ЗА РУБЕЖОМ

Abstract

PROPULSIVE EFFICIENCY OF ROWING

V. Kleshnev, Ph.D..

Australian Institute of Sport, Kanberra, Australia

Key words: rowing, muscles efficiency, propulsive efficiency, speeds efficiency, rowing technique's optimization.

The aim of this study was to evaluate the propulsive efficiency of rowing to optimize the rowing technique.

The author offers the new method of rowing technique's efficiency and the ways of its optimization. He considers the main directions to improve the propulsive efficiency of rowing and substantiates the criterium of it's evaluation.

ПРОПУЛЬСИВНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГРЕБЛИ

Кандидат педагогических наук В. Клешнев
Австралийский институт спорта, Канберра, Австралия

Ключевые слова: гребля, мышечная эффективность, пропульсивная эффективность, скоростная эффективность, оптимизация техники гребли.

Введение. Если рассматривать греблю как процесс трансформации энергии биохимических субстратов в приращение энтропии среды, сопровождающее перемещение системы гребец - лодка [4, 21], то этот процесс можно разделить на две различные по своей природе части: внутри и снаружи тела спортсмена. Энергия, прикладываемая к рукоятке весла, является границей этих двух процессов.

Внутренняя, или мышечная, эффективность гребли определяется преимущественно КПД мышечных сокращений и их координацией. Различными источниками эта эффективность определялась в диапазоне 14-27% [2 -5, 8, 11, 13, 18]. Внешняя, или пропульсивная, эффективность связана с гидродинамикой корпуса лодки и весла и определялась в диапазоне 60-80% [1-3, 12, 16, 22]. Пропульсивная эффективность гребли (ПЭГ) и будет основным предметом данной работы.

ПЭГ состоит из двух компонент:

- пропульсивной эффективности работы лопасти весла (ПЭВ);

- эффективности превращения пропульсивной энергии в среднюю скорость лодки или эффективности скорости лодки (ЭСЛ).

В настоящее время не существует общего мнения относительно причин потери энергии при работе весла. Традиционно их объясняли разложением силы, действующей на лопасть весла, на компоненты, параллельную и перпендикулярную вектору скорости лодки [10, 19]. В свете современных представлений о механике работы лопасти весла [22] эта точка зрения не выдерживает критики. Последние работы определяют ПЭВ как функцию гидродинамических сил сопротивления и лифта [1, 7, 15, 16, 22].

Очевидно, что ЭСЛ обусловлена колебаниями мгновенной скорости лодки и нелинейной зависимостью силы и энергии сопротивления при движении в жидкостях и газах. Различные мнения существуют лишь относительно величины потерь энергии: одни авторы считают их значительными [3, 12, 17], в то время как другие призывают не придавать им особого значения [6, 15, 22].

Существуют различные подходы к проблеме оптимизации ПЭГ. Так, Sanderson и Martindale (1986) предлагают изменение ритма подъезда с целью снижения колебаний скорости лодки, а также увеличение лопасти весла. В этой работе ЭСЛ была определена в диапазоне 93,5-95,5 для одиночки. Nolte (1991) рекомендует увеличение длины гребка при минимизации перемещения центра массы гребца. Schwanitz (1991) считает, что акцент приложения силы в первой части проводки может дать некоторое преимущество в связи с более высокой ПЭВ.

В данной работе будет сделана попытка оценить пропульсивную эффективность гребли с целью оптимизации техники гребли.

Методы исследования. Оборудование. Измерения проводились в соревновательных лодках на воде с использованием радиотелеметрической системы. Измерялись следующие параметры:

- угол поворота весла -с помощью серво-потенциометра, установленного на оси уключины;

- момент усилия, прикладываемого к рукоятке весла, - посредством определения изгиба весла с помощью индуктивного датчика перемещения;

- ускорение лодки по горизонтальной оси - с помощью низкочастотного пьезо-резистивного акселерометра;

- среднецикловая скорость лодки - электромагнитным датчиком (Nielsen-Kellerman Co). Мгновенная скорость лодки определялась интегрированием ускорения, поскольку датчик скорости имел высокую постоянную времени.

Таблица 1. Распределение обследованных гребцов по средним велечинам роста и веса

Таблица 2. Корреляция критерия удержания усилия на рукоятке с КПД лопасти (%) и с относительной мощностью гребли (Вт/кг)

Таблица З. Механическая эффективность и коэффициент сопротивления для различных классов лодок

Таблица 4. Скоростная экономичность (СЭ) гребли в различных типах лодок

Контингент. Были обследованы 71 спортсмен в 21 экипаже, входившие в национальную команду Австралии или ее ближайший резерв (табл. 1).

Протокол. Каждая команда выполняла тестовую процедуру, состоящую из трех отрезков, продолжительностью 1 мин, и нелимитированным временем отдыха. Первый отрезок выполнялся в темпе 23,3±1,9 мин^-1, что соответствовало аэробной зоне энергообеспечения. Второй - в темпе 29,6±1,7 мин^-1, примерно в зоне ПАНО. Третий - в соревновательном темпе, который в среднем составил 35,8±2,5 мин^-1.

Обработка данных. Информация, передаваемая через телеметрическую систему, вводилась в компьютер в реальном времени и обрабатывалась по специально разработанной программе. Затем были получены производные паттерны каждого измеряемого параметра, усредненные за время каждого отрезка. Затем были получены производные паттерны (например, паттерн угловой скорости был получен из паттерна угла весла и т.д.) и рассчитаны количественные критерии (например, среднее и максимальное усилие рассчитывалось с использованием паттерна усилия и т.д.).

Рис. 1. Траектория лопасти весла в течение опорной фазы гребка

Метод расчета пропульсивной эффективности весла. Были сделаны следующие допущения:

- гребцы прикладывают усилия к середине рукоятки весла: 0,06 м от края - в парной гребле и 0,15 м - в распашной (оцениваемая ошибка 1-2%);

- результирующая сила гидродинамического сопротивления и лифта была приложена к центру лопасти весла (оцениваемая ошибка 5-7%);

- соотношение между скоростью лодки (v) и силой сопротивления (Fdr) определяется уравнением:

Fdr = k v2, (1)

где k - коэффициент сопротивления, зависимый от типа-размера лодки и погодных условий (оцениваемая ошибка 2-3%).

Таким образом, общая ошибка метода не могла превышать 10% и должна была быть систематической , что делает валидным сравнение различных спортсменов и экипажей.

ПЭВ рассчитывалась следующим образом. Сила, прикладываемая к лопасти весла, рассчитывалась на основе усилия на рукоятке и соотношения внутреннего и внешнего рычагов весла. На основе данных угла весла и скорости лодки рассчитывались траектория лопасти весла (рис. 1) и скорость ее центра. Мощность, затрачиваемая на сдвиг воды лопастью весла, определялась как векторное произведение силы и скорости центра лопасти весла. Эта мощность (Pwb) представляет собой потери энергии гребца, или разность между мощностью, прикладываемой к рукоятке весла (Ph) и пропульсивной мощностью (Pp), затрачиваемой на продвижение лодки.

ПЭВ определялась из уравнения:

ПЭВ = Pp / Ph = (Ph - Pwb) / Ph . (2)

Коэффициент сопротивления определялся для каждого опрезка теста с использованием мгновенной силы на лопасти (Fb) и скорости лодки (v_i) в уравнении:

. (3)

Вариация скорости лодки вычислялась как отношение среднеквадратического отклонения мгновенных значений скорости лодки к их средней. Потери энергии (Pws), вызванные колебаниями скорости лодки относительно средней (v), определялись в уравнении:

. (4)

ЭСЛ определялась с использованием пропульсивной мощности (Pp) и потерь энергии (Pws). Общая пропульсивная эффективность гребли (ОПЭГ) определялась как произведение ЭСЛ и ПЭВ.

Использование механической эффективности практическими работниками несколько затруднено, поскольку она лишь косвенно связана со скоростью лодки. Поэтому было введено другое определение эффективности, которое прямо определяло потери скорости лодки и которое было названо "скоростной экономичностью" (СЭ). Она представляет собой отношение реальной средней скорости лодки (Vreal) к рассчитанной при условии, что ЭСЛ равна 100% (V100) :

СЭлодки = Vreal / V100 = (ЭСЛ Pp / k)^1/3 / (1 Pp / k)^1/3 = ЭСЛ^1/3. (5)

Аналогичным образом рассчитывалась скоростная эффективность весла (fb):

СЭвесла = ПЭВ^1/3. (6)

СЭ позволяет прямо определять влияние пропульсивных факторов на результат. Например, прирост СЭ весла на 1% при постоянной мощности гребли означает прирост скорости лодки на 1%.

Результаты и их обсуждение. Вариация и эффективность скорости лодки. Статистический анализ не выявил достоверных различий в вариации скорости лодки и ЭСЛ лодки между группами мужчин и женщин, парников и распашников, гребцов открытой категории и легковесов, а также между спортсменами различной квалификации. Увеличение темпа гребли приводило к увеличению вариации (r = 0,41, p<0,05) и снижению ЭСЛ (r = -0,55, p<0,01) (рис. 2). ЭСЛ был достоверно (p<0,05) выше в крупных лодках (четверки и восьмерки), чем в одиночках и двойках (табл. 3).

Пропульсивная эффективность весла. ПЭВ достоверно возрастала с ростом темпа гребли (r = 0,26, p<0,05) и скорости лодки (r = 0,51, p<0,01), т.е. этот параметр имел тренд, обратный ЭСЛ (рис. 3, а). Вероятно, с этим связан тот факт, что ПЭВ была выше в крупных лодках, чем в мелких (см. табл. 3).

Динамика ПЭВ в цикле гребка была примерно одинаковой в различных типах лодок (рис. 3, б): она резко падала после прохождения веслом 10-15о от захвата и затем нарастала к концу гребка, где ее значения превышали 100%, что может объясняться рекуперацией и возвратом упругой энергии изгиба весла и кинетической энергии массы тела гребца.

ПЭВ умеренно коррелировала с параметром формы кривой усилия на рукоятке - отношением среднего усилия к максимальному (r = 0,27, p<0,05). С целью выявления дополнительных параметров, связывающих ПЭВ с формой кривой приложения усилий к рукоятке весла, был проведен корреляционный анализ параметра удержания силы (УС), равного доле (Акрит.) от полной длины проводки (Аполн.), в течение которой усилие выше определенного критерия при различной величине этого критерия (рис. 4, а):

УС = Акрит. / Аполн. (7)

a)

 б)

Рис. 2. Зависимость вариации скорости лодки (а) и ее скоростной эффективности от темпа гребли (б)

а)

б)

Рис. 3. Зависимость ПЭВ от скорости лодки (а) и динамика ее мгновенных значений (k) в цикле гребка для различных типов лодок (б)

а)

б)

Рис. 4. Определение параметра УС на рукоятке (а) и зависимость ПЭВ от этого параметра (б)

Было выявлено, что наибольшую корреляцию с ПЭВ имеет УС при величине критерия 30% от максимальной силы - УС_30% (табл. 2). Корреляция УС_30% с относительной мощностью (отношением мощности гребли к весу тела спортсмена) не была наибольшей, но незначительно отличалась от максимального значения.

Рис. 4, б характеризует форму зависимости ПЭВ от выявленного критерия УС_30% и ее тренд.

ПЭВ заметно возрастает при увеличении УС30% до величины 80% и практически не меняется при дальнейшем увеличении этого параметра. В среднем прирост УС на 6% (с 74 до 80%) дает прирост ПЭВ на 8% и увеличение скорости лодки на 2%.

Общая пропульсивная эффективность гребли. Общая пропульсивная эффективность гребли (ОПЭГ) была выше в крупных лодках за счет более высоких ЭСЛ и ПЭВ (табл. 3). В среднем 22,4% энергии, прикладываемой гребцами к рукоятке, терялось: из них 17,8% - вследствие всплывания весла и 5,6% - вследствие колебаний скорости лодки.

Табл. 4 показывает, что средняя скорость лодки может быть выше приблизительно на 1,9% за счет ликвидации ее колебаний и на 6,4% - за счет ликвидации потерь на сплывание весла. Очевидно, что полная ликвидация этих потерь невозможна, однако более высокая вариативность СЭ весла свидетельствует о больших резервах повышения результата. Скорее всего, это верно даже с учетом влияния погодных условий на ПЭВ - встречный ветер увеличивает общее сопротивление, что приводит к сплыванию весла и снижению ПЭВ, и наоборот.

Коэффициент сопротивления (k) (cм. табл. 3) приведен для практического использования в расчетах мощности гребли. Например, для того чтобы достигнуть скорости 5,1 м/с в одиночке ("Золотой Стандарт"), необходимо приложить к рукоятке весла мощность 574 Вт:

P гребли = k v³ / ОПЭГ = 3,19 * 5,10³ / 0,737 = 574.

Те же расчеты для восьмерки (при "Золотом Стандарте" = 6,25 м/с) дают 388 Вт:

P гребли = k v³ / ОПЭГ = 1,29 * 6,25³ / 0,811 = 388.

Заключение. Безусловно, результаты исследований, приведенные в данной статье, требуют дальнейшего уточнения и развития. Так, при определении ПЭВ весла необходимо учитывать следующие факторы:

- вектор реакции на силу давления лопасти на воду направлен не перпендикулярно, а под некоторым углом к лопасти, определяющимся соотношением гидродинамических сил сопротивления и лифта;

- точка приложения усилия находится не в центре весла и меняет свое положение на протяжении проводки;

- точка приложения усилий к рукоятке в распашной гребле может быт не в центре рукоятки и различна для разных спортсменов.

Тем не менее результаты исследований служат основанием для некоторых полезных практических выводов:

1. Оптимизация техники гребли, направленная на повышение ПЭВ, может дать намного больший выигрыш (2-4%) по сравнению со стремлени ем добиться более равномерной скорости лодки (0,5-0,8%).

2. Основным направлением повышения ПЭВ являются более равномерное приложение усилий к рукоятке и избегание высоких пиковых усилий, ведущих к "прорыву воды". Неплохим критерием для этого может служить удержание усилий выше 30% от максимума на протяжении не менее 80% проводки.

3. Поскольку пропульсивная эффективность весла выше, а мощность гребли ниже в крупных лодках, имеет смысл экспериментирование с площадью лопасти и передаточным отношением весла в направлении большей площади и большего рычага в мелких лодках, и наоборот.

4. По-видимому, наибольший эффект (до 6-8%) может дать повышение внутренней мышечной
эффективности работы гребца за счет оптимизации структуры его движений.

Литература

1. Affeld, K., Schichl, K., Ziemann, A. (1993) Assessment of rowing efficiency. International journal of sports medicine, 14, S39 S41.

2. Celentano F., Cortili G., di Prampero, P.E., Cerretelli, P. (1974) Mechanical aspects of rowing. Journal of applied physiology, 36, 642-647.

3. Dal Monte, A., Komor, A. (1989) Rowing and sculling mechanics. In Biomechanics of sport (edited by C.L. Vaughan), pp. 53-119. Boca Raton, FL:CRC Press.

4. Di Prampero, P.E. (1986) The energy cost of human locomotion on land and in water. International journal of sports medicine, 7, 55-72.

5. Fukunaga, T., Matsuo, A., Yamamoto, K., Asami, T. (1986) Mechanical efficiency in rowing. European journal of applied physiology and occupational physiology, 55, 471-475.

6. Kleshnev, V. (1996) The effects of stroke rate on biomechanical parameters and efficiency of rowing. In Proceedings of XIV Symposium on biomechanics in sports (edited by Abrantes, J.M.C.S.), pp. 321-324. Lisboa: Edicoes FMH

7. Kleshnev, V. (1998) Explanation to biomechanics measurement report. (unpublished)

8. Lisieck, A., Rychlewski, T. (1987) Efficiency of rowing exercises on rowing pool. Biology of sport, 4, 27-39.

9. Lueneburger, C. (1995) A comparative analysis of Macon and "big" racing blades. FISA coach, 6, 1-8.

10. Mason, B.R., Shakespear, P., Doherty, P. (1988) The use of biomechanical analysis in rowing to monitor the effect of training. Excel; 4, 7-11.

11. Nelson, W.N., Widule C.J. (1983) Kinematic analysis and efficiency estimate of intercollegiate female rowers. Medicine and science in sports and exercise, 15, 535-541.

12. Nolte, V. (1991) Introduction to the biomechanics of rowing. FISA coach, 2(1), 1-6.

13. Nozaki, D., Kawakami, Y., Fukunaga, T., Milyashita, M. (1993) Mechanical efficiency of rowing a single scull. Scandinavian journal of medicine & science in sports, 4, 251-255.

14. Roth, W. (1991) Physiological-biomechanical aspects of the load development and force implementation in rowing. FISA coach, 2(4), 1-9.

15. Sanderson, B., Martindale, W. (1986) Towards optimizing rowing technique. Medicine and science in sports and exercise, 18, 454-468.

16. Schneider, E., Hauser, M. (1981) Biomechanical analysis of performances in rowing. In Biomechanics VII-B (edited by A.Morecki, K.Fidelus, K.Kedzior and A.Wit), pp. 430-435. Baltimore: University Park Press.

17. Schwanitz, P. (1991) Applying biomechanics to improve rowing performance. FISA coach, 2(3), 1-7.

18. Secher, N.H. (1993) Physiological and biomechanical aspects of rowing. Implications for training. Sports medicine, 15, 24-42.

19. Smith, R.M., Spinks, W.L. (1995) Discriminant analysis of biomechanical differences between novice, good and elite rowers. Journal of sports sciences, 13, 377-385.

20. Sprigings, E.J., Koehler, J.A. (1990) The choice between Bernoulli's or Newton's model in predicting dynamic lift. International journal of sport biomechanics, 6, 235-245.

21. Van-Ingen-Schenau, G., Cavanagh, P.R. (1990) Power equations in endurance sports. Journal of biomechanics, 23, 865-881.

22. Zatsiorsky, V.M., Yakunin, N. (1991) Mechanics and biomechanics of rowing: a review. International journal of sport biomechanics, 7, 229-281.

  На главную    В библиотеку    Обсудить в форуме 

При любом использовании данного материала ссылка на журнал обязательна!