Взаимосвязь сила и движение
Цель – определение механических основ движения.
Движение
Ускорение и мышечная активность
Для дальнейшего рассмотрения зависимости между ускорением и силой рассмотрим следующий пример разгибания—сгибания локтя в горизонтальной плоскости, проходящей через плечевой сустав (рис.1 9). Исходное положение: плечо и предплечье расположены в горизонтальной плоскости и угол между ними равен 0,70 рад (40°). При непрерывном движении с умеренной скоростью плечо удерживается неподвижным, тогда как локтевой сустав разгибается в горизонтгшьном направлении до 3,14 рад (180°) и сгибается опять в исходное положение (0,70 рад). Как правило, сгибание сустава приводит к уменьшению угла между двумя соседними сегментами тела, которые сходятся в этом суставе (в данном примере плечо и предплечье), разгибание же этот угол увеличивает. Какой вид будет иметь график положение—время, связанный с этим движеием?
Плечо остается неподвижным в то время, как предплечье вращается вокруг локтя; график изменения угла в локтевом суставе во времени должен адекватно описывать этот процесс. В этом простом движении минимальный угол (0.70 рад) наблюдается в начале и конце движения. а максимальный при полном выпрямлении (3.14 рад). График положение — время приведен на рис 9.
Скорость равна нулю, когда нет смешения — в начале и конце движения и в момент изменения направления движения (от разгибания к стибанию). График скорость—время на рис.|.9 показывает, что угловая скорость обращается в ноль при максимальном смещении (3,14 рад) в момент изменения направления движения. В этом можно убедиться на основании предшествующих рассуждений о соответствии между скоростью и наклоном графика функции положение—время. Как видно из графика, скорость положительна (выше нуля), если локоть разгибается, и отрицательна при сгибаиии локтя. Таким образом, изменение знака скорости (например, с положительного на отрицательный) указывает на изненение направления движения.
Как видно из графика (рис.1.9), ускорение обращается в ноль в моменты, когда скорость максимальна (0.3 с) и минимальна (0.7 с). Иными словами, ускорение равно нулю, когда наклон графика скорость—время равен нулю. График ускорение—время включает в себя три этапа изменения ускорения: от начала до момента около 0.3 с движение сопровождается ускорением процесса в разгибании (ускорение положительно); затем ускорение изменяет знак и становится отрицательным, большую часть времени (от 0.3 с. до 0.7 с.) усорение направлено на сгибание локтя, на заключительном этапе ускорение направлено на разгибание. Обратите внимание, что график ускорение-время нельзя предсказать непосредственно из графика положение-время.
Мышечная активность
Можно ли определить профиль ускорение— время не используя график скорость—время? Иными словами, можно ли идентифицировать моменты обращения в ноль ускорения, не зная функции скорость-время? Для ответа на этот вопрос рассмотрим график мышечной активности, сопровождающей исследуемое движение. Часто кинезиологи описывают движение в терминах мьппечных групп, а не отдельных мышц. В этом примере сгибания—разгибания локтя движение включает в себя группы мышц, известные как расгибагели и сгибатели локтя. Группа сгибателей включает в себя бицепс брахии, брахиалис и брахиорадиалис как основные мышцы, влияющие на сгибание локтя, но это не значит, что эти мышцы не могут контролировать также разгибание локтя (подробнее об этом ниже). Группа разгибателей локти включает в себя трицепс брахии. В терминах мышечной активности вопрос о нулевом ускорении может быть переформулирован следующим образом: можно ли по динамике активности разгибателей и сгибателей локтя в процессе движения определить моменты обращения в ноль ускорения?
В части 2 “Единая система сустава" будет рассмотрен способ, с помощью которого нервная система активирует мышцу. В принципе эта связь представляет собой электрохимический процесс, в котором финальная стадия - электрическая по своей природе. Поэтому чтобы определить, является ли мышца активной, мы должны только проследить ее электрическую активность. Такая техника, известная под названием электромиографии (ЭМП, заключается в помещении электродов на кожу над мышцей для контроля электрического выхода (возбуждения) мышцы. На рис.1.9 представлены записи ЭМГ разгибателей и сгибателей локтя в процессе его сгибания—разгибания.
Хотя обе группы мышц активны втечение всего движения (явление, известное как коактивация), наблюдается высокая корреляция между мышечной активностью (ЭМГ) и профилем ускорение—время. Далее мы более подробно рассмотрим механическое влияние мышечной активности на сегменты тела. Один из эффектов заключается в том, что она генерирует усилие и может заставить сегменты тела поворачиваться. В движении сгибания -- разгибания локтя нет других существенных горизонтальных сил, так что ускорение по отношению к локтевому суставу в значительной степени определяется активностью мышц вокруг него. Таким образом, ответ на вопрос о нулевом ускорении можно получить по картине мышечной активности.
При наличии такого соотношения между силой и ускорением график ускорение—время, показанный на рис.1.9‚ должен давать представление о процессе изменения мьннечной активности относительно локтевого сустава. Однако часто трудно понять, по крайней мере в начале, почему простое движение сгибания-разгибания локтевого сустава сопровождается трехфазной сменой мышечной активности. Для перемещения конечности с умеренной скоростью требуется резкое увеличение мышечной активности, чтобы ускорить перемещение конечности по направлению к цели с последующим увеличением активности противоположной мышцы, ускоряющей конечность в противоположном направлении для замедления (торможения) ее движения. Движение сгибания—разгибания локтевого сустава включает одновременное стремление к двум различным целям, вначале — полного разгибания и затем возвращения в исходное положение. Это движение состоит из двух встречных процессов включения мышечной активности. Движение к первой цели —— полное разгибание локтя ——сопровождается активацией локтевого сустава, за которым следует активация его сгибателей, чтобы затормозить движение конечности. Движение ко второй цели — возврат в исходное положение —— осуществляется путем активации сгибателей локтевого сустава, за которым следует активация его разгибателей для торможения движения. При взаимном наложении этих процессов результирующая активность состоит из активности разгибателя локтевого сустава, за которой следует активность его сгибателя и в заключение — активность разгибателя.
Такая картина мышечной активности дает трехфазную кривую ускорение—время (рис.1.9).
В принципе, проиллюстрированное на этом примере разгибания—сгибания локтевого сустава соотношение между активностью мышц относительно сустава и ускорением сегмента тела представляет собой особый случай. Ускорение, которое испытывает сегмент тела, — результат всех сил, действующих на сегмент. Например, если бы движение сгибания—разгибания локтя выполнялось в вертикальной плоскости, сила тяжести оказывала бы влияние на движение, и график ускорение—время отличался бы от показанного на рис.1.9. При движении в горизонтальной плоскости, мышцы оказывают единственное существенное усилие на предплечье в этой плоскости и тем самым дают описанное выше соотношение между мышечной активностью и ускорением предплечья.
Кинематика походки
Походка человека имеет два режима ходьбу и бег. Различие между ними заключается в доле времени каждого цикла, в течение которого тело поддерживается при контакте ноги с землей.
В процессе ходьбы (светлые символы на рис.1.10) почти все время одна нога постоянно находится на земле, и в течение короткого периода каждого цикла обе ноги находятся на земле; ходьбу можно охарактеризовать как чередующуюся последовательность движений с опорой на одну или обе конечности. Напротив, бег (темные символы на рис.1.10) — это чередующаяся последовательность движений с опорой и без опоры, причем доля времени опорного состояния в цикле изменяется обратно пропорционально скорости: по мере увеличения скорости длительность опоры уменьшается (рис.1.10). Заметим, что в течение одного цикда как хоцьбы, так и бега имеется последовательность наличия и отсутствия опоры. Период опоры называется опорным периодом, период отсутствия опоры — безопорным периодом. Эти интервалы разделятся двумя событиями: мгновением, в которое нога контактирует с землей — отталкиванием (FS), и мгновением, когда нога отрывается от земли — отрывом (ТО). Циклы ходьбы обычно определяются этими событиями. Например, один полный цикл от отталкивания до отталкивания одной и той же ноги определяется как скачок.
Рис.1.11 иллюстрирует эти соотношения. Скачок состоит из двух шагов. Шаг определяется как часть цикла от отталкивания (или отрыва) одной ноги до сталкивания (или отрыва) другой. В течение скачка имеют место четыре отталкивания и отрыва, по два на каждую конечность. Это правое отталкивание (rFS), правый отрыв (rТО), левое отталкивание (lFS) и левый отрыв (lТО). Фаза опоры существует между отталкиванием (FS) и отрывом (ТО), тогда как безопорная фаза — между ТО и FS. На рис.1.11 показано, как длительность скачка, а также опорной и безопорной фаз изменяется со скоростью походки.
Длина и частота скачка
Скорость бега зависит от двух переменных – длины и частоты скачка (Voughan,1984). Если длина скачка остается постоянной, то по мере того как длительность скачка уменьшается (возрастает частота скачков), скорость бега увеличивается. Если частота скачков остается постоянной, то скорость увелчивается с увеличением длины скачка.
Обратите внимание, что влияние частоты и длины скачков на скорость бега различно при низких и высоких скоростях. Это иллюстрируется различным наклоном каждой из кривой при разных скоростях.
(субъекты TU, SU и IW) увеличивали длину скачка вплоть до скорости 7,0 м/с тогда как нетренированный бегун (МI) делал это только до скорости около 5,5 м\с. Все четыре бегуна, однако, достигали первоначального увеличения скорости (до 6,0 м\c для тренированных бегунов) главным образом путем увеличения длины скачка. Естественно, сочетание длины скачка и частоты, выбранное для достижения желаемой скорости, варьирует у различных бегунов. Более того, антропометрические данные (конституция, длина ноги, масса сегмента конечности) не являются определяющими факторами при выборе подходящего для каждого спортсмена определенного сочетания длины и частоты скачков (Cavanagh Kram, 1989). Типичное объяснение того факта, что на начальном этапе повышения скорости бега увеличением длины скачков предшествует повышению их частоты и состоит в том, что для удлинения скачка в определенных разумных пределах требуется меньше энергии, чем при увеличении частоты скачков.
Кинематические эффекты скорости
Изменение скорости бета путем увеличения длины скачка требует изменения кинематики конечностей. При этом меняются как общий рисунок движения (качественные изменения), так и количество перемещений в суставах участвующих в этом движении (количественные изменения). Например, как видно из рис.1.14‚ угловое перемещение относительно коленного сустава возрастает, когда бегун переходит с шага на бег, и фаза опоры (черная горизонтальная линия) включает не только разгибание колена во время спринта, но и разгибание и сгибание во время ходьбы и бега. По мере увеличения скорости бега так же изменяется движение руки, которое включает в себя увеличение диапазона движения как в плечевом, так и в локтевом суставах. Вследствие таких изменений амплитуда колебаний центра тяжести всего тела в вертикальной плоскости уменьшается по мере увеличения скорости (Cavagna, Saibene, Margaria, 1964).
Кинематические характеристики, которые не различаются у бегунов, способных достичь скоростей 9 и 11 м/с‚ включают в себя:
а) длину прыжка; б) минимальное расстояние между пяткой и ятодицей во время безопорной фазы; в) вертикальную скорость при отталкивании; г) высоту ступни над землей во время безопорной фазы, когда она проходит опорную ногу. В то же время те бегуны, которые могут достичь скорости 11 м/с, показывают: а) на 15% большую частоту скачков; б) меньшую длительность опорной фазы; в) более короткое горизонтальное расстояние между ногой и вертикальной проекцией цетна тяжести при отталкивании; г) менее разогнутый коленный сустав при отталкивании; д) более вертикальной положени торса. Эти различия показывают, что на максимальную скорость бега, которую может развить спортсмен, влияют кинематические особенности движения.
Сила
Основы механики, такие как 3 закона Ньютона пропущены.