IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012
Механические аспекты двигательной деятельности в художественной гимнастике
КомментарииПолная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Принципам формирования рациональных двигательных действий в спорте посвящены многочисленные теоретические и практические разработки ученых и тренеров всего мира. Но, несмотря на наличие довольно значительного массива исследований в этой области, вряд ли можно говорить о том, что все задачи, связанные с эффективным управлением движением, нашли свое полное разрешение и единодушно восприняты в научном мире (в частности, у теоретиков классической механики вызывает недоумение вольное обращение с термином «сила инерции» практически во всех курсах биомеханики).
Высокая теоретическая и практическая значимость проблемы формирования двигательных движений при занятиях художественной гимнастикой, противоречивость и многоплановость рассматриваемых аспектов определили актуальность предпринятого исследования.
Осознание чрезвычайной сложности и вместе с тем познаваемости двигательной деятельности определило объект, предмет, цели и задачи исследования.
Современные представления о двигательной деятельности
в художественной гимнастике
Известная певица и вокальный педагог Матильда Маркези (1821-1913) произвела разделение искусства на две части: эстетическую и техническую. Это деление, конечно, условное, но довольно часто употребляемое в тех случаях, когда возникает необходимость как-то оценить или измерить талант исполнителя. Такой метод, в частности, применяется в художественной гимнастике: судейская коллегия выставляет отдельные оценки - за техническое исполнение (трудность) и за художественное мастерство (артистизм) [14] «Каждое искусство слагается из двух частей: технико-механической и эстетической. Тот, кто недостаточно подготовлен для преодоления трудностей первого рода, никогда не будет в состоянии достигнуть совершенства во втором, будь он хоть гений» - такое изречение могло бы стать эпиграфом к многочисленным публикациям, посвященным достижению совершенства в любом виде деятельности.
Со времен античности человечество стремилось к познанию двигательных действий, осуществляемых человеком. Потребности в таком изучении были различные - от необходимости рационализации движений в трудовой деятельности до совершенствования искусства изображения движущихся объектов в живописи и, конечно же, танцевального искусства.
В информационном поле Интернета имеются ссылки на "Трактат о живописи и человеческих движениях" из наследия великого Леонардо да Винчи [15]. Вопросами искусства движения занимались французский педагог Франсуа Дельсарт (1811 - 1871), физиолог и педагог Жорж Демени (1850 - 1917), профессор Женевской консерватории Жак Далькроз (1865 - 1914), танцовщица Айседора Дункан (1878 - 1927) и др. [16]. В работах хореографа Рудольфа Лабана (1879 - 1958) [17] была сделана попытка обоснования универсальных закономерностей движения человеческого тела. Достаточно перечислить некоторые из его так называемых паттернов: «тело и динамика движения»; «тело и скорость его движения»; «напряжение»; «классификация усилий человека», чтобы оценить степень заинтересованности хореографа в познании движений.
Независимо от Р. Лабана по структурному пути (или конструктивному) рассмотрения движения пошли наши отечественные ученые В.М. Дьячков, И.П. Ратов, В.Т. Назаров, Ю.К. Гавердовский, Н.Г. Сучилин, Р.А. Пилоян и др. Рассматривая структурную сложность движения, они напрямую подошли к рассмотрению структуры движения без привнесения в него излишней психологической субъективности.
По нейропсихофизиологическому пути пошли Н.А. Бернштейн [1,2], Д.Д. Донской [3], В.Н. Селуянов и другие ученые, которые утверждали, что выполнение двигательного действия приводит к формированию в сознании двигательного образа и так называемой "программы движения". При реализации программы движение, как правило, имеет отклонение от заданной цели движения (образа). "Образ действия в сознании человека как отражение действительности играет роль регулятора двигательного акта. Без предвидения и контроля невозможны ни постановка цели, ни ее достижение" [3]. При повторном выполнении программы вносятся коррективы; "действие не складывается, не составляется из готовых частей, а дифференцируется, структурируется в процессе повторных попыток" [3].
Системные (конструктивные) обобщения нейропсихофизиологического пути нашли свое продолжение в становлении и развитии концепций антропоцентрической биомеханики [4]. Структура движения в данной концепции анализируется с модельных проектно-смысловых ценностно ориентированных представлений об условиях, требованиях и средствах достижения целеполагаемого результата и связана с интегральными свойствами индивидуальностей спортсмена и тренера.
Смысловое проектирование двигательного действия представлено С.В. Дмитриевым формулой "от модели объекта - к модели проекта" [5].
Несмотря на многообразие различных взглядов на характер движения человеческого тела в пространстве исторически сформировалось два основных фундаментальных подхода к данной проблеме: кибернетический и структурный.
В кибернетическом подходе движение анализируется с позиций динамических систем с обратной связью. Основные результаты в этой области принадлежат Н.А. Бернштейну, П.К. Анохину и их последователям.
В структурном подходе рассматривается, прежде всего, структура, пространственная форма самого движения. Существенный вклад в разработку этого подхода внесли исследования Ю.К. Гавердовского [6]. Он построил функциональную классификацию гимнастических упражнений (для спортивной гимнастики), разработав ряд совершенно новых гимнастических элементов с четкими физическими характеристиками и вместе со своими учениками развивает идею функциональной взаимозависимости двигательных действий.
Своеобразная мода на математику вызвала к жизни публикации, в которой вводится термин « пространство движения». Авторы утверждают, что пытаются анализировать это пространство с точки зрения топологии - достаточно общей науки о непрерывных отображениях. К сожалению, ничего полезного, кроме пространных рассуждений о топологических свойствах этого пространства, отличных, по мнению авторов, с топологической точки зрения от евклидова пространства, в работах не содержится.
Особо следует отметить понятийно-терминологические проблемы, существующие в научно-методической литературе, посвященной изучению движений человека, как в спорте, так и в медицине. Так, например, неправильно используется понятие числа степеней свободы в неплохой в остальном работе [18], посвященной обоснованию выбора упражнений для лечебной физкультуры. Авторы утверждают, что определенные суставы имеют три или две степени свободы, что с точки зрения механики представляет собой полную бессмыслицу. Вряд ли облегчат понимание обсуждаемых процессов замена устоявшихся классических терминов на новые - например, «поступательного движения» твердого тела на «переместительное», и появление новых - типа «реакция противовращения».
Потребности клинической практики (восстановление двигательных функций организма) выявили необходимость и возможность математического моделирования движений. Успехи в этой области и развитие компьютерных технологий способствовали поиску возможностей математического моделирования движений и в различных видах спорта. Достаточно общая плоская задача решена в работе [7], в которой, по утверждению авторов, создана компьютерная система, моделирующая движения человека, в частности, спортивные упражнения. Моделирование основано на аналогии опорно-двигательного аппарата человека с антропоморфным механизмом (шарнирным многозвенником), движение которого описывается законами классической механики (системой нелинейных функционально-дифференциальных уравнений).
Человеческий организм в этом исследовании предлагается представлять n последовательно соединенными идеальными шаровыми шарнирами (моделирующими суставы) твёрдыми телами (звеньями). Форма звеньев не имеет значения, т.к. в уравнения движения входит только в виде координат центров масс звеньев и их центральных моментов инерции. Предполагается, что все шарниры и все внешние силы лежат в одной плоскости, а центры масс звеньев расположены на отрезках, соединяющих их шарниры. Внешними силами, действующей на звенья, являются силы тяжести и пары сил, моделирующие мышечные усилия в суставе ("суставные моменты"). При исследовании лишь плоского движения механизма положение n-звенника можно полностью задать значениями (n+2)-х обобщенных координат, например, координат (х, у) его начальной точки и углов i, i=1,...,n, поворота звеньев относительно оси Х. Таким образом, если n-звенник не имеет закрепленных точек, он представляет собой механическую систему с (n+2)-мя степенями свободы. Динамическое состояние такого механизма с заданными массово-геометрическими характеристиками полностью описывается 4n+2 функциями времени: (n+2) кинематическими параметрами i(t), x(t), y(t) и 3n силовыми параметрами: проекциями Xi (t) , Yi (t) сил взаимодействия звеньев в шарнирах на неподвижные оси координат X, Y и "суставными" моментами Mi(t) (моментами пар сил приложенных к каждому звену в соединяющем их шарнире). Эти функции связаны системой 3n уравнений движения (дифференциальных уравнений второго порядка относительно i(t)). По всей вероятности, сложность получения и регистрации исходных данных для решения такой задачи не позволила продолжить исследования в этой области для решения пространственных задач.
Научно-методическое обеспечение художественной гимнастики в большей степени ориентировано на возможности развития генетических способностей гимнасток (гибкость, координация и т.п.)[8]. Вопросы же технического совершенства спортсменок обсуждаются на эмпирическом уровне, без ссылок на строгие физические закономерности [9 и др.].
Физические возможности тела гимнастки
За последние годы художественная гимнастика приобрела зрелищный вид отчасти благодаря появлению элементов чрезвычайной сложности. При наблюдении за гимнастками кажется, что возможности человеческого тела не имеют границ и пределов. Для того, чтобы не только ставить технику сложных элементов, но и иметь возможность конструировать новые оригинальные элементы, полезно знать, какими физическими возможностями обладает человеческое тело при отсутствии патологических изменений. Кроме того, информация о таких возможностях позволяет строить математические модели движений человека.
Для регистрации положения тела человека и относительных движений
отдельных звеньев принято различать три основные взаимно перпендикулярные плоскости тела:
- сагиттальная, или переднезадняя, разделяет тело или любую его часть на левую и правую половины (отделы), причем сагиттальную плоскость, проходящую через середину тела, называют срединной плоскостью;
- горизонтальная плоскость пересекает тело поперечно, разделяя его на головной (краниальный) и хвостовой (каудальный) отделы. Горизонтальная плоскость, проведенная на любой конечности, делит ее на проксимальный (ближе к туловищу) и дистальный (далее от туловища) отделы;
- фронтальная плоскость делит тело и его части на передний (вентральный) и задний (дорзальный) отделы.
В различных частях тела кости соединяются с помощью суставов: голеностопных, коленных, тазобедренных, плечевых и др. Благодаря подвижности суставов и совершаются разнообразные движения. Способность суставов свободно двигаться называется гибкостью. Гибкость придает легкость и красоту движениям, предохраняет от травм.
В суставах различают следующие движения: сгибание, разгибание, отведение (наружу), приведение (внутрь), вращение или ротация (поворот внутрь и наружу). Поворот внутрь называют еще пронацией, поворот наружу - супинацией. В некоторых суставах (например, в плечевом, тазобедренном, лучезапястном) возможны еще круговые движения.
В соединении двух костных звеньев посредством сустава (биокинетическая пара) возможности движения определяются строением сустава, воздействием мышц, ограничивающим действием капсулы и связок сустава.
Подвижность сустава зависит от возраста, пола, индивидуальных особенностей, функционального состояния нервной системы. У женщин, молодых людей подвижность больше.
Трехосные суставы дают возможность прикрепленному к ним звену совершать сферическое движение, это - самые подвижные суставы. К ним относятся сочленение головы с позвоночником, сочленение позвонков между собой, плечевой, плечелучевой, грудино-ключичный, тазобедренный суставы. Эти суставы по форме - шаровидные или ореховидные. При моделировании такой сустав может быть представлен сферическим шарниром.
В трехосных суставах конечностей возможно отведение, приведение, сгибание, разгибание, поворот внутрь, наружу; для позвоночника - наклоны вправо, влево, сгибание, разгибание, повороты вправо, влево.
Двухосные суставы (лучезапястный, сустав I пальца кисти, пястно-фаланговые сочленения, коленный) имеют меньшую подвижность и (относительно сустава прикрепленное звено имеет две степени свободы). По форме они - яйцевидные, эллипсоидные, седловидные. В них возможны, например, следующие движения:
- сгибание и разгибание в сагиттальной плоскости вокруг поперечной оси;
- отведение и приведение во фронтальной плоскости вокруг переднезадней оси.
В запястно-пястном (седловидном) суставе I пальца кисти возможны следующие движения: оппозиция (противопоставление) и репозиция (обратное движение).
В двухосных и трехосных суставах возможны круговые движения.
Одноосные суставы (плечелоктевой, лучелоктевой, межфаланговые, голеностопный, шопаров) предоставляют звену одну степень свободы (в относительном движении). По форме они - блоковидные или цилиндрические. В них возможны следующие движения:
- сгибание и разгибание в сагиттальной плоскости вокруг поперечной оси;
- если ось сустава идет наискось, например - в лучелоктевом, шопаровом суставах, возможны поворот наружу (супинация), поворот внутрь (пронация).
Круговые движения в одноосных суставах невозможны.
Все крупные мышцы, осуществляющие движения в суставах, едины с анатомической точки зрения. В то же время в функциональном отношении они различаются. Различные отделы одной и той же крупной мышцы выполняют различные движения. Так, сгибание руки в плечевом суставе осуществляют передние пучки дельтовидной мышцы, отведение руки в сторону до горизонтали - средние пучки, разгибание - задние пучки. Верхний отдел большой грудной мышцы поднимает плечевую кость, нижний ее отдел - опускает. Эти знания помогают целенаправленно подбирать упражнения для тренировки определенных порций мышц.
Мышечный тонус - это непроизвольное напряжение мышц в состоянии покоя. Мышечный тонус обеспечивает возможность принимать различные положения тела в пространстве. Мышца может находиться в четырех состояниях: покоя, сокращения, расслабления, растяжения. Любое движение осуществляется в результате содружественной работы мышц. Синергистами обозначают мышцы, участвующие в однонаправленном движении. Антагонистами называют мышцы, производящие движение в противоположном направлении. Синергистами, например, являются мышцы - локтевой и лучевой сгибатели, выполняющие одноонаправленное движение - сгибание кисти, а мышцы - локтевой и лучевой разгибатели - их антагонистами, так как осуществляют противоположно направленное движение - разгибание кисти.
Тонус мышц при всех движениях меняется: при сгибании повышается тонус мышц-сгибателей и на столько же снижается тонус мышц-разгибателей.
Физико-механические свойства составляющих опорно-двигательного аппарата могут изменяться под воздействием тренировок. Существует множество методик, направленных на увеличение подвижности в суставах. Информация о физиологическом состоянии мышц может быть положена в основу динамических моделей движения человека.
Классификация движений в художественной гимнастике
Художественная гимнастика - сложнокоординационный вид спорта, с огромным количеством всевозможных двигательных акций, совершаемых как телом гимнастки, так и предметами (скакалка, мяч, булавы, лента, обруч), имеющими различные физические свойства.
По классификации технического комитета по художественной гимнастике, нашедшей отражение в «Правилах по художественной гимнастике» (2009-2012 г.г.) [19] основную группу движений (в «Правилах» используется термин «фундаментальные группы») составляют прыжки, равновесия, повороты и гибкость/волны.
Прыжки в художественной гимнастике различают в зависимости от амплитуды движения, положения тела и рук в полете. Дополнительные термины часто определяют положение туловища в полете: прямой прыжок, прыжок прогнувшись, согнувшись, в группировке, шагом, выпадом, шпагатом, кольцом. Популярны в других видах гимнастики также перекидной прыжок и подбивной в сторону. Некоторые прыжки имеют специальное название - это подскок, перескок и скачок - прыжок вверх толчком одной со сгибанием другой ноги вперед и взмахом рук.
Прыжки в художественной гимнастике делятся на прыжки толчком (отталкиванием от горизонтальной опоры) с двух ног и с одной. Прыжки толчком двух ног различаются техникой исполнения: выпрямившись, согнув ноги назад, касаясь, «разножка» продольно и поперек и т.д. К прыжкам толчком одной относятся: скачок, открытый-закрытый, шагом, перекидной и др. Прыжки могут производиться отталкиванием с места или с разбега (цель разбега - достижение оптимальной скорости для выполнения прыжка).
В упражнениях с предметом прыжки отличаются достаточно длительным по времени и высоким полетом - таким, чтобы спортсменка за время полета успела выполнить другие сложные движения или манипуляции с предметом.
Равновесия подразделяются на статические и динамические. Статические равновесия делятся на вертикальные и горизонтальные. Вертикальные равновесия выполняются с вертикальным положением туловища, с различными положениями свободной ноги и рук. Горизонтальные равновесия выполняются с горизонтальным положением туловища и разделяются на переднее (туловище наклонено вперед), заднее (равновесие, для которого характерен наклон туловища назад с одновременным подъемом свободной ноги до горизонтального или более высокого положения), боковое (равновесие, для которого характерно расположение уравновешенных звеньев во фронтальной плоскости). Динамические равновесия - это равновесия с изменением положения туловища и свободной ноги.
Повороты делятся на повороты на двух ногах и одной. Повороты на двух ногах - переступанием, скрестно на 180°, 360° и т.д.; на одной - одноименные и разноименные. Одноименные повороты выполняются на правой ноге в правую сторону, на левой ноге - в левую. Разноименные повороты выполняются на правой ноге в левую сторону, на левой - в правую, с различными положениями свободной ноги, туловища, рук. Увеличение количества оборотов вокруг определенной оси приводит к усложнению элемента конкретной структурной группы.
«Волны» и волнообразные движения характеризуются последовательным сгибанием и разгибанием суставов. «Волны» выполняются руками и туловищем гимнастки. Данная разновидность движений представляет собой единое сочетание сгибательно-разгибательных действий, которые являются целостным динамичным движением. Для них характерна непрерывность, равномерность и плавность.
К «прочим группам» относят различные перемещения, сопровождающиеся различными движениями рук, головы и туловища (мелкие прыжки, ритмические шаги, покачивания, вращения, круговые движения и др.)
Особое место занимают так называемые преакробатические элементы:
1. кувырки - вращательные движения тела с последовательным касанием опоры и переворачиванием через голову;
2. перевороты - вращательные движения тела с полным переворачиванием и промежуточной опорой;
3. перевороты колесом, характеризующиеся последовательной опорой каждой рукой и ногой;
4. перекаты - упражнения, характеризующиеся вращательным движением тела с последовательным касанием опоры без переворачивания через голову с различными видами опор (на груди, предплечьях, кистях рук).
При выполнении элементов совершаются также такие двигательные акты, как махи и взмахи. Махи выполняются руками, ногами и туловищем. Маховые движения туловищем связаны с наклонами вперед, в сторону, назад и с поворотами. Махи руками и ногами выполняются в основных и промежуточных плоскостях, в различных направлениях, по дуге и кругу, одноименно, разноименно, поочередно и последовательно). Взмахи выполняются руками, туловищем (вперед и в сторону) и всем телом (вперед, в сторону и с поворотом). Для взмахов характерно резкое начальное движение в одном звене и продолжение движения в других звеньях тела. (последовательность движений такая же, как и при «волне»).
Упражнения с предметами являются основой классификационной программы по художественной гимнастике. Движения предметов могут быть как свободными (после бросков), так и связанными наличием контакта с телом гимнастки или опорой (каты, перекаты, и др.).
Особенности техники выполнения упражнений в художественной гимнастике, обусловленные механическими закономерностями
Особенности техники выполнения равновесий
Равновесие является сложным двигательным действием (даже для сохранения привычного вертикального положения и правильной осанки человеческий организм задействует более 300 мышц одновременно). Успешность выполнения элементов, объединенных в группу «равновесия» зависит от многих факторов, таких, как способность к рациональному расположению звеньев тела; к минимизации количества степеней свободы; к дозировке и перераспределению мышечных усилий. Немаловажным фактором является и уровень пространственной ориентации исполнителя. Действие всех этих факторов направлено, в конечном счете, на выполнение условия равновесия.
При фиксации статического равновесия главный вектор и главный момент относительно любого центра системы внешних сил, действующих на тело гимнастки должны равняться нулю.
На тело гимнастки действуют сила тяжести и произвольным образом распределенная нагрузка - реакция пола. В соответствии с условиями равновесия произвольной системы сил, равнодействующая реакции пола и сила тяжести должны быть расположены на одной прямой. Устойчивость такого состояния (удержание позы) определяется правильным положением (и сохранением такого положения) центра тяжести гимнастки, а также возможностью мышечного управления стопой для перераспределения давления на поверхность пола, и, следовательно, его реакции на тело исполнителя.
Методические приемы должны быть направлены на сохранение равномерного контакта стопы с полом (без навалов на большой палец ноги при выполнении равновесия с выворотной стопой), и уменьшение колебаний центра тяжести относительно вертикальной оси, проходящей через поверхность контакта ступни и пола. Такие приемы хорошо известны в хореографической практике [10]:
1. при выворотности стопы следует контролировать выворотность бедра, ориентируя колено на пальцы ног;
2. корпус следует держать по возможности крепким, не нарушая так называемого квадрата жесткости торса.
В работе с предметами или при вращении отдельные звенья (или все тело) гимнастки находятся в движении. Сохранение основной позы в этом случае называется динамическим равновесием.
При рассмотрении динамического равновесия (равновесия в подвижной системе отсчета) следует учитывать возможность изменения кинематических характеристик в результате влияния относительного и переносного движений друг на друга (это изменение количественно характеризуется ускорением Кориолиса) и тот факт, что равновесие рассматривается в подвижной системе отсчета, связанной с телом гимнастки.
Условиями относительного равновесия в этом случае будут равенство нулю геометрической суммы главных векторов и главных моментов внешних сил, переносных сил инерции ( и кориолисовых сил инерции .
Следует учесть то обстоятельство, что дополнительное движение звеньев иногда облегчает задачу стабилизации динамического равновесия. Так, например, вращением рук в нужном направлении мы можем вернуть потерявшему устойчивость телу исходное вертикальное положение (или сохранить необходимые параметры выполняемого элемента).
В биомеханике (вопреки принятым в классической механике представлениям о силах инерции и объектах их действия [11]) в этом случае принято говорить о действии инерциальных сил.
Особенности техники выполнения поворотов
При выполнении поворотов тело гимнастки совершает вращательное движение вокруг некоторой оси. Кинематическими характеристиками такого движения являются угловая скорость и угловое ускорение тела.
К силам, действующим на гимнастку, следует отнести силу тяжести, распеделенную нагрузку - реакцию опоры, которую при рассмотрении такого движения целесообразно представить в виде суммы сил - вертикальной (нормальной реакции) и горизонтальных (сил трения), образующих пары сил, препятствующих вращению. При обсуждении технических возможностей поворотов, выполняемых в художественной гимнастике, силами сопротивления воздуха можно пренебречь.
В соответствии с теоремой об изменении кинетического момента механической системы, (например,[12]), изменение кинетического момента системы относительно оси равно сумме моментов импульсов всех внешних сил, действующих на систему.
Главный момент количеств движения (или кинетический момент) механической системы относительно оси равен алгебраической сумме
моментов количеств движения всех точек системы относительно того же центра или оси
, .
Кинетический момент вращающегося с угловой скоростью твердого тела относительно оси вращения , где - момент инерции тела относительно оси вращения.
Поэтому существуют следующие возможности совершенствования поворотов, основанные на использовании механических закономерностей.
1. Уменьшение силы трения, пропорциональной нормальной реакции, в начале движения за счет вскока со всей стопы на полупальцы. В этом случае центр масс системы приобретает ускорение, направленное по вертикали, и нормальная составляющая реакции уменьшается на величину, равную произведению массы тела на ускорение центра масс.
2. При прочих равных условиях, большее приращение угловой скорости получит тело с меньшим моментом инерции относительно оси вращения. Уменьшение момента инерции производится за счет приближения конечностей к туловищу.
3. Увеличение начального момента количества движения приводящее к более быстрым поворотам, может быть реализовано за счет взмахов конечностей с последующей их остановкой относительно тела.
При формировании базовых навыков вращений у детей младшего возраста возможно адаптированное информирование о действии перечисленных законов.
Особенности техники выполнения прыжков
В сложнейших композициях разнохарактерных движений различные виды прыжков составляют до 30%.
Прыжки в художественной гимнастике разнообразны по форме и по сложности их исполнения. Развитие прыгучести с раннего возраста является одной из задач тренеров преподавателей групп начальной подготовки. Как правило, в рабочих программах по художественной гимнастике предусматривается начальная хореографическая подготовка, в которую включены некоторые прыжки (открытый, широкий, прыжок «касаясь» и др.). Такие прыжки являются базовыми элементами, поэтому важной составляющей является качественное освоение техники прыжков на начальном этапе подготовки гимнасток. Правильное понимание закономерностей таких движений позволит тренеру корректировать их выполнение.
Традиционно (независимо от вида спортивной деятельности) процесс осуществления прыжка делится на три основные фазы - отталкивание, свободное движение и приземление.
При отталкивании центр масс гимнастки приобретает скорость, направление которой определяется способами отталкивания. Дальнейшее перемещение гимнастки происходит в соответствии с теоремой о движении центра масс, в соответствии с которой центр масс механической системы движется как материальная точка, с массой, равной массе системы, и на которую действуют все внешние силы системы. В свободном полете на тело гимнастки действует только сила тяжести (при пренебрежении силами сопротивления). Задача об определении траектории, дальности, высоты и времени полета, вычисления скорости при приземлении сводится к задаче о движении материальной точки, брошенной под углом к горизонту.
Интегрируя дифференциальные уравнения движения материальной точке в поле сил тяготения (или используя общие теоремы динамики), можно получить, что траектория движения центра масс - парабола, параметры которой зависят только от начальной скорости (величины и направления). Дальность полета, время движения и высота также определяются значением и направлением начальной скорости. Управление начальными параметрам возможно только на стадии отталкивания. Поэтому целевая направленность тренировочной деятельности должна содержать непременно совершенствование техники отталкивания. Никакие телодвижения, или движения предметов в полете не способны повлиять на упомянутые характеристики движения. Заметим, что речь идет о центре масс системы, а не об отдельных звеньях тела (ноги, голова), поэтому неправильное координационное поведение во время прыжка может привести к падению с любым положением тела.
Понятно, что разбег перед прыжком дает более широкие возможности для осуществления длительного полета. Разбег в художественной гимнастике, в отличие от разбега в легкоатлетических прыжках и в спортивной гимнастике должен отвечать эстетическим представлениям о передвижениях под музыку, и, как правило, ограничивается 2-3 шагами. Включение в связки перед длинными прыжками движений типа «шассе», исполненных стремительно, расширяет возможности увеличения скорости перед отталкиванием.
Одновременные с отталкиванием энергичные махи сводной рукой и маховой ногой (с последующей остановкой-фиксацией относительно корпуса) увеличивают количество движения системы «тело гимнастки» (геометрическую сумму произведений масс точек системы на векторы скоростей этих точек) в соответствии с теоремой об изменении количества движения механической системы.
Приземление после прыжка - с точки зрения механики явление, называемое ударом. В художественной гимнастике процесс амортизации (смягчения) ударных воздействий обеспечивается исключительно работой тела спортсменки. У людей, знакомых с началами теории удара, вызывает обоснованные опасения появившаяся в последнее время техника приземления на прямую ногу. При таком приземлении существенно возрастает ударная нагрузка на связки голеностопа, что может привести (и приводит) к травмам. Упражнения, направленные на поддержание эластичности и укрепление мышц и связок нижних конечностей, должны быть включены в каждую тренировку гимнасток.
Моделирование движений
Модель опорно-двигательного аппарата тела человека
В биомеханике биологические системы рассматриваются как материальные объекты, и для анализа их положения в пространстве при движении моделируются в виде материальной точки или системы материальных точек. Такие модели позволяют в полной мере использовать знания, накопленные в области теоретической механики.
Часто в качестве модели опорно-двигательного аппарата человека используется 14-сегментная (по Н.А. Бернштейну [1]) разветвленная кинематическая цепь, звенья которой по геометрическим характеристикам соответствовуют крупным сегментам тела человека, а точки соединения - положению основных суставов (рис. 2).
1.H - head - голова, 2. N - Neck - шея, 3. R - Shoulder - правое плечо, 4. L - Shoulder - левое плечо, 5. R - Elbow - правый локоть, 6. L - Elbow - левый локоть, 7. R - Wrist - правая кисть, 8. L - Wrist - левая кисть, 9. R - Finger - конец правой кисти, 10. L - Finger - конец левой кисти, 11. R - Hip - правое бедро, 12. L - Hip - левое бедро, 13. R - Knee - правое колено, 14. L - Knee - левое колено, 15. R - Ankle - правая пятка, 16. L - Ankle - левая пятка, 17. R - Toe - конец правой стопы, 18. L - Toe - конец левой стопы.
Кинематически возможные перемещения такой системы определяются физическими возможностями суставов и связок. Основные сочленения, как правило, моделируют либо сферическими, либо цилиндрическими шарнирами.
При исследовании движений гимнасток с развитой гибкостью позвоночника такая модель не вполне адекватна при описании движений. Кроме того, двигательный аппарат человека имеет свои особенности строения и функционирования, которые не противоречат законам механики, но накладывают существенные ограничения на возможность формального применения механических моделей.
Отсутствие (частичное или полное) в механических моделях тела человека анатомо-физиологических составляющих, таких как мышцы, суставы, связки, сухожилия, неучет скоростно-силовых свойств мышц, приводит к тому, что такие механические системы лишь по кинематической структуре напоминают локомоции человека [20]. Современные компьютерные технологии позволяют моделировать структуры любой сложности. И в научном обеспечении таких видов спорта, как художественная гимнастика, построение формальной модели тела в виде многозвенной структуры с адекватными межзвенными соединениями, и усложненной, быть может, дополнительными упругими связями могло бы стать предметом диссертационного исследования.
Алгоритмическая модификация основных соотношений кинематики твердого тела
Безусловно, динамический расчет такой модели будет чрезвычайно сложным. Для решения прямой задачи динамики системы (определение сил, действующих на систему, по заданным параметрам движения) необходим полный кинематический расчет многозвенной модели, затруднительный с точки зрения традиционного (в рамках векторной алгебры) представления о кинематических характеристиках.
Описание движения, основанное на матричной структуризации трехмерного физического пространства, позволит алгоритмизировать поиски решения подобных задач.
Все важные соотношения кинематики точки и твердого тела легко получаются с использованием представлений о линейности оператора угловой скорости
(сложение вращений вокруг параллельных и пересекающихся осей), путем непосредственного дифференцирования матриц и правил преобразования матричных элементов или компонент тензора 2 ранга при переходе к другой системе координат (кинематические уравнения Эйлера и теорема Кориолиса об определении ускорения точки при сложном движении).
В частности, Формула Ривальса для определения ускорений точек свободного тела в предложенной форме описания принимает компактный вид [13]
где - слагаемое, определяемое параллельным переносом и равное ускорению произвольно выбранной точки тела.
Заключение
В спортивной практике все движения целенаправлены, а эффективность различных вариантов движений зависит от того, насколько рационально спортсмен использует свои возможности и законы движений [3].
Одним из факторов, позволяющих эффективно управлять процессом постижения и технического совершенствования разнообразных движений в художественной гимнастике (равно, как и в любом другом виде спорта), является учет механических закономерностей двигательных действий.
Четкое представление тренера об открытиях и достижениях в сфере наук (теоретическая механика, биофизика, биомеханика), связанных с двигательными актами, позволит на научной основе строить алгоритмы обучения и совершенствования техники реализации сложных движений.
Анализ основных видов движений в художественной гимнастике - равновесий, прыжков, поворотов с точки зрения теоретической механики, позволил выявить некоторые существенные ошибки их исполнения, обусловленные неправильными представлениями гимнасток о возможных способах управления телом.
Коррекция неправильных с технической стороны действий, кроме прочего, должна опираться на информацию о физико-механических параметрах движения и быть направленной на установление границ их оптимальных значений, определяемых выполнением того или иного закона (теоремы о движении центра масс, об изменении количества движения, кинетического момента, кинетической энергии механической системы, условия равновесия произвольных систем сил и др.). При этом поиск возможного логико-вербального объяснения требований остается за грамотным тренером.
Несмотря на наукоемкость обобщенного моделирования движений в сложнокоординированных видах спорта, использование современных компьютерных технологий позволяет продолжать разработки в этом направлении. В настоящей работе представлены некоторые авторские результаты алгоритмической модификации основных соотношений кинематики твердого тела [13].
Список литературы
1. Бернштейн Н.А. О ловкости и ее развитии. - М.: Физкультура и спорт, 1991. - 288 с.
2. Бернштейн Н.А. Очерки по физиологии движения и физиологии активности. - М.: Медицина, 1966.
3. Донской Д. Законы движения в спорте: Очерки по теории структурности движения. - М.: ФиС, 1968. - 175 с.
4. Коренберг В.Б. Основы качественного биомеханического анализа. - М.: ФиС, 1970.
5. Дмитриев С.В. Дидактические основы ценностно-смыслового и биомеханического моделирования двигательных действий спортсмена. - Н. Новгород, 1995. - 150 с.
6. Гавердовский Ю.К. Техника гимнастических упражнений. Популярное пособие. - М.: Терра-Спорт, 2002. - 512 с.
7. Хасин Л.А. Математическое моделирование движений человека (схема с суставными моментами) / Хасин Л.А., Хохлов А.В. // Моделирование спортивной деятельности в искусственно созданной среде (стенды, тренажеры, имитаторы): (материалы конф.). - М.: 1999. - С. 226-231.
8. Алабин В.Г. Координация и методика ее совершенствования. Учебно-методическое пособие. - Харьков: ХаГИФК, 1999. - 38с.
9. Художественная гимнастика: Учебник для институтов физической культуры. Под ред. Т. С. Лисицкой. - М.: Физкультура и спорт, 1982. -232 с.
10. Ваганова А.Я. Основы классического танца.- Л.-М.: Искусство, 1963.- 179с.
11. Ишлинский А.Ю. Классическая механика и силы инерции. - М.: Наука, 1987.-320 с.
12. Митюшов Е.А., Берестова С.А. Теоретическая механика.- М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 320 с.
13. Рощева Т.А., Митюшов Е.А., Берестова С.А. Аналитические алгоритмы кинематики твердого тела. //Новые образовательные технологии в вузе. Сб. материалов 6 Международной научно-методической конференции, Екатеринбург. Часть 1, с.242-244,2009.
14. http://files.regentjob.ru/books/vokal/morozov/0104.html.
15. http://www.vinci.ru/gu01.html.
16. http://bibliofond.ru/view.aspx?id=112518.
17. http://biblioteka.teatr-obraz.ru/node/7984/
18. http://priroda.inc.ru/fizra/3.html.
19. http://www.vfrg.ru/up/doc/rg_cop_2009-2012_(russian)_last_version%5b1%5d.pdf.
20. http://www.lib.ua-ru.net/diss/cont/50354.html.