Сравнительный анализ параметров основных биомеханических показателей техники структурной группы перелетовых упражнений «Ткачев» на перекладине

В.И. Загревский, В.С. Шерин

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ ОСНОВНЫХ БИОМЕХАНИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТЕХНИКИ СТРУКТУРНОЙ ГРУППЫ ПЕРЕЛЕТОВЫХ УПРАЖНЕНИЙ «ТКАЧЕВ» НА ПРЕРЕКЛАДИНЕ

Рассматриваются основные биомеханические закономерности выполнения сложных гимнастических элементов на перекладине. Приводится количественная биомеханическая информация о технических особенностях выполнения каждого из исследуемых гимнастических элементов, анализируются рациональные способы построения упражнений и пути совершенствования их биомеханической структуры.

Основным критерием развития современной спортивной гимнастики стала «высококачественная сверхсложность» [1]. Для успешного выполнения гимнастических упражнений требуются высокоточные двигательные действия спортсмена в различных висах, упорах, а также в безопорном состоянии. К таким упражнениям относятся перелетовые элементы на перекладине с ярко выраженной фазой безопорного состояния гимнаста в полетной части упражнения. Сегодня обучение технике гимнастических упражнений строится на основе теоретических сведений об общих биомеханических закономерностях и экспериментальных данных о фазовой структуре изучаемых двигательных действий [2]. Недостаточные знания о биомеханической структуре перелетовых упражнений на перекладине тормозят процесс овладения спортсменами технически сложными элементами.

Цель исследования. Выявить биомеханические закономерности в построении рациональной техники различных упражнений структурной группы перелетов «Ткачев» на перекладине.

Гипотеза. Результаты биомеханического анализа кинематической и динамической структуры перелето-вых упражнений «Ткачев» на перекладине позволят выявить биомеханические закономерности их рационального выполнения, что будет способствовать интенсификации учебно-тренировочного процесса и повышению его эффективности.

В соответствии с гипотезой перед исследователями были поставлены следующие задачи.

1. Подобрать группу гимнастов, владеющих на соревновательном уровне техникой структурной группы перелетовых упражнений «Ткачев» на перекладине.

2. Провести видеосъемку выполнения исследуемых упражнений в условиях соревнований.

3. Выполнить биомеханический анализ исследуемых упражнений и по его результатам выбрать наилучшего исполнителя для дальнейшего сравнительного биомеханического анализа структурной группы пере-летовых упражнений «Ткачев» на перекладине.

Методы и организация исследования. В работе использовались следующие методы исследования: анализ литературных источников; видеосъемка исследуемых упражнений; экспериментально-аналитический метод определения геометрии масс тела человека; компьютерная обработка видеоматериалов регистрации движений спортсменов и построение видеограмм упражнений на ЭВМ; аналитические и численные определения кинематических и динамических характеристик исследуемых упражнений на ЭВМ.

Все вышеупомянутые методы исследований достаточно подробно освещены в специальной литературе [3, 4]. Исключение составляет метод аналитического и численного расчета кинематических и динамических характеристик соревновательных упражнений на ЭВМ. Технологической сложностью составления компьютерной программы вычисления кинематических и динамических характеристик соревновательных упражнений является многозвенный и разветвленный характер построения кинематических цепей в биомеханических системах. Мы ориентировались на работы [5, 6], в которых показано, что рассматриваемую трудность можно успешно преодолеть, если вычислительные алгоритмы построить на основе рекуррентных соотношений; алгоритм вычислений для каждого последующего звена строится на основе аналитического представления вычисляемой характеристики предыдущего звена и суммируемого с ним биомеханического параметра, представляемого в аналитическом виде для вычисляемого звена. Такой вид формирования вычислительных алгоритмов позволяет ЭВМ выполнять не только функцию вычислительного инструмента, но и выступать в роли конструктора математических моделей анализа и синтеза движений человека для многозвенных биомеханических систем [5].

Видеосъемки упражнений проводились в лабораторных условиях [4]. В исследовании приняли участие более 30 гимнастов. По материалам компьютерной обработки видеосъемки упражнений были определены кинематические (27) и динамические (15) характеристики исследуемых гимнастических элементов, на основании которых в дальнейшем выполнялся биомеханический анализ техники перелета «Ткачев»: «ноги врозь», «согнувшись», «прямым телом».

В качестве критерия эффективности техники исследуемых упражнений рассматривались биомеханические характеристики:

1) высота расположения общего центра масс (ОЦМ) тела гимнаста относительно грифа перекладины в высшей точке полетной части анализируемых гимнастических элементов;

2) расположение ОЦМ тела спортсмена в момент дохвата кистями рук за гриф перекладины и стабильное выполнение этой фазы упражнения;

3) мощность выполнения контртемпового, разгиба-тельного движения рук в плечевых и ног в тазобедренных суставах перед вылетом гимнаста в безопорную фазу (антикурбет) [2].

По критериям качественного выполнения исследуемого упражнения как визуальный образец была выбрана

техника лучшего исполнителя - А. Голоцуцкова, заслуженного мастера спорта России по спортивной гимнастике. Экспертами, оценивающими технику упражнений, выступили ведущие тренеры спортивных школ олимпийского резерва по гимнастике г. Томска и г. Се-верска. По результатам биомеханического анализа техника выполнения упражнений в исполнении А. Голо-цуцкова также была принята за эталон для гимнастов, осваивающих эти гимнастические элементы.

Результаты исследования. Результирующая силы реакции опоры и связи в суставах. На рис. 1 приведены графики результирующей силы реакции опоры и связи в суставах при выполнении исследуемых упражнений: «Перелет Ткачева ноги врозь», «Перелет Ткачева согнувшись», «Перелет Ткачева прямым телом».

В анализируемых упражнениях можно выделить три основных цикла изменения результирующей силы реакции опоры (табл. 1).

Н

8514

7568

6622

5676

4738

3784

2838

1892

940

0

Л

А г /

/ У 'О

7376

6454

5532

4618

3688

2766

1844

922

Опорный период

Ноги------ Туловище •

Безопорный

период

Руки

Опор

ный

период

я

Г-

4 8 12 16 20 24 28 32 36

Опорный

период

44 №, кадр

Безопорный

период

Н

5949

5288

4627

3966

3385

2644

1983

1322

661

0

-1322

-н -! - и

4 'А /

ЛГ -Є* Т А/ \);

-Л.  'ч

4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 №, кад

Опорный

период

Безопорный

период

Ноги — Туловище .............. Руки --------

Туловище ...... Руки

Рис. 1. Результирующая силы реакции опоры и связи в суставах при выполнении упражнений «Перелет Ткачева»: А - ноги врозь; Б - согнувшись; В - прямым телом

Т а б л и ц а 1

Параметры отдельных циклов изменения результирующей силы реакции опоры (К) при выполнении упражнений «Перелет Ткачева»

А

Б

Н

В

№ цикла Упражнение Длительность цикла, с Значение Я в отдельных компонентах цикла Длительность «плато», с

«Вход»

1 А 0,32 360 1800 1400 - -

Б 0,32 620 2250 1500 - -

В 0,36 600 2150 1400 - -

2 А 0,24 1400 3850 2000 - -

Б 0,28 1500 3600 1500 - -

В 0,28 1400 4325 1750 - -

3 А 0,24 2000 8500 - 3100 0,04

Б 0,28 1500 8000 - 2600 0,06

В 0,24 1750 6250 - 2500 0,06

Примечание. Здесь и в табл. 2: А - упражнение «Перелет Ткачева ноги врозь», Б - «Перелет Ткачева согнувшись», В - «Перелет Ткачева прямым телом».

Во всех анализируемых упражнениях закономерность изменения результирующей силы реакции опоры типична. Исключение составляет 3-е упражнение, в котором пиковое значение 2-й волны (4325 Н) существенно больше, чем в 1-м и 2-м упражнениях. В момент потери спортсменом контакта с грифом перекладины пиковая величина результирующей силы реакции опоры в 3-м упражнении (6250 Н) значительно меньше, чем в 1-м и 2-м.

Объяснение этого кроется в кинематике управляющих воздействий. Во время второго цикла изменения результирующей силы реакции опоры во всех трех упражнениях гимнаст выполняет разгибательные движения рук в плечевых и ног в тазобедренных суставах. Разгибательные движения в суставах в этой части упражнений являются подготовительными перед основным бросковым движением, которое обеспечивает успешное выполнение полетной части. Существенное различие пикового значения во втором цикле изменения результирующей силы реакции опоры (которое является наибольшим в упражнении «Перелет Ткачева прямым телом») заключается в следующем: выполняя

разгибательные движения в суставах во время схода, гимнаст удаляет ОЦМ тела от грифа перекладины, создавая «оттяжку» от опоры.

Эти управляющие движения создают наиболее эффективные условия для выполнения в последующем более короткого, но и более мощного хлестообразного сгибательного движения звеньями тела в суставах. В связи с этим увеличиваются угловая скорость ОЦМ тела, кинетическая энергия, а следовательно, и сила реакции опоры. В момент потери спортсменом контакта с грифом перекладины пиковая величина результирующей силы реакции опоры в 3-м упражнении значительно меньше, чем в 1-м и

2-м. Это связано с тем, что гимнаст значительно меньше воздействует кистями рук на гриф перекладины во время выполнения антикурбета перед вылетом в безопорную фазу упражнения. При создании противонаправленного вращения звеньев тела в полетной части гимнаст в

3-м упражнении быстрее и раньше, чем в 1-м и 2-м, заканчивает контакт кистей рук с грифом перекладины.

Таким образом, в 3-м упражнении (наиболее сложном) контрвращение задается от ног, а не от проксимальных звеньев, как в упражнениях «Перелет Ткачева

ноги врозь» и «Перелет Ткачева согнувшись». Следовательно, для более эффективного выполнения полетной части упражнения спортсмен должен создать контрвращение в условиях опоры разгибательными движениями звеньев тела в дистальных суставах, минимизируя разги-бательные движения в проксимальных суставах.

Кинетическая энергия. Закономерность изменения кинетической энергии в упражнениях «Перелет Ткачева ноги врозь» и «Перелет Ткачева согнувшись» типична: везде присутствует 4-цикловая структура волнообразных изменений кинетической энергии биосистемы (рис. 2).

Рис. 2. Кинетическая энергия биомеханической системы при выполнении упражнений «Перелет Ткачева»: А - ноги врозь; Б - согнувшись; В - прямым телом

Рассогласование отмечается лишь по численным значениям величины кинетической энергии биосистемы и длительности выполнения отдельных волновых циклов (табл. 2).

Т а б л и ц а 2

Параметры циклов изменения кинетической энергии биомеханической системы (К) в упражнениях «Перелеты Ткачева»

№ цик- ла Упраж- нение Длительность цикла, с Величина К в отдельных компонентах цикла, Дж

«Вход» «Пик» «Выход»

1 А G,24 340 93G 870

Б G,24 68G 1G3G 890

В G,24 66g 1G76 1020

2 А G,28 87G 1660 1440

Б G,28 89G 131G 1100

В G,32 1G2G 1830 1180

3 А G,2G 144G 1740 90

Б G,24 11GG 1410 0

В G,24 118G 1370 120

4 А G,G4 9G 480 -

Б G,G4 G 933 -

В - - - -

Третье упражнение выпадает из общей схемы

4-циклового изменения кинетической энергии, для него характерна 3-цикловая структура. Следует отметить, что подобная структурная схема организации изменения кинетической энергии основывается на более раннем разгибательном движении ног в тазобедренных суставах по сравнению с разгибательным движением рук в плечевых суставах.

В первых же двух упражнениях разгибательное движение ног в тазобедренных суставах совпадает по времени с разгибательным движением рук в плечевых суставах. Исходя из посылки, что чем сложнее упражнение, тем более тонкая организация управления необходима для его практической реализации, отметим следующую техническую особенность выполнения анализируемых упражнений: организация предполетной части на кинематическом уровне начинается для более

сложного упражнения с дистальных звеньев. Такие управляющие движения обеспечивают необходимую энергетическую минимизацию управляющих воздействий как для проксимальных суставов, так и для всей биомеханической системы.

Кинетический момент тела гимнаста и его звеньев относительно общего центра масс биомеханической системы. В упражнениях «Перелет Ткачева ноги врозь» и «Перелет Ткачева согнувшись» стартовое значение кинетического момента тела гимнаста относительно его ОЦМ составляло 15 кг-м2/с в первом упражнении (рис. 3, А, кадр 0) и 17 кг-м2/с во втором (рис. 3, Б, кадр 0). В упражнении «Перелет Ткачева прямым телом» анализируемая характеристика для начального момента времени значительно больше - 65 кг-м2/с (см. рис. 3, В, кадр 0).

Дальнейшее выполнение упражнений «Перелет Ткачева ноги врозь» и «Перелет Ткачева согнувшись» сопровождается незначительным повышением (на 15 кг-м2/с) величины кинетического момента тела гимнаста относительно его ОЦМ - соответственно до 25 кг-м2/с (рис. 3, А, кадры 010) и до 23 кг-м2/с (рис. 3, Б, кадры 0-12). Затем следует незначительное уменьшение кинетического момента. Для первого упражнения минимальное значение анализируемой характеристики равно 10 кг-м2/с (см. рис. 3, А, кадр 16) и повышается до 12 кг-м2/с (рис. 3, Б, кадр 17).

В упражнении же «Перелет Ткачева прямым телом» совершенно иная картина подготовительных действий, а соответственно, и динамика изменения кинетического момента тела гимнаста относительно его ОЦМ. От величины 65 кг-м2/с (см. рис. 3, В, кадр 0) происходит уменьшение кинетического момента до 0 кг-м2/с, а затем увеличение до отрицательной величины (-5,65 кг-м2/с, рис. 3, В, кадр 12). Это свидетельствует о том, что при положительном кинетическом моменте относительно грифа перекладины звенья тела вращаются относительно ОЦМ тела спортсмена в противоположном направлении. Отрицательное значение кинетического момента в этот момент времени из всех звеньев биокинематической цепи имеют только ноги (см. рис. 3, Б).

Рис. 3. Кинетический момент биомеханической системы и звеньев тела спортсмена относительно общего центра масс тела при выполнении упражнений «Перелет Ткачева»: А - ноги врозь, Б - согнувшись, В - прямым телом

Следовательно, это возможно только в случае, если спортсмен выполняет настолько энергичное разгибание ног в тазобедренных суставах и в поясничной области, что его ноги начинают вращаться относительно ОЦМ тела в противоположном по отношению к его движению направлении.

Дальнейшие двигательные действия спортсмена выполняются таким образом, что происходит быстрый прирост кинетического момента тела гимнаста и его звеньев относительно ОЦМ. За 0,44 с во всех 3 упражнениях кинетический момент тела достигает максимальных значений: 115 кг-м2/с (см. рис. 3, А, кадр 27) в

1-м упражнении; 110 кг-м2/с (рис. 3, Б, кадр 28) - во

2-м; 122 кг-м2/с (см. рис. 3, В, кадр 23) - в 3-м упражнении. Отличие в показателях не столь существенное.

Дальнейшее движение спортсмена по траектории упражнения сопровождается уменьшением кинетического момента тела относительно ОЦМ до момента перехода в безопорное состояние.

В момент потери контакта кистей рук гимнаста с грифом перекладины кинетический момент тела относительно его ОЦМ составляет: -25 кг-м2/с (см. рис. 3, А, кадр 36) в 1-м упражнении; -23 кг-м2/с (рис. 3, Б, кадр 38) - во 2-м, -42 кг-м2/с (см. рис. 3, В, кадр 32) - в

3-м упражнении. Отрицательные значения кинетического момента свидетельствуют о создании динамического контртемпа, который наиболее значителен в

3-м упражнении. Это можно объяснить тем, что для создания противовращения звеньев тела гимнаста в полетной части упражнения выпрямленным телом не-

обходимо наличие значительного начального вращательного импульса, векторный компонент

которого направлен в сторону, противоположную вращению продольной оси тела.

В трех анализируемых упражнениях отрицательное значение величины кинетического момента тела спортсмена относительно его ОЦМ в момент перехода в без-опорное состояние образуется только за счет разгиба-тельного движения ног в тазобедренных суставах. В это время значение кинетического момента ног равно: -90 кг-м2/с (см. рис. 3, А, кадр 36) в 1-м упражнении; -90 кг-м2/с (рис. 3, Б, кадр 40) - во 2-м; -60 кг-м2/с (см. рис. 3, В, кадр 32) - в 3-м упражнении. В это же время в силу действия реактивных сил разгибательного движения ног на туловище и руки «всплеском» увеличивается кинетический момент туловища и рук: 18 кг-м2/с - руки, 40 кг-м2/с - туловище (рис. 3, А, кадр 36) в 1-м упражнении; 20 кг-м2/с - руки, 40 кг-м2/с -туловище (рис. 3, Б, кадр 40) во 2-м упражнении; 10 кг-м2/с - руки, 10 кг-м2/с - ноги (см. рис. 3, В, кадр 32) в 3-м упражнении.

Заданный на опоре отрицательный вращательный импульс относительно ОЦМ биомеханической системы для всего тела спортсмена в полетной части упражнения перераспределяется на все звенья биосистемы. В соответствии с законом сохранения главного момента количества движения биомеханической системы в полетной части упражнения вращение продольной оси тела гимнаста происходит в направлении, противоположном ее вращательному движению в момент потери спортсменом контакта с опорой.

Кинематические параметры полетной части упражнений. Целевая установка тонкого двигательного ансамбля технических действий спортсмена на опоре при выполнении упражнений «Перелет Ткачева» ориентирована на создание достаточного контрвращения и высоты в полетной части упражнения. Двигательная задача заключается в том, чтобы обеспечить надежный дохват за гриф перекладины в завершающей фазе. И значительный вклад в реализацию зрелищности и технического совершенства полетной части упражнения вносят начальные условия движения.

Исходное положение ОЦМ тела гимнаста относительно оси ОХ (т.е. в момент вылета в безопорное состояние) равно: в первом упражнении 0,62 м; во втором - 0,58 м и в третьем - 0,76 м. Относительно оси ОУ эти показатели соответственно равны 0,78; 0,81 и 0,57 м.

В первом упражнении начальная линейная скорость вылета ОЦМ тела гимнаста по оси ОХ равна -2,43 м/с; по оси ОУ - 2,13 м/с, а результирующая скорость составила 3,23 м/с; во втором упражнении эти показатели соответственно равны: -2,66; 1,37; 3,00 м/с.; в третьем упражнении: -2,66; 2,36; 3,56 м/с.

Такие типичные начальные условия движения обеспечивают общее время полета в 1-м упражнении, равное

0,56 с, во 2-м - 0,52 с и в 3-м - 0,6 с. За это время перемещение ОЦМ тела гимнаста в горизонтальном направлении составило: в 1-м упражнении - 1,36 м; во 2-м - 1,39 м и в 3-м - 1,6 м. Наибольшая высота вылета ОЦМ тела относительно грифа перекладины в 1-м упражнении равна 1,01 м (перемещение по вертикали вверх - 0,23 м); во

2-м - 0,90 м (перемещение - 0,10 м); в 3-м - 0,86 м (пере-

мещение - 0,29 м). Эти данные свидетельствуют о том, что для эффективного выполнения наиболее сложного упражнения («Перелет Ткачева прямым телом») необходимо большее время в полетной части (в среднем от 0,04 до 0,12 с) по сравнению с первыми двумя упражнениями. Это достигается за счет увеличения результирующей линейной скорости ОЦМ тела гимнаста в момент «старта» до 3,5 м/с.

Момент дохвата кистями рук за гриф перекладины характеризуется следующими координатами ОЦМ тела спортсмена относительно грифа. Относительно оси ОХ расстояние от ОЦМ тела спортсмена до грифа составило: в 1-м упражнении 0,64 м; во 2-м - 0,81 м; в 3-м -0,84 м. Относительно оси ОУ расстояние от ОЦМ тела до грифа перекладины составило: в 1-м упражнении 0,42 м; во 2-м - 0,19 м; в 3-м - 0,22 м.

Следовательно, технически грамотное исполнение структурной группы упражнений «Перелет Ткачева» характеризуется таким завершением полетной части, при котором ОЦМ тела спортсмена в момент дохвата располагается как можно выше уровня грифа перекладины (0,2-0,4 м), а расстояние от ОЦМ тела до грифа в горизонтальном направлении варьирует от 0,6 до 0,9 м.

Резюме. Результаты биомеханического анализа кинематической и динамической структуры упражнений «Перелет Ткачева» на перекладине позволили выявить следующие биомеханические закономерности их рационального выполнения:

1. В момент потери кистями рук спортсмена контакта с грифом перекладины пиковая величина результирующей силы реакции опоры в упражнении «Перелет Ткачев прямым телом» значительно меньше, чем в 1-м и 2-м упражнениях. Это связано с тем, что во время выполнения антикурбета перед вылетом в безопорную фазу гимнаст значительно меньше воздействует кистями рук на гриф перекладины. Для создания противонаправленного вращения звеньев тела в полетной части гимнаст в 3-м упражнении быстрее и раньше, чем в 1-м и 2-м упражнениях, отпускает кистями рук гриф перекладины.

2. Динамика изменения результирующей силы реакции связи в плечевых и тазобедренных суставах соответствует динамике изменения результирующей силы реакции опоры, отличаясь от нее меньшими численными значениями. При этом у дистального сустава численное значение величины результирующей силы реакции связи меньше, чем у проксимального сустава.

3. При выполнении упражнений структурной группы «Перелет Ткачева» перед вылетом в безопорную фазу гимнаст выполняет контртемповое, разгибатель-ное движение рук в плечевых и ног в тазобедренных суставах (противоположное ходу вращения ОЦМ тела). В силу этого в полетной части упражнения звенья тела гимнаста вращаются в сторону, противоположную их вращательному движению в опорной части упражнения. Эта закономерность вращения звеньев тела в опорной и полетной частях упражнения является специфической особенностью техники выполнения перелета Ткачева.

4. Во всех трех анализируемых упражнениях отрицательное значение величины кинетического момента тела спортсмена относительно его ОЦМ в момент пе-

рехода в безопорное состояние образуется только за счет активного разгибательного движения ног в тазобедренных суставах.

5. Организация кинематической структуры предполетной части упражнения начинается для более сложного упражнения с дистальных звеньев. Такие управляющие движения обеспечивают необходимую энергетическую минимизацию управляющих воздействий как для проксимальных суставов, так и для всей биомеханической системы.

6. Заданный на опоре отрицательный вращательный импульс относительно ОЦМ биомеханической системы для всего тела спортсмена в дальнейшем в полетной части упражнения перераспределяется на все звенья биосистемы. Поэтому в соответствии с законом сохранения главного момента количества движения биоме-

ханической системы в безопорном состоянии, вращение продольной оси тела гимнаста в полетной части упражнения происходит в направлении, противоположном ее исходному вращательному движению в момент потери кистями рук контакта с опорой.

7. Стартовые условия отхода гимнаста из опорного в безопорное состояние (результирующая линейная скорость ОЦМ тела варьирует от 3,00 до 3,60 м/с; угол вылета составляет 38 - 45°) обеспечивают необходимую высоту подъема ОЦМ тела спортсмена над грифом перекладины (0,85 - 1,00 м), достаточное время полета (0,52 - 0,60 с) и комфортные условия для выполнения дохвата (высота ОЦМ над грифом перекладины 0,20 - 0,40 м; расстояние от ОЦМ до грифа перекладины 0,60 - 0,90 м) кистями рук за гриф перекладины.

ЛИТЕРАТУРА

1. Аркаев Л.Я., СучилинН.Г. Как готовить чемпионов. М.: ФиС, 2004. 328 с.

2. Гавердовский Ю.К. Техника гимнастических упражнений: Популярное учебное пособие. М.: Терра-Спорт, 2002. 512 с.

3. Донской Д.Д. Биомеханика: Учебное пособие. М.: Просвещение, 1975. 238 с.

4. Сучилин Н.Г., Савельев В.С., Попов Г.И. Оптико-электронные методы измерения движений человека. М.: ФОН, 2000. 126 с.

5. Загревский В. Расчетные модели кинематики и динамики биомеханических систем. Томск: ТГПУ, 1999. 150 с.

6. Загревский В.И., Лавшук Д.А., Загревский О.И. Построение оптимальной техники спортивных упражнений в вычислительном эксперименте

на ПЭВМ. Могилев: Могилев. гос. ун-т, 2000. 190 с.

Статья представлена научной редакцией «Психология и педагогика» 10 декабря 2007 г.