ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ БИОМЕХАНИКА

Abstract

Role of gravity in pedaling technique in cycling

N.S. Romanov, Ph.D., Pose Tech Corp. Miami, USA

Key words: gravity, cycling, biomechanics of pedaling, technique, education, sport-training skill.

Though biomechanics of cycling is a well-developed part of sport science, gravity was never considered as a primary force to be used in a powerful and efficient pedaling technique. The present article was written in an attempt to eliminate this gap.

О РОЛИ ГРАВИТАЦИИ В ТЕХНИКЕ ПЕДАЛИРОВАНИЯ ПРИ ПЕРЕДВИЖЕНИИ НА ВЕЛОСИПЕДЕ

Кандидат педагогических наук Н.С. Романов

Pose Tech Corporation, Майями, Флорида, США

Ключевые слова: гравитация, педалирование, велосипед, психологическая и биомеханическая структура движения.

Парадоксально, что при обилии исследований техники передвижения на велосипеде и техники педалирования с точки зрения механики и физиологии [5] вопрос о самой технике педалирования как движениях, которые мы выполняем, практически остался упущенным.

Несмотря на большое количество научной информации о структуре однократного цикла педалирования, целостная картина педалирования как взаимодействия спортсмена с велосипедом для улучшения передвижения фактически отсутствует.

Целью выполненного нами исследования было рассмотрение техники педалирования с точки зрения целостной системы взаимодействия спортсмена со средой, в которой гравитация (сила тяжести) определяет все основные параметры этого взаимодействия как основной доминирующий фактор [1].

Логика наших рассуждений о технике педалирования опирается на общие закономерности построения любых движений, лежащих в целом на уровне здравого смысла и подкрепле нных данными научных исследований.

Мы рассматриваем технику педалирования с двух основных позиций: как движения, имеющего психологическую и биомеханическую структуры, а также их взаимоналожения. Если биомеханическая структура является довольно-таки хорошо изученным предметом [5], то психологическая структура педалирования осталась "за кадром" со времен её первого упоминания Д. Донским [2].

Для того чтобы иметь единую основу для наших рассуждений, необходимо установить некие объективные стандарты, на которых мы будем строить наши рассуждения. Одним из первых стандартов, с нашей точки зрения, должно быть положение, что основой движения человека являются: равновесие на опоре, выход из него (его утрата, потеря), ведущий к смене опор, и как результат этого - перемещение тела в пространстве и во времени.

С точки зрения биомеханики выход из равновесия есть инициирущий и интегрирующий компонент действующих сил, участвующих в построении движения. И в этом смысле теоретически и практически структура движения должна быть ориентирована на создание благоприятного состояния для смены опор сразу после потери равновесия и с учетом специфики движения.

В общем мы можем описать это следующим образом: равновесие - выход из равновесия - смена опор - новое равновесие. Этот цикл присущ любому движению (бег, плавание и т.д.) как некий механический, универсальный стандарт, в котором гравитация играет важнейшую роль. Здесь мы можем выделить некоторые объединяющие черты, проявляющиеся в любых движениях, несмотря на их внешние и внутренние, кинематические и динамические различия, которые могут быть сформулированы следующим образом:

- Любое движение выполняется в поле тяготения Земли и взаимодействует с ним как с доминирующей силой.

- Любое движение есть результат действия силы или группы сил, перемещающих тело во времени и пространстве.

- Движение есть чередование равновесия-неравновесия с одной опоры на другую.

- Совершенство движений зависит от совершенства чередования (смены) равновесия-неравновесия с одной опоры на другую.

- Гравитация является лидирующим и доминирующим фактором осуществления этого процесса.

- Смена опор помогает силе тяжести в перемещении тела.

- Эффективная смена опор способствует снижению уровня мышечных усилий и их напряжения и как следствие - уменьшению энергозатрат и повышению продуктивности движений.

- Наши усилия должны быть сосредоточены на понимании и обучении использованию сил тяготения для выполнения смены опор как наиболее важной части искусства выполнения движений.

Рис. 1

Как будет показано далее, большинство элементов техники передвижения на велосипеде прямо или косвенно зависят от силы тяготения, а точнее от степени ее использования.

Техника передвижения на велосипеде, которую нам хотелось бы назвать искусством езды на велосипеде как способ перемещения тела в пространстве и во времени, проявляется специфически через взаимодействие с велосипедом, являющимся инструментом, контактирующим и взаимодействующим с опорой. Суть же движения остается неизменной и состоит в необходимости использовать равновесие-неравновесие, смену опор и силу тяжести через систему передач велосипеда для перемещения системы "велосипед-велосипедист".

Если отвлечься от технического устройства велосипеда и положения тела согласно требованиям законов аэродинамики, тогда искусство передвижения на велосипеде может быть сведено к искусству педалирования или, более определенно, к искусству выполнения одного полного оборота (360^О) педали снова и снова.

При этом одним из самых основных параметров данного искусства является мощность педалирования [5]. Мощность, как известно, выражается в количестве выполненной работы в единицу времени или силы помноженной на скорость (P = А/t = Fv). Во вращательных же движениях мощность определяется моментом силы помноженны м на угловую скорость (P= Fd w), где последняя может быть выражена количеством оборотов в единицу времени или частотой педалирования. Момент силы в этом случае определяется как произведение модуля силы на ее плечо (М(F)=Fd). Частота же есть количество оборотов педали в единицу времени (Т=n/t), где n - количество оборотов педали , а t - единица времени.

Отсюда, чем выше момент силы и частота педалирования, тем выше его мощность и как следствие - скорость передвижения на велосипеде. Таким образом, улучшение техники педалирования объективно связано с обоими элементами. Необходимо отметить, что аэродинамическое положение тела и эффективность педалирования лежат в основе формирования оптимальной посадки велосипедиста (к этому вопросу мы обратимся в разделе о моменте силы). Иными словами, положение тела велосип едиста, так же как и вращательный момент силы и частота педалирования определяются необходимостью наилучшего приложения гравитации (силы тяготения) или веса тела к педалям. Последнее и является главным предметом нашего обсуждения. Момент силы и частоту педалирования мы рассмотрим в отдельности для лучшего понимания их роли в технике педалирования.

МОМЕНТ СИЛЫ. В физике это момент системы сил, вызывающих вращение. Рассмотрим технику педалирования и ее эффективность с точки зрения нахождения силы, прилагаемой к педали, по времени, месту (позиции) и величине.

Общеизвестно [4], что эффективность силы, прилагаемой к педали в течение одного оборота в 360^О, наиболее высока в диапазоне от 1 до 4 ч (в соответствии с нумерацией на циферблате часов), или от 30 до 120^о. В этом сравнительно небольшом диапазоне вращения гонщик может приложить наибольший позитивный вращательный момент силы с пиком около 3 ч, или 90^О при педалировании (рис. 1).

Почему это так? Потому что при угле в 90^О рычага педали приложенная сила имеет наибольшее плечо, а значит, и момент силы I=Fd (где F - сила тяжести, или вес тела, а d - плечо силы) и достигает своего пика в этот момент. В связи с этим биомеханическая эффективность педалирования зависит от того, как точно велосипедист (гонщик) может прилагать максимум усилий между 1 и 4 ч с пиком на 3 ч. Разумеется, как нам известно из опыта и подкреплено данными научных исследований [6], выполнение этих требований, с увеличением частоты педалирования и ростом утомления, крайне затрудняется.

Приведенные факты непосредственно влияют на формирование посадки велосипедиста. Так, седло должно быть сдвинуто вперед по горизонтали, чтобы было легко держать вес тела непосредственно над педалями. Подтверждением этого может, например, служить описание позиции выдающегося гонщика Лэнса Армстронга, как более выдвинутую вперед по сравнению с общепринятой [5].

Кроме того, отмечается [3], что такое продвинутьое положение седла снижает негативные взаимоотношения между бедром и грудью при педалировании. На практике это можно легко увидеть, наблюдая за посадкой гонщиков на дистанции. По мере увеличения скорости езды или при подъеме в гору тело велосипедиста перемещается на седле вперед, что красноречиво свидетельствует о большем проценте веса, приходящегося на педали.

По нашему мнению, положение седла по вертикали должно быть обусловлено необходимостью иметь оптимальный с точки зрения работы мышц угол разгибания ноги в момент "рабочего" положения педали на 3 ч [3], передающе й давление веса тела на педаль. Если колено слишком согнуто или разогнуто, мышцы не могут проявить своей максимальной силы. Слишком разогнутая нога, помимо всего прочего, снижает скорость вращения системы "педаль-нога" при прохождении низких участков (на 6 ч) педалирования.

С этой же точки зрения мы можем рассмотреть положения руля, высота и горизонтальное расположение которого должны быть оптимальны для принятия аэродинамической позиции и возможности легко удерживать равновесие в седле и на педалях без излишнего напряжения мышц рук и плечевого пояса.

В нашей дискуссии о вращательном моменте силы при педалировании большое значение имеет то, как мы понимаем и что рассматриваем как главный источник силы, прикладываемой к педали. Основой для этого понимания на уровне здравого смысла является предположение о том, что усилия мышц - разгибателей ног вносят основной вклад в создание вращательного момента силы. Вполне очевидно, что именно так это и выглядит при наблюдении со стороны, поскольку эти усилия при разгибании ног при педалировании легко видны. Но так ли это в действительности?

Как известно из физики, для того чтобы приложить усилия к некоему объекту (телу), который мы хотим переместить, нужно иметь опору. Необходимость этих условий была описана еще Аристотелем [8, 9]: "For one part of animal must be moved, and another be at rest, and against this one part which is moved will support itself and be moved".

Применительно к педалированию это означает, что нужно иметь опору, чтобы быть способными давить на педали. Однако это можно сделать только при условии стояния (удержания своего веса) на педалях, т.е. давить на них с силой, не большей, чем вес собственного тела, и в максимальной степени тогда, когда вес расположен непосредственно над педалью в зоне 1-4 ч.

Иными словами, такой опорой при педалировании является только собственный вес.

Из этой логики рассуждений следует, что педаль, к которой прикладываются усилия в соответствии с третьим законом Ньютона, будет давить с такой же силой на стопу, с какой стопа давит на педаль (рис. 2). Разница только в том, какая из взаимодействующих сторон является опорой для движения другой. Думается, что наш выбор не очень затруднителен. Совершенно очевидно, что необходимо быстрое перемещение, вращение педали.

Когда сила сопротивления педали не превышает веса тела гонщика, педаль двигается вниз, вращая колесо велосипеда и перемещая велосипедиста вперед. В случае же, когда сопротивление педали больше веса тела, педаль остается на месте и разгибание ног перемещает туловище вверх. Думается, что эта ситуация знакома многим (рис. 3), поднимавшимся на велосипеде по крутому склону, когда даже при самой легкой передаче становится невозможным вращать педали, даже привстав с седла.

Исходя из этого следует учитывать, что ноги функционируют здесь как передатчики (хорошие или плохие - это уже другой вопрос) веса тела (т.е. гравитации) на педаль. При этом, когда вес тела располагается на педали в зоне от 1 до 4 ч, создается самый высокий вращательный момент силы.

Необходимо добавить, что вес (общий центр масс - ОЦМ) тела в положении сидя на седле может смещаться главным образом из стороны в сторону (слева направо и обратно), но не вверх и вниз или вперед-назад (рис. 4). В принципе это означает, что правильное, эффективное приложение веса тела к педали зависит от того, как точно выполняется его перемещение из стороны в сторону, и отсюда очень важно знать об этом и уметь это делать как можно проще и эффективнее.

Перемещение веса тела вверх-вниз и в меньшей степени вперед-назад происходит при некоторых специфических условиях педалирования. Так, при езде в гору или при необходимости предпринять спурт, применяется педалирование стоя вне седла, когда вес тела может перемещаться вверх-вниз дополнительно к смещению из стороны в сторону, с тем чтобы увеличить давление на педали увеличением веса тела при перемещении его вниз с большей высоты.

Другой важный момент - умение разделять понятия "приложение силы" и "приложение усилий". Сила действия на педаль есть прежде всего результат действия гравитации, проявляющейся в виде веса тела. Усилия же - это напряжение мышц тела (в данном случае ног), которые мы производим, направляя действие сил гравитации (веса тела) на педаль. J.P. Broker [4] рассматривает гравитационный и мышечный компоненты момента силы при педалировании, но пропускает очень важную особенность их взаимоотношений, состоящую в том, что вес тела является ограничителем приложения мышечных усилий.

Рис. 2

Рис. 3

Действительно, если усилия не отражают приложенного веса тела, они будут только пустой мышечной тягой, которая ошибочно может быть принята за силу, прикладываемую к педали. Можно показать это на примере бокса. Так, разница между ударом техничного боксера (даже легковеса) и обычного человека заключается в том, что боксер вкладывает в удар вес всего тела, тогда как обычный человек использует только силу руки, что, как известно, приводит к совершенно различным результатам.

С этой точки зрения, естественно, что прикладываемое усилие должно быть пропорционально проценту (порции) веса тела, используемого в данное время при педалировании. Если нога и мышечные усилия служат только передатчиками веса тела, который используется, то величина мышечных усилий должна отражать этот процент веса тела. Такая логика отношений между силой и усилием вносит определенную ясность в понимание внешних различий, наблюдаемых в разных типах педалирования (обычно квалифицированных и неквалифицированных гонщиков).

Неквалифицированные гонщики, не обладающие достаточным искусством использования собственного веса, пытаются компенсировать это большим количеством мышечных усилий. Однако в результате этого они получают обратный эффект, производя тяжелые, угловатые движения, л имитирующие возможност ь увеличения частоты и сопровождающиеся значительно меньшей эффективностью педалирования.

Подводя итог вышесказанному, можно сделать следующие выводы:

- Вес тела является доминирующей силой и опорой для ног в обеспечении вращения педалей.

- Величина приложения силы к педалям ограничена весом тела гонщика.

- Максимум вращательного момента силы проявляется при нахождении веса тела перпендикулярно положению педали на 3 ч, или 90^о.

- Нога служит передатчиком веса тела на педаль.

- Для обеспечения приложения максимального момента силы на каждую педаль вес тела перемещается с одной стороны на другую.

- С ростом частоты педалирования способность перемещения веса тела с одной педали на другую уменьшается, уменьшая при этом и вращательный момент силы.

- Разница между силой и усилиями заключается в том, что сила - это процент (часть) веса тела, тогда как усилия есть уровень мышечного напряжения, обеспечивающего приложение веса тела к педалям.

- Мышечные усилия должны отражать процент веса тела, прикладываемого к педалям.

- Положение (поза) велосипедиста продиктовано необходимостью приложения максимального вращательного момента силы и снижения сопротивления воздуха при педалировании.

- Вес тела гонщика должен быть пропорционально распределен между седлом и педалями в зависимости от необходимости присутствия того или иного процента веса для обеспечения педалирования в данных условиях.

Рис. 4

Список использованной литературы:

1. Анохин П.К. Философские аспекты теории функциональных систем. - М.: Наука, 1978, с. 29.

2. Биомеханические основы выносливости / В.М. Зациорский, С.Ю. Алёшинский, Н.А. Якунин. - М.: ФиС, 1982, с. 33.

3. Донской Д.Д. Законы движений в спорте. - М.: ФиС, 1968, с. 24.

4. Донской Д.Д., Зациорский В.М. Биомеханика. - М.: ФиС, 1979, с. 97.

5. Broker J.P. Cycling Biomechanics: Road and Mountain. High-Tech Cycling. Burke E.R., editor. - Human Kinetics, 2003. - рр. 119-146.

6. Broker J.P. Cycling Power: Road and Mountain. High-Tech Cycling. Burke E.R., editor. - Human Kinetics, 2003. - рp. 147-174.

7. High-Tech Cycling. E.R. Burke editor. - Human Kinetics, 2003.

8. Faria I.E. 1992. Energy expenditure, aerodynamics and medical problems in cycling: An update. SportsMed 14:43-63.

9. Lucia A., Hoyos J., and Chicherro J.L. Preferred pedalling cadente in professional cycling. MedSciSports Exerc 33:1361-1366, 2001.

10. Lucia A., Earnest C., Hoyos J., Chicherro J.L. Optimizing the Crank Cycle and Pedaling Cadence. High-Tech Cycling. E.R.Burke editor. - Human Kinetics, pp. 93-118, 2003.

11. Movement of Animals. The Complete works of Aristotle, vol.1. Princeton University Press, p. 1090, 1995.

12. Progression of Animals. The Complete works of Aristotle, vol.1. Princeton University Press, p. 1100, 1995.

13. Takaishi T., Sugiura T., Katayama K., Sato Y., Shima N., Yamamoto T. and Moritani T. 2002. Changes in blood volume and oxygen level in working muscle during a crank cycle. MedSciSports Exerc 34:520-528.

14. Town G., Kearney T. Swim, Bike, Run. - Human Kinetics Publishers, 1994. - pp. 73-77.

  На главную    В библиотеку    Обсудить в форуме 

При любом использовании данного материала ссылка на журнал обязательна!
 

Реклама: