ВКЛАД МЕДЛЕННЫХ МЫШЕЧНЫХ ВОЛОКОН В МОЩНОСТЬ, РАЗВИВАЕМУЮ СПРИНТЕРОМ В БЕГЕ

В.Н.Селуянов, к.б.н.; В.Т.Тураев

Россия, Москва, Российская государственная академия физической культуры, ПНИЛ

Ключевые слова: бег, педалирование, спринт, биомеханика, электроми-ограмма, мощность, скорость сокращения мышц.

При подготовке бегунов-спринтеров основное внимание уделяется развитию быстроты. Известно [1], что быстрые мышечные волокна (БМВ) имеют в 2 раза большую максимальную скорость сокращения, поэтому создается впечатление о высокой значимости для спринта БМВ. Этот вывод подкрепляется данными о большей доле БМВ в мышцах ног у спринтеров в сравнении со стайерами [2]. Однако нельзя утверждать, что во время спринтерского бега достигается макси-мальная для медленных мышечных волокон (ММВ) скорость сокращения мышц, поскольку при педалировании на велоэргометре легко достиг-нуть темпа более 5 ш/с, а в беге такой темп - редкость [3]. Следо-вательно, можно предполо-жить: медленные ММВ должны вносить опре-деленный вклад в мощность, развиваемую спринтером при беге с максимальной скоростью. Для проверки этого предположения были выполнены два эксперимента.

Эсперимент 1. Цель - определить скорость сокращения основных мышц ног при беге и педалировании с максимальной интенсивностью.

Методика. В эксперименте приняли участие два спортсмена, бегун и велосипедист, с примерно равным телосложением (рост 176-180 см, масса 76-86 кг). Велосипе-дист выполнял педалирование на велоэргомет-ре, а бегун пробегал короткий отрезок с разной скоростью, от минималь-ной до максимальной.

Бегун разбегался 30 м и затем 10 м бежал с постоянной ско-ростью. Видеокамера была установлена на расстоянии 24 м от линии бега, высота оптической оси камеры - 1,5 м. На середине отрезка в 10 м была уста-новлена масштабная рейка высотой 2 метра. Оператор удерживал спортсмена в центре кадра и сопровождал его на всем протяжении бега.

Велосипедист выполнял педалирование на велоэргометре с сопро-тивлением 10 Н. Видеокамера была установлена на расстоянии 6 м с правой стороны от велоэргометра, высота оптической оси камеры 1,2 м. Масштабная рейка 0,8 м лежала горизонтально.

Видеозапись просматривалась с покадро-вой останов-кой записи движений спортсменов.

Обработка выполнялась двумя способами.

1-й способ. При просмотре видеозаписи определя-лось время прохожде-ния головы спортсмена между метками, время выполнения 3-5 шагов. По этим данным вычислялась средняя скорость бега, темп и средняя длина шага.

2-й способ. При помощи специальной платы (использовалась видеоплата "Videocombine" и программное обеспечение фирмы Candella, Россия) видеозапись оцифровыва-лась и вводилась в память компьютера. Всего фиксиро-валось 25 кадров, т.е. 1 с движения. Далее с помощью программы "MarkerMaker" (разработана автора-ми) выводились на монитор компьютера зафиксированные кадры и расставлялись маркеры по краям масштабной рейки и центров суставов: плюсно-фалангово-го, голеностоп-ного, коленного, тазобед-ренного, плечевого, локтевого и запястного.

Размер кадра 256х256 пикселей. Точность установки маркеров составля-ет плюс-минус один пиксель, т.е. 1/256 часть стороны кадра, и поэтому для достижения макси-мальной точности в реальных координатах необходимо, чтобы объект занимал возможно большее место в кадре. Определение координат концов масштабной рейки показало, что в инерциальной системе координат погрешность их определения составила 1,5 см.

Математическое обеспечение

Программа "Vidtime" состоит из нескольких блоков.

Блок 1. По данным антропометрического обследования - длины и обхваты десяти сегментов (стопа, голень, бедро, кисть, предплечье, плечо, голова, верхний, средний и нижний отделы туловища) - выполня- ется расчет масс-инерционных характеристик (МИХ) всех основных сегментов тела человека, а также кисти, предплечья, корпуса (голова и сегменты туловища вместе).

Блок 2. Ввод и преобразование координат точек тела спортсмена с каждого кадра. Сначала произво-дит-ся перевод их из системы координат видеоплаты в инерциальную систему координат. В качестве опорной точки используется первая точка, она связана с тест-объектом и находится на перпендикуляре. Одно-временно произво-дится пересчет данных в реальный масштаб.
Результаты преобразования затем демонстрируются на мониторе в виде стековой (палочковой) кинетограммы.

Блок 3. Сглаживание кривых и вычисление скоростей движения точек.
Сглаживание выполнялось в три этапа:
- вычисление дополнительных координат между зарегистри-рованными точками;
- вычисление коэффициентов полиномов 4-6 степени. С по-мощью полиномов произ-водится экстра-поляция значе-ний координат назад и вперед на 10 кадров. Таким образом формиру-ется исходный массив данных для обработки методом Фурье или полиномом 10-й степе-ни;
- Фурье-анализ выполняется для получения тригонометричес-ких полиномов. В расчет принимались 6-10 первых гармоник. Далее коэффициенты полиномов запоминались и использовались для получе-ния значений координат и скоростей их перемещения.

Блок 4. Вычисление координат центров масс звеньев и ОЦМТ.
Полиномиальные уравнения используются для определения коорди-нат осей вращения цен-тров суста-вов (формируется массив данных с заданным временным интервалом), затем вычисляются длины звеньев, углы их наклона и по данным МИХ находятся коорди-наты ЦМ звеньев. По этим данным и массам звеньев находятся коор-динаты ОЦМТ для каждого кадра. Далее по этим данным выполня-ется повторная процеду-ра сглаживания (блок 3) для определения коэффици-ентов полиномов и вычисле-ния по ним координат и скоростей перемеще-ния ОЦМТ.

Блок 5. Вычисление энергии звеньев тела.
Полиномы, рассчитанные для углов накло-нов звень-ев после дифференцирова-ния, использу-ются для нахождения угловых ско-ростей. Затем определя-ются поступа-тельные величины скоростей центров масс звеньев, и с использо-вавнием МИХ сегментов тела рассчитываются величины кине-тической, потенциальной и вращатель-ной составляющих энергии звеньев, а затем и всего тела.

Блок 6. Вычисление длин и скоростей сокращения мышц нижней конечности.
Для определения координат мест крепления мышц в программу внесены данные об относительном расположении мест крепления мышц в системе координат каждого звена. Координаты звеньев были взяты с учетом данных анатомических атласов и результатов работы на трупном материале на кафедре анатомии РГАФК (консультантом был к.м.н. П.К.Левчи-н). Методика была описана ранее [4]

Относительные координаты мышц пересчитывались в абсолютные и затем приводились к инерциальной системе координат. Вычислялись расстояния между точками крепления и скорости сокращения или растяжения мышц.

Все результаты расчетов демонстрируются на мониторе и могут быть распечата-ны на принтере.

Результаты. Бег выполнялся со скоростью 4, 7, 9 м/c. Темп составил 2,65, 3,2, 4,26 1/c. Данные о скорости сокращения мышц представлены на рис.1. Видно, что в момент прохождения ОЦМТ над опорой длинная (ДГ ДМБ) и короткая головки двуглавой мышцы бедра (КГ ДМБ) имеют равную скорость, скорость ягодичной мышцы меньше в два раза. Скорость сокращения прямой и широких мышц бедра близка к нулю.

Рис.1. Увеличение скорости сокращения длинной, короткой головок двухглавой мышцы бедра и ягодичной мышцы при увеличении темпа бега и педалирования на велоэргометре. Для темпа бега более 4,26 ш/с данные получены с помощью имитационного моделирования.

Рис.2. Изменение мощности педалирования с ростом темпа педалирования, заданном внешнем сопротивлении. Дугами обозначены изолинии, соответствующие постоянной ИЭМА.

Педалирование выполнялось с темпом 75, 100, 125, 180 и 220 об/мин. При педалировании в отличие от бега скорость длинной головки двуглавой мышцы бедра оказалась меньше, чем у короткой головки. Ягодичная мышца и корот-кая головка сокращаются с примерно равными скоростя-ми, что и в беге.

Обсуждение. Анализ данных показывает, что спринтер достиг темпа 4,26 ш/c и скорости 9 м/c. Сильнейшие спринтеры мира бегут с темпом около 5 ш/с. Для определения скорости сокращения мышц при рекор-дном темпе был выполнен расчет с уменьшенным интервалом времени между кадрами. В результате оказалось, что скорость КГ ДМБ оказа-лась меньше, чем у велосипедиста при педалировании с непредельным темпом -175 об/мин. Следовательно, у большинства спринтеров при темпе 4,26 ш/с скорость сокращения основных мышц примерно в 2 раза меньше макси-мально возможной при педалировании на велоэргометре.

Эксперимент 2. Цель - определить мощность функционирования мышц нижних конечностей при педалировании с электрической актив-ностью мышц 50% от максимальной и темпом 120 об/мин (4,5 ш/с).

Методика. Четверо добровольцев, сотрудников института физи-ческой культуры, выполняли педалирование на велоэргометре с нагрузкой: 10, 20, 30, 40 Н; ИЭМГ: 25, 50, 75, 100%. Длитель-ность одного опыта не превышала 20 с. Педалирование заканчивалось при достижении заданного уровня ИЭМГ.
Темп педалирования определялся автоматически. Сигнал, соответ-ствую-щий каждому обороту педалей, вводился в компьютер с геркона, установленного на раме рядом с местом прохождения шатуна, магнит крепился на шатуне.

Тарирование ИЭМГ выполняли на силоизмерительной установке. Силу и ИЭМГ измеряли при разгиба-нии коленного сустава в изомет-рических условиях (90 градусов в колен-ном суставе). ИЭМГ измерялась на лате-ральной головке четы-рехгла-вой мышцы бедра с помощью повер-хностных чашечных электродов и электромиографа "Мингограф" (Вен-грия).

Результаты. На рис.3 представлены данные опыта с одним испытуемым. Видно, что с темпом 4,5 ш/с и 50% активностью мышц может быть достигнута мощность около 260 Вт. Это составляет 48% от максимальной алактатной мощности (МАМ). Данные по всем испытуемым были обработаны также и представлены в таблице.

Таблица. Мощность педалирования при достижении 50% интегрированной электричес-кой активности мышц (латеральная головка четырехглавой мышцы бедра)

Обсуждение. Анализ результатов исследования показывает, что при ИЭМГ 50% от максимальной и темпе педалирования, при котором мышцы сокращаются как в спринтерском беге (когда активны в основ-ном ММВ мышц ног), спортсмену удается продемонстрировать 50% максимально возможной внешней мощности. Следователь-но, в спринтер-ском беге важны не только быстрые мышечные волокна, но и медлен-ные мышечные волокна. Увеличение функциональных возможностей ММВ должно сущес-твенно увеличивать скоростно-силовые возможности спринте-ра. Заметим, что мощность, зафиксированная нами, создается за счет алактатных источни-ков энергии в ММВ, поскольку длительность опыта не превышала 20 с.

Выводы

1. При беге с максимальной скоростью мышцы, несущие основную нагрузку, сокращаются со скоростью 50-70% от максимальной при педалировании на велоэр-гометре.
2. При педалировании с темпом спринтерского бега и ИЭМГ 50% от максимальной развивается мощность около 50% от МАМ.
3. В подготовке бегунов спринтеров следует проводить специальные тренировочные занятия с целью увеличения функциональных возмож-ностей ММВ мышц задней поверхности бедра.

Литература

1. Thorstensson A. Muscle strength, fibre types and enzyme activities in man. - Acta Physiol. Scand., (Suppl.) 443, 1976.

2. Komi P. Neuromuscular perfomance: Factors influencing force and speed production. - Scand. J. Sports Sci., 1979, 1, p. 2-15.

3. Легкая атлетика: Учебник для институтов физ.культуры/Под ред. Н.Г.Озолина, В.И.Воронкина, Ю.Н.Примакова. - изд. 4-е, перераб. и доп. - М.: Физкультура и спорт, 1989. - 671 с.

4. Зациорский В.М., Аруин А.С., Селуянов В.Н. Биомеханика двигательного аппарата человека. - М.: Физкультура и спорт, 1981. -143 с.

  На главную    В библиотеку    Обсудить в форуме 

При любом использовании данного материала ссылка на журнал обязательна!