Биодинамика передвижения со скольжением (лыжи)

Лыжник увеличивает скорость передвижения благодаря отталкиванию лыжами и палками от снега в сочетании с маховыми движениями рук и ног (к отталкиваниям ногой и рукой присоединены махи рукой и ногой) и броском тела вперед (поворот таза вперед и рывок туловища вверх). В попеременном двухшажном ходе чуть позднее отталкивания палкой завершается отталкивание лыжей, начинается скольжение на другой лыже. Свободное скольжение (фаза I) происходит при тормозящем воздействии трения лыжи по снегу и незначительном сопротивлении воздуха. Чтобы меньше терять скорость, нельзя делать движения с ускорениями звеньев, направленными вверх; это вызовет силы инерции, направленные вниз, которые прижмут лыжу к снегу и увеличат трение. Замедление же движений вверх рук и переносной ноги (после предыдущего отталкивания лыжей «на взлет»), наоборот, снизит давление на лыжу и уменьшит трение. Свободное скольжение заканчивается постановкой палки на снег: после замедленного завершения махового вы­носа руки вперед лыжник, слегка согнув ее и зафиксировав суставы руки и туловища, энергии ударом ставит палку на снег.

Начинается фаза скольжения с выпрямление опорной ноги (фаза II). Усиливая наклоном туловища над на палку, лыжник стремится повысить скорость скользящей лыжи. Стопа опорной ноги, немного выдвинутая вперед, предупреждает потерю энергии на амортизацию и преждевременный перекат. Опорная нога выпрямляется, подготавливаясь к последующему подседанию на ней.

Подседание начинается еще при скольжении лыжи (фаза III), которая при энергичном разгибании опорной ноги в тазобедренном суставе быстро теряет скорость и останавливается. В фазе I необходимо как можно меньше терять скорость, в фазе II – увеличить скорость скользящей лыжи, в фазе III – быстрее остановить лыжу.

Лыжа, стоящая неподвижно на снегу, благодаря силе трения (статической) служит опорой для отталкивания ногой и маховых движений (рукой, ногой и туловищем). Подседание, начато в фазе III, продолжается и завершается в фазе IV, сопровождаемое выпадом – движением переносной ноги вперед от носка стопы опорной ноги. С остановкой лыжи тело лыжника продолжает ускоренное продвижение вперед (перекат) благодаря: а) началу разгибания бедра опорной ноги в тазобедренном суставе («активный перекат»), б) выпаду переносной ногой, в) маху свободной рукой, г) началу поворота таза вперед и д) усиленному до максимума нажиму на палку в наиболее наклоненном ее положении.

С окончанием подседания начинается выпрямление толчковой ноги в коленном суставе (фаза V), сопровождаемое завершающимся выпадом. Отталкивание ногой и рывок туловищем вверх обеспечивают общее направление отталкивания «на взлет», что снижает трение в фазе I следующего скользящего шага. Снижение скорости выпада из-за торможе­ния растягиваемых мышц-антагонистов тазобедренного сустава компенсируется, насколько возможно, ускоренным поворотом таза вперед и энергичным завершением отталкивания палкой (до выпрямления руки и палки в одну линию). В фазе IV необходимо повысить скорость выпада, в фазе V – меньше терять скорость стопы в выпаде.

Характерными особенностями современной техники считаются стремление уменьшить трение лыжи о снег завершенным отталкива­нием лыжей («на взлет») и опорой на палку, а также высокий темп шагов. У хорошо подготовленных лыжников темп шагов достигает 110—120 в минуту.

С повышением скорости хода изменяется ритм скользящего шага: относительно сокращается время отталкивания лыжей; подседание и выпрямление толчковой ноги делаются быстрее.

Биодинамика передвижения с механическим преобразованием энергии

Передача усилий при педалировании

Велосипед как аппарат для передачи усилий на опору создает особые условия для приложения усилий велосипедиста и использования внешних сил.

Давление ноги велосипедиста на педаль в системе велосипедист - велосипед - это внутренняя сила, вся система самодвижущаяся с внутренним источником движущихся сил. Давление на педаль создает момент силы относительно оси ведущей шестерни. Через цепь эта сила передается на ведомую шестерню заднего колеса. Под действием этой силы колесо, когда у него нет опоры, вращается вокруг своей оси: верхняя точка обода вперед, нижняя – назад.При опоре благодаря сцеплению покрыш­ки колеса с грунтом сила трения, направленная вперед, уравновешивает действие обода на покрышку, направленное назад; в результате колесо не проскальзывает и вперед движется ось колеса.Точка, относительно которой она движется, – место опоры колеса.

Источник движущей силы – мышцы ног спортсмена, передающие усилия через педаль, шатун, ведущую шестерню, цепь на заднюю шестерню. Нижняя точка обода заднего колеса не может сместиться назад и фиксирована на опоре с помощью силы трения (необходимая внешняя сила). Поэтому ось от связанной с нею задней шестерни получает ускорение вперед. Сила трения скольжения (статическая) не дает проскальзывать покрышке заднего колеса назад по грунту. Она служит той внешней силой, без которой ускорение системы на горизонтальной поверхности невозможно.

Передача усилий при академической гребле

Самым характерным в академической гребле является значительное перемещение гребца относительно лодки посредством подвижного сиденья (банки), перемещающегося на роликах вдоль продольной оси лодки на полозках.

Выносные уключины увеличивают плечо рычага (расстояние от оси вращения весла до места хвата рукой). Гребец прилагает усилия руками к рукоятке весла и ногами к подножке, укрепленной неподвижно.

При проводке весла лопасть встречает сопротивление воды. Сначала подтягивая лодку веслом, а потом отталкивая ее от воды, захваченной лопастью, гребец продвигает лодку вперед. За время проводки гребец перемещается на банке вперед, к носу лодки. Начало гребка выполняется одновременно с быстрым и ровным давлением ног на подножку в виде «прыжка» в сторону носа лодки. Этот «прыжок» как бы тормозится на рукоятке весла, что увеличивает силу, приложенную через весло к воде.

После окончания гребка следует фаза заноса весел. Это движение является подготовительным для следующего гребка и совершается посредством перемещения на банке к корме; весла в это время заносятся лопастями к носу. Однако в этой фазе усилия гребка, приложенные к лодке, направлены в сторону движения лодки. Подтягивая себя к подножке за носковые ремни, гребец этим выталкивает из-под себя лодку вперед. ОЦМ системы гребец—весла—лодка от перемещения на­зад свою скорость изменить не может (если не учитывать увеличения сопротивления воды в зависимости от скорости лодки). Но лодка относительно гребца и воды получает ускорение вперед. Наличие его уменьшает падение скорости лодки, скользящей по инерции. Это делает скорость хода лодки более равномерной, что выгодно для продвижения против сопротивления воды. Таким образом, активные усилия гребка приложены через весла к воде в одном направлении, а через под­ножку к лодке – поочередно в двух («прыжок» от подножки и перемещение).

 

Лекция № 8
Перемещающиеся движения

Перемещающимися в биомеханике называют движения, задача которых – перемещение какого-либо тела (снаряда, мяча, соперника, партнера). Перемещающие движения разнообразны. Примерами в спорте могут быть метания, удары по мячу, броски партнера в акробатике и т. п.

К перемещающим движениям в спорте обычно предъявляются требования достичь максимальных величин:

а) силы действия (при подъеме штанги), б) скорости перемещаемого тела, (в метаниях), в) точности (штрафные броски в баскетболе). Нередки и случаи, когда эти требования (например, скорости и точности) предъявляются совместно. Среди перемещающих различают движения:

а) с разгоном перемещаемых тел (например, метание копья),
б) с ударным взаимодействием (например, удары в теннисе или футболе).

Поскольку большинство спортивных перемещающих движений связано с сообщением скорости вылета какому-нибудь снаряду (мячу, снаряду для метания), рассмотрим прежде всего механические основы полета спортивных снарядов.

Полет спортивных снарядов

Траектория (в частности, дальность) полета снаряда определяется:

а) начальной скоростью вылета,
б) углом вылета,
в) местом (высотой) выпуска снаряда,
г) вращением снаряда и
д) сопротивлением воздуха, которое, в свою очередь, зависит от аэродинамических свойств снаряда, силы и направления ветра, плотности воздуха (в горах, где атмосферное давление ниже, плотность воздуха меньше и спортивный снаряд при тех же начальных условиях вылета может пролететь большее расстояние).

Начальная скорость вылета является той основной характеристикой, которая закономерно изменяется с ростом спортивного мастерства. В отсутствие сопротивления воздуха дальность полета снаряда пропорциональна квадрату скорости вылета. Увеличение скорости вылета, скажем, в 1, 5 раза должно увеличить дальность полета снаряда в 1, 5², т.е. в 2, 25 раза. Например, скорость вылета ядра 10 м/с соответствует результату в толкании ядра в среднем 12 м, а скорость 15 м/с – результату около 25 м.

У спортсменов международного класса максимальные скорости вылета снарядов равны: при ударе ракеткой (подача в теннисе) и клюшкой (хоккей) – свыше 50 м/с, при ударе рукой (нападающий удар в волейболе) и ногой (футбол), метании копья – около 35 м/с. Из-за сопротивления воздуха скорость в конце полета снаряда меньше начальной скорости вылета.

Углы вылета. Различают следующие основные углы вылета:

1. Угол места – угол между горизонталью и вектором скорости вылета (он определяет движение снаряда в вертикальной плоскости: выше – ниже).

2. Азимут – угол вылета в горизонтальной плоскости (правее – левее, измеряется от условно выбранного направления отсчета).

3. Угол атаки – угол между вектором скорости вылета и продольной осью снаряда. Метатели копья стремятся, чтобы угол атаки был близок к нулю («попасть точно в копье»). Метателям диска рекомендуется выпускать диск с отрицательным углом атаки. При полете мячей, ядра и молота угла атаки нет.

Высота выпуска снаряда влияет на дальность полета. Дальность полета снаряда увеличивается примерно на столько, на сколько увеличивается высота выпуска снаряда.

Вращение снаряда и сопротивление воздуха. Вращение снаряда оказывает двойное влияние на его полет. Во-первых, вращение как бы стабилизирует снаряд в воздухе, не давая ему «кувыркаться». Здесь действует гироскопический эффект, подобный тому, который позволяет не падать вращающемуся волчку. Во-вторых, быстрое вращение снаряда искривляет его траекторию (так называемый эффект Магнуса). Если мяч вращается (такое вращение нередко называют спином, от англ. spin – вращение), то скорость воздушного потока на разных его сторонах будет разной. Вращаясь, мяч увлекает прилегающие слои воздуха, которые начинают двигаться вокруг него (циркулировать). В тех местах, где скорости поступательного и вращательного движений складываются, скорость воздушного потока становится больше; с противоположной стороны мяча эти скорости вычитаются и результирующая скорость меньше. Из-за этого и давление с разных сторон будет разным: больше с той стороны, где скорость воздушного потока меньше. Это следует из известного закона Бернулли: давление газа или жидкости обратно пропорционально скорости их движения (этот закон можно применить к случаю, показанному на рисунке). Эффект Магнуса позволяет, например, выполняя угловой удар в футболе, послать мяч в ворота. Величина боковой силы, действующей на вращающийся мяч, зависит от скорости его полета и скорости вращения. Влияние вращения мяча на его траекторию тем выше, чем больше по­ступательная скорость. Пытаться придать медленно летящему мячу большое вращение, чтобы влиять на направление полета, нецелесообразно. Теннисные мячи при соответствующих ударах вращаются со скоростью выше 100 об/с, футбольные и волейбольные – значительно медленнее. Если направление вращения мяча совпадает с направлением полета, такой мяч в спортивной практике называют крученым, если не совпадает, - резаным (крученый мяч катился бы по земле в направлении своего полета, а резаный - назад к игроку, пославшему мяч).

Если воздушный поток обтекает снаряд под некоторым углом атаки, то сила сопротивления воздуха направлена под углом к потоку (рис.97). Эту силу можно разложить на составляющие: одна из них направлена по потоку – это лобовое сопротивление, другая перпендикулярна к потоку – это подъемная сила. Существенно помнить, что подъемная сила не обязательно направлена вверх; ее направление может быть различным. Это зависит от положения снаряда и направления воздушного потока относительно его. В тех случаях, когда подъемная сила направлена вверх и уравновешивает вес снаряда. он может начать планировать. Планирование копья и диска существенно повышает результаты в ме­тании.

Если центр давления воздушного потока на снаряд не совпадает с центром тяжести, возникает вращательный момент силы, и снаряд теряет устойчивость. Аналогичная картина и проблема сохранения устойчивости возникают и в полетной фазе в прыжках на лыжах. Отсутствие вращения достигается выбором правильной позы, при которой центр тяжести тела и центр его поверхности (центр давления воздушного потока) расположены так, что вращательный момент не создается.

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. В которой описываются неоспоримые достоинства поездов как новейшего, удобнейшего и наиболее безопасного средства передвижения
2. Передвижение физических лиц по территории РФ. Ограничения передвижения