Механическая эффективность движений человека


В видах спорта с преимущественным проявлением выносливости существует ряд факторов, определяющих эффективность двигательных действий и конечный результат движений.

С биомеханической точки зрения есть два различных пути повышения экономичности движений:

1) снижение величин энергозатрат в каждом цикле ;

2) рекуперация энергии, т.е. преобразование кинетической энергии в потенциальную и ее обратный переход в кинетическую. Рассмотрим каждый из них подробно

1-ый путь: снижение энергозатрат в каждом цикле

Количество метаболической энергии, освобождаемой в организме при движении, конечно, также как конечна скорость ее производства. Количество выработанной энергии определяется емкостью и мощностью трех энергетических систем: окислительной, лактатной и фосфогенной. От того, насколько эффективно используется вырабатываемая энергия, зависит спортивный результат. Основные способы экономизации спортивной техники сводятся к следующему:

а) устранение ненужных движений . Например. движения высококвалифицированных спортсменов в беге на средние и длинные дистанции характеризуются относительно малой величиной вертикальных колебаний ОЦМ ( 5.1- 5.6 см.), что приводит к снижению энергетической стоимости пути.

б) устранение ненужных сокращений мышц . У квалифицированных спортсменов суммарное время активности мышц меньше. время расслабленного состояния больше, чем у начинающих. Достигается это за счет концентрации активности мышц. Например, характерным признаком высокого спортивного мастерства в скоростно- силовых видах спорта является импульсивность развития мышечных напряжений. Электромиограмма сжимается по оси времени при одновременном росте ее амплитуды. что указывает на развитие большей мышечной силы, при одновременном сокращении времени ее дейстывия.

в) снижение внешнего сопротивления . Например, уменьшение сопротивления воды в плавании за счет выбора оптимального положения тела.Коэффициент механической эффективности составляет у пловцов 1-5 % (при наземных локомоциях человека 20-40 % ) и увеличивается по мере повышения квалификации. Энергетическая стоимость метра пути у пловцов международного класса примерно на 40 % ниже по сравнению с пловцами невысокой квалификации Из тормозящих сил наиболее значительна сила лобового сопротивления воды и сила сопротивления вихреобразования. Обе они уменьшаются при снижении угла атаки- угла между продольной осью тела и направлением движения. Следовательно, пловец должен выбрать положение тела по - возможности горизонтальное и вытянутое в направлении передвижения.

г) выбор оптимального соотношения между силой действия и скоростью рабочих движений . В некоторых видах спорта ( велосипед, гребля) можно сохранить одну и туже скорость передвижения при разном соотношении силы действия и скорости отдельных движений. Для каждой заданной скорости передвижения ( мощности ) существует свое оптимальное соотношение между силой действия и скоростью рабочих движений. Например, при велосипедном педалировании энергетический оптимум соответствует 60- 70 об/мин.

д) выбор оптимального соотношения между длиной шага и частотой шагов.

На рис 1 показано. как изменяется расход энергии при ходьбе с одной и той же скоростью, но при разном соотношении длины и частоты шагов. Оптимум энергозатрат обозначен толстой линией, идущей из левого нижнего угла в правый верхний Если длина и частота шагов соответствует точкам данной линии, затраты энергии на 1 м. пути минимальны.при выбранной скорости передвижения.

Анализ техники бега на средние и длинные дистанции (Г.И.Попов, В.Д.Кряжев) , проведенный на группе высоко квалифицированных бегунов, показал, что повышение соревновательной скорости с 5,8 до 8,3 м/сек происходит в основном за счет удлинения бегового шага от 151 см. до 234 см. при слабо возрастающих значениях темпа ( 3,33 до 3.57 Гц ). Следовательно, увеличение механической работы в шаге при повышении скорости бега происходит за счет больших перемещений звеньев в пространстве При этом. увеличение соревновательной скорости на 2 м/с требует увеличения полной мощности механической работы звеньев тела бегуна по верхней оценке с 750 до 1500 Вт., т.е. прибавка скорости на 1 м/ с « стоит «в среднем 475 Вт.

Расход энергии при ходьбе

Рис. 1. Расход энергии при ходьбе с разным соотношением длины и частоты шагов (Атцлер и Хербст).

2-ой путь- рекуперация энергии

Если бы тело представляло собой отдельные сегменты, которые двигаются так же, как при движении человека, то затраты энергии были бы в 3 — 5 раз больше, чем в действительности. Вследствие сохранения механической энергии тела метаболические источники мышц подводят только 20 —35 % необходимой энергии в естественных локомоциях. В настоящее время считается, что сохранение и повторное использование (или рекуперация) механической энергии происходит за счет действия трех механизмов:

1) перехода кинетической энергии в потенциальную энергию гравитации и обратно;

2) перехода (или передачи) механической энергии от одного звена к другому;

3) перехода кинетической энергии движения в потенциальную энергию деформации мышц и сухожилий и обратно.

Во время бега с любой скоростью сохраняется около 80 % полной механической энергии звеньев тела. С ростом скорости передвижения существенно увеличивается доля энергии, сохраненной за счет ее передачи между звеньями тела, и уменьшается ее передача за счет перехода кинетической энергии движения в потенциальную в поле силы тяжести и обратно.

Первый механизм рекуперации. Сохранение полной энергии по этому механизму требует строго противофазного изменения кинетической и потенциальной фракций энергии. Такое явление наблюдается не во всех звеньях тела. Например, в беге и ходьбе потенциальная и кинетическая энергии стопы одновременно достигают нулевого значения в опорной фазе. Чем выше над опорой располагается звено, тем больше энергии оно может сохранить. Считается, что первый механизм рекуперации энергии обеспечивает в целом в естественных локомоциях экономию энергии в диапазоне 12 — 23%.

Второй механизм рекуперации. Механическая энергия может передаваться от звена к звену тела человека двумя путями: за счет воздействия через суставные сочленения посредством контактных сил, совершающих работу по изменению энергии соседнего звена; за счет действия мышц (односуставных, а также двусустав-ных, передающих энергию через два сустава от звена к, звену, непосредственно несоединенным суставным сочленением).

По различным оценкам рекуперирование энергии по механизму ее передачи от звена к звену составляет от 30 до 42 % от полной энергии.

Третий механизм рекуперации энергии. Вследствие того что мышцы человека работают только на сокращение, основному движению предшествует движение в противоположном направлении. Происходящее в таких предварительных движениях растяжение мышц приводит к накоплению в них энергии упругой деформации, используемой затем в основном движении. Если быть совсем точным, то растягиванию подвегаются мышечно- сухожильные структуры.

Степень использования энергии упругой деформации зависит от условий выполнения движений, в частности от времени между растягиванием и укорочением мышц. При увеличении паузы между предварительным растягиванием и последующим укорочением за счет релаксации мышц и сухожилий снижается энергетическая экономичность, а значит, и эффект выполнения основного упражнения. Интервал времени, за который должна накопиться и использоваться энергия упругой деформации, определяется постоянной времени релаксации, например для сгибания коленного сустава она равна 1,4 с.

Если время движения больше времени релаксации, накопленная энергия полностью рассеивается и последующая фаза движения полностью осуществляется за счет метаболической энергии мышечного сокращения.

П. Коми, К. Боско (С. Bosco) писали, что свойство мышц накапливать энергию упругой деформации коррелирует с процентным соотношением быстрых и медленных мышечных волокон: чем выше процент медленных волокон, тем лучше используется энергия упругой деформации.

По разным данным рекуперация энергии в мышечно-сухожильных структурах составляет от 6 до 37 %. Такой большой разброс объясняется тем, что исследовали различные мышцы и условия опытов не были полностью идентичны, кроме того, испытуемые были различного возраста и уровня физической подготовленности.



Реклама