Доктор педагогических наук, профессор К.К. Марков
Аспирантка О.О. Николаева

1. Постановка задачи. Одной из достаточно сложных проблем в теории и методике спортивной тренировки является постоянно стоящая перед тренером и спортсменом практическая задача выбора оптимальных тренировочных нагрузок. С одной стороны, тренировочные нагрузки, вызывающие адаптационные сдвиги в организме спортсмена и приводящие к кумулятивному их накоплению, должны в максимальной степени соответствовать специфике вида спорта, а с другой - быть адекватными текущему функциональному состоянию ключевых систем организма.

В данном случае эта задача сложна потому, что в спортивных локомоциях скоростно-силового характера базовыми характеристиками являются прилагаемые усилия, скорость движения и развиваемая мышечная мощность. Диапазон реальных для каждого спортсмена значений этих переменных весьма широк, а их сочетания в каждом конкретном случае кардинально влияют на выбор тренировочных методов и средств, а также величин самих нагрузок.

Общая теория спортивной тренировки пока не имеет методик, позволяющих достаточно точно оценить тренировочную нагрузку в течение каждой тренировки и определить эффект тренировочных упражнений. Обычная в скоростно-силовых видах спорта тренировочная нагрузка в виде силовых упражнений из-за отсутствия лучших возможностей определяется и дозируется в килограммах, что весьма приблизительно и совершенно недостаточно. Главная цель исследования состоит в том, чтобы научно обосновать практические рекомендации, с помощью которых параметры тренировочной нагрузки силовых упражнений могли бы быть определены более точно.

Относительно оптимальной тренировочной нагрузки представляется рациональным [1] рассмотреть возможность ее определения, используя связь силы, скорости и мощности, установленную Хиллом для мышечной ткани [3]. При таком теоретическом подходе следует иметь в виду, что данные отношения рассматривались в работе [3] для изолированной мышцы, и показать, что они справедливы не только для одной мышцы, но и для группы мышц, работающих совместно и синергично, а также для нескольких групп мышц, работающих последовательно одна за другой. Необходимо также:

- убедиться, что показатели скоростно-силовых качеств мышц человека могут быть определены из уравнения А. Хилла и для многосуставных движений;

- установить возможность определения тренировочной нагрузки каждого тренировочного занятия для развития силы, используя представленные в исследовании методы и вычисления;

- представить зависимости "сила-скорость-мощность", которые вместе с численными характеристиками дают возможность управлять тренировочными эффектами, вызванными силовыми упражнениями.

2. Оценка возможностей теоретического определения параметров скоростно-силовых характеристик. Основной принцип работы мышцы состоит в нелинейном соотношении между развиваемой силой и скоростью сокращения [3, 8]. При использовании изолированных мышц животных Хилл [3] доказал, что форма кривой "сила-скорость" во время изотонического сокращения мышцы изменяется из-за тепла, выделяемого при сокращении.

Согласно Хиллу (F + a) (V + b) = (F₀ + a) b = constant, где F - приложенное усилие; F₀ - максимальное статическое усилие, измеренное при угле сгибания колена 140-150^о; a и b - индивидуальные константы спортсмена, которые вычисляются из уравнения регресса переменных F и (F₀ - F)V; V - скорость мышечного сокращения.

Отношения a/F₀ и b/V₀, определяющие форму гиперболической кривой, были модифицированы в исследованиях на людях [15, 16]. Исследования скоростно-силовых характеристик изолированных мышц животных, состоящих главным образом или из медленно или из быстросокращающихся мышечных волокон, имеют существенные отличия [7]. В этой работе отмечено, что кривые зависимости "сила-скорость", изменяющиеся в различных видах мышц, являются более или менее идентичными только после рождения.

Изучение мышц человека in vivo [10] показало, что скоростно-силовой профиль мускулатуры верхних конечностей у мужчин и женщин различен. Точно так же этот профиль различен для разгибателей колена у спринтеров и бегунов на длинные дистанции [6, 11], причем спринтеры способны развивать более высокую мощность, чем стайеры.

Динамическая работа мышц человека изучалась также при изокинетических сокращениях только с очень низкой скоростью сокращения [6, 9, 12-14]. В этих работах, однако, не были определены характерные значения констант а и b, а также отношения а/F₀ и b/V₀. Субъекты с преобладанием медленных или быстрых мышечных волокон способны проявлять идентичную максимальную силу [9, 14]. Аналогичные результаты получены в работе [15] при использовании концентрических сокращений разгибателей колена. Также показано, что состав волокон и скорость сокращения не могут быть сильно связаны с механической мощностью, если внешнее сопротивление будет более 20% от максимальной силы.

3. Теоретическое определение рабочих характеристик. Ключевой задачей в планировании тренировочного процесса в скоростно-силовых упражнениях является выбор соотношений величин отягощений, выбираемых в качестве основного тренировочного средства. В реальных условиях в многочисленных методах силовой подготовки в качестве основных критериев фигурируют: величина отягощения, количество повторений, количество подходов и ряд других, которые только косвенно могут определять тренировочный эффект упражнения. В данной работе было сделано предположение, что основным критерием работы скоростно-силового характера должна быть мощность, развиваемая спортсменом, а в качестве критерия оптимальности - максимальная мощность упражнений. Для аналитического решения данной за дачи предлагается использовать работу А. Хилла [3] с основным уравнением (F + a) (V + b) = (F+ a) b, связывающим силу и скорость сокращения мышцы.

При определении характеристик силы, скорости и мощности мышц согласно уравнению Хилла [3] в работе используется получаемое из него методами математического анализа уравнение для усилия, при котором мышцей развивается максимальная механическая мощность

4. Методика экспериментального исследования. Субъектами для изучения были 37 мужчин - прыгуны в длину и волейболисты, 28 женщин - волейболистки и прыгуньи в длину.

Для развития силы использовались упражнения с приседаниями, выполняемые с различными (135 и 90^o) углами сгибания в коленном суставе, в которых регистрировалась зависимость "сила-скорость". Распределение нагрузки было следующим: каждый субъект выполнял от 3 до 5 прыжков с двух ног без движения руками. Мужчины делали прыжки с отягощениями 20, 40, 60, 80 и 100 кг, женщины 20, 30, 40 и 50 кг. Приседания выполнялись двумя способами:

· быстрое сгибание ног и затем быстрое выпрямление коленей;

· медленное сгибание ног до нужного угла в коленях 135 и 90 ^o, в этом положении они должны были ждать 2 с и затем выпрыгивать с максимально возможной скоростью.

Эти два типа прыжковых движений обеспечивают возможность изучить использование мышечной энергии. Для регистрации кривой "сила-скорость" согласно уравнению Хилла определялась максимальная статическая сила при угле сгибания коленей 140-145 ^o, при котором обычно человек способен проявить максимальное усилие. И силы измерялись на специальной тензометрической платформе с тензоэлементами, собранными по типовой схеме. Технические характеристики тензоплатформы позволяли измерять усилия с точностью до 0,01 %. При усилии 10 000 Н деформация платформы составляла 0,2 мм при собственной частоте 1000-2000 Гц. Чувствительность электрической схемы, питающей измерительный мост, составляла 1 mV/V. Вертикальная скорость выпрыгивания с различными отягощениями на плечах определялась по времени полета после выпрыгивания по кривой "сила-время" и электрохронометром, один вход которого соединен с металлической поверхностью помоста, другой - с медной пластиной на подошве обуви испытуемого с точностью до 1 мс.

На рис. 1 представлены кривые "сила-скорость-мощность" для одного из испытуемых, выполняющего четыре типа упражнений с приседанием. Они индивидуальны для каждого субъекта, при этом очевидно, что кривые "сила-скорость" с приседанием, выполненным с углом сгибания в колене 135 ^o с предварительным динамическим подседом или без него, существенно различаются. Это различие определенно зависит от отношения a/F .

В табл. 1 представлены следующие скоростно-силовые характеристики для различных испытуемых, видов спорта, возраста и пола:

- максимально развиваемое статическое усилие F₀, Н;

- максимальная относительная сила F_r, Н/кг;

- максимальная механическая мощность P₀, Вт;

- максимальная относительная мощность P_r, Вт/кг;

- максимальная финальная скорость выпрыгивания V₀, м/с;

- усилие, при котором развивается максимальная мощность F_pmax, Н;

- отношения a/F₀ , определяющие форму кривой "сила-скорость";

- константы уравнения А. Хилла а и b;

- скорость выпрыгивания без отягощения V_bw, м/с;

- отношение величины отягощения к максимальному усилию, при котором достигается наибольшая мощность F%.

Таблица 1. Показатели «сила-скорость-мощность» (динамический подсед, угол сгибания в колене 135°)

* - ССП - среднестатистические показатели.

Рис. 1. Кривые "сила-скорость-мощность" для одного из испытуемых: 1 - выпрыгивание с динамичным подседом, угол в колене 135^o; 2 - выпрыгивание со статическим подседом, угол в колене 135^o; 3 - выпрыгивание с динамичным подседом, угол в колене 90 ^o; 4 - выпрыгивание со статическим подседом, угол в колене 90 ^o.

Существенные различия между испытуемыми муж чинами и женщинами, взрослыми и юными спортсменами в развиваемой максимальной мощности при выпрыгивании показаны на рис. 2. Из-за вероятных различий в подготовке спортсменов существенная разница наблюдается также и в параметрах относительной силы. Максимальная мощность в каждой группе спортсменов в среднем была достигнута при нагрузке, равной 35-39% от максимальной силы. При вычислении параметра F_pmax значения F% находятся в достаточно узких границах. Можно утверждать, что скоростно-силовые показатели прыгунов в длину выше, чем у волейболистов. Именно поэтому прыгуны в длину достигали более высокой вертикальной скорости при выпрыгивании без отягощений, преодолевая только собственный вес. При этом не было обнаружено значительной разницы V₀ в зависимости от возраста и вида спорта.

5. Обсуждение полученных результатов. Значения отношения a/F₀, характеризующего форму кривой "сила-скорость", заметно изменяются. Различия значений V₀ могут быть также проиллюстрированы тем фактом, что кривые "сила-скорость для женщин - прыгуний в длину являются более крутыми, чем для волейболисток. Напротив, кривые "сила-скорость" у мужчин-прыгунов более пологи, чем у волейболистов. У юных спортсменов кривые "сила-скорость-мощность" были более крутыми у юношей, чем у девушек, хотя значения V₀ были идентичны несмотря на то, что величины F₀ и V_bw были выше у мальчиков. При рассмотрении параметров "сила-скорость-мощность" наблюдается существенная связь (p<0,001) между максимальной силой при развитии максимальной мощности и F_pmax, принимая во внимание, что относительная сила не могла быть связана с этими параметрами. Кроме того, максимальная и относительная мощности значительно коррелируют с F_pmax, так же как и с вертикальной скоростью при выпрыгивании с преодолением собственного веса.

Характеристики силы, скорости и мощности, определенные из уравнения Хилла, выведенного автором для отдельной изолированной мышцы, при их сравнении с данными, полученными экспериментально для нескольких совместно и синергично работающих групп мышц, оказываются подобными, что позволяет сделать вывод о том, что двигательная деятельность, обеспеченная несколькими группами мышц, вырабатывающих механическую энергию и работающих как единая кинематическая и динамическая система, может быть корректно охарактеризована уравнением Хилла.

Однако следует отметить также и некоторые различия между представленными здесь результатами и данными, опубликованными ранее в литературе. Так, значения отношения a/F₀, полученные экспериментально, оказались выше по сравнению с данными, полученными ранее [10, 16] для трицепса плеча и четырехглавой мышцы бедра [11, 15]. Это различие объясняется тем, что измерение максимального усилия в эксперименте производилось почти без учета энергетического вклада икроножной мышцы трехглавой мышцы голени, которая при реальном выпрыгивании эффективно рекрутируется, особенно в завершающей, ускоряющей прыжок части отталкивания. Испытуемые достигали максимальной мощности при нагрузках, составляющих 35-39 % от максимальной силы, что аналогично оценкам упомянутых выше авторов.

Рис. 2. Максимальная механическая мощность у испытуемых экспериментальных групп: 1 - мужчины - прыгуны в длину; 2 - волейболисты; 3 - женщины - прыгуньи в длину; 4 - волейболистки; 5 - юниоры; 6 - юниорки

Следует отметить, что ни максимальная, ни относительная сила не могут иметь значительной связи со скоростью отталкивания при отсутствии дополнительного к собственному весу отягощения. Однако вертикальная скорость выпрыгивания значительно коррелирует с максимальной и с относительной мощностью, так что первичная цель исследования представляется достигнутой.

1. Марков К.К. Теоретические подходы к оптимизации тренировочных нагрузок в скоростно-силовых видах спорта / К.К. Марков, О.О. Николаева // Актуальные проблемы сохранения и укрепления состояния здоровья подрастающего поколения. V Междунар. науч.-метод. конф. - Иркутск: ИГУ, 2006. - С. 45-49.

2. Николаева О.О. Экспериментальные исследования скоростно-силовой подготовки в легкоатлетических прыжках в длину / О.О. Николаева // Физическая культура и спорт в современном мире: медико-биолог. аспекты. II Межвуз. науч.-теор. конф. студентов и молодых ученых. - Иркутск, ИФ РГУФК, 2006. - С. 67-74.

3. Хилл А. Механика мышечного сокращения: старые и новые опыты: пер. с англ. / А.Хилл. - М.: Мир, 1972. - 183 с.

4. Asmussen E., Bonde Petersen F. Apparent efficiency and storage of elastic energy in human muscles during exercise. Acta Physiol. Scand. 92: 537-545, 1974.

5. Bosco C. Stretch - shortening cycle in skeletal muscle function Studies in sport, Physical Education and Health 15, 1982.

6. Campbell D.E. Generation of horsepower at low and high velocity by sprinters and distance runners. Res. Quart. 50: 1-8, 1979.

7. Close R. Dynamic properties of fast and slow skeletal muscles of the rat during development. J Physiol. 173:74-95, 1964.

8. Fenn W.O., Marsh B.S. Muscular force at different speed of shortening. J. Physiol. 85: 277-297, 1935.

9. Gregor R.J. Torque - velocity relationships and fiber composition in elite female athletes. L. Appl. Physiol. 47: 388-392, 1979.

10. Kaneko M. The relation between force, velocity and mechanical power in human muscle. Rs. J. Physical. Educ. 14: 141-145, 1970.

11. Kawahatsu K., Ikai M. The development of the mechanical power and the force velocity relation on the human leg extensor Res. J. Physical Educ. 16: 223, 1972.

12. Komi P.V. Measurement of the force velocity relationship in human muscle under concentric and eccentric contraction. Biomechanics III. Karger, Basel, 224-229, 1973.

13. Perrine J.J., Edgerton V.R. Muscle force velocity and power velocity relationships under isokinetic loading. Med. Sci. Sport. 10: 159-166, 1978.

14. Thorstensson A., Grimby G., Karlsson J. Force velocity relationship and fiber composition in human knee extensor muscles. J. Appl. Physiol. 40:12-16, 1976.

15. Tihanyi J. Force velocity power characteristics and fiber composition in human knee extensor muscles. Europ. J. Appl. Physiol. 48: 331-343, 1982.

16. Wilkie D.R. The relation between force and velocity in human muscle. J. Physiol. 110: 249-280, 1950.