Биомеханический анализ техники выполнения рывка современными тяжелоатлетами высокой квалификации с использованием скоростной видеосъемки и математического моделирования

БИОМЕХАНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕХНИКИ ВЫПОЛНЕНИЯ РЫВКА СОВРЕМЕННЫМИ ТЯЖЕЛОАТЛЕТАМИ ВЫСОКОЙ КВАЛИФИКАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СКОРОСТНОЙ ВИДЕОСЪЕМКИ И МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Л.А. ХАСИН, НИИТ МГАФК, Малаховка

Аннотация

Проведен биомеханический анализ техники выполнения рывка классического на основе математического моделирования и скоростной видеосъемки. Показано, что за последние три десятилетия произошли заметные изменения в технике сильнейших российских и зарубежных тяжелоатлетов. Получены оценки пространственно-временных, кинематических и динамических характеристик рывка.

Ключевые слова: биомеханический анализ, математическое моделирование, техника выполнения тяжелоатлетических упражнений, скоростная видеосъемка.

Abstract

The biomechanical analysis of technology of performance of classical snatch on the basis of mathematical modeling and high-speed video filming is carried out. It is shown that for the last three decades there were noticeable changes in technique of the strongest Russian and foreign weightlifters. Estimates of existential, kinematic and dynamic characteristics of breakthrough are received.

Keywords: biomechanical analysis, mathematical modeling, technology of performance of heavy athletics exercises, high-speed video filming.

Актуальность

Используемые в настоящее время программы подготовки специалистов и спортсменов в тяжелой атлетике основываются главным образом на результатах исследований, проведенных в 70-х - начале 80-х гг. прошлого века на кафедрах тяжелой атлетики спортивных вузов. Для анализа технического мастерства тяжелоатлетов были разработаны комплексные инструментальные методики, которые позволяли измерять пространственно-временные, кинематические и динамические характеристики движения, в том числе суставные углы, перемещение и скорость движения штанги, силу взаимодействия спортсмена с опорой и др. Была разработана фазовая структура тяжелоатлетических упражнений и модельные характеристики рациональной техники. В свое время результаты этих исследований явились важным научно-практическим достижением в области спорта. В то же время описанные в литературе тех лет методики оценивания техники спортсменов имеют некоторые весьма существенные недостатки. К ним следует отнести: необходимость использования датчиков, которые крепятся непосредственно на спортсмене или штанге; относительно невысокую точность измерения регистрируемых параметров; низкую точность расчетных характеристик движений; невозможность бесконтактной регистрации характеристик движения и использования в условиях соревнований.

Еще одним серьезным недостатком этих методик является то, что для спортсменов высокой квалификации использовались усредненные модельные характеристики, отражающие не индивидуальные, а групповые тенденции. Попытки усовершенствования

методики за счет использования бытовых видеокамер, скорость которых не превышала 50 кадров в секунду, не увенчались успехом, поскольку при этой скорости съемки понизилась точность регистрации (ошибка измерений может составлять 100%) и, соответственно, ухудшилась точность расчета кинематических и динамических характеристик вплоть до изменения характера кривых скорости штанги и усилий, приложенных к штанге [1, 2].

Проведенные в Научно-исследовательском институте информационных технологий Московской государственной академии физической культуры (НИИТ МГАФК) в 2011-2014 гг. исследования показали, что техника спортсменов высокой квалификации в прежние годы и сейчас существенно отличается [3-6]. Произошедшие изменения практически не отражены в научно-методической литературе и не учитываются при анализе техники спортсменов высокой квалификации. Также изменились представления о двигательных ошибках. Возникла парадоксальная ситуация - появились основания оценивать как «эффективные» те элементы движений, которые ранее оценивались как «ошибки». Можно предположить, что произошло естественное развитие техники выполнения тяжелоатлетических упражнений. Другими словами, теория отстала от спортивной практики. Соответственно, представления о рациональной технике выполнения тяжелоатлетических упражнений, возникшие в 70-80-е годы XX века, не должны использоваться в настоящее время.

Задача исследования: биомеханический анализ техники выполнения рывка тяжелоатлетами высшей квалификации.

Методы исследования, методики регистрации и анализа данных, методики расчета кинематических и динамических характеристик движения

Скоростная видеосъемка

Программное обеспечение, позволяющее осуществлять маркировку от кадра к кадру нужных точек видеоряда и масштабирование (MaxTrak).

Методики расчета кинематических и динамических характеристик движения штанги.

Анализ видеоряда

Программное обеспечение, связывающее значения кинематических и динамических характеристик движения штанги с видеорядом.

Математическое моделирование движения штанги.

Как правило, мы использовали съемку с частотой 250-500 кадров в секунду.

Ускорение и скорость рассчитывались по перемещению конца грифа. Для решения этой задачи нами был разработан эвристический алгоритм (Бурьян С.Б., Иоффе М.Л., Хасин Л.А.) и соответствующее программное обеспечение. В основе алгоритма лежала аппроксимация экспериментально полученных У-координат конца грифа полиномами третьей степени в скользящих окнах различной ширины. Ширина окон подбиралась в соответствии с близостью результатов расчета с теоретическими

значениями ускорения, скорости и перемещения в различные моменты времени, а также с результатами ранее проведенных исследований и анализа видеограммы.

Расчет скорости и ускорения перемещения конца грифа производился также по результатам аппроксимации перемещения штанги полиномами пятой степени.

Для определения ускорения концов грифа штанги также использовалась математическая модель. В качестве модели штанги была взята упругая балка.

Результаты исследования

Проведем анализ техники выполнения рывка классического одного из лучших современных российских тяжелоатлетов А. И-ва с использованием видеоряда, полученного по результатам съемки с частотой 250 кадр/с, и кривых вертикального и горизонтального ускорения и вертикальной и горизонтальной скорости, полученных расчетным путем. Вес штанги - 170 кг. Съемка проводилась на учебно-тренировочном сборе.

Наш анализ начнем с описания кривой вертикального ускорения ау (Ь) (рис. 1), вертикальной скорости юу (р) (рис. 2), и соответствующего им видеоряда (рис. 3).

Дадим краткое описание фазовой структуры:

Кадры 59-200 - предварительный разгон (момент отрыва штанги от помоста - выпрямление ног, сохранение накрытия штанги).

250

300

350 400

Кадры

Рис. 1. График ускорения штанги по вертикали

_ С*) _

.о 2

-1

X: 15 У: 1,! К V

>4

300 400

Кадры

0 100 200 Рис. 2. График скорости штанги по вертикали

X

Кадры 200-239 - фаза амортизации (выпрямление спины, сгибание в коленном суставе).

Кадры 239-274 - финальный разгон (от окончания фазы амортизации до выпрямления тазобедрен-

ного и коленного суставов, максимального вставания на носки).

Кадры 230-251 - отбив штанги.

Кадры 274-322 - безопорный подсед (начало -момент прекращения взаимдействия с опорой, окончание - момент создания взаимодействия с опорой).

Точка 1 соответствует моменту отрыва штанги (кадр 59 на рис. 3). Эту точку принимаем за начало отсчета. Здесь t = 0, а = 0,03. Все физические величины представлены в единицах системы СИ (время - с, ускорение - м/с2). Следует отметить, что кривая ускорения может быть использована для анализа, поскольку вертикальная сила, прикладываемая к штанге, линейно связана с ускорением последней (тау = Гу - mg).

Точка 2 (рис. 1) - первый максимум ускорения, кадр 113 (рис. 3), t = 0,216; а = 5,2. Время достижения первого максимума силы равно 0,216. Для данного спортсмена это характерное время достижения первого максимума силы: Гу = mg + 5,2 т.

Кадр 182 Кадр 200 Кадр 219

Рис. 3. Видеоряд, соответствующий кривой вертикального ускорения

Кадр 230

Кадр 239

Кадр 251

Кадр 260

Кадр 274

Кадр 280

Кадр 285 Кадр 322

Рис. 3 (продолжение). Видеоряд, соответствующий кривой вертикального ускорения

Точка 3, кадр 155. Как видно на рис. 1, ускорение уменьшается до а = 1,96. Перемещение снаряда на участке 2-3 происходит за счет разгибания голеностопного, коленного и тазобедренного суставов. При этом угол наклона туловища к горизонту не меняется. Значительное уменьшение ускорения штанги и, соответственно, силы связано с тем, что спортсмен разогнал штангу до скорости = 1,24 (рис. 2, кадр 155).

Скорость штанги увеличилась, сила, прикладываемая к ней, уменьшилась. Это соответствует данным литературы: проявляется обратная зависимость между силой, приложенной к штанге, и скоростью ее перемещения при выполнении произвольного движения (вставания со штангой) с максимальной мощностью. Между точками 3 и 4 (кадр 182) происходит некоторое увеличение ускорения.

Анализ видеоряда показывает, что увеличение ускорения (силы) связано с приближением штанги к спортсмену, что в свою очередь приводит к уменьшению плеча сил тяжести и инерции относительно голеностопного, коленного и тазобедренного суставов.

Точка 6 (кадр 219) характеризуется практически полным прекращением (а = -9,4) взаимодействия спортсмена со штангой. Время взаимодействия спортсмена со штангой, в течение которого а не превышает 5 м/с2, составляет не более 0,5 с. Спортсмен меняет позу, после чего сила взаимодействия спортсмена со штангой сильно увеличивается. Максимальное значение соответствует кадру 239, максимальное ускорение - 23,9.

Рассмотрим подробнее, что происходит между кадрами 182 и 239. С кадра 200 (точка 5 на рис. 1) начинается фаза амортизации, которая продолжается до точки 7 (кадр 230). Длительность фазы амортизации - 0,12 с. В этой фазе происходит сгибание коленного сустава спортсмена. Сила взаимодействия меняется практически от веса штанги до 1,36 веса штанги, причем в точке 6, как уже отмечалось, сила взаимодействия практически равна 0. Между точками 5 и 6 (рис. 1) сила, с которой спортсмен действует на штангу, убывает, а от точки 6 до точки 7 возрастает. Убывание происходит за счет сгибания в коленном суставе, при возрастании силы взаимодействия с одной стороны происходит торможение в коленном суставе, с другой - мощное разгибание в тазобедренном суставе. В середине фазы амортизации спортсмен отрывает пятки. Положение, соответствующее кадру 230 (точка 7) - отбив штанги. Происходит мощное разгибание коленных и тазобедренных суставов и отбив штанги спортсменом от себя, в результате чего возникает большая вертикальная сила, равная ¥ = mg + т х 23,9. Согласно графику (рис. 1), время отбива составляет 0,036 с. То есть можно сделать вывод, что взаимодействие в точке 7 является ударом. Сила, приложенная к штанге, достигает значений, превышающих 5000 Н. После отбива штанги в течение следующих 0,048 с вертикальная сила падает практически до веса штанги.

В момент отбива возникает большая вертикальная сила, которая уменьшает силу, действующую вдоль рук, до веса штанги (точка 9, кадр 251). В точке 10 (кадр 260) вертикальная сила становится приблизительно равна

двум весам штанги. После этого спортсмен начинает уходить в подсед и в точке 11 (кадр 274) сила взаимодействия спортсмена со штангой становится равна 0.

Кадр 280 - точка 12 на рис. 1 - отрыв стопы, начало безопорной фазы. Сила взаимодействия спортсмена со штангой увеличивается, спортсмен прикладывает силу, направленную вверх, одновременно отталкиваясь при этом от штанги. Вертикальная сила, приложенная к штанге, становится равной 500 Н (точка 13). Соответственно, сила, с которой спортсмен отталкивается от штанги, равна -500 Н. В результате такого взаимодействия время достижения помоста спортсменом уменьшается, а штанги - увеличивается. Последнее способствует более успешной фиксации снаряда.

Кадр 303 (точка 14) - начало переключения от безопорной к опорной фазе. Кадр 310 (точка 15) - окончание фазы переключения. Спортсмен прекращает взаимодействие со снарядом, а = g. Затем в зоне точек 15-16 повисает на грифе и создает ускорение около -12,9.

Следующая фаза (кадр 322, точка 16) - начало фазы опорного подседа, в процессе которого создается сила, направленная вдоль рук спортсмена, при этом возникает не только горизонтальная сила, но и вертикальная, равная 527 Н. Спортсмен перемещает штангу к себе в горизонтальном направлении. Начиная с момента времени, соответствующего точке 17 (кадр 332), сила, прикладываемая спортсменом, начинает резко убывать по модулю. Кадр 340 - точка 18, в которой вертикальная сила, приложенная спортсменом к штанге, равна нулю. После точки 18 сила, с которой спортсмен действует на штангу, становится положительной, поскольку штанга опускается на спортсмена. Далее до точки 19 эта сила растет.

Последняя фаза - фиксация снаряда. Ей соответствует точка 19 (кадр 373). Максимальная сила взаимодействия в процессе фиксации снаряда составляет 2200 Н.

Как видно из рисунков 2 и 3, фазовая структура рывка классического может быть описана более детально, при этом напрашивается введение новых фаз.

Фаза предварительного разгона может быть разбита на 4 периода. Первый период - от отрыва штанги до первого максимума силы, который возникает в точке 2 (момент времени 0,2 с от начала отрыва штанги). Величина силы, прикладываемой к штанге, приблизительно равна 1,52 веса штанги. В первом периоде происходит увеличение скорости штанги приблизительно от 0,5 до 1,3 м/с. Второй период - от точки 2 до точки 3 длится 0,17 с. Уменьшается сила и ускорение, увеличивается скорость. Третий период - от точки 3 до точки 4 длится 0,11 с. За счет перемещения штанги к спортсмену увеличивается ускорение, сила, прикладываемая к снаряду, а также скорость движения штанги. Четвертый период -происходит уменьшение силы, прикладываемой к снаряду, длительность периода - 0,072 с, длится этот период вплоть до начала фазы амортизации (точка 5). Вся фаза длится 0,56 с.

Интерес также представляет анализ сил, приложенных во время отбива штанги. На рисунках 4 и 5 представлены кривые горизонтальных скорости и ускорения

е*)

конца грифа. Максимальная скорость - 1,32 м/с (кадр 242) достигается в конце отбива штанги. Максимальное ускорение составляет 26,1 м/с2, соответственно максимальная сила при весе штанги 170 кг составляет 462 кг. Результат неожиданный. Для расчета горизонтальной силы взаимодействия спортсмена со снарядом и гори-

100 200 300 400

Кадры

Рис. 4. График горизонтальной скорости штанги

зонтального ускорения нами использовались различные математические модели. Значение максимальной силы получалось приблизительно одинаковым. Считаем, что это - особенность техники выполнения рывка с мощным отбивом.

0 100 200 300 400

Кадры

Рис. 5. График горизонтального ускорения штанги

Выводы

Проведенный нами анализ позволяет сделать следующие выводы. Используемая нами скоростная видеосъемка (250 кадр/с) позволила осуществить более точную регистрацию тяжелоатлетических упражнений и выявить микроструктуру последних [7]. Благодаря этому нам удалось описать новую технику выполнения рывка спортсменами высокой квалификации.

Рассмотрим отличительные особенности современной техники. Изменился характер приложения усилий. Согласно представлениям 70-80-х гг. прошлого века, спортсмен должен был от момента отрыва штанги до окончания финального разгона сохранять максимальное взаимодействие со штангой. У современных сильных тяжелоатлетов это не так.

Примерно в середине фазы амортизации спортсмен встает на носки, сгибает ноги в коленном суставе, практически прекращает взаимодействие со снарядом, перегруппировывается, занимает более удобное положение, совершает отбив штанги и создает максимальное вертикальное и горизонтальное усилие (см. рис. 1 и 5).

При этом спортсмен отталкивается от штанги в горизонтальном направлении и совершает движение, противоположное движению штанги. В результате спортсмен откидывается назад, а штанга движется вверх и вперед по дуге. Возникает дополнительное натяжение вдоль рук, второй максимум вертикальной силы и вертикального ускорения (рис. 1, кадр 260).

Затем следует безопорный подсед, опорный подсед и фиксация снаряда.

Представленный подход позволяет детально описывать технику тяжелоатлета высокой квалификации. Знание представленной структуры движения позволит совершенствовать технику выполнения фаз небольшой длительности (до 0,05 с), в том числе фаз переключения: амортизацию, отбив, безопорный подсед, опорный подсед и др.

В статье описан вариант техники, используемый в настоящее время частью спортсменов высокой квалификации. Предложенное описание позволит тренерам использовать в своей практической деятельности новые представления о технике выполнении рывка.

Литература

1. Разработка методики определения уровня технической подготовленности спортсменов сборных команд России по тяжелой атлетике. Отчет НИИТ МГАФК / рук. Хасин. Л.А., рег. ном. 01940007381. Инв. ном. 02201153766. - Малаховка, 2006.

2. Хасин, Л.А. Диагностика ошибок в тяжелоатлетических упражнениях на основе скоростной видеосъемки / Л.А. Хасин, В.И. Фролов // Теория и практика физической культуры. - 2013. - № 1. - С. 34.

3. Разработка методики оценки и индивидуальной коррекции технического мастерства тяжелоатлетов на основе скоростной видеосъемки и компьютерного

моделирования. Отчет НИИТ МГАФК / рук. Хасин. Л.А., рег. ном.01201374167. - Малаховка, 2013.

4. Хасин, Л.А. Биомеханический анализ техники тяжелоатлета при выполнении рывка классического на основе скоростной видеосъемки и компьютерного моделирования / Л.А. Хасин // Теория и практика физической культуры. - 2013. - № 11. - С. 100-104.

5. Хасин, Л.А. Анализ техники выполнения рывка классического на основе скоростной видеосъемки и математического моделирования / Л.А. Хасин // Материалы III Всероссийской научно-практической конференции: Информационные технологии и компьютерное модели-

рование в сфере физической культуры и спорта. 31 мая -3 июня 2010 г. - Московская государственная академия физической культуры. Малаховка, 2012. - С. 17-31.

6. Хасин, Л.А. Планирование тренировки в атлетизме с использованием экспертных систем / Л.А. Хасин, Д.Ю. Тараховский // Вестник спортивной науки. - 2014. -№ 5. - С. 22-26.

7. Хасин, Л.А. Анализ микроструктуры легкоатлетических метаний на основе скоростной видеосъемки как средство индивидуализации тренировочного процесса спортсменов высокой квалификации / Л.А. Хасин // Теория и практика физической культуры. - 2014. -№ 2. - С. 99-104.

References

1. Method implementation for determining the level of athletes' technical skills for national Russian teams in weightlifting. Otchet NIIT MGAFK / ruk. Khasin L.A., reg. no. 01940007381, inv. no. 02201153766. - Malakhovka, 2006.

2. Khasin, L.A. Diagnostics of failures in weightlifting exercises based on high-speed filming / L.A. Khasin, V.I. Frolov // Teoriya i praktika fizicheskoy kul'tury. -2013. - No. 1. - 34 p.

3. Method implementation for assessment and individual correction of weightlifters' technical expertise based on high-speed video recording and computer simulation. Otchet NIIT MGAFK / ruk. Khasin L.A., reg. no. 01201374167. -Malakhovka, 2013.

4. Khasin, L.A. Biomechanical analysis of weightlifter during classic jerk based on high-speed video recording and computer simulation / L.A. Khasin // Teoriya i praktika fizicheskoy kul'tury. - 2013. - No. 11. - Pp. 100-104.

5. Khasin, L.A. Technique analysis of classic jerk performance based on high-speed video recording and mathematical modelling / L.A. Khasin // Materialy III Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii: Informatsionniye tekh-nologii i kompyuternoye modelirovaniye v sfere fizicheskoy kul'tury i sporta. 31 maya - 3 iyunya 2010 g. - Moskovskaya gosudarstvennaya akademiya fizicheskoy kul'tury. - Malakhovka, 2012. - Pp. 17-31.

6. Khasin, L.A. Training planning in athletic gymnastics using expert systems / L.A. Khasin, D.Yu. Tarak-hovsky // Vestnik sportivnoy nauki. - 2014. - No. 5. -Pp. 22-26.

7. Khasin, L.A. Analysis of microvasculature of athletic throws based on speed video recording as a method of individualization of training process of elite athletes / L.A. Khasin // Teoriya i praktika fizicheskoy kul'tury. -2014. - No. 2. - Pp. 99-104.