Исследование движения тела спортсмена в безопорном периоде спортивных упражнений

ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ТЕЛА СПОРТСМЕНА В БЕЗОПОРНОМ ПЕРИОДЕ СПОРТИВНЫХ УПРАЖНЕНИЙ

EXAMINATION OF ATHLETE'S BODY MOTION IN UNSUPPORTED PERIOD OF SPORT EXERCISES

Ю.В. Шевчук, Н.Г. Сучилин Yu.V. Shevchuk, N.G. Suchilin

Движение, опора, безопорное положение, полет, поступательное движение, вращательное движение, основные параметры, общий центр масс (ОЦМ), момент инерции, отход, стартовая скорость, кинетический момент, поза, управление движением. В работе исследовано движение тела спортсмена в безопорном периоде спортивных упражнений с позиций педагогической биомеханики. На примере гимнастических упражнений проанализированы поступательное движение общего центра масс тела спортсмена в полете и вращательное движение вокруг него как около неподвижной точки. Показано, что основными параметрами полета являются скорость общего центра масс тела спортсмена и его главный кинетический момент во время прекращения связи с опорой. Своими действиями в полете спортсмен не может их изменить. Сделаны биомеханически обоснованные и педагогически содержательные выводы.

Motion, support, unsupported position, flight, forward motion, rotational motion, basic parameters, common center of mass, moment of inertia, take-off, starting velocity, angular momentum, posture, motion control. The authors have investigated the motion of an athlete's body during an unsupported sport exercise period from the standpoint of pedagogical biomechanics. The example of gymnastic exercises was used to analyze the forward motion of the common center of mass of an athlete's body in flight and the rotational motion around him/her as around a fixed point. It is shown that the basic flight parameters are the velocity of the common center of mass of an athlete's body and its main angular momentum at the moment of the termination of the connection with the support. An athlete can not change them by his/her actions in flight. The authors made the conclusions that were biome-chanically proved and pedagogically meaningful.

Многие спортивные упражнения включают в себя фазу полета (безопорный период). При выполнении таких упражнений в сложно-координационных видах спорта (спортивная гимнастика, акробатические прыжки, прыжки на батуте, прыжки в воду, фигурное катание и др.) цель технических действий в опорном периоде состоит в создании условий, необходимых для выполнения заданной формы движения в полете.

При скоростях, с которыми движется общий центр масс (ОЦМ) тела спортсмена в полете (менее 10 м/с), сопротивлением воздуха во внешней баллистике принято пренебрегать [Тутевич, 1969]. Если внешняя помощь спортсмену в полете тренером не оказывается то в этом случае единственной внешней силой, действующей на него в полете, является сила тяжести, приложенная к его ОЦМ | Вишневский, 1962; Донской, Зациорский, 1979; Назаров, 1974; Сучилин, Шевчук, 2011; Сучилин, Шевчук, 2012; Сучилин, 1978; M.Dapena, 1981; Hay, 1978; Yeadon, 1984].

Однако способы управления движением спортсмена в полете специалистами и тренерами трактуются весьма противоречиво, что обусловливает необходимость рассмотрения их основных механизмов с позиций педагогической биомеханики. Рассмотрим эти механизмы на примере гимнастических упражнений с фазой полета

Движение спортсмена в безопорном периоде гимнастических упражнений является сложным. Его целесообразно исследовать, разлагая на переносное поступательное движение вместе с ОЦМ тела спортсмена и относительное вращательное движение вокруг ОЦМ. Согласно принципу независимости движений эти движения не зависят друг от друга и их можно изучать раздельно.

Поступательное движение определяет скорость ОЦМ тела спортсмена в момент прекращения связи с опорой, а вращательное движение - главный кинетический момент. Оба этих параметра являются векторными величинами. Они задаются от опоры. Своими действиями в полете спортсмен

не может их изменить. Скорость ОЦМ тела спортсмена в момент прекращения связи с опорой и его главный кинетический момент являются основными параметрами полета. Первый параметр задает траекторию поступательного движения ОЦМ в полете, его высоту, длину и время, а второй обусловливает вращательное движение тела спортсмена.

Своими действиями в полете спортсмен не может изменить параметры траектории поступательного движения своего ОЦМ. Для этого нужно, чтобы на него в полете подействовала какая-нибудь внешняя сила (тренер, партнер, лонжа и т. п.). В общем случае траектория поступательного движения ОЦМ тела спортсмена в свободном полете представляет собой параболическую кривую1 (рис. 1).

Форма ее зависит от механического состояния тела спортсмена в момент прекращения связи

с опорой. Это состояние определяется величиной скорости ОЦМ тела спортсмена, ее направлением (угол вылета) и координатами ОЦМ в момент прекращения связи с опорой (отхода) в инерци-альной (неподвижной) системе координат.

При движении в горизонтальном направлении на спортсмена в полете не действует никакая сила. В этом случае действует закон сохранения количества движения. Вследствие этого горизонтальная скорость ОЦМ тела спортсмена в полете всегда постоянна и равна его скорости в момент прекращения связи с опорой.

В вертикальном направлении на спортсмена в полете действует постоянная по величине и направлению сила тяжести, приложенная к его ОЦМ, который в первой части полета перемещается вверх с отрицательным ускорением, равным - 9,81 м/с2.

X

Рис. 1. Траектория ОЦМ тела спортсмена в полете

Поэтому вертикальная составляющая скорости поступательного движения ОЦМ тела спортсмена в полете равноускоренно изменяется. В первой части полета происходит пассивная, не зависящая

В том случае, когда угол вылета равен 90°, траектория ОЦМ тела гимнаста в полете представляет собой вертикальный отрезок. Близкий к этому случай имеет место при выполнении сальто с места, соскоков с колец, сальто с подлетом перед перекладиной типа Делчев, Гингер, Егер, КсяоРуизи, Балабанов, Погорелое и др.

от воли и действии спортсмена равнозамедлен-ная потеря вертикальной скорости ОЦМ. В верхней точке вылета (мертвой точке) она становится равной нулю. Кинетическая энергия вертикального поступательного движения после отхода переходит в потенциальную энергию, которая достигает своего максимального значения в мертвой точке полета. Вертикальный компонент кинетической

энергии поступательного движения тела спортсмена в этот момент обращается в нуль.

Во второй части полета происходит пассивный, не зависящий от воли и действий спортсмена переход потенциальной энергии в кинетическую энергию свободного падения. Это обусловлено равноускоренным возрастанием вертикальной скорости ОЦМ тела спортсмена с положительным ускорением, равным +9,81 м/с. В соответствии с этим траектория ОЦМ тела спортсмена в полете делится на две ветви - восходящую и нисходящую. Наиболее медленно в вертикальном направлении спортсмен движется в районе мертвой точки.

Если определить величину и направление скорости ОЦМ в момент отхода, то по известным формулам можно теоретически рассчитать его координаты в любой момент времени полета, а также его максимальную высоту и длину. Если высота ОЦМ в моменты отхода и прихода одинакова, как, например, при хорошем выполнении акробатических прыжков, то время подъема ОЦМ до мертвой точки равно времени свободного падения из этой точки.

Проведенные нами расчеты показали, что увеличение полного времени полета с 1,0 с до 1, 05 с (+0,05 с) дает прирост высоты подъема ОЦМ, равный 12 см. При увеличении времени полета с 1,0 с до 1,1 с (+0,1 с) его абсолютная высота увеличится на 26 см. Теоретические расчеты хорошо согласуются с экспериментальными данными. Если увеличить высоту снаряда на 1 м, то это увеличит время полета на 0,17 с, а увеличение ее на 2 м даст прирост времени полета, равный 0, 31 с.

Большая часть формы движения, определяющей название перелета или соскока, обычно выполняется над снарядом. Так, например, при хорошем выполнении тройного сальто около двух с половиной сальто спортсмены выкручивают над перекладиной.

Вращательное движение. Второй компонент движения спортсмена в полете - вращательное

2 Момент внешней силы может возникнуть, когда тренер подталкивает гимнаста под плечо на отходе или вытягивает веревки лонжи и при этом ось, проходящая через точки прикрепления веревок к поясу, не совпадает с главной поперечной осью гимнаста, проходящей черезего ОЦМ. В зависимости от направления этот момент силы может как замедлить, так и ускорить вращение. Опытный тренер вовремя натягивает и расслабляет веревки лонжи, помогая гимнасту. Неопытный страховщик вместо помощи может помешать гимнасту.

движение. Согласно принципу независимости движений это движение можно рассматривать вокруг ОЦМ тела спортсмена как около неподвижной точки. Повторим, что вращательное движение тела спортсмена определяется вторым основным параметром полета - главным кинетическим моментом, который задается в момент прекращения связи с опорой. Его величину и направление в полете спортсмен своими действиями изменить не может. Для этого нужно, чтобы на него подействовал внешней момент силы. Он может возникнуть в результате помощи тренера спортсмену после прекращения связи с опорой2.

Высококвалифицированные спортсмены обычно выполняют фазу полета без посторонней помощи. Поскольку сила тяжести приложена к ОЦМ, то ее момент в полете все время равен нулю. В этом случае действует закон сохранения главного кинетического момента тела спортсмена.

К = Jto =constant, где J - момент инерции тела спортсмена, со - угловая скорость, constant - в переводе с латыни означает «постоянно».

В безопорном положении спортсмены выполняют вращательное движение двух типов - простое и сложное.

Простое вращательное движение характеризуется вращением только вокруг одной главной центральной оси тела спортсмена (обычно вокруг поперечной, реже вокруг переднезадней и продольной). При выполнении простых вращений направление главного кинетического момента, задаваемое от опоры, совпадает с одной из этих осей. Представление о простом вращательном движении тела спортсмена в полете даетяйцо, вертящееся на столе вокруг неподвижной точки (рис. 2). При выполнении сложного вращательного движения спортсмен в полете вращается сразу вокруг трех осей (прецессии, нутации и собственного вращения). Это случай вращения тела вокруг точки, которая в нашем случае совпадает с ОЦМ тела спортсмена

В отличие от линейной скорости поступательного движения ОЦМ, угловой скоростью своего вращательного движения в полете спортсмен может управлять. Принцип управления вращательным движением основан на законе сохранения главного кинетического момента.

I <

О

Рис. 2. Простое вращательное движение вокруг одной из главных центральных осей тела спортсмена

Механизм его становится понятным, если уравнение главного кинетического момента записать в другом виде:

Ц) = ,

где обозначения приведены выше.

Изменяя позу, спортсмен изменяет величину момента инерции (}) относительно оси вращения. Соответственно изменяется его угловая скорость (со) относительно этой оси.

Например, группируясь из выпрямленного положения в полете, спортсмен уменьшает момент инерции своего тела относительно поперечной оси примерно в 3 раза. В силу закона сохранения кинетического момента скорость вращения его тела во столько же раз увеличивается. Выпрямляясь, перед приземлением он увеличивает момент инерции и тем самым уменьшает скорость вращения. Наименьшее значение момента инерции относительно поперечной оси тела достигается в положении плотной группировки, а наибольшее - в полностью выпрямленном положении тела руки вверх.

Если кинетический момент задается от опоры вокруг продольной оси, то, выпрямляя тело и прижимая к нему руки в полете, спортсмен уменьшает момент инерции относительно продольной оси. Скорость вращения вокруг нее возрастает. Разведение рук в стороны со сгибанием или прогибанием тела увеличивает момент инерции. Ско-

рость вращения вокруг продольной оси замедляется. Однако полностью остановить вращение в полете в этом случае нельзя.

Иногда при наблюдении различных сальто в группировке возникает иллюзия остановки вращения какого-то звена в полете. Например, при хорошем выполнении опорного прыжка переворот 2,5 сальто вперед можно наблюдать такую картину. После отхода от коня в процессе группирования бедра как бы останавливают свое вращение в полете, а туловище подтягивается к ним. Эта иллюзия является результатом сложения угловых скоростей. При этом начальная угловая скорость вращения всего тела спортсмена в полете, обусловленная заданным от опоры кинетическим моментом, суммируется с угловой скоростью вращения звеньев относительно друг друга, возникающей в результате группировании в полете (рис. 3).

Тренеры и спортсмены должны знать, что в безопорном положении нельзя поднести ноги к туловищу или, наоборот, туловище к ногам. В силу закона сохранения главного кинетического момента в безопорном положении при сгибании или группировании в полете туловище и ноги будут перемещаться во встречных направлениях. При этом угловые скорости туловища и ног будут примерно равны по величине и противоположны по направлению.

Относительное вращение звеньев

Переносное вращение тела

о^+а>2=2со2

ах,-1/11=0

Рис. 3. Иллюзия остановки в полете вращательного движения ног и туловища

Выводы

1. Движение спортсмена в безопорном периоде спортивных упражнений является сложным. Его следует изучать, разлагая на переносное поступательное движение вместе с ОЦМ тела спортсмена и относительное вращательное движение вокруг ОЦМ. Согласно принципу независимости движений оба эти движения можно изучать независимо друг от друга.

2. Движение тела спортсмена в полете определяют два основных параметра: скорость ОЦМ тела спортсмена в момент прекращения связи с опорой и главный кинетический момент. Первый параметр задает траекторию поступательного движения ОЦМ в полете, его высоту, длину и время, а второй обусловливает вращательное движение тела спортсмена,

3. Увеличение полного времени полета с 1,0 с до 1, 05 с (+0,05 с) дает прирост высоты подъема ОЦМ,. равный 12 см. При увеличении времени полета с 1,0 до 1,1 с (+0,1 с) его абсолютная высота увеличится на 26 см. Теоретические расчеты хорошо согласуются с экспериментальными данными. Если увеличить высоту снаряда на 1 м, то это увеличит время полета на 0,17 с, а увеличе-

ние ее на 2 м даст прирост времени полета, равный 0, 31 с.

4. Скорость ОЦМ в момент отхода и главный кинетический момент являются векторными величинами, задаваемыми от опоры. Технические действия спортсмена на опоре своей целью имеют создание оптимального соотношения между этими двумя параметрами к моменту прекращения связи с опорой. Своими действиями в полете спортсмен не может их изменить.

5. Согласно принципу независимости движений вращательное движение можно рассматривать вокруг ОЦМ тела спортсмена как около неподвижной точки. Поскольку в полете сила тяжести приложена непосредственно к ОЦМ тела спортсмена, то главный момент этой силы в полете все время равен нулю. Поэтому в полете действует закон сохранения главного кинетического момента.

6. В безопорном положении спортсмены выполняют вращательное движение двух типов -простое и сложное. Простое вращательное движение характеризуется вращением только вокруг одной главной центральной оси тела спортсмена (обычно вокруг поперечной, реже вокруг перед-

незадней и продольной). При выполнении простых вращений направление главного кинетического момента, задаваемое от опоры, совпадает с одной из этих осей.

7. В отличие от линейной скорости поступательного движения ОЦМ, угловой скоростью своего вращательного движения в полете спортсмен может управлять. Принцип управления вращательным движением основан на законе сохранения главного кинетического момента. Изменяя позу в полете, спортсмен изменяет величину момента инерции своего тела относительно оси вращения (уменьшает или увеличивает). Соответственно, автоматически изменяется его угловая скорость относительно этой оси (увеличивается или уменьшается).

8. Группируясь из выпрямленного положения в полете, спортсмен уменьшает момент инерции своего тела относительно поперечной оси примерно в 3 раза. В силу закона сохранения кинетического момента скорость вращения его тела вокруг этой оси автоматически увеличится в 3 раза. Выпрямляясь, перед приземлением он увеличивает момент инерции и тем самым уменьшает скорость вращения, улучшая условия для устойчивого приземления.

9. В результате сложения угловых скоростей может возникнуть впечатление остановки вращательного движения в полете одного звена и перемещения к нему другого.

Библиографический список

1. Вишневский Э.А. Исследование биомеханической структуры сложных акробатических

2

упражнений и процесс обучения им: автореф. дис. ... канд. пед. наук. М., 1962. 21 с. Гавердовский Ю.К. Сложные гимнастические упражнения и обучение им: автореф. дис. ... д-ра пед. наук. М., 1986. 49 с. Донской Д.Д., Зациорский В.М. Биомеханика: учебник для ин-тов физкультуры. М.: ФиС, 1979. 263 с.

Назаров В.Т. Основы моделирования физических упражнений // Биомеханика физических упражнений / под общ. ред. В.Т. Назарова. Рига: РПИ, 1974. Вып. 1. С. 26-59. Сучилин Н.Г., Шевчук Ю.В. Анализ движения гимнаста в свободном полете // Гимнастика, теория и практика: метод, приложение к журналу «Гимнастика». М.: Советский спорт, 2011. Вып. 2. С. 29-37.

Сучилин Н.Г., Шевчук Ю.В. Кинетика выполнения гимнастических соскоков с перекладины // Вестник КГПУ им. В.П. Астафьева. 2012. № 3. С. 159-160.

Сучилин Н.Г. Спортсмен в воздухе (соскоки прогрессирующей сложности). IVL: ФиС, 1978.120 с. Тутевич В.Н. Теория спортивных метаний. М.: ФиС, 1969. 311 с.

9. M.Dapena J. Simulation of Modified Human Airborne Movements // Journal of Biomechanics. 1981. № 14 (2). P. 81-89.

10. Hay J.G. The Biomechanics of Sports Techniques 2-nd ed. Englewood Cliffs: Prentice Hall, 1978. P. 156-161.

11. Yeadon M.R. The Mechanics of Twisting Somersaults: Ph.D. Dissertation. Loughborough University of Technology. 1984. 553 p.

7.

8