Биомеханический анализ техники бега на коньках

МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СПОРТА

БИОМЕХАНИЧЕСКИМ АНАЛИЗ ТЕХНИКИ БЕГА НА КОНЬКАХ

А.В. ВОРОНОВ, Ю.С. ЛЕМЕШЕВА, ФГБУ ФНЦ ВНИИФК, Государственный научный центр РФ Институт медико-биологических проблем Российской академии наук

Аннотация

С помощью метода высокоскоростной трехмерной видеосъемки зарегистрировали линейные и угловые кинематические характеристики при беге на коньках со старта, на прямой и повороте. Оказалось, что чем выше линейная скорость бега, тем больше максимальная угловая скорость в суставах толчковой ноги. Однако углы, при которых достигается максимальная угловая скорость, почти не меняются, несмотря на увеличение линейной скорости бега. Статистическая обработка результатов кинематического анализа показала, что существуют достоверные связи между максимальной угловой скоростью в суставах и линейной скоростью бега на коньках. Для бега на прямой статистически значимая связь появляется в диапазоне скоростей 11,5-13,0 м/с для тазобедренного и коленного суставов. При беге на повороте статистические связи различной силы присутствуют на всем диапазоне скоростей от 11 до 16 м/с.

Ключевые слова: конькобежный спорт, биомеханический анализ, углы в суставах.

Abstract

Using method of hi-speed 3D video recording, linear and angular kinematic characteristics in skating from start, on linear and curved section has been registered. It is shown than the higher linear velocity, the higher peak angular velocity in pushing leg joints. However angles on which maximum speed is achieved remains almost constant, despite linear velocity increase. Statistical analysis of kinematic data reveals that there are significant interrelations between peak angular velocity in joints and linear skating speed. For linear skating statistically significant correlation appears at 11,5-13,0 m/s for coxofemoral and knee joints. On curved section, correlation of different strength appears in speed range 11-16 m/s.

Key words: skating, biomechanical analysis, joint angles.

Введение

Спортивный результат является интегральным показателем, зависящим от многих факторов, в том числе: от физических качеств, психологической, тактической и технической подготовленности на время проведения соревнований. Вклад каждого из перечисленных выше факторов в результат зависит от вида спорта. Изменение конструкции беговых коньков способствовало «вовлечению» в отталкивание разгибателей голеностопного сустава. В коньках старой конструкции завершение отталкивания происходило при угле в коленном суставе около 160°. В коньках с подвижным креплением ботинок-лезвие угол разгибания в коленном суставе составляет 170-175°. Таким образом, изменение конструкции спортивного инвентаря привело к увеличению времени приложения силы разгибателей коленного сустава [1].

Цель исследования - определение кинематических параметров техники бега на коньках методом трехмерной видеосъемки при разной скорости бега.

Задачи исследования:

1. Получить новые знания о современной технике бега на коньках (старт, прямая, поворот).

2. Построить регрессионные зависимости между линейной скоростью бега и угловой кинематикой в зависимости от скорости бега.

3. Определить «ведущие» суставы, обеспечивающие прирост скорости бега.

Методика регистрации трехмерных координат тела, контингент испытуемых, особенности проведения исследования, регистрируемые параметры представлены в предыдущей статье [2].

Результаты биомеханического анализа техники бега на прямой

Линейные кинематические характеристики при беге на прямой. По результатам антропометрических измерений [3] с помощью регрессионной модели рассчитывали масс-инерционные характеристики сегментов тела

спортсмена - массы сегментов и положение центров масс сегментов относительно проксимальных суставов. Зная трехмерную кинематику бега на коньках, были рассчитаны положения ЦМ сегментов, скорости общего центра масс (ОЦМ) по трем осям инерциального базиса. На рис. 1 представлены скорости ОЦМ при разбеге на 500 м (первые 100 м). В начале одноопорной фазы отталкивания (начало и конец фазы обозначены как 1 и 3) скорость ОЦМ конькобежца возрастает на 0,8 м/с. Затем, к концу фазы одноопорного отталкивания (кинето-граммы 2 и 3) скорость бега снижается на 0,3 м/с.

При разгибании толчковой ноги в двухопорной фазе (точки 3 и 4) продольная скорость по оси YИ (положение оси представлено на рис. 2 [2]), а также скорость ОЦМ возрастают на 0,3 и 0,6 м/с соответственно (рис. 1, верхний). Увеличение вектора скорости ОЦМ в двухопорной фазе связано с тем, что вектор есть сумма продольной и поперечной скоростей (вертикальной скоростью в силу ее малости пренебрегаем). При завершении фазы отталкивания в свободном прокате вследствие действия аэродинамических сил и сил трения скольжения (тормозящие силы) скорость бега снижается на 0,3 м/с.

•« м

5 13,5 £

13,0

5 О

12,5

12,0

Скорости ОЦМ модели тела А. Раз-ва при беге на прямой

ш 1 -х-х-х-^^С

0/

0,1

0,2

Скорость ОЦМ по оси У

0,3 0,4 0,5

Время шага (с) — Вектор скорости в ОЦМ

0,6

0,7

2,0 ^ 2

1,0

0,0

-2,0

0,8

Скорость ОЦМ по оси X

Рис. 1. Верхний график - внутрицикловые скорости ОЦМ по осям инерциального базиса при беге на прямой. Нижний - кинетограммы, обозначенные на вернем графике цифрами

а

Медико-биологические проблемы спорта

При беге на коньках присутствуют кинематические ограничения, связанные с наличием скользкой опоры. Минимальная сила трения, действующая вдоль лезвия конька, приводит к тому, что конькобежец вынужден прикладывать силу почти перпендикулярно лезвию конька. Продольная составляющая реакции опоры появляется при условии разворота толчкового конька к генеральному направлению движения. Поворот опорного конька осуществляется при завершении одноопорного отталкивания (приблизительно между точками 2 и 3, рис. 1). Это приводит к тому, что конькобежец (по сравнению с легкоатлетом) проигрывает в пути, но выигрывает в амплитуде и времени приложения силы. Поперечная скорость увеличивается в фазе двухопор-ного отталкивания. Отрицательное значение поперечной скорости связано с тем, что при отталкивании правой ногой спортсмен смещается в центр круга против положительного направления оси XИ (рис. 2 [2]). Максимум поперечной скорости (около 2 м/с) достигается при завершении двухопорного отталкивания (точка 4 на рис. 1, верхний).

Статистический анализ кинематических характеристик в зависимости от скорости бега на прямой. Двигательный аппарат человека устроен таким образом, что осуществляются только вращательные движения в суставах. Вращательные движения трансформируются в линейную кинематику. Можно предположить, что существуют определенные соотношения между продольной скоростью ОЦМ и угловыми скоростями. Регрессионный анализ кинематических параметров бега на коньках показал, что при беге на прямой присутствует диапазон скоростей, в котором наблюдаются статистические связи между максимальной угловой скоростью в суставах толчковой ноги и средней внутрицикловой скоростью ОЦМ. Увеличение линейной скорости бега сопровождается приростом максимальной угловой скорости разгибания в тазобедренном суставе толчковой ноги почти в два раза (рис. 2). При скорости бега меньше 11,5 м/с не наблюдается статистической связи между линейной кинематикой и максимальной угловой скоростью в тазобедренном суставе.

Угол-угловая скорость разгибания бедра в тазобедренном суставе толчковой ноги

з 190

180

170

160

150

500

400

300

200

10,0

г 10,5

I

12,5

100

13,0

11,0 11,5 12,0

Средняя скорость в шаге (м/с) а Угол, при котором достигается максимальная угловая скорость • Максимальная угловая скорость

Рис. 2. Максимальная угловая скорость разгибания бедра в тазобедренном суставе и угол ее достижения при беге на прямой с различной скоростью. Статистическая связь между скоростью бега и максимальной угловой скоростью разгибания бедра г = 0,77. Угол в тазобедренном суставе отсчитывается от вертикали

Слабая статистическая связь (г = 0,56) присутствует между углом отведения бедра в тазобедренном суставе толчковой ноги и скоростью бега (рис. 3). Так, при скорости бега 13 м/с угол отведения бедра (направление отсчета дано на рис. 5 [2]), при котором достигается максимальная угловая скорость, около 210°. На уровне тенденции можно считать, что увеличение угловой скорости отведения бедра связано с приростом скорости бега на прямой (г = 0,36).

В коленном суставе толчковой ноги при скорости бега меньше 11,5 м/с отсутствует статистическая связь между максимальной угловой скоростью и продольной

скоростью ОЦМ (рис. 4). При увеличении линейной скорости бега на 2 м/с максимальная угловая скорость в коленном суставе возрастает почти в 1,5 раза - с 300 до 440 градусов/с.

Кинематические параметры сгибания-разгибания, отведения-приведения в голеностопном суставе не имеют статистической связи с внутрицикловой скоростью бега на прямой.

В тазобедренном и коленном суставах не наблюдается достоверной связи между углами разгибания, при которых достигается максимальная угловая скорость, и линейной скоростью ОЦМ (рис. 2-4). Только в тазо-

бедренном суставе наблюдается слабая зависимость между углом отведения и скоростью бега (рис. 3, г = 0,56). Отсутствие связи означает, что профиль техники бега на коньках может быть индивидуальным (форма и высота посадки, суставная амплитуда и другие кинематические параметры). Для увеличения скорости бега необходимо

осуществлять мышечную работу, мощность которой (зависит от угловой скорости) и влияет на линейную скорость ОЦМ. В тазобедренном и коленном суставах толчковой ноги между максимальной угловой скоростью разгибания и линейной скоростью ОЦМ присутствует статистическая связь в диапазоне 0,77 < г = 0,87.

Угол-угловая скорость отведения бедра в тазобедренном суставе толчковой ноги

240

225 -

210 - --•-

195 -

180

260

220

180

140

100

10,0

10,5

12,5

11,0 11,5 12,0

Средняя скорость в шаге (м/с) ^ Угол, при котором достигается максимальная угловая скорость  Максимальная угловая скорость

13,0

Рис. 3. Максимальная угловая скорость отведения бедра в тазобедренном суставе и угол ее достижения при беге на прямой с различной скоростью. Статистическая связь между скоростью бега и максимальной угловой скоростью отведения бедра: г = 0,36, между углом и скоростью г = 0,56

Угол-угловая скорость разгибания в коленном суставе толчковой ноги

Средняя скорость в шаге (м/с) а Угол, при котором достигается максимальная угловая скорость • Максимальная угловая скорость

Рис. 4. Максимальная угловая скорость разгибания в коленном суставе и угол ее достижения при беге на прямой с различной скоростью. Статистическая связь между скоростью бега и максимальной угловой скоростью в коленном суставе и скоростью бега наблюдается при скоростях более 11,5 м/с

Результаты биомеханического анализа техники бега по повороту

Линейные кинематические характеристике при беге по повороту. На рис. 5 представлены скорости ОЦМ по осям инерциального базиса при беге по повороту Д. Лоб-ва. В начале выполнения отталкивания левой ногой на повороте продольная скорость ОЦМ падает почти на 1 м/с (обозначено на рис. 5, верхний, цифрами 1 и 2). Затем, за счет активного разгибания в голеностопном суставе (преимущество «клапа» по сравнению с коньками старой конструкции) скорость ОЦМ увеличивается на 0,7 м/с

(точки 2 и 3). В фазе свободного проката скорость падает на 0,5 м/с (точки 3 и 4). После чего при выполнении отталкивания правой ногой снова возрастает на 0,5 м/с (точки 4 и 5).

Поперечная скорость спроецирована на оси инерци-ального базиса (рис. 2, [2]). Ось ХИ направлена от центра круга наружу (по направлению центробежной силы). Поэтому когда поперечная скорость ОЦМ положительна, сила отталкивания слабее центробежной силы и спортсмена «выносит» наружу круга (точки 1 и 2 на рис. 5). Если скорость по оси ХИ отрицательная - спортсмен

16,0

6 15,0

5

=Г О

I

а 13,0

12,0

Скорости ОЦМ модели тела Д. Лоб-ва при беге по повороту

Ш @ 13

ш 7 Х-Х-Х- Х-Х'

-\- - - - - - - - -V

0,1

—х— Скорость ОЦМ по оси У

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Время шага (с) - Скорость ОЦМ по оси X —о— Вектор скорости в ОЦМ

3,0

-6,0

0,9

- Скорость ОЦМ по оси 7.

Б Ч! ^

Рис. 5. Верхний график - внутрицикловые скорости ОЦМ по осям инерциального базиса при беге по повороту. Нижний - кинетограммы, обозначенные на вернем графике цифрами. Первый на кинетограммах - Д. Лоб-ов

движется вовнутрь круга, против оси XИ (точки 3-5), т.е. сила отталкивания больше, чем центробежная сила.

Статистический анализ результатов биомеханических исследований техники бега по повороту показал, что:

- в отличие от бега на прямой при беге по повороту на всем диапазоне от 11 до 16 м/с наблюдается зависимость между максимальной скоростью разгибания в тазобедренном суставе толчковой ноги и линейной скоростью ОЦМ (рис. 6, г = 0,46);

- наблюдается слабая статистическая связь (г = 0,46) между максимальной угловой скоростью отведения бедра в тазобедренном суставе, углом ее достижения и скоростью бега (рис. 7);

- слабая статистическая связь присутствует между максимальной скоростью разгибания в коленном суставе и линейной скоростью бега (г = 0,40, рис. 8);

- угловые кинематические параметры сгибания-разгибания, отведения-приведения в голеностопном суставе не имеют статистической связи с внутрицикловой скоростью бега по повороту.

Кинематические параметры при беге со старта. Были исследованы линейные скорости ОЦМ при старте. Результаты исследования представлены на рис. 9. В отличие от легкоатлетического старта в коньках присутствует

элемент скольжения. Это приводит к тому, что линейная скорость ОЦМ зависит не только от скорости разгибания толчковой ноги, но и силы отталкивания. Кинематическое условие продвижения конькобежца вперед на старте - разворот опорного конька к генеральному направлению движения. Величина продвигающей вперед силы зависит от угла разворота опорного конька. Чем сильнее развернут конек, тем больше проекция силы отталкивания на ось УИ. Скорость разгибания ноги ограничена скоростно-силовыми проявлениями двигательного аппарата нижних конечностей. Следовательно, чтобы развить большую скорость, необходимо увеличить время приложения силы, т.е. отталкиваться скользящим коньком. На рис. 9 показано, что за счет первых двух стартовых шагов (обозначено цифрами 1 и 2) можно увеличить линейную скорость ОЦМ до 4-5 м/с (скорость растет постоянно). Затем, в диапазоне от 5 до 7,5 м/с скорость возрастает по синусоиде. Профиль нарастания скорости напоминает колебания скорости ОЦМ при нормальной ходьбе (падение в переднем толчке и увеличение в заднем толчке [4]). Начиная с седьмого шага (1 > 2 с, рис. 9) линейная скорость почти перестает нарастать -конькобежец вынужден переходить от «беговых» шагов к «скользящим» шагам.

Угол-угловая скорость разгибания бедра в тазобедренном суставе толчковой ноги

Средняя скорость в шаге (м/с) ± Угол, при котором достигается максимальная угловая скорость • Максимальная угловая скорость

Рис. 6. Максимальная угловая скорость разгибания бедра в тазобедренном суставе и угол ее достижения при беге по повороту с различной скоростью. Статистическая связь между скоростью бега и максимальной

угловой скоростью разгибания бедра: г =0,46

Угол-угловая скорость отведения бедра в тазобедренном суставе толчковой ноги

240

225

210

10,0 12,0 13,0 14,0

Средняя скорость в шаге (м/с) а Угол, при котором достигается максимальная угловая скорость

240 р

195

150

105

15,0 16,0

Максимальная угловая скорость

Рис. 7. Максимальная угловая скорость отведения бедра в тазобедренном суставе и угол ее достижения при беге по повороту с различной скоростью. Статистическая связь между скоростью бега и максимальной

угловой скоростью отведения бедра: г=0,46

Угол-угловая скорость разгибания бедра в коленном суставе толчковой ноги

Средняя скорость в шаге (м/с) ^ Угол, при котором достигается максимальная угловая скорость • Максимальная угловая скорость

Рис. 8. Максимальная угловая скорость разгибания в коленном суставе и угол ее достижения при беге по повороту с различной скоростью. Статистическая связь между скоростью бега и максимальной угловой скоростью в коленном суставе: г = 0,40

Медико-биологические проблемы спорта

Скорости ОЦМ модели тела А. Ан-ва при стартовом разбеге

10,0

5

=Г О

7,5

5,0

2,5

Дхх> к.

а гГх ¿Л

\ х/" Г 0 Ш \

/

0,0 0,5 1,0 1,5

Время шага

—х— Скорость ОЦМ по оси У -Вектор скорости в ОЦМ

2,0

Скорость ОЦМ по оси X

3,0 ^ г

>Г

г я о

1,5 о

0,0

-1,5

-3,0

2,5

Рис. 9. Линейные кинематические характеристики при стартовом разбеге А. Ан-ва

Результаты

1. Результаты кинематического анализа при беге на прямой. При беге на коньках присутствуют кинематические ограничения, связанные с наличием скользкой опоры. Минимальная сила трения, действующая вдоль лезвия конька, приводит к тому, что конькобежец вынужден прикладывать силу перпендикулярно лезвию конька. Для того, чтобы конькобежец двигался с минимальным вертикальным перемещением, должно выполняться опре-

деленное соотношение между углом наклона толчковой ноги и ее длиной. Продольная составляющая реакции опоры появляется при условии разворота толчкового конька к генеральному направлению движения. Это приводит к тому, что конькобежец (по сравнению с легкоатлетом) проигрывает в пути, но выигрывает в амплитуде и времени приложения силы. Внутрицикловая скорость общего центра масс увеличивается в начале одноопорно-го отталкивания, в конце снижается и снова возрастает

в двухопорном отталкивании (рис. 1). В продольном направлении колебания скорости общего центра масс лежат в пределах 1 м/с. В поперечном направлении колебания скорости общего центра масс лежит в диапазоне ±2 м/с.

Статистический анализ фазовых траекторий показал, что:

- при скорости бега меньше 11,5 м/с не наблюдается связи между линейной кинематикой и максимальной угловой скоростью разгибания в тазобедренном суставе. Такая связь (г = 0,77) появляется при увеличении скорости выше 11,5 м/с (рис. 2);

- наблюдается слабая статистическая связь (г = 0,56) между углом отведения бедра в тазобедренном суставе и скоростью бега (рис. 3). Чем выше скорость бега, тем больше бедро отводится в сторону. На уровне тенденции можно рассматривать связь между угловой скоростью отведения бедра и линейной скоростью ОЦМ (г = 0,36, рис. 3);

- при скорости бега меньше 11,5 м/с не наблюдается статистической связи между максимальной скоростью разгибания в коленном суставе и линейной скоростью бега. При увеличении линейной скорости бега на 2 м/с максимальная угловая скорость в коленном суставе возрастает почти в 1,5 раза - с 300 до 440 градусов/с (рис. 4) и имеет хорошую статистическую связь с линейной скоростью (г = 0,87). Угол, при котором достигается максимальная угловая скорость, статистически не связан со скоростью бега и находится в диапазоне 125-135°; в голеностопном суставе углы сгибания-разгибания и отведения не имеют статистической связи с внутри-цикловой скоростью бега.

При беге на прямой внутрицикловая скорость общего центра масс тела конькобежца снижается во время свободного проката на 0,1-0,3 м/с (следствие действия сил аэродинамического сопротивления и трения скольжения). В фазе одноопорного отталкивания продольная скорость общего центра масс сначала возрастает (на 0,3-0,8 м/с), к концу фазы немного снижается (приблизительно на -0,3 м/с) и снова возрастает при разгибании толчковой ноги в двухопорной фазе (+0,8 м/с). Следовательно, мнение о том, что в двух-опорном отталкивании скорость бега падает, не совсем оправданно.

2. Результаты кинематического анализа бега по повороту. Внутрицикловая скорость общего центра масс в продольном направлении меняется в пределах 1 м/с (рис. 5). В поперечном направлении колебания скорости общего центра масс лежит в диапазоне от +1 до -3 м/с. Статистический анализ результатов биомеханических исследований техники бега по повороту показал, что:

- в отличие от бега на прямой при беге по повороту на всем диапазоне от 11 до 16 м/с просматривается за-

висимость скорости разгибания в тазобедренном суставе толчковой ноги и линейной скоростью бега (рис. 6, г = 0,46);

- наблюдается слабая статистическая связь (г = 0,46) между максимальной угловой скоростью отведения бедра в тазобедренном суставе, углом ее достижения и скоростью бега (рис. 7);

- слабая статистическая связь присутствует между максимальной скоростью разгибания в коленном суставе и линейной скоростью бега (г = 0,40, рис. 8);

- угловые кинематические параметры сгибания-разгибания, отведения-приведения в голеностопном суставе не имеют статистической связи с внутрицикловой скоростью бега по повороту.

При беге по повороту увеличение продольной скорости бега происходит при разгибании толчковой ноги (правой или левой) и может достигать до +1,0 м/с.

3. Максимальные продольные скорости достигаются при беге по повороту до 16 м/с, при беге на прямой - не более 14 м/с. Поперечные скорости (как при беге на прямой, так и при беге по повороту) - не более 3 м/с.

4. Результаты анализа кинематики общего центра масс конькобежца при беге со старта. При легкоатлетическом старте скорость движения общего центра масс зависит от скорости разгибания толчковой ноги. Скоростно-силовые проявления двигательного аппарата нижних конечностей зависят в том числе и от такого труднотренируемого физического качества, как быстрота. Поэтому результаты в легкоатлетических спринтерских дисциплинах растут очень медленно.

При беге на коньках отталкивание осуществляется скользящим коньком, поэтому конькобежец проигрывает легкоатлету в пути, но выигрывает по времени и величине приложения силы. Биомеханическим условием появления продольной составляющей силы отталкивания является разворот конька толчковой ноги по отношению к генеральному направлению движения. Первые шаги на старте конькобежец делает по типу «беговых» шагов легкоатлета с сильно отведенными наружу стопами. К седьмому шагу (приблизительно на второй секунде разбега) продольная скорость общего центра масс конькобежца достигает 7,5 м/с. При достижении такой скорости необходимо переходить от «беговых» шагов к «скользящим», так как скорости разгибания толчковой ноги недостаточно для увеличения линейной скорости движения общего центра масс (рис. 9).

5. Чем выше максимальная угловая скорость в коленном суставе толчковой ноги, тем быстрее спортсмен переходит от «беговых» к «скользящим» шагам; разница по времени достижения «критической» скорости, равной 7,5 м/с, в зависимости от квалификации спортсменов может составлять 1 с.

Литература

1. Пильщикова Е.А. Теоретико-методическое обоснование эффективной техники скоростного бега на коньках: автореф. дис. ... канд. пед. наук. - М., 1999. - 25 с.

2. Воронов А.В., Лемешева Ю.С. Применение трехмерной методики регистрации локомоций в видах спорта с большой длиной шага (на примере бега на коньках) // Вестник спортивной науки. - 2012. - № 2. - С. 30-38.

3. Зациорский В.М. Биомеханика двигательного аппарата человека / В.М. Зациорский, А.С. Аруин, В.Н. Селуянов. - М.: Физкультура и спорт, 1981. - 140 с.

4. Вукобратович М. Шагающие роботы и антропоморфные механизмы. / М.: Мир, 1976. - 541 с.

References

1. Pilshikova E.A. Theoretical and methodical substantiation of effective speed skating technique: autoref. thesis of candidate of pedagogic sciences. - M., 1999. - 25 p.

2. Voronov A.V., Lemesheva Ju.S. Application of three-dimensional methodics for locomotion registration in sports with long stride (on example of skating) // Vestnik spor-tivnoi nauki. - 2012. - № 2. - P. 30-38.

3. Zatziorsky V.M., Arum A.S., Seluyanov V.N. Biomechanics of locomotor system in human. - M.: Fizkultura i sport, 1981. - 140 p.

4. Vukobratovich M. Legged robots ant antropomorphous mechanisms. - M.: Mir, 1976. - 541 p.

Работа выполнена по гранту НИР Министерства спорта, туризма и молодежной политики «Разработка биомеханических характеристик техники бега на коньках для моделирования рекордных скоростей бега спортсменов сборной команды России», 2010 г.