Оглавление




Скачать 233.76 Kb.
НазваниеОглавление
Дата публикации11.08.2013
Размер233.76 Kb.
ТипРеферат
uchebilka.ru > Математика > Реферат

www.diplomrus.ru ®

Авторское выполнение научных работ любой сложности – грамотно и в срок

Содержание

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...8

ГЛАВА 1. ПОДХОДЫ К РЕШЕНИЮ ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ СКОРОСТНО-СИЛОВЫХ СВОЙСТВ МЫШЦ. ЦЕЛЬ, НАПРАВЛЕНИЯ, ЗАДАЧИ, МЕТОДЫ И ОРГАНИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАИЙ...14

1.1. Подходы к решению проблемы скоростно-силовых свойств мышц...14

1.2. Цель, направления, задачи, методы и организация исследований...40

1.3. Целесообразность использования применяемых методов в исследовании...45

1.4. Обозначения и сокращения...47

^ ГЛАВА 2. СОЗДАНИЕ МЕХАНИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА ДЛЯ ПЛОСКОГО И ТРЕХМЕРНОГО ДВИЖЕНИЙ...48

2.1. Масс-инерционные характеристики нижней конечности человека...48

2.2. Особенности построения механико-математических моделей локомоций человека...53

2.2.1. Определение сил сопротивления внешней среды, действующих на

тело человека...54

2.2.2. Особенности моделирования локомоций в двухопорной фазе...56

2.2.3. Моменты пассивного сопротивления в суставах нижней конечности...57

2.3. Трехмерная модель тела человека...60

2.3.1. Определение межзвенных сил в суставах 16-звенной трехмерной модели тела человека...63

2.3.2. Определение управляющих моментов в суставах 16-сегментной трехмерной модели тела человека...64

2.4. Плоская модель тела человека...65

2.4.1. Структура левых частей динамических уравнений плоской антропоморфной модели...66

2.4.2. Структура правых частей динамических уравнений Лагранжа 2-го рода плоской антропоморфной модели...67

2.4.3. Автоматический алгоритм построения уравнений движения плоской N-сегментной модели тела человека...69

2.5. Этапы решения и исследование чувствительности обратной задачи при изменении входных параметров на примере плоской антропоморфной модели...71

2.6. Построение модели мышечной системы нижних конечностей человека...74

2.6.1. Мышечные силы, действующие на сегменты тела...84

2.7. Резюме...100

^ ГЛАВА 3. БИОМЕХАНИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНОГО

АППАРАТА НИЖНЕЙ КОНЕЧНОСТИ...103

3.1. Модель мышцы...103

3.1.1. Определение объемов, физиологических поперечников мышц и анатомических поперечников сухожилий мышц нижней конечности...103

3.1.2. Объемы мышц нижней конечности...105

3.1.3. Определение анатомической и оптимальной длины волокон мышц нижней конечности...107

3.1.4. Углы перистости мышц нижней конечности...117

3.1.5. Определение анатомического поперечника сухожилий мышц нижней конечности...119

3.2. Построение биомеханической модели мышц нижней конечности человека...124

3.2.1. "Нитяная" и "центроидная" модели мышцы...124

3.2.2. Определение точек крепления мышц к скелету нижней конечности...125

3.2.3. Нормирование (масштабирование) точек крепления на анатомические признаки...128

3.2.4. Алгоритм определения длины мышцы, моделируемой в виде прямой нити...136

3.3. Биомеханическая модель тазобедренного сустава. Длины, плечи тяги мышц нижней части туловища...137

3.4. Биомеханическая модель коленного сустава...141

3.4.1. Положение центра вращения в коленном суставе в сагиттальной

плоскости...141

3.4.2. Особенности функционирования сустава «patella-ossis femoris»...145

3.4.3. Определение плеч тяги мышц задней поверхности бедра и т. quadriceps...149

3.4.4. Плечи тяги lig. patellae...153

3.4.5. Плечи тяги tendo m. quadricipitis femoris...153

3.4.6. Геометрическая модель четырехглавой мышцы...155

3.5. Биомеханическая модель голеностопного сустава...160

3.5.1. Геометрическая модель мышц - сгибателей и разгибателей стопы...160

3.5.2. Определение длин т. triceps surae, т. flexor digitorum longus, m. flexor hallucis longus, m. fibularis longus /brevis и т. tibialis posterior...164

3.5.3. Определение длины связки retinaculum mm. extensors superior и длины

т. tibialis anterior...167

3.5.4. Определение угла наклона tendo calcaneus к продольной оси голени...169

3.5.5. Определение плеч тяги мышц - разгибателей и сгибателей стопы...169

3.6. Резюме...175

^ ГЛАВА 4. ПОСТРОЕНИЕ РЕГРЕССИОННЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ «СИЛА-ДЛИНА-СКОРОСТЬ-ВРЕМЯ» ДЛЯ МЫШЦ НИЖНЕЙ КОНЕЧНОСТИ...180

4.1. Модель распределения силовой активности между синергистами в статических режимах сокращения...181

4.2. Модель распределения силовой активности между синергистами в динамических режимах сокращения...185

4.2.1. Влияние размеров физиологического поперечника и длины быстрых волокон на скоростно-силовые свойства мышц...186

4.3. Определение вида модели (статическая или динамическая) для расчетов скоростно-силовых свойств мышц нижней конечности...200

4.4. Определение скоростно-силовых свойств мышц нижней конечности методом изокинетической динамометрии...207

4.5. Определение максимальной статической силы одно -и двусуставных мышц и оптимальной длины мышечно-сухожильных комплексов...212

4.6. Определение регрессионной зависимости «сила-скорость» мышц нижней конечности...222

4.7. Определение регрессионной зависимости «сила-время» мышц нижней конечности...225

4.8. Определение регрессионной зависимости «сила-длина-скорость-время» для мышц нижней конечности (статический и преодолевающий режимы)...227

4.9. Резюме...234

^ ГЛАВА 5. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЫШЦ НИЖНЕЙ

КОНЕЧНОСТИ ЧЕЛОВЕКА...238

5.1. Зависимость между СЭМГ, силой и скоростью мышечного сокращения в различных режимах сокращения...241

5.2. Определение электромеханической задержки суставного момента

методом изокинетической динамометрии...249

5.3. Резюме...251

^ ГЛАВА 6. СКОРОСТНО-СИЛОВЫЕ СВОЙСТВА И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЫШЦ НИЖНЕЙ КОНЕЧНОСТИ ЧЕЛОВЕКА ПРИ ЛОКОМОЦИЯХ...256

6.1. Математическая постановка задачи определения сил мышц при локомоциях человека...261

6.2. Определение сил тяги мышц нижней конечности методом нелинейного квадратического программирования...266

6.2.1. Физиолого-анатомические предположения, лежащие в основе построения целевой функции...267

6.2.2. Предположения, лежащие в основе построения систем ограничений

модели в виде равенств и неравенств...270

6.2.3. Алгоритм определения начальных значений сил тяги мышц...280

6.2.4. Влияние оптимизируемого функционала на решение задачи нахождения сил тяги мышц...281

6.4. Роль одно- и двусуставных мышц нижней конечности при наземных локомоциях...296

6.5. Механическая работа при локомоциях человека...309

6.6. Механическая работа волокон, сухожилий и трансформация механической работы между суставами при спортивных локомоциях человека...318

6.7. Резюме...331

ГЛАВА 7. ПОСТРОЕНИЕ ИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ С ЦЕЛЬЮ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И СКОРОСТНО-СИЛОВЫХ СВОЙСТВ МЫШЦ, НЕОБХОДИМЫХ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ДВИГАТЕЛЬНЫХ ДЕЙСТВИЙ В СПЕЦИАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ...339

7.1. Имитационное биомеханическое моделирование как метод изучения двигательных действий человека...339

7.2. Моделирование ходьбы на вертикальной дорожке (специальные условия)...345

7.4. Трехмерная имитационная модель локомоций человека (на примере бега

на коньках)...348

7.4.1. Определение достоверности компьютерной модели бега на коньках...352

7.5. Применение имитационного моделирования для определения механических характеристик бега на коньках с рекордной скоростью...355

7.7. Определение скоростно-силовых характеристик мышц нижней конечности для бега на коньках с рекордной скоростью...358

7.7.1. Исследование биомеханических характеристик отталкивания при имитации бега на коньках в модельных условиях...362

7.7.2. Модельные скоростно-силовые характеристики мышц -разгибателей коленного сустава при беге на коньках с рекордной скоростью...363

7.8. Резюме...370

РЕЗУЛЬТАТЫ...372

ВЫВОДЫ...387

^ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...:...391

ПРИЛОЖЕНИЯ...428

П1. Определение кинематических, динамических и электромиографических характеристик локомоций биомеханическими оптико-электронными комплексами...428

П1.2. Система видеоанализа движений...429

П1.2.1. Оценка точности определения действительных координат тела человека

оптическими методами (системы ВИАС-2 и Selspot-2)...433

П1.2.2. Алгоритм расчета действительных координат при съемке подвижной

видеокамерой...434

П2. Регистрация реакций и моментов реакции опоры...437

ПЗ. Регистрация электромиограммы мышц нижней конечности и методика

её обработки...438

П.3.1. Оценка взаимовлияния каналов на поверхностную электромиограмму...439

П4. Определение антропометрических характеристик испытуемых...447

П5. Методика исследования на магнитно-резонансном томографе геометрических параметров мышц, суставов, а также масс-инерционных характеристик

сегментов тела...447

П5.1. Определение масс и центров масс бедра и голени методом магнитно-резонансной томографии...449

П5.2. Определение масс и центров масс бедра и голени по продольной оси Y...454

П5.3. Определение масс и центров масс бедра и голени по осямХи Z...454

П5.4. Определение моментов инерции бедра и голени...455

П6. Определение точек крепления мышц, центров вращения в суставах и плеч тяги

в суставах нижней конечности...457

П7. Определение длин мышечных пучков и углов перистости мышц нижней

конечности...459

П8. Определение модуля упругости сухожилий мышц нижней конечности...465

П9. Определение электрической активности и скоростно-силовых свойств мышц нижней конечности методом изокинетической динамометрии в преодолевающем

и статическом режимах сокращения...465

П9.1. Модель расчета мышечных моментов в суставах при изокинетической

динамометрии...470

П10. Определение сил тяги и электрической активности мышц нижней

конечности в уступающем режиме сокращения...472

ПИ. Определение динамических, кинематических и электромиографических характеристик отталкивания при имитации бега на коньках в модельных условиях...472

П12. Методы статистического анализа...473

П13. Расчет скоростей и ускорений...474

П14. Исследование чувствительности обратной задачи при изменении входных

параметров на примере плоской антропоморфной модели...474

ПИЛ.Определение параметра оптимизации при сглаживании угловых обобщенных

координат кубическими сплайнами...478

П14.2. Влияние МИХ на результаты решения обратной задачи динамики...480

П14.3. Влияние частоты регистрации кинематической информации на результаты

решения обратной задачи динамики...481

П15. Модель мышечного аппарата нижней конечности...484

П16. Углы перистости мышц голени...495

П17. Коэффициенты уравнений регрессии для расчета зависимости «сила- длина-скорость-время» мышц нижней конечности...497

П18. Коэффициенты уравнений регрессии для расчета электромеханических свойств

мышц...499

П19. Целевые функции...501

П20. Скоростно-силовые свойства мышц нижних конечностей при односуставных движениях...513

Введение

ВВЕДЕНИЕ

Анатомическими структурами, обеспечивающими перемещения сегментов тела, являются нервно-мышечный, скелетный, связочный и суставной аппараты человека. Активная часть двигательного аппарата - нервно-мышечная система развивает усилия во времени, которые в физиологии количественно оценивают по зависимостям: «сила-длина», «сила-скорость», «сила-время» - для контрактильного компонента (мышечное брюшко) и «сила -длила параллельного упругого элемента» - для эластического компонента мышц (сухожилие и апоневроз).

Свойства мышц можно оценить в процессе взаимодействия с объектами внешнего и внутреннего окружения. При спортивных локомоциях внешними объектами являются сило-измерительные стенды, спортивные снаряды, реактивные силы, противодействие соперника, силы сопротивления среды и другие внешние силы и объекты. К внутренним объектам относятся анатомо-геометрические параметры тела, силы мышц антагонистов, биомеханические особенности функционирования двигательного аппарата, супраспинальные и спинальные анатомические образования, управляющие работой мышц. Зарегистрированные при выполнении физических упражнений механические параметры (сила, скорость, время проявления усилия) лишь косвенно отражают скоростно-силовые свойства мышц, так как на них влияют мотивация, условия проведения и длительность тестирования, обученность контингента (т.е. умение реализовать свой моторный потенциал), индивидуальная техника, реактивные силы, геометрия масс тела, анатомические особенности двигательного аппарата. Поэтому по результатам тестирования можно судить только о скоростно-силовых проявлениях мышц.

Для того, чтобы по механическим характеристикам локомоций, зарегистрированным при тестировании, определить скоростно-силовые свойства мышц (зависимости «сила-скорость», «сила-длина», «сила-время», «сила-длина параллельного упругого элемента»), необходимо применить математическую модель, учитывающую влияние внешних и внутренних объектов на мышечную динамику. К сожалению, во многих математических моделях, имитирующих спортивные движения человека, двигательному аппарату отводится подчиненная роль, т.е. нервная, мышечная и костная системы являются безусловными исполнителями любых решений обратной задачи механики, когда по известной кинематике рассчитывают силы и моменты мышечных сил, вызвавшие эти движения. Подобная постановка задачи сводит сложность и многообразие управления движениями, физиологические особенности сокращения мышц к законам Ньютоновой механики. У двигательного аппарата человека имеются свои особенности строения и функционирования, которые не противоречат законам механики, но накладывают существенные ограничения на возможность формального приме-

т

нения механических моделей. Отсутствие (частичное или полное) в механических моделях тела человека анатомо-физиологических составляющих, таких как мышцы, суставы, связки, сухожилия, скоростно-силовые свойства мышц, приводит к тому, что такие механические системы лишь по кинематической структуре напоминают локомоции человека. К сожалению, исследования по строению двигательного аппарата человека носят фрагментарный характер. Контингент испытуемых существенно отличается от спортсменов по возрасту и уровню физической готовности. Применять анатомические параметры, полученные на контингенте не спортсменов, к хорошо тренированным людям - значит не учитывать существенных изменений в анатомическом строении мышц и их скоростно-силовых свойствах вследствие высокоинтенсивных тренировочных нагрузок.

Разработка математической модели тела, учитывающей анатомические, физиологические и биомеханические особенности двигательного аппарата спортсменов, является актуальной задачей. Входные параметры такой модели - это кинематические, динамические параметры локомоции, индивидуальные масс-инерционные (МИХ), анатомические и антропометрические характеристики сегментов тела, суставов и мышц. На выходе модели - механические, физиологические и энергетические характеристики, оценивающие напряженность мышечной деятельности, межсуставные реакции и реакции опоры, скоростно-силовые свойства мышц («сила-скорость», «сила-длина», «сила-время», «сила -длина параллельного упругого элемента»), механическая работа и мощность.

Спортивные упражнения по механическим и физиологическим показателям существенно отличается от повседневной и трудовой деятельности человека. Поэтому оценка скоростно-силовых свойств мышц у лиц, занимающихся спортом, актуальна для физиологии движений, так как позволяет получить новые знания об адаптационных возможностях двигательного аппарата человека к физическим нагрузкам.

Зависимость «сила-скорость» оценивает мощность мышц, т.е. способность к быстрым и сильным движениям. Соотношение «сила-длина» отражает уровень развития силы (актуально для спортивных единоборств) и ее топографию (важно для предотвращения травм). Связь между силой и временем (зависимость «сила-время») характеризует скорость (градиент) нарастания усилия. Способность накапливать эластическую энергию в мышцах определяется зависимостью «сила-длина параллельного упругого элемента» (последние две зависимости важны для метательных и прыжковых видов спорта). Количественные оценки позволяют отследить динамику развития скоростно-силовых свойств мышц и в случае необходимости внести целенаправленные коррекции в тренировочный процесс.

10

Один из вариантов управления тренировочным процессом может основываться на принципе динамического подобия. Суть его состоит в следующем: зная мощность мышц в соревновательном упражнении, можно подобрать скорость, темп, вес отягощений в специальных упражнениях с целью динамического соответствия соревновательному упражнению. Актуальность совершенствования технологий, применяемых при скоростно-силовой подготовке связана с тем, что в различных видах спорта, исторически сложившихся как виды спорта с преимущественным проявлением выносливости, вводятся средние и короткие дистанции. Так, в лыжных гонках ввели дистанцию 1,5 км. В конькобежном спорте -100 м, а так же и женскую и мужскую командные гонки на 6 и 8 кругов. Сокращение длины дистанции сопровождается значительным ростом скорости ее прохождения. Скорость бега есть следствие увеличения импульса силы (мощности) отталкивания. Очень важно, чтобы средства и методы, применяемые в скоростно-силовой подготовке, создавали не только среду функционирования двигательного аппарата человека подобную соревновательным условиям, но и моделировали будущие рекордные результаты.

Одним из подходов при создании научно-обоснованной среды опережающего развития физических качеств являются имитационные модели [1,26,29,98,348,516]. Такие модели дают возможность рассчитывать кинематические, динамические и энергетические параметры двигательных действий, а также скоростно-силовые свойства мышц, необходимые при осуществлении тренировочного процесса в специальных средах (микрогравитация) и при достижении рекордных результатов. Учет результатов моделирования при планировании тренировочных нагрузок предохраняет спортсмена от травм, так как на этапе моделирования отвергаются варианты нерациональной техники и подбираются силовые упражнения исходя из уровня индивидуальной силовой подготовки. Сокращается время тренировочного процесса, поскольку имитационная модель «предлагает» эффективные тренировочные средства исходя из принципа динамического подобия.

Научная новизна. В результате проведенных исследований:

- впервые при произвольных мышечных усилиях построен комплекс зависимостей, отражающий различные скоростно-силовые свойства мышц нижней конечности: «сила-скорость», «сила-длина», «сила-время» - для мышечного брюшка и «сила-длина параллельного упругого элемента» - для эластического компонента мышц;

- разработана модель нижних конечностей с движителями, имитирующими мышцы, с известными скоростно-силовыми свойствами. В модели учтены не только активные, но и дополнительные мышечные силы, возникающие в местах контакта мышц, связок и сухожилий со скелетом нижней конечности. Установлена связь между кинематическими и динамиче-

11

скими характеристиками локомоций и их анатомо-физиологическими составляющими -мышцами при различных двигательных действиях, включая рекордные достижения в спорте;

- впервые разработана биомеханическая модель нижней конечности по результатам исследования двигательного аппарата нижней конечности методами магнитно-резонансной томографии и ультразвуковой сонографии. Модель с учетом индивидуальных антропометрических показателей позволяет рассчитать геометрию масс бедра и голени, объемы и трехмерные координаты точек крепления мышц к скелету нижней конечности, длину и толщину мышечных брюшек, волокон, сухожилий, углы перистости, длины мышечных пучков и плечи тяги мышц, биомеханические длины конечностей, координаты центров вращения в суставах;

- при одно- и многосуставных движениях реализована модель преодоления мышечной избыточности с учетом индивидуальных анатомо-физиологических параметров и с минимальным числом математических допущений;

- исследован механизм взаимодействия одно-и двусуставных мышц нижней конечности. Выявлено, что мощностей т. vastus и т. soleus недостаточно для того, чтобы выполнять быстрые и мощные движения (типа прыжков). Источником дополнительной мощности, передаваемой двусуставными мышцами в коленный и голеностопный суставы, является т. glu-teus maximus;

- исследована роль эластического компонента мышцы и установлено, что в преодолевающем режиме различия между скоростями мышечно-сухожильных комплексов и волокон для наиболее сильных односуставных мышц (т. gluteus maximus, т. vastus, m. soleus) достигают 50 %;

- на двухкомпонентной модели мышц выявлено, что упругие свойства сухожилий: повышают «экономичность» физических упражнений, так как сила, развиваемая сухожилиями, не требует метаболических затрат; снижают скорость волокон мышц, переводя их в более «силовой» режим сокращения;

- показано, что расчет механических энергозатрат по работе мышечных брюшек является физиологически более корректным способом количественной оценки двигательных действий по сравнению с расчетом механической работы через приводы;

- разработана имитационная модель для расчета скоростно-силовых свойств мышц, необходимых для выполнения двигательных действий в специальных внешних условиях и

1 Биомеханическая длина сегментов равна расстоянию между центрами вращения в суставах.

12

при установлении рекордных результатов в спорте. Имитационная модель позволяет не только рассчитать силы тяги мышц, оценить работу и суставную мощность, но и задает уровень развития скоростно-силовых свойств мышц, необходимый для реализации рекордных двигательных действий.

Цель исследования состояла в оценке скоростно-силовых свойств мышц нижних конечностей человека при спортивных локомоциях.

Объект исследования - нижние конечности человека2.

Предмет исследования - скоростно-силовые проявления мышц нижних конечностей.

Виды локомоций. Основными локомоциями, на которых исследовали скоростно-силовые свойства мышц были бег на коньках и прыжки. Дополнительными локомоциями, уточняющими отдельные программные и модельные блоки исследования, были: нормальная и спортивная ходьба, ходьба на тренажере «вертикальная дорожка», односуставные движения в суставах в условиях изокинетического тестирования, приседания со штангой.

Положения, выносимые на защиту. Изменение скоростно-силовых свойств мышц в зависимости от вида локомоций отражает способность нервно-мышечного аппарата адаптироваться к динамическим и кинематическим условиям и параметрам локомоций. При этом:

- анатомической структурой, влияющей на скоростно-силовые свойства мышечных брюшек, является сухожилие;

- физиологический механизм, настраивающий зависимости «сила-скорость», «сила-длина», «сила-время» под двигательную задачу - стреч-рефлекс;

- последовательный упругий элемент мышцы снижает скорость сокращения волокон односуставных мышц, переводя их в более «силовой» режим; и меняет режим сокращения волокон двусуставных мышц с преодолевающего на уступающий;

- работа параллельного упругого элемента мышц повышает «экономичность» физических упражнений, так как сила, развиваемая сухожилиями, не требует метаболических затрат;

- мощности односуставных разгибателей коленного и голеностопного суставов недостаточно для выполнения сильных и быстрых движений (типа прыжков). М. gluteus maximus является «донором» механической мощности для коленного и голеностопного суставов и че-

Предполагали симметричность развития скоростно-силовых свойств и размеров мышц между правой и левой конечностями, поэтому в дальнейшем при определении объекта исследования использовали термин «нижняя конечность человека».

13

рез двусуставные мышцы передает мощность, необходимую для выполнения движений ско-ростно-силовой направленности;

- при наземных локомоциях односуставные мышцы выполняют координационную и силовую функции;

- роль двусуставных мышц при осуществлении двигательных действий заключается в передаче мощности от одних суставов к другим с целью компенсации физиологического «недостатка» односуставных мышц, связанного со снижением силы тяги при увеличении скорости сокращения;

- мощности мышц-разгибателей тазобедренного, коленного и голеностопного суставов в несколько раз больше, чем у мышц-сгибателей;

- суммарная механическая работа контрактильных компонентов мышц существенно отличается от работы моментов приводов (до 50 %);

- с помощью имитационной модели можно рассчитать уровень скоростно-силовых свойств мышц, необходимый для выполнения двигательных действий в специальных внешних условиях и при установлении рекордных результатов в спорте.

Теоретическое значение и практическая значимость. У односуставных мышц при многосуставных движениях длины мышечно-сухожильных комплексов {МСК), а значит, и длины интрафузальных волокон изменяются пропорционально суставному углу, т.е. одно-суставные мышцы не только выполняют функции силовых приводов (движителей), но и осуществляют коррекцию двигательных действий. Длина двусуставных мышц при многосуставных движениях почти не меняется. Двусуставные мышцы нижней конечности выполняют главным образом силовую функцию, передавая мощности между суставами. Следовательно, силовая тренировка должна носить статико-динамическую направленность. Статические упражнения направлены на развитие силы двусуставных мышц, динамические - на развитие скоростно-силовых свойств односуставных мышц.

М. gluleus maximus является «донором» механической энергии для коленного и голеностопного суставов, поэтому для повышения мощности отталкивания необходимо уделять внимание не только развитию силы мышц-разгибателей коленного и голеностопного суставов, но и силы разгибателей тазобедренных суставов.

Разработаны методические рекомендации по повышению эффективности скоростно-силовой подготовки в различных видах спорта. Результаты исследования были использованы при составлении тренировочных программ сборных команд России по конькобежному спорту, шорт-треку, академической гребле (подтверждено актами внедрения). Результаты биомеханических, анатомических, физиологических исследований по функционированию двига-

14

тельного аппарата нижней конечности были включены в лекционный курс для студентов Московского городского педагогического университета. Представленные результаты могут быть использованы при составлении программ тренировки космонавтов.

Апробация работы. Результаты работы были доложены на Международном конгрессе «Человек в мире спорта: новые идеи, технологии, перспективы» (Москва, 1998 г); В 1999 г. в Москве на научно-практической конференции «Моделирование спортивной деятельности человека в искусственно созданной среде (стенды, тренажеры, имитаторы); на Международной конференции «Медицина и физическая культура на рубеже тысячелетий» (Москва, 2000 г); на Международной физиологической конференции (Москва, 2000 г.); на VII Международном научном конгрессе «Современный Олимпийский спорт и спорт для всех» (Москва, 2003г.); на Всероссийской научно-практической конференции «Спортивный мониторинг и постмониторинговые программы» (Москва, 2004 г.); материалы работы апробированы на секции совета ГНЦ РФ ИМБП РАН «Космическая физиология и биология».

Объем и структура исследования. Диссертация состоит из введения, 7 основных глав исследований, списка литературы, приложения из 20 разделов, содержит 530 страниц машинописного текста (включая приложения), 51 таблицу, 206 рисунков. Список литературы включает 548 источников, из них 435 иностранных.

^ ГЛАВА 1. ПОДХОДЫ К РЕШЕНИЮ ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ СКОРОСТНО-СИЛОВЫХ СВОЙСТВ МЫШЦ. ЦЕЛЬ, НАПРАВЛЕНИЯ, ЗАДАЧИ, МЕТОДЫ И ОРГАНИЗАЦИЯ

ИССЛЕДОВАНИЙ 1.1. Подходы к решению проблемы скоростно-силовых свойств мышц

Задачи биомеханики заключается в описании движения человека с позиций механики и изучении причинно-следственных связей между различными системами, обеспечивающими двигательные действия человека. В работах Бернштейна Н. А.[15, 16], Донского Д. Д. [43], Зациорского В.М. [46, 47], Фельдмана А.Г. [100] обращается внимание на то, что движения, подчиняясь законам механики, обладают сложной внутренней структурой управления, настраивающей мышечную систему человека на эффективное и экономичное взаимодействие с внешними и внутренними силами.

Скоростно-силовые свойства мышц. Движения человека начинаются на микроуровне (скольжение нитей актина и миозина), а заканчиваются перемещением сегментов тела в нужном направлении и с определенной скоростью. Анатомическими структурами, обеспечивающими перемещения сегментов тела, являются нервно-мышечный, скелетный, связочный и суставной аппараты человека. Активная часть двигательного аппарата (нервно-мышечная

15

система) развивает усилия во времени, которые в физиологии принято количественно оценивать по зависимостям: «сила-длина», «сила-скорость», «сила-время» - для контрактильного компонента (мышечные брюшки) и «сила-длина параллельного упругого элемента» - для эластического компонента мышц (сухожилия и фасции). Впервые эти зависимости были получены экспериментально на мышечных препаратах животных [103, 114,136,137, 303, 342, 343]. Современные аппаратные средства - силовые и оптические датчики - позволяют регистрировать силы тяги и длины мышц при локомоциях животных [292,297,299, 300, 301]. Измерение сил тяги мышц у человека [355, 356] с помощью силоизмерительных датчиков, по свидетельству одного из авторов этого метода P. Komi [355, 356], имеет ограничения, так как болезненные ощущения в мышцах не позволяют выполнять быстрые и мощные движения.

В спорте скоростно-силовые свойства мышц оценивают по результатам тестирования. Тесты состоят из физических упражнений и упражнений на стендах. К упражнениям относятся: прыжки вверх или в длину, бег на 30 и 60 м [23, 162] и другие упражнения. Результаты выполнения этих упражнений, обычно выраженные в метрах (высота/длина прыжка) и секундах (время пробегания), отражают уровень скоростно-силовой подготовленности спортсмена на момент тестирования. Отметим, что понятие «скоростно-силовые свойства мышц» предполагает оценку силы в ньютонах и скорости в м/с. На результаты тестов влияют условия проведения, мотивация, обученность контингента, умение реализовать свой моторный потенциал. Поэтому по итогам педагогического тестирования можно судить только о скоро-стио-силовых способностях спортсмена, которые лишь частично отражают скоростно-силовые свойства мышц.

Силоизмерительные стенды (тренажеры) позволяют точнее, чем физические упражнения, оценить динамические и кинематические свойства мышц, так как искусственная среда, создаваемая стендом, ограничивает свободу в суставах и ставит спортсменов различной квалификации в одинаковые условия (независимо от координационных способностей). Стенды применяют для оценки:

- силы отдельных мышечных групп в статике [56] и при разной угловой скорости в суставах и;

— реакций опоры при поступательном движении конечности [23,354]. Современные силоизмерительные стенды (типа Biodex) позволяют измерять моменты,

создаваемые мышцами-синергистами в суставах, при различных режимах сокращения (преодолевающий, уступающий и статический режимы) и с разнообразными кинематическими

16

или динамическими условиями . Механические параметры (силы реакции опоры, моменты в суставах, угловые и линейные скорости, ускорения) косвенно отражают скоростно-силовые свойства мышц, так как на профиль усилия оказывают влияние реактивные силы, геометрия масс тела и анатомические особенности двигательного аппарата. Поэтому по результатам тестирования на стендах можно судить лишь о скоростно-силовых проявлениях мышц. Например, по результатам изокинетического тестирования на стенде BIODEX, силы мышц нижней конечности зарегистрированы в диапазоне ± 15 % от оптимальной длины мышцы. Физиологические исследования, проведенные на изолированных мышцах, показывают, что диапазон длины мышц слева составляет 40 % и справа 60 % от оптимальной длины [275,344, 533].

Цель настоящего исследования - оценка скоростно-силовых свойств отдельных мышц (а не мышечных групп и не физических качеств спортсменов). Поэтому в работе будут рассмотрены сила, скорость, длина, работа и мощность контрактильного компонента (мышечного брюшка) и упругого элемента мышц (сухожилия) при односуставных и многосуставных движениях, а также физиологические и биомеханические механизмы, влияющие на проявление скоростно-силовых свойств мышц. Свойство, как философская категория, выражает «отношение данной вещи к другим вещам» [19], поэтому свойства мышц человека при спортивных локомоциях оценивают в процессе взаимодействия с объектами внешнего и внутреннего окружения.

К внутренним объектам относятся:

- анатомо-геометрические параметры тела: продольные и поперечные размеры конечностей, углы и подвижность в суставах, плечи тяги, объемы мышц, рабочая поза;

- анатомические структуры, обеспечивающие функционирование мышц: суставы, связки, сухожилия, точки опоры мышц бедра на широкой фасции;

- механические характеристики сегментов тела - массы, моменты инерции сегментов, вязкость мышц;

- длина и поперечные размеры волокон, процентный состав быстрых и медленных волокон;

- супраспинальные и спинальные анатомические образования, управляющие работой мышц;

3 Преодолевающий режим может выполняться с постоянной скоростью или постоян-

ной силой.

17

— внутренние силы: силы (моменты) трения в суставах, внутрибрюшное давление, реакции в суставах, силы связочно-фасциального аппарата и «сила -длина параллельного упругого элемента»;

— мышечные синергии, трансформация мышцами механической мощности между суставами.

К внешним объектам относятся:

— силоизмерительные стенды, рабочий инвентарь, спортивные снаряды;

— противодействие соперника, гравитация, инерция, реакции опоры, силы трения, скольжения/качения, аэро- и гидродинамические силы;

— характер предшествующей тренировочной нагрузки, степень утомления, разминка.

Анатомо-геометрические параметры тела человека (или рабочая поза) влияют на величину проявляемой силы, так как угол в суставе меняет длину мышцы и ее плечо. Так, наибольшие усилия мышц бедра (в положении сидя) отмечены в диапазоне углов в коленном суставе 90-110° для т. quadriceps и 120-130° у hamstring. В положении лежа (за счет изменения длины двусуставных мышц) экстремумы сил смещаются в сторону увеличения угла в коленном суставе. Некоторые мышцы, например т. gluteus medius, в зависимости от угла в тазобедренном суставе могут либо только отводить, либо одновременно отводить и прони-ровать бедро [441].

Особенностью функционирования наиболее сильных мышц в теле человека4 является то, что они крепятся на определенном расстоянии от осей вращения в суставах, поэтому крупные мышцы не могут линейно перемещать сегменты тела, а придают им только вращательные движения. Механическими показателями вращения в суставах являются угловая скорость и момент в суставе.

Влияние угловой скорости на линейную скорость звеньев тела. Линейная скорость

(L ) между точками, находящимися на расстоянии Lk и Lk+I с проксимальной и дистальной сторон сустава связана с угловой скоростью (U v) в V -том суставе так:

тмск Lk+iLksin(Uv) тт Lk+]Lksin(Uv)

LOM = Umc

OM

jL2k+l+L2k-2Lk+]Lk*cos(Uv) У'™ ^L2k+I+L2k -2LMLk *cos(Uy)

Мышцы внутреннего свода стопы, например m. quadratus plantae, проходя под несколькими костями (таранной, ладьевидной, кубовидной и плюсневыми), могут совершать линейные перемещения пальцев стопы. При таком движении меняется высота свода стопы.

Список литературы

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Оглавление iconОглавление правила соревнований 1 оглавление 2
Приложение №1B. Официальные лица встреч на мировых чемпионатах и других соревнованиях мирового уровня 94

Оглавление iconРуководство пользователя Оглавление Оглавление 1 Введение 7 Структура...

Оглавление iconОглавление оглавление 3 вступление 6 предисловие 7
Вот оно – . Кстати, все замечания, помещённые в квадратные скобки, сделаны им же. А когда текст в скобках набран таким шрифтом,...

Оглавление iconОглавление оглавление 3 вступление 6 предисловие 7
Вот оно – . Кстати, все замечания, помещённые в квадратные скобки, сделаны им же. А когда текст в скобках набран таким шрифтом,...

Оглавление iconДаосизм и его влияние на китайскую культуру. Москва, 1997. 1 Оглавление....

Оглавление iconСинаит Оглавление Оглавление 1 о безмолвии и двух образах молитвы....
О заповедях и догматах, угрозах и обетованиях, – еще же – о помыслах, страстях и добродетелях, – и еще – о безмолвии и молитве

Оглавление iconОглавление Белоусова Людмила 1 на территории сна 1 Оглавление 1 часть 1 3 Таинство сна 3
У стены неизменная куча чёрного блестящего угля – заготовка на зиму. Сейчас можно обогнуть баню и выйти на дорогу, но я иду правее,...

Оглавление iconОглавление

Оглавление iconОглавление с. Введение

Оглавление iconМонография по апитерапии оглавление

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
uchebilka.ru
Главная страница


<