НЕКОТОРЫЕ ПРИЧИНЫ И ПРОЯВЛЕНИЯ АСИММЕТРИИ ДИНАМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ УДАРНЫХ ДЕЙСТВИЙ

БИОМЕХАНИКА СПОРТА

Abstract

SOME REASONS AND DISPLAYS OF ASYMMETRY OF DYNAMIC STRUCTURE OF SHOCK ACTIONS

G.P. Ivanova, Dr. Biol., professor

D.V. Spiridonov, E.N. Sautina

The St.-Petersburg state P.F. Lesgaft's university of physical culture and sports, Saint Petersburg

Key words: motor asymmetry, shock action, peripheral mechanism of control.

The purposes of the work were: 1) to establish the system distinctions of dynamic structure of shock circuits proceeding from the special roles of the peripheral mechanism of control in the formation of the manual asymmetry of complex movements; 2) to show the role of the system organization of circuits in solving concrete motor tasks on the basis of the analysis of the shock actions of a different target orientation.

In the authors opinion, the components of the types of asymmetry are formed independently from each other, their various combination is possible: the conducting finiteness can answer both to rigid, and to flexible type of the circuit connection.

This conclusion has the direct relation to the practice of training to shock actions in sports, and in particular in tennis. The understanding of the individual motor nature of a pupil will allow the trainer to avoid the widespread unified technique of training to avoid the categoriality in the estimation of sports-technical preferences and, accordingly, abilities of an athlete-beginner.

НЕКОТОРЫЕ ПРИЧИНЫ И ПРОЯВЛЕНИЯ АСИММЕТРИИ ДИНАМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ УДАРНЫХ ДЕЙСТВИЙ

Доктор биологических наук, профессор Г. П. Иванова, Д. В. Спиридонов, Э. Н. Саутина
Санкт-Петербургский государственный университет физической культуры и спорта
им. П. Ф. Лесгафта, Санкт-Петербург

Ключевые слова: двигательная асимметрия, ударное действие, периферический механизм управления.

Введение. Исследование ударных действий представляет собой одно из важнейших направлений спортивной биомеханики. Длительное время все работы в этой области были ориентированы на поиск общих принципов и закономерностей ударных движений. Однако в последние годы интересы ученых заметно сместились в сторону изучения индивидуальных особенностей действий и их причинной обусловленности. Этим объясняется повышенный интерес к вопросам функциональной асимметрии, которая, по утвердившемуся мнению, является одним из важнейших индивидуальных показателей двигательной организации.

Качественно новым шагом в этом направлении явилось введение некой обобщающей характеристики систем тела - индивидуального профиля асимметрии (ИПА). Физиологи рекомендуют использовать ИПА в качестве основы типологизации людей по специфике двигательных качеств [1, 3, 11]. Главная роль в ИПА отводится функциональной асимметрии полушарий головного мозга, которая рассматривается как определяющий фактор всех других латеральных различий. Вместе с тем известно, что далеко не все наблюдаемые на практике проявления асимметрии двигательных систем укладываются в рамки традиционных моделей. Так, в опубликованных работах по спортивной биомеханике неоднократно отмечалась специфическая роль периферического механизма управления [5, 9, 11, 12]. В то же время какого-либо конкретного и обстоятельного обсуждения этого аспекта в литературе найти не удалось. Очевидно, что широкий спектр вопросов, связанных с соотношением центрального и периферического механизмов в формировании латеральной асимметрии двигательных систем, требует дальнейшего изучения.

Цели работы: 1) установить системные различия динамической структуры ударных цепей исходя из особой роли периферического механизма управления в формировании мануальной асимметрии сложнокоординированного движения; 2) показать роль системной организации цепей в решении конкретных двигательных задач на основе анализа ударных действий разной целевой направленности.

Асимметрия динамической структуры ударных цепей как системное свойство пояса верхних конечностей. Двигательная асимметрия рассматривается в науке как форма эволюционного приспособления человеческого организма к условиям окружающей среды [3, 4, 7, 9, 10]. Специалисты выделяют две группы признаков асимметрии: признаки эволюционной адаптации и признаки краткосрочной адаптации. Первую группу составляют неизменные во времени, т. е. генетически закрепленные, формы физиологических различий двигательных цепей разных сторон тела. Ко второй группе относятся показатели асимметрии, которые могут изменяться в течение реальных отрезков времени (например, асимметрия силы отдельных групп мышц). Эта категория различий формируется, как правило, на базе какой-либо специфической деятельности или направленной тренировки. В нашей работе этот аспект не рассматривается. Речь идет в первую очередь о генетически обусловленных проявлениях асимметрии верхних конечностей, выступающей как непроизвольный фактор двигательной активности.

Работы И. М. Козлова, посвященные исследованию центрального и периферического механизмов управления в формировании биомеханической структуры спортивных действий [8], позволили нам теоретически обосновать нетрадиционный подход к вопросам двигательной асимметрии, который далее предлагается в качестве гипотезы.

Согласно сложившимся научным воззрениям периферический и центральный механизмы управления есть механизмы разных эволюционных "эпох".

Периферический механизм, или механизм "первичной конструкции", осуществляет рефлекторную организацию движений. Механизм центральных команд складывается позднее. Это механизм "вторичной конструкции". На его основе осуществляется психофизиологическое управление двигательными действиями. Второй механизм не заменяет и не дублирует первого. Каждый из них выполняет свои природные функции и имеет свои особые свойства.

Асимметрию двигательных функций, формируемую на базе каждого из механизмов, предлагается рассматривать как его отдельное свойство, расширяющее функциональные возможности двигательного аппарата. На каждой эволюционной ступени асимметрия имеет разную причинную обусловленность и соответственно различные формы проявления. На современном этапе двигательная асимметрия человеческого организма представляет собой суперпозицию проявлений асимметрии периферического и центрального механизмов управления. Физиологической базой асимметрии, формируемой на рефлекторном уровне, является асимметрия напряжений мышц-антагонистов на одноименных звеньях разносторонних двигательных цепей. Соотношение напряжений мышц-сгибателей и мышц-разгибателей на соседних звеньях цепи определяет набор используемых степеней свободы сустава. Асимметрия напряжений мышц-антагонистов на одноименных звеньях разносторонних двигательных цепей формирует разные двигательные возможности суставно-мышечного аппарата, осуществляя тем самым их естественную "специализацию" к выполнению разных групп физических действий.

В обычном режиме жизнедеятельности различие в степенях подвижности на одноименных суставах разных конечностей при необходимости может быть рефлекторно компенсировано возможностями других суставов. Это отражает целесообразность системной организации пояса верхних конечностей как единой системы.

В экстремальном режиме, т. е. в условиях дефицита времени, при максимальных мышечных усилиях либо при высоком утомлении различие в суставно-мышечной организации цепей не может быть компенсировано "подстройкой" системы, а потому всегда проявляется отчетливо и однозначно. Это обстоятельство неоднократно отмечалось специалистами [9, 13].

Соотношение напряжений мышц-антагонистов на последовательных звеньях двигательных цепей является системным свойством. Если сравнивать с этих позиций двигательные цепи разных сторон тела, то одна из них по суставной подвижности будет организована более жестко, чем другая. Внешне самым заметным проявлением различий обладает локтевой сустав. Более высокое напряжение мышц-разгибателей делает его жестче. Более высокое напряжение мышц-сгибателей на двигательной цепи другой стороны тела обеспечивает его гибкость. По этому признаку условно будем называть цепи "жесткими" и "гибкими". Суставная жесткость - это динамическая характеристика двигательной цепи. Асимметрия динамической жесткости цепей разных сторон тела, проявляемая в ударном движении, представляет собой одно из важнейших следствий асимметрии механизма периферического управления.

Второй механизм управления движениями - механизм центральных команд. В сфере двигательной активности он отражает функциональную асимметрию полушарий головного мозга. По данным физиологических и психологических исследований, асимметрия головного мозга отвечает за различия "ведущей" и "неведущей" конечност ей по быстроте включения в произвольное действие, точности пространственно-двигательных оценок, скорости освоения навыков и их устойчивости [3].

Поскольку асимметрия периферического и центрального механизмов управления формируется независимо (тип организации конечности по жесткости межзвенных связей на этапе формирования механизма центральных команд не отслеживается), то признаки асимметрии, сформированные на базе различных природных механизмов, могут выступать в различных сочетаниях. Это означает, что "ведущая" рука (показатель асимметрии центрального механизма управления) может оказаться в одних случаях "жесткой", а в других - "гибкой" (показатель асимметрии периферического механизма управления).

Принимая во внимание то, что чаще "ведущей" рукой (по статистическим данным) является правая [3] и к тому же она чаще организована по "жесткому" типу [12], к этому варианту сочетаний признаков асимметрии будет применим термин "правша". Если правая ведущая рука оказывается более гибкой по межзвенным связям, то этот вариант будем называть "скрытый левша". Аналогичная терминология предлагается и для характеристики людей с левой ведущей рукой. Возможные варианты сочетаний признаков асимметрии приведены в таблице.

Наиболее важным выводом из соотношений, приведенных в таблице, является вывод о возможном различии правшей (как и левшей) по типу суставно-мышечной организации ведущей руки. Некоторые конкретные проявления этих различий были рассмотрены нами ранее на примере удара справа в теннисе [6].

Системные различия жестких и гибких ударных цепей. Качественный биомеханический анализ теннисного ударного движения позволил выделить системные различия динамической структуры ударных цепей, связанных с присущим им типом межзвенной организации.

Возможные варианты сочетания признаков мануальной асимметрии периферического и и центрального механизмов

Традиционное определение	Асимметрия механизма центрального управления		Асимметрия механизма периферического управления		Предлагаемое определение
Традиционное определение	ведущая	неведущая	жесткая	гибкая	Предлагаемое определение
Правша	правая	левая	правая	левая	правша
Правша	правая	левая	левая	правая	скрытый левша
Левша	левая	правая	левая	правая	левша
Левша	левая	правая	правая	левая	скрытым правша

Рассматривались различия по ряду параметров: связи кисти и предплечья с ударником, связи плеча с предплечьем, участия в движении плечевого сустава, роли лопатки и ключицы и т.п. Результаты анализа позволили сделать вывод о том, что асимметрия межзвенных связей - объективный фактор, который играет важную роль в формировании динамической структуры ударного действия. Вместе с тем, принимая во внимание, что данные исследования одного специального движения не служат достаточным основанием для каких-либо значимых обобщений, нам представлялось необходимым сравнить наш подход и полученные на его основе оценки с результатами исследования ударных действий какого-либо иного типа. С этой целью мы обратились к работам Н. А. Бернштейна, посвященным анализу производственных ударных движений [2]. Данные исследования, приведенные в указанной работе, формально не связаны с вопросами асимметрии. Тем не менее по своей сути работа оказывается чрезвычайно близкой к обсуждаемой теме.

Объектом биомеханического анализа служило конкретное производственное ударное действие - рубка металла с помощью зубила. Сложность действий состояла в сочетании требований большой точности результата действия и мощности всего движения, т. е. высокоорганизованной ударной силы. Это означало, что удар выполнялся "ведущей" рукой, обеспечивавшей более высокую силу и точность. Во всех примерах, приведенных в работе, это была правая рука.

На основании значительного объема наблюдений и экспериментальных исследований Н. А. Бернштейном делается принципиально важный вывод о существовании двух основных типов ударных действий. Их различает прежде всего динамика взаимосвязи звеньев ударной цепи и траектория движения ударника. По типу замаха автор характеризует удары как "вертикальный" и "отводной".

Мы задались целью проанализировать оба варианта движения исходя из системно-структурных представлений, изложенных выше. Кинематика движения при вертикальном ударе представлялась более простой, что и определило последовательность рассмотрения. Из соображений краткости иллюстративный материал - рисунки и схемы - представляет лишь фазу замаха.

На рис. 1 приведены последовательные положения руки при вертикальном замахе. В отличие от оригинала они даны в пространственном изображении. Исходное положение руки перед вертикальным ударом показано на рис. 1, а. Тип движения задается уже хваткой инструмента - кисть ориентирована вдоль ручки молотка. При этом производится отведение кисти, а предплечье сохраняет естественное положение (без поворота вокруг продольной оси). Замах осуществляется за счет сгибания в локтевом (рис. 1, б) и плечевом суставах, при котором локоть движется вверх-вперед (рис. 1, в). Все движения замаха, как и последующие движения разгона молотка, производятся в одной плоскости. Эта плоскость параллельна сагиттальной плоскости и проходит через плечевой сустав руки, выполняющей удар.

На рис. 2 показана кинематическая схема вертикального удара. Ударная цепь состоит из двух основных звеньев: единого дистального звена (молоток, кисть и предплечье) и второго звена - плеча. Третье звено - лопатка с ключицей - включается в движение для увеличения амплитуды маха, обеспечивая подъем плечевого сустава вверх за счет поворота в грудинно-ключичном сочленении. Оси вращения в локтевом и плечевом суставах параллельны друг другу, следовательно, движение первых двух звеньев происходит в единой плоскости.

В целом замах осуществляется за счет совместного участия мышц - сгибателей руки. Основная работа мышц совершается при подъеме ударника. Продолжение движения ударника после остановки плеча, отмечаемое Н. А. Бернштейном, есть следствие гибкой суставной связи плеча с предплечьем и происходит по инерции. Инерционный характер движения в наиболее явной форме проявляется в фазе разгона молотка. Использование силы мышц в разгоне незначительное. Активность мышц-разгибателей в большей степени направлена на задание траектории движения. Разгон молотка осуществляется под действием силы тяжести всей ударной цепи. Масса ударника существенно превышает массу одного молотка, так как в состав ударника помимо молотка входят кисть и предплечье. Инерционное движение массивного ударного звена увеличивает силу удара.


а	б	в

Рис. 1. Замах при вертикальном ударе молотком. Вид справа

Вследствие определяющего влияния силы тяжести на разгон ударника при вертикальном ударе этот удар можно назвать инерционным. Особенности структуры ударной цепи определяют и ее предпочтительное направление - сверху вниз. Вертикальный тип удара характерен для гибкой ударной цепи.

Структура движений при отводном ударе несколько сложнее, чем при вертикальном. Хватка молотка в отличие от предыдущего случая производится не вдоль, а поперек его ручки. Исходное положение при отводном ударе изображено на рис. 3, а. Кисть в этом случае неподвижна относительно предплечья, сгибание производится в локтевом суставе, а супинация предплечья - в лучелоктевом суставе (рис. 3, б). Увеличение замаха осуществляется за счет разгибания и поворота наружу всей руки в плечевом суставе (рис. 3, в).

Пространственная кинематическая схема ударной цепи при отводном ударе показана на рис. 3, б. В данном случае ударная цепь состоит из трех звеньев: молотка совместно с кистью, предплечья и плеча. Четвертое звено, включающее лопатку и ключицу, позволяет увеличивать замах при отведении плечевого сустава назад, осуществляемом за счет поворота в грудинно-ключичном сочленении.

В процессе разгона ударника плечо совершает поворот внутрь в плечевом суставе. На фоне этого движения производится быстрое разгибание локтевого сустава с пронацией предплечья и отведением кисти. Все три этих движения происходят почти одновременно. Вследствие содружественного участия мышц всех звеньев ударной цепи отводной удар более акцентирован. Перед моментом соударения происходит торможение всех звеньев ударной цепи, а последнее звено - молоток - приобретает наибольшую линейную скорость.

Заметим, что в отличие от вертикального удара отводной удар может быть эффективен в любом направлении, в том числе горизонтальном и наклонном, а не только в вертикальном. В активном участии мышц как в фазе замаха, так и в процессе разгона молотка - существенное отличие отводного удара от вертикального. Это дает основание характеризовать его как силовой вариант ударной техники. Такой тип удара более свойствен жесткой ударной цепи.


а	б	в

Рис. 2. Замах при отводном ударе молотком. Вид спереди-справа


а	б

Рис. 3. Биомеханические схемы вертикального (слева) и отводного (справа) ударов молотком

В целом же проведенный анализ показал, что кинематическая схема ударного действия формируется в полном соответствии с системной организацией ударной цепи. В многозвенной цепи нужное направление движения ударника и его высокая скорость могут достигаться за счет поворотов в разных суставах. Предлагаемая нами гипотеза не только не противоречит взглядам Н. А. Бернштейна, изложенным в рассматриваемой статье, но и предлагает возможный механизм объяснения отмеченных фактов.

Проявление различий ударных цепей в спортивных движениях. В дополнение к указанному выводу и для подтверждения его справедливости рассмотрим пример из спортивной практики. Из всего многообразия ударных движений к удару молотком наиболее близки подача в теннисе и удары над головой в теннисе и бадминтоне. Сходство заключается в наличии ударника (ракетки) и в направленности движения - вперед и вниз. Остановимся на теннисной подаче.

Помимо сходства между ударом молотком по зубилу и ударом ракетки по мячу при подаче имеются и ощутимые различия. Основные из них:

1. Существенно большая траектория движения при ударе ракеткой. При этом в ударном действии активно участвуют не только рука, но и верхний плечевой пояс, туловище, ноги. Их влияние на эффективность движения весьма значительно.

2. Кисть в момент удара ориентирована таким образом, что удар молотком подобен удару ребром ладони, а удар ракеткой - удару плоскостью ладони.


а	б	в	г

Рис. 4. Подача теннисиста с гибкой ударной рукой


а	б	в	г

Рис. 5. Подача теннисиста с жесткой ударной рукой

С учетом указанных различий сопоставим биомеханические модели обоих видов движений, выполняемых гибкой и жесткой ударными цепями. На рис. 4 и 5 приведены два варианта подачи в теннисе, отвечающие двум вариантам ударной цепи.

Замах, выполняемый при подаче гибкой рукой, начинается с ее сгибания в локтевом суставе и подъема всей руки в плечевом суставе (рис. 4, а). Предплечье удерживается в естественном положении, не совершая поворотов вокруг своей продольной оси. В результате движение руки при выполнении петли за спиной совершается все время в одной плоскости - в плоскости, почти параллельной спине (рис. 4, б). При этом практически не происходит и отведения лопатки. Отметим, что движение звеньев руки при подаче в одной плоскости аналогично движению также в одной плоскости при вертикальном ударе молотком, но плоскости этих движений различные.

Вынос ракетки на мяч включает подъем локтя (рис. 4, в) с его последующим разгибанием, причем движение руки по-прежнему происходит в одной плоскости. В процессе разгибания руки начинается ее движение вперед, которое продолжается и далее, главным образом путем поворота туловища вокруг его продольной оси, сгибания туловища в межпозвоночных суставах, частичного приведения лопатки в грудинно-ключичном сочленении. Вклад приведения лопатки не очень значительный, поскольку предварительно не производилось ее отведение . При движении выпрямленной руки вперед возможна и некоторая ее пронация в плечевом суставе.

Подача жесткой рукой начинается с отведения плеча и лопатки назад (рис. 5, а). Вслед за подъемом плеча начинается сгибание в локтевом суставе. Одновременно со сгибанием локтевого сустава осуществляется супинация предплечья. На рис. 5, б положение звеньев руки сходно с замахом при ударе молотком (см. рис. 3, б). Они отличаются лишь амплитудой движений, которая при подаче заметно больше. Дальнейшее движение ракетки вниз далеко за спину создается разгибанием локтя с супинацией плеча при предельном отведении в грудинно-ключичном сочленении (рис. 5, в). Таким образом, петля разгона ракетки за спиной имеет более сложную пространственную траекторию.

Дальнейший разгон руки с ракеткой производится за счет разгибания в локтевом суставе при одновременной пронации предплечья и плеча. Синхронность разгибания предплечья и его пронации обеспечивает естественный выход ракетки в положение непосредственного касания мяча. Предварительное отведение лопатки позволяет эффективно использовать ее последующее приведение для разгона руки с ракеткой. К ведущим движениям, обеспечивающим нужную скорость и траекторию ударного звена, добавляются вращение туловища вокруг его продольной оси, сгибание туловища и толчок ногами вверх-вперед.

Таким образом, во всех рассмотренных ударах мы находим сходные проявления структурных различий, свойственных гибким и жестким ударным цепям. Это обстоятельство позволяет выдвинуть предположение об общности проявлений динамической асимметрии пояса верхних конечностей в ударных действиях.

Обсуждение результатов. Двигательная асимметрия, проявляемая в динамике ударного действия, представляет собой суперпозицию проявлений асимметрии разной физиологической природы. Она включает:

- проявления асимметрии, связанные с механизмом "первичных" конструкций или жесткостной организации ударных цепей;

- проявления асимметрии, связанные с механизмом "вторичных" конструкций и отражающие функциональную асимметрию, а точнее - праворукость и леворукость.

Первая группа различий - это особенности движений, обусловленные асимметрией суставно-мышечной связи звеньев кинематических цепей, относящихся к разным сторонам тела. Асимметрия напряжений мышц-антагонистов приводит к возникновению в биомеханической структуре движений гибких и жестких цепей. Эти различия проявляются в асимметрии используемых в динамике степеней свободы суставов.

Ко второй группе относятся различия, формирующие понятия "ведущая - неведущая конечность". Они отражают асинхронность включения конечностей в произвольное действие и предпочтительность их использования при решении точностных двигательных задач.

Поскольку составляющие типы асимметрии формируются независимо друг от друга, возможно их различное сочетание: ведущая конечность может отвечать как жесткому, так и гибкому типу межзвенной связи.

Полученный вывод имеет прямое отношение к практике обучения ударным действиям в спорте, и в частности в теннисе. Понимание индивидуальной двигательной природы ученика позволит тренеру отойти от распространенной в настоящее время унифицированной методики обучения, избежать необоснованной категоричности в оценке спортивно-технических предпочтений, соответственно способностей начинающего спортсмена, а часто и его спортивного будущего.

Литература

1. Бердичевская Е.М. Профиль межполушарной асимметрии и двигательные качества // Теория и практика физ. культуры. 1999, № 9, с. 43-46.

2. Бернштейн Н.А. Избранные труды по биомеханике и кибернетике. - М.: СпортАкадемПресс, 2001. - 295 с.

3. Брагина Н.Н., Доброхотова Т.А. Функциональные асимметрии человека. - М.: Медицина, 1988. - 240 с.

4. Геодакян В.А. О структуре эволюционирующих систем // Проблемы кибернетики. М., 1972, вып. 25, с. 81-91.

5. Гутник Б.И. Функциональная асимметрия и возможные физиологические механизмы ее активного отражения в мануальной деятельности растущего мужского организма: Автореф. докт. дис. М., 1990. - 42 с.

6. Иванова Г.П., Спиридонов Д.В., Саутина Э.Н. Асимметрия структуры пояса верхних конечностей и ее проявление в теннисном ударном действии // Теория и практика физ. культуры. 2005, № 2.

7. Караев М.Г., Ибрагимова Н.М., Мусаева С.А. Асимметрия в моторике спортсменов: Учеб. пос. Баку, 1991. - 52 с.

8. Козлов И.М. Центральные и периферические механизмы формирования биомеханической структуры спортивных действий. Автореф. докт. дис. Майкоп, 1999. - 46 с.

9. Лебедев В.М. Динамическая латерализация функций в процессе результативной деятельности человека и животных: Автореф. докт. дис. Минск, 1992. - 42 с.

10. Петухов С.В. Биомеханика, бионика, симметрия. - М.: Наука, 1981. - 239 с.

11. Сологуб Е.Б., Таймазов В.Н. Спортивная генетика. - М.: Терра-спорт, 2000. - 127 с.