Вибрационная нагрузка в скоростных видах зимнего спорта (скоростной спуск, ски-кросс, бобслей)

A.A. Лубя ко, А.Г. Русия, Е.М. Соловьева, Ю.С. Толстое

Вибрационная нагрузка в скоростных видах зимнего спорта

ФГБУ «Научно-исследовательский центр курортологии и реабилитации»

ФМБА России, г. Сочи

A.A. Lubyako, A.G. Rusiya, E.M. Solovyova, U.S. Tolstov

Vibration stress in high speed winter sports

Federal State Budgetary Interprise «Research and Development Center for Balneology

and Rehabilitation» , FMBA, Sochi

Ключевые слова: горнолыжный спорт, ски-кросс, бобслей, перегрузки, вибрация спортивного снаряда, вибрационная болезнь.

Исследование частоты механических колебаний спортивного снаряда и физической нагрузки у горнолыжников, ски-кроссменов и бобслеистов показало, что на трассе ударные нагрузки на спортивный снаряд могут достигать 15g с частотой механических колебаний до 50 Гц. При этом установлена их строгая линейная зависимость от скорости движения по трассе. На основании проведенного исследования делается вывод, что вибрационная нагрузка составляет весомую часть экстремального физического воздействия на нижние конечности и органы малого таза профессионального спортсмена, занимающегося скоростными видами зимнего спорта. Утверждается также, что действие вибрации спортивного снаряда при высоких физических нагрузках может быть расценено как этиологическое начало вибрационной болезни, поражающей коленные суставы, позвоночник, мышцы голени, бедра, мочеполовой сферы.

В 2011 г. в № 1 журнала «Спортивная медицина, наука и практика» была опубликована статья «Первый опыт системного подхода к восстановительному лечению представителей скоростных видов зимнего спорта в санаторно-курортных условиях Черноморского побережья Кавказа» [4], где среди факторов, оказывающих серьезное влияние на организм и здоровье профессионального спортсмена, представляющего скоростные виды зимнего спорта, наряду с действием предельных психологических нагрузок [1; 5; 16] были особо выделены факторы физического воздействия: • низкая температура окружающей среды [15-17];

Key words: alpine skiing, ski cross, bobsledding, overstress, sport equipment units vibration, vibration disease.

The stud on the frequency of mechanical vibration and physical stress experienced by alpine skiers, ski-cross athletes and bobsleigh racers showed that on the trails, peak stress loads may reach 15g with the frequency of mechanical vibration of 50 Hz. Thus there is a linear dependence between the athlete's speed on the trail and the intensity of vibration stress. On the basis of the conducted research it is concluded that vibration load is significant, if not primary, part of the extreme physical effects on the body of a professional athlete competing in Alpine skiing, ski cross and bobsleigh. It is also argued that the effect of vibration of the sport equipment units at high physical loads can be considered as etiology of the vibration disease affecting the knee joints, spine, thigh and calf muscles, urogenital system.

• высокая скорость движения [7];

• высокая скорость встречного холодного воздуха [10];

• гравитационные перегрузки [4];

• вынужденная поза [7; 8];

• перегрузки вестибулярного аппарата (балансирование вынужденной позы, балансирование равновесия) [4; 6];

• мышечные перегрузки [2; 15; 16];

• меняющееся мышечное напряжение [4; 15];

• градиент атмосферного давления (на старте и финише) [11; 15];

• вибрация спортивного снаряда [7; 8].

Более того, было установлено, что у спортсменов, профессионально занимающихся высокогорными и высокоскоростными видами зимнего спорта, со стажем подготовки 5 и более лет отчетливо прослеживаются нарушения функции не только опорно-двигательного аппарата, но и практически всех жизненно важных органов и систем [4]. В своей работе авторы предположили, что наряду с поражением верхних дыхательных путей, пазух носа (следствие действия холодного воздуха), опорно -двигательного аппарата и нейрососудистых пучков (следствие травм и высоких физических нагрузок) , сердечно-сосудистой и мочеполовой систем (следствие физических и психологических нагрузок) патология органов малого таза и коленных и голеностопных суставов — это результат воздействия ударных нагрузок и вибрации спортивного снаряда [4].

Выдвинутое предположение побудило нас целью настоящего исследования избрать измерение и динамическую регистрацию этих нагрузок на этапе прохождения горнолыжных трасс и трассы бобслея. Это представлялось еще более интересным, поскольку в доступной нам литературе, несмотря на большое количество работ [2; 6—9; 12—14; 18 и т.д.], конкретных измерений механических колебаний, составляющих весомую часть экстремального физического воздействия [16], найти не удалось.

Материалы и методы

Исследование было выполнено силами сотрудников выездной бригады (руководитель — Е.М. Соловьёва) отдела инновационных биомедицинских технологий (руководитель — A.A. Лубяко) ФГБУ «Научно-исследовательский центр курортологии и реабилитации» ФМБА России (и.о. генерального директора — А.Ф. Хечумян) на олимпийских трассах ГК «Роза Хутор» Красной Поляны (г. Сочи) (рис. 1) совместно со спортсменами и тренерами сборных команд России и региональных сборных по ски-кроссу Федерации по фристайлу России (главный тренер — A.B. Покашников) и на трассе «Санки» (Эсто-Садок, г. Сочи) со спортсменами и тренерами сборных команд России и региональных сборных Федерации бобслея России (главный тренер — Пьер Людерс).

Расчеты были выполнены по результатам 49 заездов на горнолыжных дистанциях 1800 м (трасса № 8 «Плато-беседка»), 1240 м (трасса № 6 ски-кросса «Экстрим-парк») (рис. 2), 1200 м (трасса № 8 «Плато-беседка»), 600 м (трасса № 8 «Б-52») и 5 заездов на дистанции бобслея 1814 м (женская трасса «Санки», п. Эста-Садок, г. Сочи) (рис. 3).

B качестве регистрирующей аппаратуры использовали комплект интеллектуальных датчиков ZETSENSOR, в состав которых входили специальные измерительные модули на шине CAN 2.0 (Vibrosensor 3D-CAN ZET 7152) для измерения частоты механических колебаний

Рис. 1. Горнолыжные трассы ГЛК «Роза Хутор», г. Сочи

Рис. 2. Трасса № 6 «Экстрим-парк», ски-кросс, ГЛК «Роза Хутор», г. Сочи, чемпионат России 2013 г.

Рис. 3. Трасса «Санки», п. Эста-Садок, г Сочи, чемпионат России 2013 г.

и физической нагрузки в единицах ускорения свободного падения (g), ориентированных по X-, Y- и Z-координатам (рис. 4).

Аналоговый сигнал датчиков снимали на аналогово-цифровой преобразователь интерфейса CAN-USB с функцией автономного регистратора и flash-накопителя ZET 7174 (рис. 5), оснащенного запоминающим устройством Apacer 16 GB Micro S (рис. 6), изготовленным фирмой-производителем ЗАО «Электронные технологии и метрологические системы» (руководитель — У.Ф. Фейзханов, Московская обл., г. Зеленоград, Россия).

Питание устройства было обеспечено двумя аккумуляторными батареями JVC Battery pack BN-VM200U DC7.2V 800mAh Li-ion, гарантирующими бесперебойную работу устройства в течение 4 часов с частотой регистрации 100 Гц (рис. 7).

Перед стартом датчик жестко фиксировали на внешней поверхности тульи лыжного ботинка (см. рис. 4), а контейнер — на поясном ремне спортсмена (рис. 8).

При работе на трассе бобслея датчик фиксировали на арматуре спортивного снаряда слева от места пилота, а кон-

Рис. 4. Тензометрический датчик У1Ъго$етог ЗО-СЛМ1ЕТ 7152 для измерения первой производной ускорения свободного падения. А) датчик; Б) крепление датчика на лыжном ботинке

В adata - Y

1 « fflicro WZ J

Adspcer i

Рис. 5. Аналогово-цифровой преобразователь CAN-USB: ZET 7174регистрирующего устройства

г • f 16GB Мм

m

Рис. 6. Запоминающее устройство Apacer 16 GB и адаптер Adata Micro S

g5£> в

if Iii

¡¡ Sí ? ' WBл

lêli^n IJIllp liiiii Шш

ZETSENSOR

Рис. 7. Аккумуляторная батарея и контейнер, содержащий аналогово-цифровой преобразователь, запоминающее устройство и аккумуляторные батареи. А) аккумуляторная батарея; Б) контейнер

тейнер, содержащий аналогово-цифровой преобразователь, запоминающее устройство и аккумуляторные батареи, — справа (рис. 9).

Параллельно с производимыми измерениями регистрировали время нахождения спортсменов на трассе: время разгона, время спуска (рис. 10).

Статистическую обработку данных и необходимые дополнительные расчеты скорости движения (У , V ) осуществля-

r ^ ^ макс1 ср. ' ^

ли с помощью программного обеспечения Microsoft Office Excel-2003-2007, определяя средние значения выборки (М) и стандартное среднеквадратическое отклонение (m) от среднего: по нагрузке (G), частоте механических колебаний (f) и скорости (Умакс, V ). Достоверность результатов (р) оценивали по таблицам Стьюдента, а общую графическую аппроксимацию — с при-

менением полинома шестой степени и критерия достоверности аппроксимации Я2.

Суммарные расчеты зависимости производных нагрузки и частоты от скорости движения по трассе производили, используя весь массив полученных данных (результаты 42,816 млн измерений).

Рис. 8. Расположение устройства на поясном ремне горнолыжника

Рис. 9. Размещение датчика и регистрирующего устройства на спортивном снаряде.

А) датчик 3D; Б) контейнер регистрирующего устройства

Рис. 10. Спортивный снаряд мастера спорта Анастасии Тамбовской, оснащенный датчиком и регистрирующим устройством, на линии старта трассы бобслея «Санки» чемпионата России 2013 г.

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты работы на горнолыжной трассе № 8 «Плато-беседка»

По результатам исследований, полученных на верхнем участке трассы № 8 «Плато-беседка» при скоростях, не превышающих V =37,56+17,84 км/час (среднее значение Уср =29,93±7,33 км/час), максимальная нагрузка не превышала Gмaкc=4,16±0,33g при средних значениях G =0,93+1,99^, а частота вибрации не была выше /^^=16,02+0,75 Гц, составляя в среднем / =10,93+3,19 Гц (рис. 11).

По результатам, полученным на нижнем участке трассы № 8 «Б-52», максимальная скорость спортсмена достигала Ум =73,82±1,67 км/час, составляя в среднем V =71,76+2,16 км/час. При этом на-

О, м/с2

4 -

3

2

1 - £ --- г, с

0 20 40 бо ВО 100 120 140 160 130

1

X V г

- Полиномиальная {X)- Пол инОмьыльмаи

- Иол нмсмаидл ьмдн {£)

б.ООООО О, м/с2

5.00000

4,00000

3,00000

2.00000

1.00000 у4- г, с

1 5 10 15 20 25 30 35

4.00000 х у г -ср.мгфуэиэ по со« X-ср-мэгруцсэ по оси V ср.шнружэ по осм 2

Рис. 12. Параметры горнолыжной трассы № 8 «Б-52» протяженностью 600 м; на оси X - время на трассе в сек.

грузка достигала максимальных значений на уровне Gм=10,25±1,13g при средних значениях Gср.=3,54+1,48g и частоты вибрации до _/Макс=20,1±3,17 Гц при среднем значении /срМ=12,09+6,29 Гц (рис. 12).

На основании полученных данных была установлена линейная зависимость: скорость — нагрузка — частота механических колебаний (рис. 13).

Результаты работы на трассе № 6 ски-кросса «Экстрим-парк»

По результатам исследований нагрузочных характеристик, полученных на трассе № 6 ски-кросса «Экстрим-парк» при скоростях, не превышающих ¥" =111,08+1,63 км/час (среднее значение V =57,12 + 2,23 км/час), максимальная нагрузка достигала Gмaкc=15,43g при средних значениях Gcp =4,65 + 11,42^, а частота механической вибрации не была выше /макс=48,96 Гц, составляя в среднем 1р =17,89+18,34 Гц (рис. 14).

Рис. 11. Параметры горнолыжной трассы № 8 «Плато-беседка», протяженностью 1200 м; на оси X - время на трассе в сек.

Рис. 13. Линейные характеристики минимальных, средних и максимальных параметров: скорость - нагрузка - частота механических колебаний

Рис. 14. Параметры горнолыжной трассы № 6 «Экстрим-парк»; на оси X - время на трассе в сек.

При этом была так же, как в предыдущей серии исследований, установлена линейная зависимость: скорость — нагрузка — частота механических колебаний (рис. 15).

Это позволило объединить результаты измерений и расчетов в единую сводную таблицу данных, позволяющих установить с высокой степенью достоверности зависимость физической нагрузки (Л2=0,98) и частоты механической вибрации (Л2=0,998) от скорости движения спортсмена на трассе (рис. 16).

Результаты работы на трассе бобслея «Санки»

По результатам исследований нагрузочных характеристик, полученных на трассе бобслея «Санки» при скоростях, не превышающих ¥^=111,32+2,17 км/час (среднее значение ¥ср =69,86+1,32 км/час), максимальная нагрузка была вдвое ниже и не превышала Gлюкc=7,32g при средних значениях G =—0,98+2,79^, частота же вибрации не

Рис. 16. Линейные характеристики параметров горнолыжных трасс: скорость - частота и амплитуда механических колебаний

была выше /' =23,72 Гц, составляя в среднем /ср =1,34+5,81 Гц (рис. 17).

При расчетах, как и в предыдущих группах исследования, была также выявлена линейная зависимость частоты механических

Рис. 17. Параметры трассы бобслея «Санки»; на оси X - время на трассе в десятках секунд, на оси ординат G в м/с2, а обозначения: «X», «У», «2» - нагрузки по осям датчика 3Л

нагрузка скорость - частота

-Линейная {нагрузка)

-Линейная {скорость}

-Линейная

Рис. 15. Линейные характеристики минимальных, средних и максимальных параметров: скорость - нагрузка - частота механических колебаний

Рис. 18. Линейные характеристики параметров трасс бобслея: скорость - частота и амплитуда механических колебаний

колебаний спортивного снаряда и физической нагрузки, преодолеваемой спортсменами, от скорости движения по трассе (рис. 18).

Несмотря на то что коэффициент аппроксимации был значительно ниже, чем в предыдущих расчетах, для установленной линейной зависимости «скорость — частота» он составил Я2=0,78, а для линейной зависимости «скорость — нагрузка» — Я2=0,67. Мы связываем это обстоятельство с двумя факторами.

Во-первых, спортсмены на трассе большую часть дистанции находятся в состоянии, близком к режиму равновеликого ускорения, равного §-=0,05§'—0,18§-. При этом они испытывают серьезные боковые нагрузки в пределах О=2,13)«-—1,45)§-. И лишь в конце дистанции, т.е. при торможении, линейная нагрузка возрастала до 7,32^. Тогда же росла и частота вибрации, составляя в максимальных значениях f =23,72 Гц, т.е. была

^ маке 7 17

также приблизительно вдвое ниже, чем на трассах горнолыжников.

Во-вторых, режим скольжения спортивного снаряда в бобслее при минимизированном коэффициенте трения во время разгона и спонтанного спуска (до начала торможения) нивелирует нагрузку до состояния, близкого к состоянию свободного падения, где физическая нагрузка находится в пределах О = -1,01±0,98£.

Тем не менее установленные зависимости ни в коей мере не умаляют факта линейного соотношения физической нагрузки и частоты вибрации от скорости движения спортсмена по трассе бобслея, в том числе на этапе торможения.

Выводы

1. Во всех видах зимнего спорта, подразумевающих высокие скорости движения по горным трассам и трассам бобслея, вибрационная и гравитационная нагрузка на спортивный снаряд находится в линейной зависимости от скорости движения спортсмена по трассе.

2. В горнолыжном спорте при скорости до 111,08 км/час максимальные нагрузки достигают 15,43^" при частоте вибрации до 50,01 Гц и подчинены уравнениям:

_^1,3769х+3,8938 (Гц) с достоверностью аппроксимации Я2=0,98; 0=0,1376х+0,392 (м/с2) с достоверностью аппроксимации Я2=0,998; где х численно равен V.

3. При аналогичных скоростях бобслеистов (до 111,32 км/час, р>0,05) максимальные нагрузки вдвое меньше и достигают 7,32^ при частоте вибрации до 23,72 Гц и подчинены уравнениям:

_^0,76х—16,78 (Гц) с достоверностью аппроксимации Я2=0,78;

0=0,08х—3,103 (м/с2) с достоверностью аппроксимации Я2=0,67; где х численно равен V.

Литература

1. Абрамов В. В., Смирнова Е.Л. Нехане -вич О. Б. Комплексная диагностика психофизического перенапряжения репродуктивной функции у женщин-спортсменок // Актуальные вопросы спортивной медицины, лечебной физической культуры, физиотерапии и курортологии: Материалы IX Международной конференции молодых ученых. М., 2010. С. 1-3.

2. Адо А.Д. Патологическая физиология. М.: Медицина, 1973.

3. Ананьева О.В., Герасина Е.В., Дран-гой М.Г. и др. Профессиональные болезни: Полный справочник. М.: Эксмо, 2006.

4. Борисевич Ч.С., Хачатуров В.Б., Тямби-на А.С. и др. Первый опыт системного подхода к восстановительному лечению представителей скоростных видов зимнего спорта в санаторно-курортных условиях Черноморского побережья Кавказа // Спортивная медицина: наука и практика. 2011. № 1. С. 34-40.

5. Елисеев Д.Е. Психологическая диагностика в системе подготовки спортсменов // Актуальные вопросы спортивной медицины, лечебной физической культуры, физиотерапии и курортологии: Материалы IX Международной конференции молодых ученых. М., 2010. С. 198-199.

6. Зинурова Н.Г., Денисов К.Г., Кузи-ков М.М. Особенности стабилографиче-

ских показателей спортсменов различных видов спорта // Актуальные вопросы спортивной медицины, лечебной физической культуры, физиотерапии и курортологии: Материалы IX Международной конференции молодых ученых. М., 2010.

7. Измеров Н.Ф., Антонюженко В.А., Дум-кин В.Н. и др. Профессиональные заболевания: Руководство для врачей / Под ред. Н.Ф. Измерова; 2-е изд., перераб. и доп. Т. 1-2. М.: Медицина, 1996.

8. Летаверт А.Л., Молоканов К.П., Дроги-чин Э.А. и др. Профессиональные болезни: Руководство для врачей / 3-е изд., испр. и доп. М.: Медицина, 1973.

9. Лубяко А.А., Скипина К.П., Волков Д.В. и др. Реабилитация и оздоровительное лечение высококвалифицированных спортсменов зимних видов спорта: Методические рекомендации. М.; Сочи, 2012.

10. Мирошникова Ю.В. Фармакологическая поддержка спорта высших достижений: Доклад Правительству Российской Федерации. М., 2010.

11. Михайлова А.В., Золичева С.Ю., Каменев К.А., Ткачук А.П. Гипоксические тренировки в спорте (восстановление спортивной работоспособности и аэробной выносливости) — новый подход // Спортивная медицина: современное состояние, проблемы и перспективы: Материалы IX Международного инвестиционного форума «Сочи-2010». Сочи, 2010. С. 80—83.

12. Остапишин В.Д., Лубяко А.А., Аллахвер-дов В.М. и др. Применение способа мобилизации резервных возможностей организма человека в условиях повышенных физических и психологических нагрузок путем ингаляции сверхмалых доз биологически активных веществ животного происхождения: Методические рекомендации. Рег. № 49-12-2012. М.; Сочи, 2012.

13. Остапишин В.Д., Лубяко А.А., Аллахвер-дов В.М. и др. Психофизиологическое сопровождение сборных команд Российской

Федерации, школ олимпийского резерва, спортивных детско-юношеских школ: Методические рекомендации. Рег. № 5012-2012. М.; Сочи, 2012.

14. Остапишин В.Д., Лубяко A.A., Скипи-на К.П. и др. Реабилитация и оздоровительное лечение высококвалифицированных спортсменов зимних видов спорта на санаторно-курортном этапе: Методические рекомендации. Рег. № 48-12-2012. М.; Сочи, 2012.

15. Павлов С.Е. Несбыточная спортивная медицина / / Спортивная медицина: современное состояние, проблемы и перспективы: Материалы IX Международного инвестиционного форума «Сочи-2010». Сочи, 2010. С. 98-102.

16. Павлов С.Е., Перова Е.В. Особенности врачебного контроля в современном спорте // Спортивная медицина: современное состояние, проблемы и перспективы: Материалы IX Международного инвестиционного форума «Сочи-2010». Сочи, 2010. С. 111-114.

17. Хавинсон В.Х., Винер ИА., Трофимова С.В. и др. Метод повышения резервных возможностей организма спортсменов высокой квалификации // International Journal of Immunorehabilitation. 2010. № 1. С. 32-35.

18. Francis Ch. Допинг — это хорошо или плохо? / / Aктуальные вопросы спортивной медицины, лечебной физической культуры, физиотерапии и курортологии: Материалы IX Международной конференции молодых ученых. М., 2010. С. 81—84.

Контакты:

Лебедев Андрей Александрович,

сотрудник научно-методического отдела ФГБУ

«Научно-исследовательский центр курортологии

и реабилитации» ФМБА России.

Тел.: (988) 404 75 38.

E-mail: lebedeff.a.a@yandex.ru