Сделай Сам Свою Работу на 5

ЭКОНОМИЗАЦИЯ спортивной техники


На одинаковую работу различные спортсмены затрачивают разную энергию. Например, на дистанции 150м в плавании кислородный запрос у третьеразрадников равен 5500 мл/мин., а у мастеров спорта 2700 мл/мин., т.е. в 2 раза меньше. Экономичность работы оценивают критерии:

1. Валовый коэффициент KI = A / E, где А - выполненная механическая работа (в Джоулях), Е - затраченная энергия (в Джоулях) (МПК или ЧСС);
2. Нетто-коэффициент: К2 = А / Е - Еn (МПК или ЧСС);
3. Дельта-коэффициент: К3 = (A2 - A1 ) / (Е2 - Е1), где А1 и А2 - величины работ в Джоулях (например, при педалировании с мощностью 50 и 250 Вт определяют энергозатраты Е1 и Е2, а выполненная работа А1 и А2 равна 5000Дж и 25000Дж, соответственно).


Пути повышения экономичности:

1. Снижение величины энергозатрат в каждом цикле (шаге).
2. Рекуперация энергии, т.е. преобразование кинетической энергии в потенциальную и обратно.


Снижение величины энергозатрат осуществляется

а) устранением ненужных движений (качание из стороны в сторону в гребле);

б) устранение ненужных сокращений мышц. Это достигается концентрацией активности мышц, в легкости, свободе движений;

в) уменьшение сопротивления Среды;

г) уменьшение внутрицикловых колебаний скорости;

движения) выбор оптимального соотношения между длиной и шириной шагов. Рекуперация энергии - переход кинетической энергии в потенциальную и обратно. ОЦМ движется как шарик с увеличением кинетической энергии на подъемах и снижении потенциальной на спусках.

Кинетическая энергия превращается в потенциальную энергию упругой деформации мышц, а накопленная потенциальная энергия идет на сообщение скорости телу и его подъем. Рациональное использование упругих сил мышц повышает экономичность работы в два раза.

Система движения и организации управления ими

Двигательные действия

Действия спортсмена - его спортивная техника - выполняются посредством множества движений. Система движений - ее состав - это те движения, те элементы, из которых оно состоит.

Поскольку двигательные действия совершаются посредством движений частей тела и всего тела в пространстве и во времени, в системе движений различают ее элементы, выделенные либо по временному, либо по пространственному признаку.



Пространственные элементы выделяют в системе движений по измерению взаимных положений звеньев тела в разных суставах. Простые суставные действия объединены в элементарные действия из которых состоят более крупные подсистемы.. Так одно из основных движений в лыжном ходе - отталкивание лыж - включает элементарные действия - отталкивание ногой, махи рукой и ногой, а также бросок тела вперед и вверх.

Временные элементы в системе движений выделяют между определенными моментами времени (это фазы, периоды, циклы).

Структура системы движений - это наиболее сложившиеся и определяющие закономерности взаимодействия ее элементов (т.е. подсистем). Между множеством элементов объединенных в систему движений имеются очень сложные закономерности взаимодействия и взаимосвязи. Поэтому неизбежны и внутренние помехи. Например, рассогласование тяги мышц при прыжке вверх с места. В сложных биокинематических цепях возникает много внутренних сил - реакционных, инерционных, упругих и т.д., которые взаимодействуют друг с другом хаотично. Двигательная структура - это закономерности взаимосвязи движений в системе движений в пространстве и во времени (кинетическая структура), а также силовых и энергетических взаимодействий (динамическая структура).

Спортивное действие в биомеханике изучается как система движений, которой управляет спортсмен.

Управление - это процесс достижения цели, представляющий собой изменения состояния системы посредством управляющих воздействий, которые направлены на достижение цели.

Цель управления - это знание конечного результата (укол в фехтовании, длина в прыжке и т.д.).

Спортсмен - самоуправляющаяся система - включает в себя две подсистемы: управляющую и исполнительную, которые соединены каналами прямой и обратной связи между собой и окружением.

Информация в системе движений - это сообщение о состоянии и изменении внешнего окружения и организма, а также команды подсистем исполнения, обеспечения и управления.


2. управление движениями


Для управления системой движениями необходима, прежде всего,цель управления - двигательная задач`а действий. У каждой системы имеется цель (подцель), как требуемый результат. Только выполнения каждой подсистемой своей детализированной частной подцели обеспечивает выполнение общей цели. При наличии развернутой двигательной задачи подготовка спортсмена ведется более совершенно - у него создаются программы управления. Контроль за выполнением программы осуществляется при помощи сигналов обратной связи.

При выполнении физических упражнений важное значение имеет самоконтроль на основе отчетливых двигательных представлений и понимания механизма движений. Например, построение системы движений (нового упражнения): рассказ о его выполнении, описание, объяснение динамики действия и создание зрительного образа. В результате создается двигательное представление. Следующий этап - освоение, разучивание упражнения (т.е. многократные повторения с коррекцией тренера). Спортивно-техническое мастерство зависит от совершенства системы движений, которые в процессе тренировки постоянно перестраиваются (должны совершенствоваться).

Основы вращательных движений

Под движением в пространстве понимают перемещение одного тела относительно других, или, как говорят, относительно принятой точки отсчета. По виду механические перемещения делятся на прямолинейные движения и криволинейные движения. Любое криволинейное движение можно разделить на вращательное движение вокруг каких-либо осей вращения. Особенностью движения тела (материальной точки) по окружности является то, что направление вектора линейного ускорения не совпадает с вектором линейной скорости ее движения.

W - угловая скорость,

V - частота вращения,

Т - период вращения,

f - угловое перемещение,

ац - составляющая вектора ускорения по нормали к его скорости (касательно к траектории движения). Оно называется центростремительным (нормальным) ускорением.

Для системы тел, если в ней нет изменения (конфигурации и других внутренних факторов), траектория движения вокруг оси вращения соответствует траектории твердого тела. Если система тел деформируется в процессе движения так, что радиусы траектории точек изменяются, то к вращательному движению добавляется радиальное, что изменяет и саму траекторию вращательного движения.


1. Вращательное движение звена


Рассмотрим динамику вращательного движения на примере одного звена и системы звеньев тела. Удерживающим телом при движении звена в суставе служит реакция связи со стороны звена на тягу мышц и суставно-связочного аппарата. Центростремительная сила - это воздействие удерживающего тела на вращающееся. Она вызывает искривление траектории в зависимости от массы, скорости и радиуса вращения.

Центробежная сила (сила инерции) - это противодействие вращающегося тела искривлению его траектории, приложена к удерживающему телу. Обе силы приложены к различным точкам и поэтому не компенсируют друг друга. Она равны по модулю, но противоположны по направлению. Центробежная сила равна произведению массы тела на его центростремительное ускорение.


 

Для каждой частицы вращающегося тела ее центростремительное ускорение пропорционально квадрату ее линейной скорости и обратно пропорционально расстоянию от оси вращения.


 

Отсюда, величина центробежной силы (а также центростремительной) для каждой частицы тела равна:


 

Центростремительная сила перпендикулярна к направлению линейных скоростей точек звена, поэтому изменить их величину не может. Она изменяет только направление скорости. Изменение же величины скорости при вращении происходит при наличии положительного или отрицательного тангенциального ускорения. Его может вызвать только сила перпендикулярная радиусу (параллельно касательной к траектории движения). Следовательно нужно различать силы (и их составляющие) приложенные вдоль радиуса и перпендикулярные к нему.


2. изменение вращательного движения звена.


Под действием момента внешней силы (приложенной к звену по касательной к траектории) изменяется вращательное движение звена, увеличивается или уменьшается его угловая скорость.


 

Момент внешней силы относительно оси z. J - момент инерции звена, Е - угловое ускорение звена.

Внешние силы для звена - это тяга мышц, прикрепленных к нему, реакции соседних звеньев и приложенные к звену силы внешние для тела человека (ила тяжести и др.). Для суставов тела человека наиболее характерны возвратно-вращательные, колебательные движения, ограниченные анатомическими условиями. При быстрых движениях мышцы антагонисты растягиваются силами инерции вращающегося звена, возникающими, когда оно тормозится и останавливается. В мышцах - антагонистах при этом возникают силы упругой деформации, которые останавливают звено и помогают начать возвратное движение. Изменение вращения системы звеньев возможно под действием системы импульсов моментов как внешних сил, так и внутренних, вызывающих радиальное движение. Если гимнаст сохраняет позу в висе на перекладине, то тренер может (толчком руки) внешней силой увеличить скорость гимнаста. Если бы не было тормозящих сил, то гимнаст бы качался бесконечно долго. При подъеме кинетическая энергия движения превращается в потенциальную, при опускании наоборот. Подводя энергию при каждом колебании можно сделать колебания не затухающими и даже увеличить амплитуду, если подвод энергии больше, чем тратится на компенсацию сопротивления Среды и трение.

Одним из источников такого подвода энергии служит работа мышц по приближению тела к оси вращения. Это вызывает уменьшение радиуса вращения и радиуса инерции, а следовательно, и момента инерции тела гимнаста. Значит (из условия постоянства кинетического момента) угловая скорость увеличивается соответственно уменьшению кинетического момента инерции.

Радиальное движение звеньев в сторону от оси вращения замедляет вращение, т.к. при этом увеличивается момент инерции в соответствии с законом сохранения кинетического момента: если сумма моментов сил, приложенных к телу, равна нулю, то кинетический момент тела сохраняется неизменным.


3. УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЯМИ ВОКРУГ ОСЕЙ


С изменением кинетического момента системы вращательное движение биомеханической системы можно изменить моментом внешней силы, когда тело сохраняет позу.

Например, тренер, раскачивая тело гимнаста в висе на перекладине, или страхуя в конце сальто, своей мышечной силой увеличивает или уменьшает вращение. Сам гимнаст напряжением мышц пассивно сохраняет позу.

У биомеханической системы есть еще возможность изменять вращение, изменяя плечо внешней силы благодаря движениям звеньев тела.

Гимнаст выполняет размахивания на перекладине, сила тяжести (постоянная) его тела как маятника совершает положительную работу (при движении вниз в вертикальной плоскости) или отрицательную (при движении из нижнего положения вверх).

Чтобы увеличить механическую энергию тела (маятника), надо сделать отрицательную работу меньше положительной. Для этого при подъеме вверх следует уменьшить момент силы тяжести. Гимнаст, притягиваясь к перекладине, укорачивает маятник, и тем самым, уменьшает плечо силы тяжести. Таким образом, уменьшается тормозящее действие силы тяжести при движении вверх.

Если же при движении вниз увеличивать плечо силы тяжести, то момент силы тяжести станет больше. Но с удлинением маятника увеличивается его момент инерции пропорционально квадрату радиуса инерции. Вследствие этого нарастание скорости станет не больше, а меньше.

При движении же вверх, укорачивая маятник, уменьшают и момент силы тяжести, и момент инерции; и то и другое несколько замедляет падение скорости. С уменьшением длины маятника, уменьшается период и увеличивается скорость колебаний.

При повторных качательных движениях можно получить резонансное накопление энергии и увеличить скорость колебаний.

Кроме того, спортсмен может активно действовать (отталкиваясь или подтягиваясь), создавая момент внешней силы.

Несимметрично отталкиваясь ногами от опоры или руками от перекладины, можно вызвать вращение вокруг продольной оси тела.

Кинетический момент есть произведение момента инерции относительно данной оси на угловую скорость.


J * W


Момент инерции звена есть произведение массы звена на квадрат его расстояния от оси вращения:


 

Момент инерции всего тела равен сумме моментов инерции всех его звеньев относительно той же оси вращения:

Величина момента инерции зависит от радиуса вращения. По закону сохранения кинетического момента можно изменить вращательное движение системы тел без приложения внешней силы. Уменьшая радиус вращения, уменьшают момент инерции и этим увеличивают угловую скорость.

Группировкой в полете акробат уменьшает момент инерции примерно в 2,5 раза и, соответственно, увеличивает угловую скорость, что позволяет выполнить 1, 2 и даже 3 полных переворота.

Итак, управление движениями вокруг осей изменением кинетического момента системы достигается за счет:

- приложения внешней силы (импульса момента силы) - ускорение или замедление вращения всего тела при сохранении позы;

- изменения условий действия внешней силы. при закрепленной оси (приближением к ней и отдалением от нее) - ускорение или замедление вращения всего тела с изменением позы;

- активного создания момента внешней силы (отталкиванием от опоры или притягиванием к ней) - ускорение или замедление вращения всего тела при изменении позы.


4. управление движениями вокруг осей с сохранением кинетического момента системы


Управление движениями вокруг осей с сохранением кинетического момента биомеханической системы осуществляется внутренними силами посредством встречных движений.

Если тягой мышц вызывать вращательное движение одной части системы, то остальная часть системы начнет вращаться в противоположную сторону. Такие движения называются встречными.

При этом кинетические моменты обеих сторон системы равны по модулю и противоположны по направлению. Следовательно, суммарный момент системы не изменится, если ни какие другие силы не оказывают влияния на систему, что возможно в безопорной фазе движения (т.е. полете).

Любые оси вращения всего тела проходящие через точку общего центра масс биомеханической системы называются свободными.

Способы управления можно разделить на :

- простые - вращение вокруг одной оси;

- сложные - вращение вокруг нескольких осей.

Простое вращение - это вращение тела вокруг продольной оси. Ориентация частей (поворачивающихся) в пространстве изменяется, но общая ориентация всей системы сохраняется (баскетбол, ручной мяч и т.д.).

Изменяя момент инерции системы можно изменить скорость вращения. Но такой способ только изменит вращение, а создать вращение таким способом нельзя.

Только используя встречные движения можно создать изменения ориентации (вращения) всей системы: без опоры, без приложения сил, без начального вращения. Вращение свободного тела в полете происходит в виде сложного вращения вокруг трех осей.

Вначале встречная нутация частей тела (т.е. тело сгибается), затем собственное вращение нижней и верхней частей тела и, наконец, процессия (круговое движение), обе части тела описывают конические поверхности, но в противоположных направлениях.

От одного движения (нутации) вращения не произойдет, но тело изменит положение, затем следует снова нутация (выпрямление тела), снова изменение (вращение) тела (на какой-то угол) и снова нутация (сгибание тела) и т.д.

Источником сил, вызывающих вращение частей тела относительно друг друга служат мышцы, соединяющие их. Если встречной нутации нет (тело выпрямлено), нет последующего сгибания, то верхние и нижние части тела будут вращаться встречно вокруг одной продольной оси (т.е. тело скручивается). Для усиления эффекта поворота используют маховые движения руками, например, правая - вперед - вниз - назад, левая - назад - вниз - вперед.

Итак, управление движениями вокруг осей с сохранением кинетического момента системы достигается за счет:

- скручивания и раскручивания тела вокруг продольной оси (одновременный встречный поворот) - изменение ориентации частей тела относительно друг друга в пространстве;

- группирования и разгруппирования (приближение частей системы к свободной оси и отдаления то нее) - ускорение и замедление вращения всего тела;

- изгибания туловища и круговыми движениями конечностей;

- создания сложного поворота тела вокруг нескольких осей.

В практике при сочетании поворотов вокруг продольной и поперечной осей тела в полете всегда используют сочетания различных способов вращения биомеханической системы (изгибание тела и движение рук).

Перемещающие движения

Основное требование к перемещающим движениям в спорте - это достижение максимального результата. Движения весьма разнообразны, но всегда имеется взаимодействие хотя бы двух тел. К характерным параметрам перемещающих движений следует отнести:

- действующие силы;

- скорость перемещения;

- точность перемещения;

- направление перемещения;

- взаимодействие тел.

В перемещающих движениях различают:

- Параллельное действие сил, т.е. когда к телу приложено хотя бы две, возможно различные по величине и направлению силы, когда возможна взаимокомпенсация одной силы другой, и, значит, силы действуют взаимосвязано и одновременно. В борьбе характерно взаимодействие правой и левой руки одновременно с бедром и др. звеньями.

- Последовательное действие силы при котором действие сил (группа мышц) может происходить только последовательно друг за другом, т.е. мышцы звеньев тела работают в четкой последовательности друг с другом. В этом случае какое-либо звено может быть слабее чем остальные в последовательной цепочке действия и необходимо его выявить, чтобы укрепить его (тренировкой или скорректировать технику выполнения действия таким образом, чтобы действие этого звена не уменьшало конечный результат). Может быть, целесообразно работу этого звена вообще исключить из действия если возможны другие пути.

В перемещающих движениях одна из основных задач - это придание максимальной скорости спортивному снаряду или рабочему (конечному) звену в данном движении.

Скорость рабочего звена тела является результатом движения отдельных звеньев и, естественно, она будет максимальна только при определенном сочетании во времени движений отдельных звеньев. Различают:

- своевременное движение;

- движение с запаздыванием;

- движение с опережением.

Движение снаряда, его траектория, т.е. путь его перемещения, определяется следующими факторами:

- чем лучше результат, тем больше начальная скорость, значит тем выше классификация спортсмена;

- чем выше место вылета снаряда, тем дальше он улетит;

- вращение снаряда стабилизирует положение снаряда в полете, т.е. не позволяет кувыркаться в полете (гигроскопический эффект - волчок, велосипед и т.д.);

- искривляет траекторию полета (эффект Мангуса) V1 > V2, значит P1 < P2, отсюда возникает сила перпендикулярная потоку и направлению движения тела и траектория движения изменяется (искривляется);

- снаряд (тело) перемещается во внешней среде (воздух, вода), следовательно, среда оказывает влияние на тело. Различают лобовое сопротивление - это сила, с которой среда препятствует движению. тела относительно нее. Величина лобового сопротивления:


 

где S - площадь поперечного сечения max
- коэффициент лобового сопротивления (коэфф. формы)
- плотность среды
V - скорость движения тела относительно среды.

Тела имеют различную конфигурацию, т.е. форму, значит и обтекаемость и структуру поверхности, а отсюда:

- зависимость от формы (геометрия) тела

= 25 - 30 наличие завихрений среды, поток турбулентный;

= 10 - 15 частичные завихрения, поток турбулентный;

Завихрений нет, поток нормальный =1

При полете снаряда (диск, копье) воздушный поток обтекает снаряд под некоторым углом, но силу сопротивления среды можно разложить на составляющие:

Оптимально: для устойчивости совпадение О и О1, тогда Fпод направлена вверх - снаряд планирует.

Необходимым и обязательным условием возникновения подъемной силы является наличие скорости и угла (атаки) наклона тела навстречу направлению движения. Величина подъемной силы должна быть такой, чтобы обеспечивать получение нужного результата.

Под точностью перемещения следует понимать степень близости движения к требованиям двигательной задачи.

Различают задания по точности:

- обеспечение точности всей траектории движения (фигурное катание обязательная программа);

- конечная точность попадания в цель (стрельба, баскетбол) характеризуется средним отклонением от цели, т.е. систематической ошибкой, в случае нормального закона распределения характеризуется средней величиной и средним квадратическим отклонением. Для увеличения точности увеличивают площадь приложения силы (удар внутренней стороны стопы) и т.д.

В механике ударом называется кратковременное воздействие тел в результате которого резко возрастают их скорости.

Примеры ударов:

- удар по мячу, шайбе (происходит быстрое изменение скорости по величине и направлению)

- приземление после прыжка;

- вылет стрелы из лука.

т.е. во всех случаях ударов имеет место изменение величины силы во времени.

Для наглядности представим это графически:

F - сила удара

T - время действия удара


 

импульсы не равны т.к. имеются потери



S - площадь - импульс силы, т.е. это произведение силы на время. Это ни что иное, как работа или затраченная энергия.

Ударный импульс равен изменению количества движения тела.

При ударе сначала происходит деформация тел, при этом кинетическая энергия движения переходит в потенциальную энергию упругой деформации, затем эти потенциальная энергия переходит в кинетическую с неизбежными потерями (тепловую энергию).

Различают три вида удара:

- чисто упругий удар, вся механическая энергия сохраняется (потерь нет), наиболее близкий удар бильярдных шаров;

- неупругий удар, энергия деформации полностью переходит в тепло, при этом скорости взаимодействующих тел после удара равны нулю.

- частично упругий удар. Только часть энергии упругой деформации переходит в тепло. Характеризуется коэффициентом восстановления:

У теннисного мяча международного стандарта К = 0,73 - 0.76.

Механика мышечного сокращения

Кости с надкостницей, суставными сумками и связочным аппаратом образуют пассивный двигательный аппарат. Это полужесткая опорная система, ограничивающая подвижность органов и определяющая доступные им движения. Сами же движения осуществляются за счет активного двигательного аппарата - системы мышц.

Биомеханика не изучает природы мышечного сокращения - перехода химической энергии АТФ в механическую энергию (это изучает биохимия). Анатомия изучает строение и функции мышц, физиология - закономерности нервных управляющих воздействий на мышцу. Биомеханику интересует, что происходит с механикой мышцы в результате этих нервных влияний. Иными словами, биомеханику интересует связь линейных перемещений концов мышцы (кинематика движений) и усилий, развиваемых мышцей (динамика движения), Речь идет о связи мышечных усилий с величиной и скоростью изменения длины мышцы. В этой связи заключается вся механика мышечного сокращения.



©2015- 2017 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.