БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СТОПЫ С ОПОРОЙ В СПРИНТЕРСКОМ БЕГЕ ПО ПРЯМОЙ Немцев О.Б., Доронина Е.А. Институт физической культуры и дзюдо Адыгейского государственного университета, Майкоп В статье теоретически показано и экспериментально подтверждено, что постановка стопы с внешней передней части носком, развёрнутым наружу, наиболее эффективна в спринтерском беге по прямой. Иные способы постановки стопы приводят к изменению биомеханической структуры опорного взаимодействия, что отрицательно сказывается на скорости бега в целом. Ключевые слова: спринтерский бег, постановка стопы, взаимодействие с опорой, биомеханические особенности. Анотацiя. Нiмцiв О.Б., Доронiна Е.А. Бiомеханiчнi особливостi взаемодii стопи з опорою в спринтерському бiгу по прямiй. У статтi теоретично показане й експериментально пiдтверджено, що постановка стопи iз зовнiшньоi передньоi частини носком, розгорнутим назовнi, найбiльш ефективна в спринтерському бiгу по прямiй. Iншi способи постановки стопи приводять до змiни бiомеханiчноi структури опорноi взаемодii, що негативно позначаеться на швидкостi бiгу в цiлому. Ключовi слова: спринтерський бiг, постановка стопи, взаемодiя з опорою, бiомеханiчнi особливостi. Annotation. Nemtsev O.B., Doronina E.A. Biomechanical habits of interacting of autopodium with support in sprinter run on direct. In a paper it is theoretically shown and experimentally endorsed that statement of autopodium from choronomic front durable, unrolled out, it is most effective in sprinter run on direct. Different ways of statement of autopodium result in change of biomechanical frame of basic interacting that has an adverse effect on rate of run as a whole. Keywords: sprinter run, statement of autopodium, interacting with a support, biomechanical habits. Введение. Взаимодействие опорно-двигательного аппарата бегуна с опорой является источником движения в спринтерском беге так же, как и во всех видах локомоций в лёгкой атлетике. Поэтому особенности взаимодействия с опорой явились предметом многочисленных исследований специалистов в области лёгкой атлетики, биомехаников [5-9, 17, 22, 26, 28-30, 32 и др.]. При этом специфика взаимодействия с опорой в подавляющем большинстве исследований изучалась путём анализа силовых характеристик (силы реакции опоры) [2, 12, 15, 16, 24, 25, 27 и др.], или ускорений общего центра масс, или отдельных сегментов тела спортсмена [3, 20]. В лучшем случае рассматривалась "посадочная скорость" движения общего центра масс стопы [3, 12]. Достаточно хорошо исследованы в настоящее время особенности движений других сегментов тела при беге на скорость: голени, бедра, рук [2, 4, 16, 19, 23, 24 и др.]. В то же время известно, что специфика взаимодействия двух тел определяется не только их массами и скоростями, но и формой, площадью, жёсткостью, упругостью непосредственно соприкасающихся поверхностей, их расположением относительно центров масс тел. Такую специфику в характер взаимодействия с опорой в спринтерском беге может вносить способ постановки стопы на опору. Также известно, что стопа человека имеет сложное строение, обладает поперечным и продольным сводами, её подошвенная поверхность обладает рядом выпуклостей и впадин, голеностопный сустав имеет блоковидную форму [11, 21]. Естественно, что даже небольшое изменение способа постановки стопы на опору должно приводить к изменениям в кинематике стопы, как следствие - являться источником специфики последующих движений других сегментов тела и, естественно, определять эффективность всего взаимодействия. Следует подчеркнуть, что постановка стопы на опору, несомненно, относится к элементам техники спринтерского бега, регулируемым произвольно, поддающимся тренировке. Движения же стопы на опоре столь скоротечны, что регулируются периферическими механизмами (в понимании И.М. Козлова [13]) и могут только предугадываться спортсменом. Между тем, в подавляющем числе исследований техники спринтерского бега кинематические характеристики стопы при постановке на опору и в течение всего взаимодействия с опорой выпадают из поля зрения исследователей [12, 15, 16, 24, 25, 30 и др.], что во многом связано со сложностью исследований подобного рода. Это обусловило наличие в технике спринтерского бега столь же устаревшего (рекомендации о постановке стопы на опору в спринте разработаны в первой половине прошлого века и в той или иной мере воспроизведены во всех учебниках лёгкой атлетики), сколь и слабо аргументированного и во многих отношениях, даже при беглом биомеханическом анализе, спорного раздела о постановке стопы. В то же время наличие знаний о способах постановки стопы на опору современными спринтерами различной квалификации, специфике кинематической структуры движений стопы во время взаимодействия с опорой, об эффективности различных вариантов постановки стопы позволило бы сделать технику бега спринтера более совершенной, процесс обучения технике и сам бег обучаемых спортсменов более эффективными. Сказанное позволяет считать актуальным изучение биомеханических особенностей взаимодействия стопы с опорой в спринте и на этой основе решение проблемы научного обоснования эффективности различных способов постановки стопы на опору как одного из ключевых элементов техники спринтерского бега. Работа выполнена по плану НИР Института физической культуры и дзюдо Адыгейского государственного университета. Формулирование целей работы. Цель исследования заключалась в биомеханическом обосновании наиболее эффективных вариантов техники постановки стопы на опору в спринтерском беге на основе изучения биомеханических особенностей опорного взаимодействия. Для достижения цели в ходе исследования решались следующие задачи. 1. Изучить биомеханические особенности постановки стопы на опору в беге современными элитными спортсменами - представителями скоростно-силовых видов лёгкой атлетики. 2. Теоретически обосновать наиболее эффективный способ постановки стопы на опору в быстром беге по прямой. 3. Выявить биомеханические особенности постановки стопы на опору спринтерами различной квалификации. 4. Экспериментально проверить эффективность различных способов постановки стопы на опору в спринтерском беге по прямой. Методы и организация исследования. Плоскостной видеоанализ. Плоскостной (двумерный) видеоанализ проводился по видеозаписям двух типов. Во-первых, для выявления особенностей постановки стопы на опору элитными спринтерами производился анализ видеозаписей трансляции по центральному телевидению бега ведущих спринтеров мира на Олимпийских играх 1996 года, Чемпионате мира 1997 года и Чемпионате Европы 1998 года. Видеозаписи были сделаны с трансляции соответствующих соревнований по центральному телевидению бытовым видеомагнитофоном. Оцифровка записи и разбивка на кадры осуществлялись при помощи системы видеозахвата Pinnacle Dazzle DVC 80 и стандартной программы Pinnacle Studio (версия 8.8.16.0). Во-вторых, в связи с тем, что режиссёры и операторы крупных соревнований достаточно редко снимают спринтеров с позиций, пригодных для анализа движений стопы во время опоры, в репортажах преобладают общие планы, не позволяющие в большинстве случаев отследить кинематику стопы в период опоры, были отсняты и проанализированы особенности постановки стопы и её движений на опоре у спринтеров высокой квалификации (от первого разряда до мастера спорта). Съёмка производилась тремя видеокамерами JVC GR-D370E с частотой съёмки 50 кадров в секунду при постоянной выдержке 1/4000 с с трёх точек: сбоку, сзади и спереди. Съёмка стопы крупным планом с трёх позиций позволила не только выявить применяемые спортсменами способы постановки стопы на опору, но и проследить движение стопы за весь период взаимодействия с опорой. Пространственный видеоанализ. Пространственный (трёхмерный) видеоанализ осуществлялся для определения эффективности различных способов постановки стопы на опору. Применялась система трехмерного видеоанализа Qualisys. Съёмка производилась тремя камерами ProReflex, частота съёмки 500 кадров/с. Тестирование. Для определения особенностей биомеханической структуры взаимодействия стопы с опорой применялись следующие тесты: 1) бег на 50 м на время с последующим двумерным видеоанализом видеозаписей стопы с трёх точек; осуществлялась запись правой стопы на 39-41 метре дистанции, учитывались данные в лучшей попытке из двух, время определялось при помощи секундомера; 2) бег на 50 м на время, используя следующие способы постановки стопы на опору: а) стандартная постановка стопы; б) носком вперёд; в) по двум линиям; г) на всю переднюю часть; д) на всю подошвенную часть - на 39-41 метре дистанции осуществлялась видеосъёмка с помощью трёх камер ProReflex, время бега определялось по видеозаписи бега (видеокамера JVC GR-D370E, частота съёмки 25 кадров в секунду с последующим разложением до 50 кадров/с, точность измерения времени - 0,02 с). Педагогический эксперимент. Для решения третьей и четвёртой задач исследования были проведены два педагогических эксперимента констатирующего характера. В первом педагогическом эксперименте изучались особенности постановки стопы на опору и последующие движения стопы у спринтеров, имеющих квалификацию от первого разряда до мастера спорта. В ходе эксперимента производилась съёмка стопы в период опоры с трёх позиций у 12 испытуемых (6 мужчин: рост180±2,6 см, вес 70,7±3,72кг, возраст 18,8±1,72 лет, результат в беге на 100 м 11,0±0,19 с; 6 женщин: рост 172±3,0 см, вес 62,8±3,71 кг, возраст 21,8±6,31 лет, результат в беге на 100 м 12,1±0,59 с). Во втором педагогическом эксперименте определялась эффективность различных способов постановки стопы на опору. С этой целью производилась съёмка, а затем трёхмерный видеоанализ особенностей движений стопы, голени, бедра опорной ноги и таза при различных вариантах техники постановки стопы на опору. В ходе эксперимента определялось также общее время бега на дистанции 50 м при использовании различных вариантов техники постановки стопы. В эксперименте приняли участие 4 испытуемых: 2 мужчины (рост 179±0,7 см, вес 70,5±2,12 кг, возраст 20 лет, результат в беге на 100 м 10,95±0,212 с) и 2 женщины (рост 168±1,41 см, вес 60,5±2,12 кг, возраст 20 лет, результат в беге на 100 м 12,50±0,283 с). Методы математической статистики. Анализ соответствия выборочных данных нормальному закону распределения производился при помощи критерия согласия Шапиро-Уилки [18]. Его результаты позволили говорить о нормальном распределении рассматриваемых данных и обусловили применение методов параметрической статистики. Оценка достоверности различий выборочных статистических показателей производилась при помощи однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA). Результаты исследований и обсуждение. Проведённый анализ видов сбоку и спереди бега элитных спринтеров позволил подтвердить мнение большинства специалистов о постановке стопы с передней части как наиболее предпочтительном варианте техники [10, 14 и др.]. Однако нами не отмечено ни одного случая постановки стопы у элитных спринтеров в беге по прямой на всю переднюю часть: стопа ставится с передней внешней части. При этом в подавляющем числе случаев стопа ставилась носком, развёрнутым наружу (рис. 1), что противоречит мнению специалистов, считающих постановку стопы носком наружу технической ошибкой (например, [1]).
Рис. 1. Постановка стопы Мэрилин Отти (Олимпийские игры 1996 года) Постановка стопы на всю внешнюю часть у элитных спринтеров встречается редко (рис. 2). После постановки стопы на опору на внешний свод передней части во всех исследованных случаях следует опускание на всю переднюю часть стопы (Д. Бейли) и далее (у большинства спортсменов) - на всю подошвенную часть стопы (Р. Да Силва, М. Грин, Ф. Фредерикс, М. Джонсон, М. Отти (рис. 1, кадр 3)).
Рис. 2. Постановка стопы Гвен Торренс (Олимпийские игры 1996 года) При постановке стопы со всей внешней части далее следует её опускание на всю подошвенную часть (рис. 2, кадр 3). Рекомендуемая многими специалистами постановка стопы носком прямо вперёд (и даже носком внутрь - Х. Дрехслер) была отмечена при постановке ноги на отталкивание в прыжках в длину и тройным (Л. Галкина (рис. 3), С. Каспаркова, Д. Грин), когда требуется изменение направления движения с "вперёд" на "вперёд-вверх", увеличение длины последующего шага-прыжка.
Рис. 3. Постановка стопы Людмилой Галкиной при отталкивании (чемпионат Европы 1998) Проведённое биомеханическое моделирование позволило установить, что постановка стопы носком, развёрнутым наружу, должна приводить к возникновению вращательного момента и выраженному развороту стопы вокруг вертикальной оси, проходящей через её переднюю часть (рис. 4).
Рис. 4. Схема возникновения вращающего момента при постановке стопы под углом к направлению движения (a - угол постановки стопы на опору, F - сила давления тела спортсмена, l - плечо силы, M - вращающий момент) При этом было также установлено, что постановка стопы носком прямо вперёд должна приводить к значительному возрастанию амортизационной силы, действующей против движения. Это, очевидно, позволяет аккумулировать, а затем рекуперировать большое количество энергии (за счёт функции упругих компонентов мышечно-связочного аппарата) и может быть оправданно только при изменении направления движения, увеличении длины шага-прыжка. Обобщение результатов плоскостного видеоанализа особенностей постановки и кинематики стопы в опорный период у спринтеров, имеющих квалификацию от 1 разряда до мастера спорта (МС) позволило полностью подтвердить итоги предшествующего биомеханического моделирования. Все испытуемые (2 МС, 4 кандидата в мастера спорта (КМС) и 6 спортсменов 1 разряда) ставили стопу в беге под углом к направлению движения (табл. 1). Такой способ постановки стопы приводил к выраженному вращению стопы вокруг вертикальной оси, проходящей через её переднюю часть, и как следствие - к смещению маркера, укреплённого на бугре пяточной кости во фронтальной плоскости (табл. 1, рис. 5). Таблица 1 Кинематические характеристики движения стопы во время взаимодействия с опорой у квалифицированных спринтеров
* Маркер, укреплённый на бугре пяточной кости. ** Маркер, укреплённый на латеральной лодыжке малоберцовой кости. *** На всю внешнюю часть стопы. **** На внешнюю переднюю часть с последующим опусканием на всю стопу. ***** На внешнюю переднюю часть с последующим опусканием на всю переднюю часть.
Рис. 5. Траектория маркера во фронтальной плоскости (вид сзади), укреплённого на бугре пяточной кости правой стопы, за время опоры в спринтерском беге при постановке стопы с внешней передней части с последующим опусканием на всю стопу (женщина, МС; за "0" приняты координаты маркера при касании дорожки) Величины перемещений маркеров, укреплённых на передней части стопы гораздо меньше, чем на пятке и лодыжке большеберцовой кости. Это объясняется тем, что ось вращения проходит через переднюю часть стопы. Однако необходимо отметить, что траектории маркеров, укреплённых на передней части стопы (рис. 6), в период опоры позволяют говорить о сложной кинематике стопы, которую необходимо учитывать при анализе динамограмм взаимодействия с опорой. Из данных табл. 2 видно, что участники второго эксперимента "стандартно" ставили стопу под углом к направлению движения. Затем угол разворота стопы наружу последовательно увеличивался у всех испытуемых в течение амортизации и отталкивания. Сравнение эффективности различных способов постановки стопы в спринтерском беге позволило установить, что из всех рассматриваемых способов постановки стопы лишь один не ведёт к значительному изменению кинематики движения спринтера: по двум линиям (табл. 3).
Рис. 6. Траектория маркера во фронтальной плоскости (вид спереди), укреплённого на дистальной точке носка правой шиповки, за время опоры в спринтерском беге (мужчина, 1 разряд; постановка со всей внешней части стопы; за "0" приняты координаты маркера при касании опоры) Таблица 2 Угол между стопой и направлением движения бегуна-спринтера в различные моменты опорного периода
*Момент самого низкого положения голеностопного сустава. **Момент перехода от переднего толчка к заднему толчку (от амортизации к отталкиванию). Постановка стопы носками прямо вперёд, а также на всю переднюю и всю подошвенную часть привела к значительному увеличению времени опоры и выраженным потерям скорости в фазе амортизации, а также увеличению времени преодоления всей дистанции в процентном отношении. Отличий времени преодоления всей дистанции в абсолютных единицах во всей исследовавшейся группе не обнаружено в связи с тем, что абсолютные результаты у мужчин и женщин отличались сильнее, чем при различных способах постановки стопы. Следует отметить, что если общее время опоры увеличилось достоверно при всех названных вариантах постановки стопы, то время переднего толчка (амортизации) достоверно увеличилось только при постановке стопы на всю подошвенную часть, а время заднего толчка (отталкивания) - только при постановке носками прямо вперёд. Очевидно, это явилось следствием некоторой разнонаправленности изменений названных показателей у различных испытуемых. Общее же увеличение времени опоры свидетельствует об изменении оптимального для обследованных спринтеров сочетания длины (её увеличения) и частоты шагов (её снижения). Это, как следует из динамики времени преодоления всей дистанции в процентном отношении, негативно сказалось на скорости бега в целом. Выводы. 1. Современные элитные спринтеры применяют следующие способы постановки стопы на опору: на переднюю внешнюю часть стопы и всю внешнюю часть стопы. При этом в беге по прямой в подавляющем большинстве случаев ведущие спринтеры ставят стопу под углом к направлению движения (носками, развёрнутыми наружу). Постановка стопы на всю подошвенную часть носком прямо вперёд применяется в прыжках в длину и тройным, когда требуется приобретение значительной вертикальной скорости, резкое изменение направления движения с "вперёд" на "вперёд-вверх". 2. В результате биомеханического моделирования установлено, что постановка стопы носком прямо вперёд должна приводить к увеличению силы амортизации, направленной против движения, что, в свою очередь, приведёт к снижению скорости бега. Постановка стопы под углом к направлению движения должна приводить к возникновению в фазе амортизации (переднего толчка) вращательного момента и, как следствие, к выраженному вращению стопы вокруг вертикальной оси, проходящей через её переднюю (опорную) часть, что позволит уменьшить силу амортизации, и потому является более предпочтительной. 3. Спринтеры, имеющие квалификацию мастер спорта, кандидат в мастера спорта и первый разряд, применяют те же способы постановки стопы, что и элитные спринтеры: на переднюю внешнюю часть стопы или всю внешнюю часть стопы, при этом стопа ставится под выраженным углом к направлению движения (с носком, развёрнутым наружу). После постановки стопы на переднюю внешнюю часть происходит опускание на всю переднюю часть, а затем, в зависимости от уровня скоростно-силовой подготовленности мышц-сгибателей стопы, происходит либо не происходит касание дорожки пяткой (опускание на всю подошвенную часть). После постановки на всю внешнюю часть стопы происходит опускание на всю подошвенную часть. Это позволяет снизить силу амортизации в начале переднего толчка и создать надёжную опору для выполнения отталкивания к его окончанию. В фазе амортизации пятка спринтера движется внутрь, вокруг вертикальной оси, проходящей через переднюю часть стопы. 4. Постановка стопы на опору носком прямо вперёд, на всю переднюю часть или на всю подошвенную часть приводит у квалифицированных спринтеров к значительному снижению горизонтальной скорости в фазе амортизации (различия достоверны при уровне значимости от 0,01 до 0,001) и увеличению времени опоры (различия достоверны при уровне значимости от 0,01 до 0,001) по сравнению с постановкой на внешнюю переднюю часть, негативно сказывается на скорости бега в целом. В период взаимодействия с опорой, вследствие постановки стопы под углом к направлению движения, угол между направлением движения и стопой растёт вплоть до момента отрыва от дорожки. Однако если в период переднего толчка увеличение этого угла является следствием разворота стопы носком наружу под действием вращательного момента, то в фазе заднего толчка оно обусловлено движением пятки вперёд-вверх-наружу. В целом постановка стопы под углом к направлению движения (с носком, развёрнутым наружу) и последующий разворот стопы под действием вращательного момента являются целесообразными элементами техники бега с максимальной скоростью, так как позволяют нивелировать ударный характер взаимодействия с опорой в момент касания дорожки, снизить силу амортизации направленную против движения, положительно сказываются на скорости всего двигательного действия. Дальнейшие исследования предполагается провести в направлении изучения других проблем взаимодействия стопы с опорой в спринтерском беге по прямой. Литература
Поступила в редакцию 06.11.2008г. |
При любом использовании данного материала ссылка на первоисточник обязательна! |