мышц
Двигательная деятельность человека происходит при помощи мышечной ткани, обладающей сократительными структурами. Работа мышц осуществляется благодаря сокращению (укорачиванию с утолщением) миофибрилл, которые находятся в мышечных клетках. Работа мышц осуществляется посредством их присоединения к скелету при помощи сухожилий.
К биомеханическим свойствам мышц относят сократимость, упругость, жесткость, прочность и релаксацию.
Сократимость – это способность мышцы сокращаться при возбуждении. В результате сокращения происходит укорочение мышцы и возникает сила тяги.
Упругость мышцы состоит в ее способности восстанавливать первоначальную длину после устранения деформирующей силы. Существование упругих свойств объясняется тем, что при растяжении в мышце возникает энергия упругой деформации. При этом мышцу можно сравнить с пружиной: чем сильнее растянута пружина, тем большая энергия в ней запасена. Это явление широко используется в спорте. Например, в хлесте предварительно растягиваются и параллельный, и последовательный упругий компонент мышц, чем накапливается энергия. Запасенная таким образом энергия в финальной части движения (толкания, метания и т.д.) преобразуется в энергию движения (кинетическую энергию).
Аналогия мышцы с пружиной позволяет применить к ее работе закон Гука, согласно которому удлинение пружины нелинейно зависит от величины растягивающей силы. Кривую поведения мышцы в этом случае называют «сила-длина». Зависимость между силой и скоростью мышечного сокращения («сила-скорость») называют кривой Хилла.
Жесткость – это способность противодействовать прикладываемым силам. Коэффициент жесткости определяется как отношение приращения восстанавливающей силы к приращению длины мышцы под действием внешней силы: Кж=DF/Dl (Н/м).
Величина, обратная жесткости, называется податливостью мышцы. Коэффициент податливости: Кп=Dl /DF (м/Н) – показывает, насколько удлинится мышца при изменении внешней силы. Например, податливость сгибателя предплечья близка к 1 мм/Н.
Прочность мышцы оценивается величиной растягивающей силы, при которой происходит разрыв мышцы. Сила, при которой происходит разрыв мышцы составляет от 0.1 до 0.3 Н/мм2. Предел прочности сухожилий на два порядка величины больше и составляет 50 Н/мм2. Однако, при очень быстрых движениях возможен разрыв более прочного сухожилия, а мышца остается целой, успев самортизировать.
Релаксация – свойство мышца, проявляющееся в постепенном уменьшении силы тяги при постоянной длине мышцы. Релаксация проявляется, например, при прыжке вверх, если во время глубокого приседа спортсмен делает паузу. Чем пауза длительнее, тем сила отталкивания и высота выпрыгивания меньше.
Существует два вида группового взаимодействия мышц: синергизм и антагонизм.
Мышцы-синергисты перемещают звенья тела в одном направлении. Например, при сгибании руки в локтевом суставе участвуют двуглавая мышца плеча, плечевая и плече-лучевая мышцы и т.д. Результатом синергического взаимодействия мышц служит увеличение результирующей силы действия. При наличии травмы, а также при локальном утомлении какой-либо мышцы ее синергисты обеспечивают выполнение двигательного действия.
Мышцы-антагонисты имеют, наоборот, разнонаправленное действие. Так, если одна из них выполняет преодолевающую работу, то другая – уступающую.
Механические свойства костей определяются их разнообразными функциями; кроме двигательной, они выполняют защитную и опорную функции. Так кости черепа и грудной клетки защищают внутренние органы, а кости позвоночника и конечностей выполняют опорную функцию.
Выделяют 4 вида механического воздействия на кость: растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Установлено, что прочность кости на растяжение почти равна прочности чугуна. При сжатии прочность костей еще выше. Самая массивная кость – большеберцовая (основная кость бедра) выдерживает силу сжатия в 16–18 кН.
Менее прочны кости на изгиб и кручение. Однако регулярные тренировки приводят к гипертрофии костей. Так, у штангистов утолщаются кости ног и позвоночника, у теннисистов – кости предплечья и т.п.
Механические свойства суставов зависят от их строения. Суставная поверхность смачивается синовиальной жидкостью, которую хранит суставная сумка. Синовиальная жидкость обеспечивает уменьшение трения в суставе примерно в 20 раз. При этом при снижении нагрузки на сустав жидкость поглощается губчатыми образованиями сустава, а при увеличении нагрузки она выжимается для смачивания поверхности сустава и уменьшения коэффициента трения.
Очень часто для того, чтобы понять механизм работы объекта, его заменяют адекватной моделью. Модель – образ объекта, который содержит его характерные черты. Вначале предполагали, что мышца может моделироваться системой, состоящей из двух компонентов: активного и пассивного. Сократительный (активный) элемент уподоблялся демпфирующему компоненту. Пассивный элемент представлялся упругим компонентом. В последующем А. Хилл предложил модель мышцы, состоящую из трех компонентов (рис. 3.3), которая в настоящее время является общепринятой.
Изложенный процесс сокращения элементарного блока миофибриллы представляет собой энергетический процесс, в котором химическая энергия превращается в механическую работу. Взаимодействие сократительных и эластичных компонентов мышцы наглядно изображено на механической модели мышцы (рис. 39).
Рис. 39. Механическая модель мышечной деятельности.
Мышца: а - при длине покоя, b - в статическом режиме работы, с - в динамическом режиме работы, d - в растянутом состоянии, СК - сократительный компонент, состоящий из мышечных волокон, или миофибрилл. Пар - параллельный эластичный компонент, в состав которого входят, в частности, трубчатые соединительно-тканные оболочки мышечных волокон (эндомизий) и пучки мышечных волокон (перемизий). Пос - последовательно включаемый эластичный компонент, образованный, в частности, сухожилиями. Внутренняя сила: энергия
сокращения (СК) + энергия предварительного растягивания (Пар + Пос). Внешняя сила: внешнее сопротивление (оказываемое, например, соперником или отягощением).
Сократительный компонент мышцы (СК) состоит из миофибрилл. Эластичный компонент подразделяется на последовательно включаемый эластичный компонент (Пoc) и параллельно-эластичный компонент (Пар). В состав первого входят сухожилия и другие элементы соединительной ткани мышцы, второй образуется, в частности, из соединительно-тканных оболочек мышечных волокон и их пучков.
Если укорачивается сократительный компонент, то сначала растягивается Пос (рис.39, b). Лишь после того, как развиваемая в Пос сила напряжения превысит величину внешней силы (например, сопротивление соперника или поднимаемого с земли отягощения), сократится вся мышца. Напряжение Пос во время укорачивания мышцы остается постоянным (рис. 39, с). Пар помогает сначала укоротить сократительный компонент, а затем вернуть его к длине покоя. Если мышца растягивается, то внешняя сила настолько сильно удлиняет Пос, что в конце концов за ним приходится следовать и сократительному компоненту (СК) (рис. 39, d).
13) Существуют два случая группового взаимодействия мышц: синергизм и антагонизм.
Мышцы-синергисты перемещают звенья тела в одном направлении. Например, в сгибании руки в локтевом суставе участвуют двуглавая мышца плеча, плечевая и плечелучевая мышцы и т.д. Результатом синергического взаимодействия мышц служит увеличение результирующей силы действия. Но этим значение синергизма мышц не исчерпывается. При наличии травмы, а также при локальном утомлении какой-либо мышцы ее синергисты обеспечивают выполнение двигательного действия. Мышцы-антагонисты (в противоположность мышцам-синергистам) имеют разнонаправленное действие. Так, если одна из них выполняет преодолевающую работу, то другая — уступающую. Мышцы-антагонисты обеспечивают: 1) высокую точность двигательных действий; 2) снижение травматизма.
Одно и многосуставные мышцы. По отношению к суставам, через которые (один, два или несколько) перекидываются мышцы называют одно-, дву-, или многосуставными. Многосуставные мышцы выполняют сложные движения в двух или трех суставах одновременно.
Примером двусуставной мышцы является двуглавая мышца плеча
Она имеет три точки прикрепления: диафиз плеча, лучевая кость, суставной отросток лопатки и, сокращаясь, одновременно выполняет сгибание в локтевом и плечевом суставах. При фиксированном плечевом суставе длинная головка бицепса выполняет важную функцию - стабилизацию плечевого сустава, предотвращая смещение головки плечевой кости вперед. Примером двусуставной мышцы являются подколенные сгибатели, которые имеют прикрепление к седалищной кости и к большеберцовой кости, перекидываясь через тазобедренный и коленный сустав. Их функция – сгибание голени и разгибание бедра. Это важное движение при ходьбе. Примером многосуставной мышцы является поясничная мышца, которая прикрепляется к поперечным отросткам верхних поясничных позвонков и к малому вертелу бедренной кости.
14) Внешние силы - это силы, действующие на тело извне. Под влиянием внешних сил тело или начинает двигаться, если оно находилось в состоянии покоя, или изменяется скорость его движения, или направление движения. Внешние силы в большинстве случаев уравновешены другими силами и их влияние незаметно.
Внешние силы, действуя на твердое тело, вызывают изменения его формы, обуславливаемые ᴨȇремещением частиц.
Внутренними силами являются силы, действующие между частицами, эти силы оказывают сопротивление изменению формы.
Изменение формы тела под действием силы называют деформацией, а тело, претерᴨȇвшее деформацию, называют деформированным.
Равновесие внутренних сил с момента приложения внешней силы нарушается, частицы тела ᴨȇремещаются одна относительно другой до такого состояния и положения, когда возникающие между ними внутренние силы уравновешивают внешние силы и тело сохраняет приобретенную деформацию.
После удаления внешней силы, если она не превзошла некоторого определенного предела, тело принимает свою ᴨȇрвоначальную форму.
Свойство сохранения телом приобретенной деформации после снятия нагрузки называется пластичностью, а деформация - пластической.
При соприкосновении два тела воздействуют друг на друга и деформируются. Недеформированных тел не существует. Всякое тело деформируется при воздействии на него сколько угодно малой силы. Величину внутренних сил характеризует прочность сцепления частиц данного тела.
Тело при движении преодолевает силы сопротивления, величины котоҏыҳ различны, от небольшого торможения до сопротивления, останавливающего движущееся тело. К числу сил сопротивления, кроме внутренних сил, относят сопротивление среды (воздух, вода), силы инерции, силы трения.
Действие силы на тело, заключающееся в изменении состояния этого тела, вполне определяется следующими тремя факторами: точкой приложения силы, направлением силы, величиной силы.
Точкой приложения силы называется точка данного тела, на которую сила непосредственно действует, изменяя состояние данного тела.
Под направлением силы понимают то направление движения, которое получит тело под действием этой силы. Линией направления данной силы называется линия действия этой силы.
Измерение величины силы означает сравнение ее с некоторой силой, принятой за единицу. Измеряют силу обычно динамометрами разных конструкций.
Сила - величина векторная, т. е. имеющая не только числовое значение, но и направление, в связи с этим действие силы на тело определяется не только ее величиной, но и ее направлением.
15) В инерциальных выполняется второй закон Ньютона.
При равенстве нулю внешних сил тело покоится или равномерно движется.
Пример неинерциальной системы отсчёта - тормозящий автобус.
На человека действует сила тяжести, сила трения ног о пол и сила реакции опоры.
Все эти силы в сумме дают ноль. И человек должен оставаться в покое. Но при торможении автобуса человек начинает двигаться вперёд (по инерции).
Инерциальная система отсчёта сама должна либо покоиться, либо равномерно и прямолинейно двигаться.
Всё остальное - неинерциальные системы.
Инерциальные системы это системы в которых справедлив закон инерции, всякое тело сохраняет состоние покоя или прямолинейного равномерного движения до тех пор пока воздействоие со стороны других тел не заставит его изменить состояние, а неинерциальные, в которых закон не действует
Тело (материальная точка), не подверженное внешним воздействиям, либо находится в покое, либо движется прямолинейно и равномерно. Такое тело называют свободным. Движение такого тела называется свободным движениемили движением по инерции.
Существует система отсчёта, в которой все свободные тела движутся прямолинейно и равномерно
ИЛИ
Существуют такие системы отсчёта, называемые инерциальными, относительно которых материальная точка при отсутствии внешних воздействий сохраняет величину и направление своей скорости неограниченно долго
Такие системы называется инерциальными системами отсчёта - Первый закон Ньютона.
Всякое тело оказывает сопротивление при попытке привести его в движение, т.е. придать ему некоторое ускорение. Такое свойство тел называется инертностью. Мера инертности — масса.
Система тел, на которую не оказывают влияние другие тела, называется замкнутой системой или изолированной системой. В таких системах тела могут взаимодействовать только друг с другом.Пусть замкнутая система состоит из двух тел (двух материальных точек). Скорость тел и, а и приращение этих скоростей за один и тот же промежуток времени. Векторы и имеют противоположные направления и связаны соотношением. Коэффициенты и постоянны и имеют одинаковые знаки и называются массами или инертными массами тел 1 и 2.
Импульс или количество движения материальной точки — вектор, равный произведению массы точки на её скорость.
Импульс системы — векторная сумма импульсов отдельных материальных точек, из которых состоит система: для системы состоящей из материальных точек.
Импульс изолированной системы остаётся постоянным во времени - Закон сохранения импульса.
Сила (в механике) — всякая причина, которая меняет импульс тела (это качественная характеристика). Количественная характеристика выражается уравнением:
Это уравнение справедливо только в том случае, если m не зависит от скорости.
В инерциальной системе отсчёта производная импульса материальной точки по времени равна действующей на неё силе.
ИЛИ
В инерциальной системе отсчёта ускорение, которое получает материальная точка, прямо пропорционально равнодействующей всех приложенных к ней сил и обратно пропорционально её массе
Приведённые выше высказывания есть ничто иное как две формулировки второго закона Ньютона. Соответствующее определению закона уравнение — уравнение движения материальной точки.
Силы взаимодействия двух материальных точек равны по модулю, противоположно направлены и действуют вдоль прямой, соединяющей эти материальные точки.
ИЛИ
Всякому действию соответствует равное и противоположно направленное противодействие.
ИЛИ
Материальные точки попарно действуют друг на друга с силами, имеющими одинаковую природу, направленными вдоль прямой, соединяющей эти точки, равными по модулю и противоположными по направлению:. Или, если система состоит множества материальных точек, то, т.е. материальные точки взаимодействуют попарно. Обе силы направлены вдоль прямой, соединяющей эти точки.
Три этих выражения - различные формулировки Третьего закона Ньютона.
Любая система, движущаяся с ускорением относительно инерциальной системы отсчёта, является неинерциальной.
16) Сила тяжести тела - это мера его притяжения к Земле (с учетом влияния вращения Земли. По величине сила тяжести равна массе тела, умноженной на ускорение свободного падения:
G = m • g, где
m - масса тела (кг);
g - ускорение свободного падения (ускорение тела,
сообщаемое телу силой тяжести 9,81 м/с2).
G имеет гравитационную природу, приложена к телу и направлена к центру Земли. Точку приложения силы тяжести называют центром тяжести (ЦТ).
На каждое звено и на все тело человека всегда действует сила тяжести (как внешняя сила), вызванная притяжением и вращением Земли.
Когда тело покоится на опоре (или подвешено), тогда сила тяжести, приложенная к телу, прижимает его к опоре (или отрывает от подвеса). Это действие тела на опору (верхнюю или нижнюю) измеряется весом тела.
Вес тела (статический, Р) - это мера воздействия тела в покое на опору (или подвес), с которой тело (вследствие его притяжения к Земле) действует на опору или подвес:
17) Сила реакции опоры относится к силам упругости, и всегда направлена перпендикулярно поверхности. Она противостоит любой силе, которая заставляет тело двигаться перпендикулярно опоре. Для того чтобы рассчитать ее нужно выявить и узнать числовое значение всех сил, которые действуют на тело, стоящее на опоре.
Реакция опоры – это мера противодействия опоры при действии на неё тела, находящегося с ней в контакте (в покое или движении). Она равна силе действия тела на опору, направлена в противоположную сторону и приложена к этому телу.
Обычно человек, находясь на горизонтальной опоре, испытывает её противодействие своему весу. В этом случае опорная реакция, как и вес тела, направлена перпендикулярно опоре. Это нормальная реакция опоры. Если поверхность не плоская, то нормальная опорная реакция перпендикулярна плоскости, касательной к точке опоры.
Когда вес статический, то и реакция опоры статическая, по величине она равна статическому весу. Если человек на опоре движется с ускорением, направленным вверх, то к статическому весу добавляется сила инерции и возникает динамическая реакция опоры. Реакция опоры – сила пассивная (реактивная). Она не может сама по себе вызвать положительные ускорения. Но без неё, если нет опоры, если не от чего оттолкнуться (или притянуться), человек не может перемещаться. Если отталкиваться от горизонтальной опоры не строго вверх, то сила давления на опору приложена не под прямым углом к её поверхности. Тогда реакция опоры также не перпендикулярна поверхности, её можно разложить на нормальную и касательную составляющие. Когда соприкасающиеся поверхности ровные, без выступов, шипов и т.п. (асфальт и подошва ботинка), то касательная составляющая реакции опоры и есть сила трения.
Касательная реакция может быть обусловлена не только трением, но и другими взаимодействиями (например, шипы беговых туфель, вонзающиеся в дорожку). Равнодействующая нормальной реакции опоры и касательной называется общей реакцией опоры. Общая реакция опоры только при свободном неподвижном положении над опорой (или под опорой) проходит через ОЦТ человека. Во время движений отталкивания или амортизации она обычно не проходит через ОЦТ, образуя относительно него момент.
Сила трения – это мера противодействия движению тела, направленная по касательной к соприкасающимся поверхностям тел. Сила трения измеряется произведением нормального давления и коэффициентом трения:
^ T = NKтр; [T]= MLT ˉ²,
где Kтр – коэффициент трения.
Как видно по смыслу формулы, коэффициент трения – это отношение силы трения к силе нормального давления, которая прижимает трущиеся поверхности одну к другой.
Силы трения, направленные навстречу движению, тормозят его. Они вызывают отрицательное ускорение, совершают отрицательную работу. Силы трения, направленные одинаково с движением, не создают положительного ускорения, не совершают положительной работы. Они не дают точке контакта движущегося тела «проскальзывать» назад. Таким же образом действуют и опорные реакции. Как и силы трения, они обеспечивают опору телу человека при отталкивании. Без них невозможно отталкивание, но в самодвижущихся системах движущие силы не они.
18) Силы действия среды
Среда, в которой движется человек, оказывает своё действие на его тело. Это действие может быть статическим (выталкивающая сила) и динамическим (лобовое сопротивление, подъемная сила). Бегуну, например, приходится преодолевать лобовое сопротивление воздуха.
Лобовое сопротивление – это сила, с которой среда (вода или воздух) препятствует движению тела относительно неё. Величина лобового сопротивления (Rx) зависит от площади поперечного сечения тела, его обтекаемости, плотности и вязкости среды, относительной скорости тела:
Rx = SCx pv², [Rx]= MLT ˉ²,
где S – площадь наибольшего поперечного сечения тела, Cx – коэффициент лобового сопротивления, зависящий от формы тела (обтекаемости) и его ориентации относительно направления движения в среде, p– плотность среды (плотность воздуха – 1,3 кг/м³), v – относительная скорость среды и тела. Известно, что с увеличением скорости передвижения, сопротивление воды или воздуха резко увеличивается (примерно пропорционально квадрату скорости).
Подъёмная сила – это сила, действующая со стороны среды на тело, расположенное под углом к направлению движения. Она зависит от тех же причин, что и лобовое сопротивление:
Ry = SCy pv², [Rx]= MLT ˉ²,
где Cy – коэффициент подъёмной силы.
С подъёмной силой приходится считаться метателю при метании планирующих снарядов (диск, копьё), а также пловцу, прыгуну на лыжах с трамплина.
19) СОХРАНЕНИЕ И ИЗМЕНЕНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕЛА
Равновесие тела человека. Поза и положение тела. Силы, уравновешиваемые при сохранении положения. Условия уравновешивания действия сил. Виды равновесия тела (устойчивое, ограниченно устойчивое, неустойчивое, безразличное). Динамический и статический показатели устойчивости твердого тела.
Сохранение и восстановление положения тела человека. Условия устойчивости тела человека. Зоны восстановления оптимальная, сохранения положения, восстановления положения). Управление сохранением положения (движения компенсаторные, амортизирующие, восстанавливающие). Биодинамика осанки. Динамическая осанка. Нарушения и восстановление правильной осанки.
Движения на месте. Изменение движения центра масс системы. изменение количества движения системы. Преодолевающие и уступающие движения. Механизмы притягивания и отталкивания. Условия активного и пассивного движений относительно верхней и нижней опоры.
Кинематика и динамика взаимодействия с опорой.
Статика - раздел механики, в котором рассматривается равновесие тел.
Равновесие тел - состояние механической системы, в которой тела остаются неподвижными по отношению к выбранной системе отсчета.
Равновесие тел при отсутствии вращения (линии действия сил пересекаются в одной точке): Векторная сумма всех сил, действующих на тело, равна нулю(алгебраическая сумма проекций всех сил на любую ось равна нулю). или
Момент силы - равен произведению силы на плечо:
Плечо силы - расстояние от оси вращения до линии действия силы. (обозначают буквами ℓ или d).
Момент силы, вращающий тело против часовой стрелки, считают положительным, по часовой стрелке - отрицательным.
Центр масс - точка, через которую должна проходить линия действия силы, чтобы под действием этой силы тело двигалось поступательно.
Центр тяжести - точка приложения силы тяжести, действующей на тело. В однородном поле тяготения центр тяжести и центр масс совпадают.
Рычаг (Архимед).
Разновидности рычага: блок, ворот.
Условие равновесия рычага: отношение сил обратно пропорционально отношению плеч этих сил.
"Золотое правило механики": выигрывая в силепроигрываешь в расстоянии.
Равновесие тел при отсутствии вращения (линии действия сил не пересекаются в одной точке):
1. Векторная сумма всех сил, действующих на тело, равна нулю;
2. Алгебраическая сумма моментов всех сил, действующих на тело, относительно любой точки равна нулю.
Т.е.
ПАРА СИЛ: Момент пары:
Пару нельзя уравновесить одной силой (равной величины)!
Примеры: завинчивание гайки гаечным ключом, вращение рамки с током в магнитном поле и т.д.
Виды равновесия:
Устойчивое: При малом отклонении тела от положения равновесия возникает сила, стремящаяся возвратить тело в исходное состояние.
Безразличное: При малом отклонении тело остается в равновесии.
Неустойчивое: При малом отклонении тела из положения равновесия возникают силы, стремящиеся увеличить это отклонение.
В положении устойчивого равновесия тело обладает минимальной потенциальной энергией. При выведении тела из этого положения его потенциальная энергия увеличивается. Если работу над телом совершает только сила тяжести, то в положении устойчивого равновесия центр тяжести тела находится на наименьшей высоте.
Все тела стремятся к минимуму потенциальной энергии. (Потенциальная яма).
Равновесие тел на опоре: линия действия силы тяжести проходит через площадь опоры (Пизанская башня). Чем ниже центр тяжести, тем более устойчиво равновесие.
20) Устойчивое равновесие
Механика. Такое равновесие, при выведении из которого высота расположения ОЦТ повышается (+Dh) (рис. 7). Равновесие характеризуется возвратом шара в исходное положение при любом отклонении. Возврат осуществляется за счёт равнодействующей сил G1 и R1.
ОЦТ – общий центр тяжести тела;
D h – высота перемещения ОЦТ;
О – точка опоры (точка подвеса);
d – плечо силы тяжести Биомеханика. Данный вид равновесия встречается при верхней опоре. Например, гимнаст в висе на кольцах (рис. 8). При выведении из виса ОЦТ поднимается (+Dh), линия силы тяжести сместится от точки опоры (О), появится плечо силы тяжести (d) и, следовательно, возникнет момент силы тяжести (момент устойчивости) М=G1× d, возвращающий тело в исходное положение.
3. Неустойчивое равновесие
Механика. Оно характеризуется тем, что при сколь угодно малом отклонении возникают моменты сил (М=G1× d), вызывающие дальнейшее отклонение тела и оно само не может вернуться в прежнее положение (рис. 9). В это время ОЦТ тела из более высокого положения переходит в более низкое положение (-Dh).
D h – высота перемещения ОЦТ;
d – плечо силы тяжести Биомеханика. Данный вид равновесия встречается при нижней опоре (например, жонглеры, цирковые гимнасты, эквилибристы, благодаря быстроте реакции, способны удерживать свое тело в этом положении).
4. Ограниченно-устойчивое равновесие
D h – высота перемещения ОЦТ;
d – плечо силы тяжести Механика. Такое состояние системы не встречается (рис. 10).
Биомеханика. Данный вид равновесия характерен для биосистем. Здесь имеется площадь опоры, расположенная внизу (нижняя опора). При незначительном отклонении тела ОЦТ поднимается (+Dh), возникает момент устойчивости (Муст= G1× d). Но это продолжается лишь до момента, пока линия силы тяжести не дойдет до края площади опоры.
Сравнивая положение стоя, положение сидя, положение в упоре лежа, при которых тело находится в устойчивом равновесии, видим, что устойчивость тела различная. Для выведения сидящего человека из равновесия надо применить бóльшую силу, чем при выведении из равновесия человека стоящего. Следовательно, мало определить вид равновесия при анализе статического положения. Надо определить степень устойчивости. В практике вопрос об устойчивости тела возникает постоянно, так как:
а) при бóльшей устойчивости тела можно выполнять движения по большим амплитудам; при малой устойчивости амплитуды движений в большинстве случаев меньше;
б) при бóльшей устойчивости начать движение всего тела труднее, чем при малой устойчивости;
в) бóльшая устойчивость тела в рабочей позе даёт возможность при прочих равных условиях продолжительнее и продуктивнее работать
21) Различают статическую и динамическую устойчивость.
Статическая устойчивость человека
Статическая устойчивость - это устойчивость при отсутствии динамических сил (инерции, центробежных). В общем случае на бойца в статическом положении действуют сила тяжести, направленная вертикально вниз, и силы внешнего воз-действия (со стороны противника или окружающей среды).
При наклоне любого тела его опрокидывание происходит относительно некоторой линии (ребра), называемой линией опрокидывания. Оценивая устойчивость человека во фронтальной плоскости (см. рис.4.2) можно считать, что его опроки-дывание происходит относительно линий 0t-02или О'-ОJ (рис. 5.27, а), совпадающих с внешней стороной стопы нижних конечностей.
Расстояние d между линиями опрокидывания, существенно влияющее на устойчивость, называется опорной базой.
В самом простом случае статической устойчивости тело находится под действием только силы тяжести С, постоянно со
храняющей вертикальное положение и создающей относительно линии опрокидывания момент, обеспечивающий устойчивость.
Представим, что человек находится на корабельной палубе. В ее горизонтальном положе- ниии сила тяжести создает максимальный момент устойчивости (рис. 5.27, а):
Mt = G-d/2,
где d/2 — плечо действия силы тяжести.
По мере наклона палубы плечо, а значит и момент устойчивости, уменьшаются. При некотором уголе а вектор силы G (рис.5.27, б) пройдет через линию опрокидывания. Это положение соответствует безразличному равновесию.
Понятие о динамической устойчивости
Динамическая устойчивость есть устойчивость при наличии инерционных сил (ускорений).
Оговоримся: рукопашный бой не допускает статичных поз, это - динамичный процесс, и равновесие здесь не может быть статическим. В процессе двигательных действий в бою неизбежно возникают инерционные силы — силы инерции и центро-бежные. Но на динамическое равновесие влияют и параметры статической устойчивости.
Единого критерия оценки динамической устойчивости не существует, так как возможные ее проявления многообразны и не схожи друг с другом.
Чаще всего динамическая устойчивость оценивается коэффициентом устойчивости или предельными скоростями движения по опрокидыванию и сдвигу.
Как один из наиболее типичных случаев динамического движения, связанный с потерей устойчивости, может быть рассмотрен случай движения бегуна или велосипедиста на закруглении беговой дорожки (велотрека).
Пусть, например, велосипедист движется с постоянной скоростью v по окружности радиуса R (рис. 5.32).
Это движение может быть опасным из-за возможности опрокидывания или сдвига (соскальзывания) велосипеда по полотну трека.
На велосипедиста действуют сила тяжести G и центробежная сила FuH Сила Fm на плече у создает опрокидывающий момент
М — F у.
опр UH ' ЦН
Для предотвращения опро- кидавания велосипедист должен обеспечить наклон во внутреннюю сторону окружности, создавая момент устойчивости
Мт = Gd.
Отношение момента, обеспечивающего устойчивость, к моменту опрокидывающему есть коэффициент устойчивости:
кусТ— Мус Т/ Мопр.
22) Степень устойчивости тела человека (в разных положениях) характеризуется его статическими показателями – способностью сопротивляться нарушению устойчивости в определенных направлениях, а также динамическими – способностью восстанавливать положение.
Устойчивость определяют для ограниченно-устойчивого вида равновесия. Не следует смешивать вид равновесия со степенью устойчивости. Вид равновесия определяет лишь принципиальные пути сохранения положения. Показатели же устойчивости определяют меру возможностей сохранения положения.
Статический показатель устойчивости определяется отношением двух моментов силы: момента устойчивости к моменту опрокидывания. Это соотношение называется коэффициентом устойчивости (рис. 6, а).
Момент устойчивости (предельный) равен произведению силы тяжести тела на ее плечо относительно линии опрокидывания в самом начале отклонения от положения покоя. По мере увеличения отклонения плечо силы тяжести укорачивается и момент устойчивости становится меньше.
Момент опрокидывания равен произведению опрокидывающей силы и ее плеча относительно той же линии опрокидывания. Когда коэффициент устойчивости больше единицы, тело не опрокинуть. Он характеризует способность тела своей силой тяжести сопротивляться опрокидыванию в данных условиях.
Динамический показатель устойчивости определяется углом устойчивости. Угол устойчивости образован линией действия силы тяжести и прямой, соединяющей центр тяжести с соответствующим краем площади опоры (рис. 6, б).
Физический смысл угла устойчивости заключается в следующем. Чтобы отклонить тело до положения, когда его центр тяжести окажется над линией опрокидывания (граничное положение тела над вершиной потенциального барьера) и возникнет неустойчивое равновесие, нужно повернуть его в соответствующей вертикальной плоскости на определенный угол. Если центр тяжести расположен ниже, а его проекция дальше от края опоры, то момент устойчивости восстановит положение на большем пути отклонения, запас возможностей восстановления больше, степень устойчивости больше.
Угол устойчивости показывает, в каких пределах еще действует момент устойчивости.
Статический и динамический показатели устойчивости в полной мере применимы для оценки положения только твердого тела или в случаях, когда поза человека неизменна. Для человека (как биомеханической системы) при оценке устойчивости положения надо учитывать еще ряд обстоятельств. Во-первых, поверхность опоры почти всегда больше площади эффективной опоры. Это значит, что линия опрокидывания всегда расположена внутри границы поверхности опоры. Мягкие ткани и недостаточно сильные мышцы не могут уравновесить нагрузку, и опрокидывание будет раньше, чем линия тяжести пересечет край опорной поверхности. Во-вторых, тело человека при попытке опрокидывания не сохраняет позы, а изменяет свою конфигурацию, его звенья перемещаются в тех или иных суставах.
23) Отталкивание от опоры выполняется посредством: а) собственно отталкивания ногами от опоры и б) маховых движений свободными конечностями и другими звеньями. Эти движения тесно взаимосвязаны в едином действии — отталкивании. От их согласования в значительной мере зависит совершенство отталкивания.
Взаимодействие опорных и подвижных звеньев с опорой
При отталкивании опорные звенья неподвижны относительно опоры, а подвижные звенья под действием тяги мышц передвигаются в общем направлении отталкивания.
Во время отталкивания легкоатлета от опоры стопа зафиксирована на опоре неподвижно. Шипы туфель, погружаясь в покрытие дорожки (сектора) или брусок (в прыжках в длину), обеспечивают надежное соединение с опорой. На стопу как на опорное звено со стороны голени действует давление ускоряемых звеньев тела, направленное назад и вниз. Через стопу оно передается на опору. Противодействием этому давлению служит реакция опоры. Она приложена к стопе в направлении вперед и вверх. Реакция опоры и давление голени приложены к стопе в противоположных направлениях; они взаимно уравновешиваются и фиксируют стопу на опоре.
Силы мышечных тяг толчковой ноги выпрямляют ее. Поскольку стопа фиксирована на опоре, голень и бедро передают ускоряющее воздействие отталкивания через таз остальным звеньям тела. При ускоренном движении подвижных звеньев на них воздействуют тормозящие силы (тяжести и инерции) других звеньев, а также силы
сопротивления мышц-антагонистов. Следовательно, звенья тела получают ускорение вследствие того, что имеются движущие силы действие которых превышает сопротивление тормозящих сил.
Чтобы ОЦМ изменил движение, необходимо (в соответствии (законом сохранения движения ЦМ системы) наличие внешней силы приложенной к системе (см. гл. VIII). Реакция опоры при отталкиванш как раз и является такой необходимой внешней силой.
Работа ускоряющих сил и изменение кинетической энергии при отталкивании
Силы мышечных тяг, приложенные к подвижным звеньям, совершают механическую работу, которая увеличивает кинетическую энергию тела при отталкивании.
Нередко неверно полагают, что движущей силой для человека и источником работы, увеличивающей кинетическую энергию, может быть только реакция опоры как внешняя сила. С точки зрения механики тело человека — это самодвижущаяся система. В такой системе силы тяги мышц приложены к подвижным звеньям. Относительно каждого звена сила тяги мышцы, приложенная к нему извне, служит внешней силой. Следовательно, ускорения ЦМ подвижных звеньев обусловлены соответствующими внешними для них силами, т. е. тягой мышц.
Для всей системы — тело человека — имеется необходимая для ускорения ЦМ внешняя сила. Это реакция опоры. Однако она не служит движущей силой, источником работы.
Работа реакции опоры равна нулю. Это очевидно, если учесть, что точка приложения реакции опоры (опорная стопа) при отталкивании не отрывается от опоры и путь ее равен нулю. Следовательно, работа реакции опоры также равна нулю. Ни реакция опоры, ни ее составляющая — сила трения (на гладкой поверхности) сами по себе движения не вызывают, движущими силами не служат. Следовательно, именно работа мышц изменяет кинетическую энергию тела человека при отталкивании.
Реакции опоры при отталкивании под углом, отличающимся от прямого, наклонены к опорной поверхности и имеют вертикальные и горизонтальные составляющие. Вертикальные составляющие обусловлены динамическим весом, т. е. суммой статистического веса и сил инерции подвижных звеньев, имеющих ускорение (или его составляющую), направленное вертикально вверх от опоры. Горизонтальные составляющие реакций опоры обусловлены горизонтальными составляющими сил инерции подвижных звеньев. Однако ускорения подвижных звеньев могут иметь не только три взаимно перпендикулярных направления, что, кстати сказать, вызывает и поперечные составляющие опорных реакций опоры. Контакт опорных звеньев с опорой не точечный, поэтому могут проявиться и вращательные усилия, что усложнит изложенную упрощенную схему реакции опоры.
Маховые движения при отталкивании
Маховые движения при отталкивании — это быстрые движения Свободных звеньев тела, одинаковые в основном по направлению с Отталкиванием ногой от опоры.
При маховых движениях перемещаются ЦМ соответствующих звеньев тела. Значит, одновременно происходит перемещение ОЦМ всего тела. Так, при прыжках в высоту в результате маховых движений руками и свободной ногой ОЦМ к моменту отрыва от опоры поднимается выше, чем без маховых движений. Если ускорение звеньев тела, выполняющих маховые движения, увеличивается, то и ускорение ОЦМ увеличивается. Таким образом, маховые движения, как и от-талкивание ногой, осуществляют перемещение и ускорение ОЦМ.
В маховых движениях в фазе разгона скорость звеньев увеличивается до максимума. С нарастанием ее нарастает и скорость ЦМ всего тела. Следовательно, чем выше скорость маховых звеньев, тем она больше сказывается на скорости ОЦМ. В фазе торможения мышцы-антагонисты, растягиваясь, напрягаются и этим замедляют движения маховых звеньев, совершая отрицательную работу (в ус-тупающем режиме), скорость их уменьшается до нуля.
Мышечные тяги перераспределяют скорости звеньев тела; движение внутри системы передается от одних звеньев к другим. Поэтому для достижения более высокой скорости ОЦМ нужно стараться продлить фазу разгона на большей части пути махового перемещения. Когда ускорения маховых звеньев направлены от опоры, возникают силы инерции этих звеньев, направленные к опоре. Совместно с весом тела они нагружают мышцы опорной ноги и этим увеличивают их напряже-ние. Дополнительная нагрузка замедляет сокращение мышц и увеличивает их силу тяги, в результате чего мышцы толчковой ноги напрягаются больше и сокращаются относительно
дольше. В связи с этим увеличивается и импульс силы, равный произведению силы на время ее действия, а больший импульс силы дает больший прирост количества движения, т. е. больше увеличивает скорость.
Импульс переменной силы отталкивания равен площади между графиком силы по времени и горизонтальной линией, проведенной на уровне веса тела (рис. 83). Казалось бы, можно увеличивать эту площадь просто удлиняя время отталкивания. Однако искусственное замедление отталкивания уменьшит ускорения, силы инерции и силы тяги мышц. При замедленном отталкивании будет и медленное движение ОЦМ тела. Только естественное удлинение отталкивания ногой благодаря ускоренным маховым движениям увеличит время отталкивания и силу тяги мышц толчковой ноги, а значит, и импульс силы и ускорение ОЦМ.
В фазе торможения маховых звеньев их ускорения направлены к опоре, а силы инерции — от нее. Следовательно, нагрузка на мышцы толчковой ноги в это время уменьшается, их сила тяги падает, но быстрота сокращения увеличивается. Сокращаясь быстрее, они могут добавлять скорость в последние моменты отталкивания.
Так, маховые движения способствуют продвижению ОЦМ тела при отталкивании, увеличивают скорость ЦМ, увеличивают силу и удлиняют время отталкивания ногой и, наконец, создают условия для быстрого завершающего отталкивания.
Направление отталкивания от опоры
Угол наклона динамической опорной реакции дает представление о некоторых особенностях направления отталкивания от опоры в данный момент времени.
При выпрямлении ноги во время отталкивания от опоры происходит сложение вращательных движений звеньев тела.
При паре угловых скоростей, когда оба звена движутся в противоположные стороны с одинаковой угловой скоростью, следующее за ними третье звено (или группа зафиксированных звеньев) движется поступательно относительно опоры. Но достаточно рассогласования названных угловых скоростей, чтобы и третье звено получило поворот относительно опоры.
По координатам ОЦМ тела человека за время отталкивания можно рассчитать линейное ускорение ОЦМ в каждый момент времени. Однако сопутствующие движения, в том числе маховые, обусловливают кроме линейного ускорения ОЦМ еще и угловые ускорения многих звеньев.
Поэтому угол отталкивания как угол наклона динамической составляющей реакции опоры характеризует не полностью общее направление отталкивания в каждый данный момент времени. Если бы существовала внешняя движущая сила отталкивания, то угол ее наклона к горизонту можно было бы считать углом отталкивания. Однако в самодвижущейся системе к каждому звену приложены силы, которые в совокупности определяют движения именно данного звена. Заменить всю систему множества сил, приложенных к разным звеньям, равнодействующей движущей силой в этом случае невозможно. Одной эквивалентной (равноценной) равнодействующей силы отталкивания (приложенной к одной точке), которая могла бы вызвать различные сложные движения многих звеньев в разных направлениях, не существует. Именно поэтому предлагается лишь условно определять «угол отталкивания».
Угол наклона продольной оси толчковой ноги до некоторой степени характеризует направление отталкивания (рис. 84, о). Однако при одинаковой позе толчковой ноги можно действовать на опору больше вниз или больше назад благодаря различным вариантам усилий групп мышц. Иначе говоря, сама по себе поза не может определять однозначно направление отталкивания. Следует добавить, что предложение измерять таким способом угол «силы отталкивания» в момент отрыва толчковой ноги от опоры вообще лишено смысла: в этот момент сила отталкивания (сила давления на опору) равна нулю.
Угол наклона линии, соединяющей место опоры с ОЦМ (рис. 84, б), не может точно характеризовать направление отталкивания, так как закона, согласно которому линия действия силы реакции опоры должна проходить через ОЦМ, не существует. Более того, практически не удается выполнять отталкивание так, чтобы реакция опоры была направлена точно через ОЦМ; всегда регистрируются некоторые отклонения от этого направления.
Угол наклона общей реакции опоры (рис. 84, в) измеряют с помощью тензометрических устройств (платформа, стельки в обуви). Направление общей реакции опоры почти никогда не проходит через ОЦМ. Однако она оказывает противодействие силе, прижимающей тело к опоре, которое складывается из веса тела и сил инерции звеньев, движущихся с ускорением. Следовательно, можно определить отдельно реакцию на отталкивание, вызванную ускорением звеньев тела. Для этого из общей реакции
опоры нужно вычесть ее статическую составляющую (реакцию на вес тела).
Угол реакции опоры на движения отталкивания (рис. 84, г) наиболее правильно характеризует направление отталкивания. Можно представить себе следующее: в результате всех движений отталкивания ОЦМ тела получает определенное ускорение. Если предположить, что масса всего тела сосредоточена в ОЦМ, то по массе и ускорению можно подсчитать условную эквивалентную «ускоряющую» силу. Она примерно равна реакции опоры на отталкивание и направлена как и последняя. Следует только учесть, что, во-первых, реакция отталкивания не проходит через ОЦМ и обусловливает стартовый (опрокидывающий назад) момент; во-вторых, неизвестная часть работы сил затрачивается на неучитываемые деформации (диссипация энергии при переменной суставной жесткости), поэтому
реакция отталкивания и «ускоряющая» (расчетная) сила по величине будут отличаться друг от друга; в-третьих, как уже говорилось, реакция отталкивания — это не сила отталкивания.
Таким образом, так называемый угол отталкивания, каким бы способом его ни измеряли, не определяет полностью направления отталкивания. Надо всегда иметь в виду, что при отталкивании не только ОЦМ имеет определенное линейное ускорение, но и все звенья тела имеют угловые ускорения относительно ОЦМ.
Кроме того, нельзя забывать, что за время отталкивания все величины изменяются, какие бы углы ни измерялись. Значит, надо условиться, в какой именно момент измерять какой-либо условный угол (например, при максимуме всей реакции опоры на отталкивание либо при максимуме ее вертикальной составляющей или горизонтальной). Если отталкивание должно привести к последующему передви-жению с наибольшей линейной скоростью ОЦМ при минимальном вращении тела, то необходимо, чтобы ускорения ОЦМ тела и всех ОЦМ звеньев имели возможно близкое к общему направление. Если же отталкивание должно усилить вращение тела (например, в акробатике), то необходимо наибольшее однонаправленное вращение звеньев тела и использование момента силы тяжести тела.
При движении по повороту в наземных локомоциях спортсмен находится в наклоне внутрь поворота. Прижимающая сила D, приложенная к опоре под острым углом (а), может быть разложена на вертикальную составляющую (Д.) и горизонтальную составляющую (Д), направленную по радиусу от центра поворота (рис. 85). Противодействие последней и есть центростремительная сила (F w), вызывающая центростремительное ускорение и искривляющая траекторию в движении по повороту. В инерциальной системе отсчета (Земля) центробежная сила — реальная сила инерции (F m) — и есть уже названная составляющая прижимающей силы, приложенная к опоре
24)
25) Локомоторные движения
У всех локомоторных движений общая двигательная задача – усилиями мышц передвигать тело человека относительно опоры или среды. Среди передвижений относительно опоры (наземных передвижений) наибольшее распространение имеют шагательные. В водной среде применяется как отталкивание, так и притягивание. В некоторых видах спорта (спортивных играх, единоборствах, гимнастике и др.) локомоторные движения играют вспомогательную роль.
Отталкивание от опоры выполняется посредством:
а) собственно отталкивания ногами от опоры и
б) маховых движений свободными конечностями и другими звеньями.
Эти движения тесно взаимосвязаны в едином действии – отталкивании. От их согласования в значительной мере зависит совершенство отталкивания.
При отталкивании опорные звенья неподвижны относительно опоры, а подвижные звенья под действием силы тяги мышц передвигаются в общем направлении отталкивания. Во время отталкивания легкоатлета от опоры стопа зафиксирована на опоре неподвижно. Шипы туфель, погружаясь в покрытие дорожки или брусок, обеспечивают надежное соединение с опорой. На стопу как на опорное звено со стороны голени действует давление ускоряемых звеньев тела, направленное назад и вниз. Через стопу оно передается на опору. Противодействием этому давлению служит реакция опоры. Она приложена к стопе в направлении вперед и вверх.
Силы мышечных тяг толчковой ноги выпрямляют ее. Поскольку стопа фиксирована на опоре, голень и бедро передают ускоряющее воздействие отталкивания через таз остальным звеньям тела. При ускоренном движении подвижных звеньев на них воздействуют тормозящие силы (тяжести и инерции) других звеньев, а также силы сопротивления мышц-антагонистов. Реакция опоры при отталкивании является той внешней силой, которая обеспечивает ускорение телу спортсмена и передвижение его центра масс.
Однако, тело человека – это самодвижущаяся система. В такой системе силы тяги мышц приложены к подвижным звеньям. Относительно каждого звена сила тяги мышцы, приложенная к нему извне, служит внешней силой. Следовательно, ускорения центров масс подвижных звеньев обусловлены соответствующими внешними для них силами, т.е. тягой мышц.
Реакция опоры не является источником работы. По закону сохранения кинетической энергии изменение кинетической энергии равно сумме работ внешних и внутренних сил. Поскольку работа внешних сил (опоры) равна нулю, то кинетическую энергию спортсмена изменяет только работа внутренних сил (мышц).
Реакция опоры при отталкивании под углом, отличающегося от прямого (не перпендикулярно к опорной поверхности), наклонены к опорной поверхности и имеют вертикальные и горизонтальные составляющие. Вертикальные составляющие обусловлены динамическим весом, т.е. суммой веса и сил инерции подвижных звеньев, имеющих ускорение (или его составляющую), направленное вертикально вверх от опоры. Горизонтальные составляющие реакций опоры обусловлены горизонтальными составляющими сил инерции подвижных звеньев. Контакт опорных звеньев с опорой не точечный, поэтому могут появиться и вращательные усилия, что усложнит схему реакции опоры.
Маховые движения при отталкивании – это быстрые движения свободных звеньев тела в основном по направлению с отталкиванием ногой от опоры. При маховых движениях перемещаются центры масс соответствующих звеньев тела, что ведет к перемещению общего центра масс (ОЦМ) всего тела. Так, при прыжках в высоту в результате маховых движений руками и свободной ногой ОЦМ к моменту отрыва от опоры поднимается выше, чем без маховых движений. Если ускорение звеньев тела, выполняющих маховые движения, увеличивается, то и ускорение ОЦМ увеличивается. Таким образом, маховые движения, как и отталкивание ногой, осуществляют перемещение и ускорение ОЦМ.
В маховых движениях в фазе разгона скорость звеньев увеличивается до максимума. С нарастанием ее нарастает и скорость ЦМ всего тела. Следовательно, чем выше скорость маховых звеньев, тем она больше сказывается на скорости ОЦМ. В фазе торможения мышцы-антагонисты, растягиваясь, напрягаются и этим замедляют движения маховых звеньев, совершая отрицательную работу (в уступающем режиме), скорость их уменьшается до нуля.
Мышечные тяги перераспределяют скорости звеньев тела; движение внутри системы передается от одних звеньев к другим. Поэтому для достижения более высокой скорости ОЦМ нужно стараться продлить фазу разгона на большей части пути матового перемещения.
Когда ускорения маховых звеньев направлены от опоры, возникают силы инерции этих звеньев, направленные к опоре. Совместно с весом тела они нагружают мышцы опорной ноги и этим увеличивают их напряжение. Дополнительная нагрузка замедляет сокращение мышц и увеличивает их силу тяги, в результате чего мышцы толчковой ноги напрягаются больше и сокращаются относительно дольше. В связи с этим увеличивается и импульс силы, равный произведению силы на время ее действия, а больший импульс силы дает больший прирост количества движения, т. е. больше увеличивает скорость.
В фазе торможения маховых звеньев их ускорения направлены к опоре, а силы инерции – от нее. Следовательно, нагрузка на мышцы толчковой ноги в это время уменьшается, их сила тяги падает, но быстрота сокращения увеличивается. Сокращаясь быстрее, они могут добавлять скорость в последние моменты отталкивания.
Так, маховые движения способствуют продвижению ОЦМ тела при отталкивании, увеличивают скорость ЦМ, увеличивают силу и удлиняют время отталкивания ногой и, наконец, создают условия для быстрого завершающего отталкивания.
Угол наклона динамической опорной реакции дает представление о некоторых особенностях направления отталкивания от опоры в данный момент времени.
При выпрямлении ноги во время отталкивания от опоры происходит сложение вращательных движений звеньев тела.
По координатам ОЦМ тела человека за время отталкивания можно рассчитать линейное ускорение ОЦМ в каждый момент времени. Однако сопутствующие движения, в том числе маховые, обусловливают кроме линейного ускорения ОЦМ еще и угловые ускорения многих звеньев.
Поэтому угол отталкивания как угол наклона динамической составляющей реакции опоры характеризует не полностью общее направление отталкивания в каждый данный момент времени. Если бы существовала внешняя движущая сила отталкивания, то угол ее наклона к горизонту можно было бы считать углом отталкивания. Однако в самодвижущейся системе к каждому звену приложены силы, которые в совокупности определяют движения именно данного звена. Заменить всю систему множества сил, приложенных к разным звеньям, равнодействующей движущей силой в этом случае невозможно.
При движении по повороту в наземных локомоциях спортсмен находится в наклоне внутрь поворота. Прижимающая сила D, приложенная к опоре под острым углом (a), может быть разложена на вертикальную составляющую (Dy) и горизонтальную составляющую (Dx), направленную по радиусу от центра поворота (рисунок). Противодействие последней и есть центростремительная сила (Fцс), вызывающая центростремительное ускорение и искривляющая траекторию в движении по повороту. В инерциальной системе отсчета (Земля) центробежная сила – реальная сила инерции (Fцб) – и есть уже названная составляющая прижимающей силы, приложенная к опоре. В неинерциальной системе отсчета (тело спортсмена) центробежная сила – фиктивная сила инерции (Fин) – приложена к ОЦМ. Она образует относительно опоры момент силы (Fин h), который уравновешивает момент силы тяжести (Gd). Угол наклона тела (a) зависит от соотношения силы тяжести (G=mg) и центробежной силы (Fцб =):
,
где r – радиус кривизны поворота, v – линейная скорость тела.
Рассмотрим также стартовые действия с точки зрения локомоторики. Стартовые действия обычно направлены на то, чтобы начать передвижение и быстро увеличить скорость. Стартовыми действиями начинается преодоление всех дистанций, а также передвижения в единоборствах, спортивных играх и других группах видов спорта.
Стартовые положения – это исходные позы для последующего передвижения, которые обеспечивают лучшие условия развития стартового ускорения. Стартовые действия (при старте с места) начинают из стартового положения. Оно обычно определено правилами соревнований и соответствует биомеханическим требованиям, вытекающим из задач старта.
Стартовое положение обеспечивает возникновение с первым движением ускорения ОЦМ тела в заданном направлении. Для этого проекция ОЦМ тела на горизонтальную поверхность приближена к передней границе площади опоры. При прочих равных условиях выдвижение ОЦМ тела вперед и более низкое его положение увеличивают горизонтальную составляющую начальной скорости. Так, в низком старте для бега угол начальной скорости ОЦМ тела меньше, чем в высоком.
Суставные углы в стартовом положении должны отвечать индивидуальным особенностям соотношения рычагов, силовой подготовленности спортсмена и условиям стартового действия. Расположение всех звеньев тела зависит от условия стартового действия.
Стартовые движения – это первые движения из стартового положения, которые обеспечивают прирост скорости и переход к последующему стартовому разгону. При старте ОЦМ тела спортсмена имеет ускорение, обусловленное мышечными усилиями. Как внутренние силы направлены в противоположные стороны: вперед – ускоряя подвижные звенья, назад – прижимая опорные звенья к опоре. Это можно сделать лишь допустив условно,
