Биомеханическое моделирование оптимального соотношения компонентов скорости передвижения лыжников-гонщиков разного уровня подготовленности

ТЕОРИЯ И МЕТОДИКА СПОРТА ВЫСШИХ ДОСТИЖЕНИИ

БИОМЕХАНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО СООТНОШЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ СКОРОСТИ ПЕРЕДВИЖЕНИЯ ЛЫЖНИКОВ-ГОНЩИКОВ РАЗНОГО УРОВНЯ ПОДГОТОВЛЕННОСТИ

А.В. ГУРСКИЙ, Н.А. ДЕМКО,

Смоленская государственная академия физической культуры, спорта и туризма

Аннотация

Длина и частота шагов являются интегральными показателями технических действий лыжника-гонщика и управляемой со стороны тренера в процессе спортивной тренировки. Корректируя частоту, а значит, и длину шага, мы очень серьезно вмешиваемся в технические действия спортсмена, и в первую очередь в динамические характеристики, то есть силу отталкиваний ногой и рукой, что, в свою очередь, приведет к другому тренировочному эффекту. Предполагалось, что у гонщиков с учетом их спортивной квалификации существуют оптимальные соотношения длины и частоты шагов, позволяющие достигать одну и ту же скорость при более экономном расходовании энергии.

Установлено, что: 1. С возрастанием скорости передвижения ДШ возрастает до определенных величин, которые лимитируются темпом и уровнем квалификации

лыжников.

2. Оптимальной скоростью передвижения как на равнине, так и подъемах различной крутизны можно считать такую, при которой еще удерживается однонаправленность изменений длины, частоты скользящих шагов и ЧСС. 3. У лыжников-гонщиков различной квалификации имеется своя оптимальная ЧШ, при которой наблюдаются минимальные величины времени фаз периода скольжения и стояния, достижения максимальной силы отталкивания и минимальной величины опорной реакции в конце 1 фазы скольжения. Для гонщиков I разряда оптимальная ЧШ составляет 100 шагов/мин, для II разряда - 95 шагов/мин и для IIIразряда - 90 шагов/мин.

Ключевые слова: техническая подготовка лыжника-гонщика, управление технической подготовкой, кинематика и динамика в скользящем шаге.

Abstract

The length and frequency of steps are integral indicators of technical actions of skiers and controlled by the coach during a sports training. Correcting the frequency, and so the length of the step, we interruptvery seriously into the technical activities of athletes, and first of all into the dynamic characteristics (the repulsive force of foot and hand, which, in turn, will lead to a different training effect).

It was assumed that racers according to their sports qualification have the optimum ratio of length and frequency of steps, which allow to achieve the same speed for more economical energy expenditure. It was established:

1. With the increasing of movement speed the length

of steps increases up to a certain value, which is limited by the pace and skill level of skiers.

2. The optimal speed of movement both in plains and climbs of varying steepness can be regarded

as one in which the same direction of changes of length, frequency of moving steps and heart rate are held.

3. Skiers of different skills have their own optimal frequency of moving steps at which minimum values of time period of phase slip and standing, maximum repulsive force and the minimum value of the support reaction at the end of one phase slip are observed.

Racers of the first degree have the optimal frequency of moving stepsabout 100 steps/min, racers

of the second degree - 95 steps/min, racers of the third degree - 90 steps/min.

Key words: technical qualification of skiers, control of technical training, kinematics and dynamics in the sliding step.

В числе наиболее важных вопросов спортивнотехнической подготовки - определение оптимального соотношения компонентов скорости в цикле хода у лыжников-гонщиков различной квалификации, какими являются длина и частота скользящих шагов.

Длина и частота шагов являются интегральными показателями технических действий лыжника-гонщика и управляемой со стороны тренера в процессе спортивной тренировки. Корректируя частоту, а значит, и длину шага, мы очень серьезно вмешиваемся в технические действия

ФНЦ ВНИИФК

4

Теория и методика спорта высших достижений

спортсмена, и в первую очередь в динамические характеристики, то есть силу отталкиваний ногой и рукой, что, в свою очередь, приведет к другому тренировочному эффекту.

Предполагалось, что у гонщиков с учетом их спортивной квалификации существуют оптимальные соотношения длины и частоты шагов, позволяющие достигать одну и ту же скорость при более экономном расходовании энергии.

Частные задачи исследования:

- изучить влияние скорости передвижения на длину и частоту скользящих шагов у лыжников различной квалификации на равнине и подъемах различной крутизны;

- выявить оптимальные соотношения длины и частоты скользящих шагов у лыжников различной квалификации при постоянной скорости передвижения.

Методы исследования: киноциклография; динамография в сочетании с синхронной киносъемкой; контрольно-педагогические испытания: подсчет частоты и количества скользящих шагов (производная - скорость передвижения, м/с); анализ и синтез результатов исследования.

Организация исследования

Нами были проведены исследования на гонщиках старших разрядов в возрасте от 19 до 22 лет.

Лыжники-гонщики проходили километровый круг со скоростью передвижения от 3 до 6,5 м/с на равнине и от 2,5 до 5,5 м/с на подъемах крутизной 1-3; 4-6; 7-8. Скорость передвижения задавалась звуковым сигналом и повышалась в каждой последующей попытке на 0,5 м/с. Во время передвижения подсчитывалось количество шагов на пятидесятиметровом отрезке дистанции и рассчитывались ЧШ и ДШ. На финише регистрировалась ЧСС.

На финишной прямой лыжники проходили по динамографической платформе, синхронно проводилась киносъемка со скоростью 32 кадра/с.

В процессе изучения различных соотношений длины и частоты скользящих шагов большое значение имеет возможность сравнения пространственных и временных характеристик хода. Исходным материалом для составления киноциклограмм послужили данные киносъемок, которые были синхронизированы с динамическими характеристиками скользящего шага. В настоящем исследовании мы использовали динамографическую платформу, созданную в научной лаборатории кафедры лыжных гонок СГАФКСТ группой авторов под руководством

В.В. Ермакова. Динамографическая платформа - лыжня - позволяет одновременно регистрировать усилие по вертикали и горизонтали (вперед и назад) при отталкивании рукой и ногой, регистрируются одновременно 12 динамических характеристик движения.

Результаты исследования

Проведенные исследования показали, что рост скорости сопровождается как увеличением длины шагов, так и темпа у лыжников всех разрядов. Причем прирост частоты более высок, чем длины.

Если увеличение ЧШ (как на равнине, так и подъемах) с возрастанием скорости передвижения носит линейный, однонаправленный характер, то ДШ увеличивается до определенных величин, затем стабилизируется, а затем снижается. Это указывает на то, что на определенной скорости передвижения существует оптимальный режим, при котором создаются выгодные условия для осуществления толчка ногой. Можно полагать, что оптимальной скоростью передвижения будет та, при которой ДШ максимальна, а ЧШ такая, при которой сохраняются динамичность и плавность движений. Таким образом, в процессе повышения скорости передвижения организация системы движений приближается к биомеханически целесообразному пределу, при котором еще сохраняется возможность удержания этой системы в оптимальной зоне функционирования. При этом следует отметить, что рост ЧШ хотя и вызывает рост скорости, но вместе с тем и повышает расход энергии. Большое повышение ЧШ сопровождается сокращением ДШ и приводит к снижению скорости. В связи с этим можно полагать, что наиболее рациональной скоростью передвижения будет та, при которой сохраняется линейная взаимосвязь между ДШ и ЧШ, что мы и наблюдаем в наших исследованиях. Так, рост величин ДШ на равнине происходит до достижения скорости передвижения 5 м/с у спортсменов I разряда, до 4,5 м/с - у II и 4,0 м/с - у III разряда.

Как видим, у лыжников различной квалификации имеется своя оптимальная скорость передвижения, выражающаяся в соотношениях длины и частоты скользящих шагов, при которых имеет место наибольшая ДШ, и если лыжник способен выдерживать более высокую скорость передвижения, то уже за счет перераспределения компонентов в сторону резкого увеличения ЧШ. Выявленные оптимальные скорости передвижения с учетом квалификации гонщиков совпадают с данными К.К. Цильмера, Ю.А. Кальюсто (1976), которые их определили на основании энергозатрат.

При сравнении величин ДШ и ЧШ у гонщиков различной квалификации на одинаковых скоростях (табл. 1) передвижения можно видеть, что у лыжников

I и II разрядов существенные различия по ДШ и ЧШ наступают только на более высоких скоростях передвижения. Эта же картина наблюдается и при сравнении

II и III разрядов. Однако, если у лыжников I и II и II и III разрядов имеются недостоверные различия по ДШ и ЧШ на указанных скоростях передвижения, то они достигаются за счет различного функционального напряжения. Так, при передвижении со скоростью 4 м/с ЧСС на финише составила у лыжников I разрядов 155,4 ± 1,4; у II - 172,2 ± 1,28 и у III - 183,6 ± 1,6 уд./мин. При анализе величин ЧШ при передвижении на оптимальных скоростях у лыжников всех разрядов не отмечено достоверных различий (табл. 2). Так, у спортсменов I разряда на скорости 5 м/с ЧШ составила 0,766 ± 0,07 цикл/с; у II разряда на скорости 4,5 м/с -0,749 ± 0,03 цикл/с; у III разряда на скорости 4,0 м/с -0,791 ± 0,04 цикл/с. Аналогичную тенденцию имеет и ЧСС, которая соответственно составила 179,4 ± 1,1;

182,4 ± 1,8 и 183,6 ± 1,6 уд./мин.

ФНЦ ВНИИФК

Теория и методика спорта высших достижений

5

Таблица 1

Показатели частоты и длины скользящих шагов у лыжников-гонщиков различной квалификации на различных скоростях передвижения в условиях равнины

Длина скользящего шага

Скорость, I разряд II разряд III разряд

м/с X Sx X Sx X Sx

3,0 5,22 0,09 4,85 0,2 4,6 0,2144

3,5 5,58 0,09 5,45 0,2 5,1 0,248

4,0 5,9 0,08 5,81 0,1 5,1 0,221

4,5 6,22 0,04 6,01 0,16 5,0 0,173

5,0 6,55 0,05 5,72 0,13 4,8 0,124

5,5 6,14 0,08 5,38 0,20 - -

6,0 5,77 0,09 - - - -

Частота скользящего шага

3,0 0,6 0,01 0,62 0,02 0,7 0,033

3,5 0,6 0,01 0,64 0,01 0,71 0,073

4,0 0,7 0,01 0,69 0,02 0,79 0,036

4,5 0,7 0,01 0,75 0,03 0,9 0,033

5,0 0,8 0,01 0,88 0,02 1,1 0,021

5,5 0,9 0,02 1,01 0,02 - -

6,0 1,0 0,02 - - - -

Таблица 2

Показатели частоты и длины скользящих шагов, ЧСС у лыжников-гонщиков различной квалификации на оптимальных скоростях передвижения в условиях равнины

Длина скользящих шагов

I разряд V-5 м/с II разряд V-4.5 м/с III разряд V-4 м/с

Статистич. показ. Статистич. показ. Статистич. показ.

X Sx X Sx X Sx

6,55 0,053 6,046 0,162 5,14 0,221

Частота скользящих шагов

0,766 0,007 0,749 0,031 0,791 0,03

Частота сокращений сердца

179,4 1,075 182,4 1,833 183,6 1,6

При анализе изменений ДШ и ЧШ на подъемах различной крутизны можно видеть те же особенности. Так, ДШ сначала увеличивается до определенной скорости передвижения в зависимости от квалификации лыжника. Однако по сравнению с передвижением по равнине ДШ возрастает менее существенно, причем ее максимальные величины достигаются при меньших скоростях. Так, увеличение ДШ у лыжников I разряда на подъеме 1-3° происходит до скорости 4,5 м/с, у II разряда - до 4,0 м/с и у III разряда - до 3,5 м/с; соответственно на подъеме 4-6° у I разряда - до 4 м/с, у II разряда - до 3,5 м/с и у III разряда - до 3-3,5 м/с; на подъеме 7-8 соответственно до 3,5-4,0 м/с, 3-3,5 м/с и до 3 м/с. При анализе величины ДШ и ЧШ на подъемах различной крутизны в связи с ростом скорости передвижения можно отметить следующее: с увеличением крутизны подъема у лыжни-

ков всех разрядов при передвижении на низких скоростях не отмечено достоверных различий в изучаемых величинах. Существенные различия в основном наступают на более высоких скоростях (табл. 3, 4). Это указывает на то, что совершенствование технического мастерства на низких скоростях передвижения, особенно у лыжников старших разрядов, не будет давать положительного эффекта, поскольку в данном случае не проявляются все технические параметры двигательной системы.

На основании анализа величин длины и частоты скользящих шагов на оптимальных скоростях передвижения у гонщиков различной квалификации можно отметить следующее: основное различие (р < 0,05) наблюдается в ДШ. Так, на подъеме 1-3° ДШ у лыжников I разряда на скорости 4,5 м/с составила 5,54 ± 0,118 м, у II разряда на скорости 4,0 м/с - 4,97 ± 0,12 и у III раз-

ФНЦ ВНИИФК

6

Теория и методика спорта высших достижений

ряда на скорости 3,5 м/с - 4,3 ± 0,05 м (табл. 4). Однако при сравнении величин ЧШ и ЧСС на данных скоростях у спортсменов различной квалификации достоверных различий этих показателей не наблюдается. Так, ЧШ на оптимальных скоростях составила: подъем 1-3° у I разряда - 0,812 ± 0,017 цикл/мин, у II разряда - 0,808 ± 0,02 и у III разряда - 0,815 ± 0,01 (р < 0,05), при этом ЧСС соответственно составила: у I разряда- 173,4 ± 1,4 уд./ мин,

у II разряда- 174,2 ± 1,94 и у III разряда - 178,1 ± 1,55 уд./мин, на подъеме 4 - 6° ЧШ соответственно составила: у I разряда на скорости 3,5 м/с - 0,844 ± 0,01, у II разряда на скорости 3,5 м/с - 0,894 ± 0,09 цикл/мин и у III разряда на скорости 3 м/с - 0,774 ± 0,009 цикл/ мин. ЧСС при этом сохраняет некоторую постоянную величину и составляет, так же, как и на равнине (при достижении оптимальной скорости), 170-180 уд./мин.

Таблица 3

Показатели частоты скользящих шагов у лыжников различной квалификации при передвижении с различной скоростью на подъемах различной крутизны

Скорость, м/с Подъем 1-3° Подъем 4-5° Подъем 7-8°

Частота шагов Частота шагов Частота шагов

I разряд II разряд III разряд

Статистич. показ. Статистич. показ. Статистич. показ.

X Sx X Sx X Sx

2,5 - - 0,67 0,010

3,0 0,693 0,017 0,73 0,012 0,75 0,009

3,5 0,723 0,013 0,77 0,015 0,18 0,010

4,0 0,756 0,09 0,80 0,021 1,008 0,011

4,5 0,812 0,016 0,97 0,025 - -

5,0 1,02 0,021 - - - -

Подъем 4-6° Подъем 4-6° Подъем 4-6°

2,5 - - 0,067 0,009 0,68 0,007

3,0 0,768 0,012 0,77 0,008 0,77 0,009

3,5 0,826 0,017 0,84 0,010 0,89 0,010

4,0 0,892 0,018 1,016 0,020 1,04 0,013

4,5 1,068 0,027 - - -

Подъем 7-8° Подъем 7-8° Подъем 7-8°

2,5 - - 0,68 0,010 0,07 0,007

3,0 0,771 0,017 0,79 0,016 0,79 0,012

3,5 0,832 0,017 0,88 0,009 0,98 0,013

4,0 0,948 0,020 1,08 0,011 - -

4,5 1,113 0,023 - - - -

Таблица 4

Показатели длины скользящих шагов у лыжников различной квалификации при передвижении с различной скоростью на подъемах различной крутизны

Скорость, м/с Подъем 1-3° Подъем 1-3° Подъем 1-3°

Длина шагов Длина шагов Длина шагов

I разряд II разряд III разряд

Статистич. показ. Статистич. показ. Статистич. показ.

X Sx X Sx X Sx

2,5 - - - - 3,75 0,06

3,0 4,34 0,099 4,08 0,068 3,984 0,05

3,5 4,84 0,090 4,53 0,084 4,3 0,05

4,0 5,30 0,064 4,97 0,120 3,96 0,04

4,5 5,54 0,118 4,598 0,085 - -

5,0 4,92 0,103 - - - -

ФНЦ ВНИИФК

Теория и методика спорта высших достижений

7

Окончание табл.

Подъем 4-6° Подъем 4-6° Подъем 7-8°

2,5 - - 3,7 0,034 3,67 0,03

3,0 3,91 0,067 3,87 0,044 3,87 0,05

3,5 4,234 0,094 4,186 0,055 3,9 0,04

4,0 4,498 0,097 3,94 0,077 3,82 0,05

4,5 4,2 0,112 - - - -

Подъем 7-8° Подъем 7-8° Подъем 4-8°

2,5 - - 3,68 0,034 3,61 0,38

3,0 3,92 0,087 3,8 0,082 3,76 0,05

3,5 4,21 0,087 3,97 0,45 3,575 0,04

4,0 4,23 0,083 3,71 0,037 - -

4,5 4,04 0,083 - - - -

На основании результатов исследования можно видеть, что у лыжников-гонщиков независимо от квалификации имеется некоторая постоянная величина ЧШ, которая позволяет в каждом конкретном случае достигать оптимальной длины скользящего шага, при этом скорость передвижения хотя и уменьшается (как мы видим на подъеме), однако функциональная напряженность остается во всех случаях в зоне оптимального функционирования.

Как показали исследования, определение влияния скорости передвижения на ЧШ и ДШ позволило выявить не только оптимальную скорость передвижения для каждой квалификации, но и соотношения длины и частоты скользящих шагов на данных скоростях. В этой связи представляется возможность управления становлением спортивно-технического мастерства посредством выработки оптимального темпа передвижения.

Исследование техники передвижения у лыжников различных разрядов на оптимальных скоростях передвижения и различной ЧШ позволяет отметить, что повышение ЧШ вызывает ряд изменений в кинематических и динамических характеристиках попеременного двух-шажного хода.

Наблюдается достоверное уменьшение временных характеристик в величинах отталкивания ногой и рукой, в 1 и 2 фазах скольжения и времени достижения максимума толчка.

При этом временные характеристики при повышении ЧШ на одной и той же скорости передвижения имеют тенденцию к уменьшению и достигают общепринятых стандартов высшего спортивного мастерства (Т.И. Раменская, 2000). Однако изменение временных показателей происходит по-разному и зависит от квалификации лыжника. Так, у лыжников III разряда наиболее существенные изменения данных величин наблюдаются только до 50 цикл/мин. Дальнейшее повышение частоты шагов вызывает нарушение структуры движений.

Исходя из полученных данных, можно отметить, что различное соотношение длины и частоты шагов при постоянной скорости передвижения не оказывает существенного влияния на угловые характеристики, угол постановки и отталкивания палкой. Несмотря

на постоянную скорость передвижения, характеристики скользящего шага в своем большинстве достоверно изменяются. Этот факт говорит о том, что на одной и той же скорости передвижения и увеличении ЧШ происходит значительная перестройка и компенсаторные изменения различных характеристик цикла хода, что в конечном итоге влечет за собой изменение двигательной системы в целом.

Повышение ЧШ вызывает изменение динамических характеристик при отталкивании рукой и ногой. Однако если уменьшение вертикальной и горизонтальной составляющей усилия при отталкивании рукой незначительно, то вертикальная составляющая усилия при отталкивании ногой уменьшается значительно у лыжников всех разрядов. Особого внимания заслуживают показатели величин опорной реакции в конце 1 фазы скольжения. Наименьшие величины наблюдаются при передвижении с оптимальной частотой шагов.

Так, опорная реакция в конце 1 фазы скольжения при передвижении со скоростью 5 м/с у лыжников I разряда составила: с ЧШ 80 шагов/мин - 83,8 ± 1,119 кг; 90 ша-гов/мин - 78,2 ± 0,717 кг; 100 шагов/мин - 74,0 ± 1,186 кг и с частотой 110 шагов/мин - 88,8 ± 10,94 кг.

Таким образом, на основании полученных результатов исследований можно сделать следующие выводы:

1. С возрастанием скорости передвижения ДШ возрастает до определенных величин, которые лимитируются темпом и уровнем квалификации лыжников.

2. Оптимальной скоростью передвижения как на равнине, так и подъемах различной крутизны можно считать такую, при которой еще удерживается однонаправленность изменений длины, частоты скользящих шагов и ЧСС. В стандартных условиях скольжения с соревновательной (оптимальной) скоростью передвижения на лыжах в условиях равнины показатели будут следующие: для лыжников I разряда - 5,0 м/с, для II разряда - 4,5 м/с, для III разряда - 4,0 м/с; на подъеме 1-3° соответственно 4,5; 4,0 и 3,5 м/с; на подъеме 4-6°-3,75; 3,25 и 3,0 м/с.

3. У лыжников-гонщиков различной квалификации имеется своя оптимальная ЧШ, при которой наблюдаются минимальные величины времени фаз периода

ФНЦ ВНИИФК

8

Теория и методика спорта высших достижений

скольжения и стояния, достижения максимальной силы отталкивания и минимальной величины опорной реакции в конце 1 фазы скольжения. Для гонщиков I разряда оптимальная ЧШ составляет 100 шагов/мин, для II разряда - 95 шагов/мин и для III разряда - 90 шагов/мин.

4. Сохранение оптимальной частоты шагов на различном рельефе соревновательной дистанции позволяет лыжникам достигать наиболее выгодной длины сколь-

жения и скорости передвижения при незначительном колебании пульса в пределах 170-180 уд./мин.

5. Использование эргономического подхода при решении педагогических задач спортивной тренировки позволяет выявить оптимальные пути управления спортивнотренировочной подготовкой лыжника-гонщика без значительного увеличения объема, интенсивности и времени тренировочных нагрузок.

Литература

1. Ермаков В.В., Гурский А.В., Шевцов В.С. Современные средства и методы специальной подготовки лыжника-гонщика: монография / В.В. Ермаков, А.В. Гурский, В.С. Шевцов. - Смоленск, СГАФКСТ,

2012. -146 с.

2. Цильмер К.К. и др. Сравнительный анализ техники попеременного двухшажного хода у спортсменов раз-

личного уровня подготовленности. - В кн.: Техническая подготовка лыжника / под ред. В.В. Ермакова. - Смоленск, 1976.

3. Раменская Т.И. Техническая подготовка лыжника. - М.: Физкультура и спорт, 2000.

References

1. Ermakov V.V., Gursky A.V., Shevtsov V.S. Modern tools and techniques of special training of a skier: monograph / V.V. Ermakov, A.V. Gursky, V.S. Shevtsov. - Smolensk, SGAFKST, 2012. - 146 p.

2. Tsilmer K.K. Comparative analysis of the technique of two-steps moving of athletes of different level of qualifi-

cation. - In the book: Technical training of a skier / ed. V.V. Ermakov. - Smolensk, 1976.

3. Ramenskaya T.I. Technical training of a skier. - M.: Physical Culture and Sports, 2000.

ФНЦ ВНИИФК