Биомеханика спринтерского бега

Лекция № 4

Биомеханика спринтерского бега

БИОМЕХАНИКА ХОДЬБЫ И БЕГА

1. Кинематика ходьбы и бега.

2. Динамика ходьбы и бега.

3. Энергетика ходьбы и бега.

4. Оптимизация ходьбы и бега.

За 70 лет жизни человек совершает в среднем 500 миллионов шагов и преодолевает путь, приблизительно равный расстоянию от Земли до Луны (384 тыс.км).

1. КИНЕМАТИКА ХОДЬБЫ И БЕГА

Как и во всех циклических локомоциях при ходьбе и беге ско­рость передвижения прямо пропорциональна длина шага и темпу.

V – скорость

l – длина шага

n – частота шагов.

Чтобы определить темп ходьбы или бега, обычно регистрируют число шагов в минуту, или частоту шагов.

Увеличить скорость можно тремя способами:

– повысить длину шагов;

– поднять темп;

– увеличить одновременно и длину и частоту шагов.

Скорость   как   произведение длины  и  частоты  шагов; пунктир – изоспида (все точки  изоспиды соответствуют одной и той же скорости

Ходьба обычная – 1.7 м/сек (6 км/час).

При ходьбе ОЦТ колеблется вертикально и горизонтально.

Спортивная ходьба – 4.0 м/сек (14 км/час).

Бег – легкий 3.0 м/сек   (11 км/час);

       – средний 6.5 м/сек (23 км/час);

       – высокий 10.0 м/сек (     –       ).

Сила лобового сопротивления – это сила, с которой внешняя среда препятствует движению тела относительно нее. Величина лобо­вого сопротивления зависит от площади поперечного сечения тела, его обтекаемости, скорости движения, а также вязкости среды.

По хронограммам ходьбы и бега видно, что по мере увеличения скорости передвижения:

– при ходьбе сокращается период двойной опоры (когда обе но­ги находятся на земле) вплоть до почти полного его исчезновения при спортивной ходьбе;

Зависимость сопротивления сре­ды   от    формы тела  (движение справа налево).  Лобовая поверхность у тел а, б, в, г, д одинаковая; числа характери­зуют   величину   сопротивления   среды

Фазы  и  граничные  позы  бега   (по Д. Д. Донскому, пере­работано)

Траектория центра тяжести тела:

а—при ходьбе, б—при беге

– при беге увеличивается отношение длительности периода по­лета (когда обе ноги не касаются опоры) к длительности периода опоры.

Более подробная хронограмма (полуцикл обычной ходьбы со­стоит из пяти фаз (римские цифры).

1  – отрыв стопы правой ноги от опоры.

I – подседание на левой (опорной) ноге, ее сгибание в колен­ном суставе,

2 – начало разгибания левой ноги.

II  – выпрямление левой ноги, ее разгибание в коленном сус­таве;

3  – момент, когда правая нога в процессе переноса начала опе­режать левую.

III – вынос правой ноги с опорой на всю стопу левой ноги;

4 – отрыв пятки левой ноги от опоры.

IV – вынос правой ноги с опорой на носок левой ноги;

5 – постановка правой ноги на опору.

V – двойная опора, переход опоры с левой ноги на правую. Во втором полуцикле фазы и граничные позы те же, только в их названиях правую ногу нужно заменить левой, а левую – правой.

Фазовый состав бега состоит их четырех фаз (римские цифры),

1  – отрыв левой стопы от опоры;

I – разведение стоп;

2 – начало выноса левой ноги вперед.,

II – сведение стоп с выносом левой ноги вперед)

3 – постановка правой стопы на опору,

III   – амортизация или подседание со  сгибанием правой (опорной) ноги,;

4 – начало разгибания правой ноги.

IV – отталкивание с выпрямлением правой ноги до отрыва от опоры.

Простейшие хронограммы обычной ходьбы, спортивной ходьбы, бега трусцой и спринтерского бега; периоды опоры заштрихованы: вверху – левая нога, внизу – правая (по В. Е. Панфилову, Nigg. Denоth,  М. А. Каймин, В. В. Тюне)

Вторая половина цикла симметрична первой.

2. ДИНАМИКА ХОДЬБЫ И БЕГА

Человек является самодвижущейся системой, поскольку перво­причиной его движений служат внутренние силы, создаваемые мышцами, приложенные к подвижным звеньям тела.

Силы инерции замедляют разгон и торможение.

Силы тяжести (при массе тела 50 кг сила тяжести близка к 500 Н)

/50 кг х 9.8 м/с2 = 500 Н (Ньютонов)

Сила лобового сопротивления – это сила, с которой внешняя среда препятствует движению тела относительно нее. Величина лобо­вого сопротивления зависит от площади поперечного сечения тела, его обтекаемости, скорости движения, а также плотности и вязкости среды.

Фазы ходьбы,   граничные   позы   и   элементарные  действия (по Д. Д. Донскому, переработано)

При скорости 9 м/с сила лобового сопротивления воздуха в 4 раза больше, чем при скорости 4.5 м/с и в 9 раз больше, чем при ско­рости 3 м/с. Расчеты показывают, что при скорости бега 8 м/с ее вели­чина достигает 20 Н.

Сила реакции опоры.

На величину силы действия на опору влияют свойства дорожки и материал, из которого сделана обувь. Разница в величине верти­кальной составляющей опорной реакции при ходьбе в обуви с жест­кой кожаной подошвой и подошвой из микропористой резины дости­гает 350 Н.

Мягкое покрытие дорожки и обувь с амортизаторами делают технику ходьбы и бега более соответствующей критерию комфорта­бельности. Тем самым уменьшается давление на суставы и межпозво­ночные диски. Эти перегрузки вреднее, чем принято думать. И не слу­чайно, те кто бегает трусцой по асфальту и в жесткой обуви, часто жалуются на боли в пояснице и суставах.

(1 кг – 10 Н.- т.е., чтобы иметь идентичную нагрузку на опорно-двигательный аппарат спортсмену, при обуви с амортизирующей по­дошвой и на амортизирующей дорожке, в отличии от жесткой обуви и жесткой дорожке, необходимо иметь на себе дополнительный груз /в противоположность сказанному происходит экономия энергозатрат и уменьшается нагрузка на опорно-двигательный аппарат/).

По законам механики, среднее напряжение тормозящих мышц должно быть во столько раз больше веса бегуна, во сколько высота свободного падения его тела превышает амортизационное сгибание опорной ноги.

При вертикальных колебаниях ОЦТ тела при беге, равных 8-10 см, на долю свободного падения приходится около 75% и на амортизацию 25%. Следовательно, среднее значение тормозящей силы мышц в фазе передней опоры превышает вес бегуна примерно в 3 раза.

Еще большей величины должно быть напряжение мышц при отталкивании.

Среднее значение величины сопротивления (напряжения растя­гиваемых мышц) прямо пропорционально величине кинетической энергии тела и обратно пропорционально пути, на протяжении которого сопротивление действует.

Поэтому невозможно погасить высокую скорость бега на ма­леньком отрезке пути в 15м.

Бег по кривой (по виражу). При беге по кривой постоянно изме­няется направление бега. Для движения по кривой необходимо действне центростремительной силы.

3. ЭНЕРГЕТИКА ХОДЬБЫ И БЕГА

При ходьбе происходит рекуперация энергии, т.е. ее сохранение путем перехода кинематической энергии в потенциальную энергию и обратно, а при беге этот вид рекуперации практически отсутствует. Зато при беге значительно более выражен другой вид рекуперации, когда кинематическая энергия переходит в потенциальную энергию сокращающихся мышц, действующих подобно пружине.

Энергозатраты на 1 м пути при ходьбе меньше, чем при беге, но только при низких скоростях передвижения. При высоких скоростях бег, наоборот, экономичнее ходьбы.

Энергетические затраты зависят от многих факторов, в том чис­ле от сочетания длины и частоты шагов.

При слишком коротких или чересчур длинных шагах (что соответствует недостаточной или чрез­мерной силе отталкивания) энергозатраты на 1 м пути выше, чем при оптимальном сочетании длины и частоты шагов.

(Например, откло­нение длины шага от оптимальной величины на 6% при беге со скоро­стью 4 м/с увеличивает энергетические затраты, приходящиеся на метр пути в среднем на 1 Дж (Н.М.).

4. ОПТИМИЗАЦИЯ ХОДЬБЫ И БЕГА

https://www.youtube.com/watch?v=DrX7UFksmVQ

Для оптимизации ходьбы и бега прежде всего необходимо минизировать непроизводительные энергозатраты;

– выбор оптимальной скорости, длины шага и темпа;

– снижение вертикальных и поперечных колебаний (ОЦМ).

Для устранения непроизводительных перемещений тела целесо­образно использовать повороты таза. Благодаря поворотам таза,не только уменьшаются вертикальные и боковые колебания тела, но также удлиняется шаг и ускоряется постановка ноги на опору.

Движения таза при ходьбе:

а — увеличение длины шага

за счет поворота таза

(по Д. А.Семенову,

цит. по Д. Д. Донскому. 1960 r.)

Уменьшение скорости бега и ходьбы по сравнению с оптималь­ной нерационально, так как приводит к возрастанию энергетической стоимости метра пути. Бег со скоростью выше пороговой вызывает накопление в организме молочной кислоты и других продуктов мета­болизма, а это приводит к сильному утомлению.

Передвижение с наиболее экономичной скоростью используется в качестве поддерживающей физической нагрузкой, для больных и ослабленных такая нагрузка является развивающей. Пороговая ин­тенсивность бега в спорте считается оптимальной при формировании основ выносливости.

ЗАДАЧА.

Спринтер бежит стометровую дистанцию за t = 10 сек. Длина его ног l1= 1.0 м , а средняя длина шага составляет l = 2.0.

НАЙТИ: Среднюю скорость движения его стопы в цикле шага (V).

РЕШЕНИЕ. Определим частоту /темп/ движений одной ноги спринтера: на всей дистанции обе ноги произведут 50 шагов (100 : 2), или 50 вращательных циклов, одна нога соответственно n – 25 циклов за 10 циклов. Следовательно, средняя скорость /частота/ вращатель­ных движений ноги спринтера составит:

Зная длину звеньев его ноги 11, найдем среднюю скорость его стопы:

V = l1W (1,0 х 2,5 = 2,5м/сек).

Источник: http://www.bsu.ru/content/page/1415/hecadem/strelnikov_av/biomehanika/files/mzip_394_18868/index.htm

Биомеханика бега: анатомия стопы, фазы правильного бега (ВИДЕО)

Биомеханика спринтерского бега

Бег относится к тому виду действий, над осуществлением которых мы даже не задумываемся. Все доведено до автоматизма. Четко отработанная годами тактика, комплексная работа мышечного и связочного компонентов называется биомеханикой бега.

Иногда данное занятие может не только приносить пользу, но и «работать» в ущерб. Отсутствие правильной техники бега может приводить к травматизации и стойким патологическим нарушениям.

Поэтому так важно проконсультироваться у специалистов, например в центре MySportExpert, по поводу своей техники и выявить основные ошибки.

С чего начинается тест на биомеханику бега?

Любой тест начинается с анкетирования. Это простая процедура, которая не требует каких-либо усилий и нужна лишь для более глубокого анализа индивидуальных особенностей. Здесь важно выяснить основную нагрузку: длительность, интенсивность и степень подготовки к бегу, возможные травмы и полученный дискомфорт.

После выяснения некоторых нюансов переходят к антропометрии. Измерение происходит следующим образом:

  • рост;
  • вес;
  • длина корпуса;
  • длина рук;
  • внутренняя длина бедра;
  • положение и отношение к плоскости плечевого и тазового скелетных поясов.

Чтобы понимать и определять физиологические и патологические отклонения стоп, нужно знать элементарную анатомию стопы человека. Нам важно рассмотреть 2 свода:

  • продольный — от пятки к пальцам;
  • поперечный — в области плюсне-фаланговых суставов.

Полностью сформированная стопа опирается на 3 точки, образуя своеобразный треугольник: пятка, 1 и 5 метатарсы. Благодаря такой позиции создается наиболее комфортное перераспределение веса с равномерной нагрузкой на все суставы.

Анализ стопы

При анализе стопы определяют следующие показатели:

  • ширина и длина стоп;
  • положение стопы относительно плоскостей.

Статический снимок стопы подразумевает под собой определение основных точек нагрузки. Основу анализа составляет исследование продольного свода стопы. Так проверяется сформированность костных структур и наличие плоскостопия.

Поперечный свод стопы дает информацию о положении относительно ахиллового сухожилия, а именно о «заваленности». Наиболее частое отхождение от нормы — вальгусная позиция — смещение основной точки нагрузки на большие пальцы.

Неблагоприятный исход при таком положении — вальгусная деформация или появление шишки на внутренней стороне стопы.

https://www.youtube.com/watch?v=MxwqLtH7Ac8

Статический снимок стопы. Биомеханика бега.

Динамическое исследование включает определение стабилизации мышц во время выполнения техники естественного бега.

Если они недостаточно натренированы или включены в работу, стопа во время движения не может зафиксироваться в одном положении и начинает «гулять». Мышцы стабилизаторы играют важную роль в формировании корсета.

Они позволяют также распределять нагрузку более точно и постоянно, чем защищают голеностопный сустав от микротравм синовиальной сумки и ослабления связочного аппарата.

Динамический анализ стопы. Биомеханика бега.

Биомеханика бега

Биомеханика бега имеет последовательные фазы:

  • фаза приземления;
  • фаза нагрузки при беге;
  • отталкивание.

В фазу приземления или соприкосновения стопы с точкой опоры пятка принимает на себя часть нагрузки. Важно, чтобы естественная амортизация в комплексе со спортивной обуви погасили силу удара пятки о поверхность.

В динамическом анализе исследуется линия соединения коленного сустава, ахиллова сухожилия и пяточной кости. Она должна быть прямой без серьезных заломов.

Допустимое искривление — незначительная супинация стопы, что соответствует отклонению угла 180-190°.

Во время приземления стопа должна находиться в легкой супинации и нормотонусе. Тогда нагрузка на суставы будет минимальной.

Постановка стопы на опору. Фаза приземления.

В фазу нагрузки на стопу при беге, когда вес полностью перемещается на одну ногу, наиболее важно положение.

Нога должна находиться в легкой пронации (кнутри), и носок с пяткой расположены в одной плоскости относительно коленного и тазобедренного суставов. То есть носок смотрит вперед, а не уходит в сторону.

Если стопа выворачивается кнаружи (супинация или недостаточная пронация), это неправильное положение, которое способствует большей травматизации голеностопа.

Определение супинации/пронации. Биомеханика бега.

Фаза отталкивания повторяет те же механизмы, что и приземление, только в обратном порядке. Угловая мера не меняется и свидетельствует о мышечной готовности вытолкнуть вес вверх и вперед.

Правильная техника бега также включает готовность и тонус мышц голени и бедра, мышцы кора (корпуса). Ошибки в технике могут привести к травмам и дискомфорту в беге.

При беге захлест голени должен быть на уровне горизонтальной линии или немного выше. Угол сгибания коленного сустава свободной ноги составляет больше 90°. Сильный захлест голени тоже не является благоприятным моментом и приводит к быстрой перегрузке работающей мышечной ткани.

Захлест голени при беге.

Вынос бедра в момент отталкивания свидетельствует о готовности мышц. Угол выноса должен быть в районе 40-45°. А в идеале (норма) 50-55°. Подобный вариант позволяет проходить длительные дистанции и развивать более быстрый темп.

Вынос бедра. Биомеханика бега.

Корпус может быть немного наклонен вперед, но нужно стараться соблюдать более вертикальную позицию. Чтобы осанка и позиция туловища была правильной, нужно тренировать мышцы кора — основной поддерживающий корсет позвоночника (спины и пресса).

Источник: http://maximbuvalin.ru/vse-o-bege/biomekhanika-bega-anatomiya-stopy-fazy-pravilnogo-bega-video/

Биомеханика спринтерского бега. Построение модели

Биомеханика спринтерского бега

Наиболее простой и адекватной моделью опорно-двигательного аппарата спортсмена может быть плоская модель, состоящая из двух рук (предплечье с кистью, плечо), двух ног (бедро, голень, стопа), туловища с головой. Поскольку мышцы ног выполняют в беге основную работу, то следует моделировать мышцы нижних конечностей для двух ног (опорной и маховой).

Умозрительный эксперимент

Спринтер имеет перед началом приземления большой запас кинетической и потенциальной энергии. Это обуславливает особенность техники отталкивания.

Рассмотрим сначала функционирование опорной ноги за период опоры. Нога ставится вперед слегка согнутой, поскольку только в этом случае, мышцы разгибатели коленного и тазобедренного сустава могут преодолеть внешние силы, а часть кинетической и потенциальной энергии накопить в себе. Для увеличения момента силы в мышцах ТБС следует еще в полете активировать мышцы задней поверхности бедра.

В этом случае двусуставные мышцы (длинная головка двуглавой, полусухожильная и полуперепончатая) помогут удержать туловище от падения вперед, уменьшат глубину подседа, повысят эффективность функционирования биомеханизма перевернутого маятника, т. е.

вращения всего тела вокруг точки опоры, перевода поступательной энергии тела во вращательную. Дальнейшая активность мышц-разгибателей ТБС, очевидно создаcт основную величину импульса силы, направленного на поддержание горизонтальной скорости движения ОЦМТ.

Следовательно, кинематическая цепь — туловище, бедро, голень, стопа — обеспечивает действие биомеханизмов:

— перевернутого маятника;— загребающей постановки ноги;— накопления энергии упругой деформации в растягиваемых мышцах;— разгибания суставов ноги с акцентом на разгибание ТБС.

Рассмотрим вклад биомеханизма махового движения ноги. При торможении тела энергия не исчезает, в частности, она вызывает ускорение вращения маховой ноги.

Центробежные силы в центрах масс звеньев маховой ноги увеличивают загрузку опорной ноги, а после прохождения ЦМ маховой ноги вертикали и начала торможения маховой ноги кинетическая энергия ее переходит в кинетическую энергию вертикального вылета ОЦМТ.

Рассмотрим вклад биомеханизма махового движения двух рук. В беге руки двигаются на встрече друг к другу, поэтому они не могут способствовать созданию продвигающей силы (в отличие от маховой ноги), горизонтальные составляющие силы всегда направлены на встречу друг к другу и взаимно компенсируются.

Иначе соотносятся вертикальные составляющие силы, возникающие в центрах масс звеньев рук. На опоре обе руки сначала двигаются вниз, а значит сначала разгружают опорную ногу. При прохождении около вертикали ЦМ рук центробежные силы начинают загружать опору, как и инерционные силы, возникающие при ускоренном движении ЦМ рук вверх.

Торможение рук в конце опоры должно передать их кинетическую энергию ОЦМТ, т. е. должно произойти увеличение длительности полета.

Очевидно, что центробежные силы, действующие на руки, должны увеличить загрузку мышц-разгибателей тазобедренного (ТБС) и коленного (КС) и голеностопного (ГС) суставов, однако увеличение запасов энергии упругой деформации может произойти только в разгибателях голеностопного сустава, т. е. в основном в икроножной и камбаловидной мышцах, поскольку коленный сустав по ходу отталкивания почти не меняет своей формы. Следовательно, вертикальное положение ЦМ рук должно согласовываться с максимальным сгибанием коленного сустава опорной ноги. В этот же момент должно произойти максимальное ускорение в разгибании маховой ноги в ТБС, что также должно увеличить вертикальную составляющую опорной реакции. Далее идет разгибание в ГСС, КС и ТБС одновременно. Руки продолжают вращение и начинают тормозится, что облегчает процесс отталкивания.

Таким образом, рациональное отталкивание характеризуется одновременным и скоординированным использованием биомеханизмов:

— перевернутого маятника, т. е. падения тела вперед как целого для увеличения вертикальной скорости вылета ОЦМТ и загрузки мышц-разгибателей коленного сустава опорной ноги, вклад этого механизма, видимо, минимален, поскольку время амортизации (опускания ОЦМТ) составляет более 40 % длительности опоры;— махового движения ноги и рук для увеличения загрузки суставов (увеличения моментов) опорной ноги, с последующим их торможением для увеличения вертикальной скорости вылета ОЦМТ, следовательно, длины шага;— накопления в мышцах-сгибателях ( подошвенных разгибателях) ГСС опорной ноги энергии упругой деформации (эти мышцы должны растягиваться);— загребающей постановки опорной ноги, для более раннего приведения основных двигателей — мышц-разгибателей ТБС в активное состояние.

Экспериментальное обоснование эффективности функционирования биомеханизмов в спринтерском беге

С целью проверки степени влияния геометрии масс тела на технику бега был выполнен эксперимент на трех испытуемых (масса 60–90 кг, длина тела 170–190 см, квалифицированные легкоатлеты). Каждый атлет выполнял имитацию бега на месте для определения максимального темпа движений руками, бег на отрезке 50 м, последние 20 м пробегались с постоянной скоростью.

С начала выполнялось 5 попыток в нормальных условиях, от попытки к попытке скорость возрастала от 3 до 9 м/с. Затем опыт повторялся с грузом 1 кг в каждой кисти. Бег фиксировался на видеопленку. Камера устанавливалась на высоте 1,4 м, отстояла от линии бега на расстоянии 30 м.

Далее при покадровом просмотре определялось время преодоления отрезка 12,2 м, длительность цикла бега, а далее вычислялись скорость, темп и длина шага.

Источник: https://sport-51.ru/article/physiology/9402-biomehanika-sprinterskogo-bega-postroenie-modeli.html

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.