Кинематический и силовой анализ соревновательных упражнений при беге с препятствиями

Для различных видов спорта высших достижений чрезвычайно актуально биомеханическое обоснование рациональной техники выполнения соревновательных упражнений. Это позволяет ввести в рассмотрение не только качественные, но и количественные параметры, в совокупности определяющие уровень спортивного мастерства. Так, основными параметрами, характеризующими структуру движения при беге с препятствиями, являются время и скорость бега, число, длина и частота шагов на отдельных участках дистанции [3, 4, 5, 8]. Анализ этих показателей является одним из условий организации эффективной подготовки спортсменов.

Цель настоящего исследования – кинематический и силовой анализ движений высококвалифицированных спортсменов-спасателей в условиях преодоления 100-метровой полосы с препятствиями.

Настоящая работа продолжает цикл исследований авторов в области биомеханики спорта [1, 2, 7] по практической реализации концепции «адресной тренировочной нагрузки» [6] применительно к сложно-техническим видам спорта. В качестве исходных данных использованы показатели соревновательной деятельности

Григоренко Дмитрий Николаевич, начальник кафедры пожарной аварийно-спасательной и физической подготовки, Гомель

Бондаренко Константин Константинович, к.п.н., заведующий кафедрой физического воспитания и спорта, Гомель

Шилько Сергей Викторович, к.т.н., зав. отделом адаптивных материалов и биомеханики, Гомель ведущих спортсменов Республики Беларусь на чемпионатах мира по пожарноспасательному спорту – в 2008 г. в г. Софии (Болгария), в 2009 г. в г. Уфе (Россия) и в 2010 г. в г. Донецке (Украина).

Методика и организация исследования

Соревновательное упражнение «Преодоление 100-метровой полосы с препятствиями» было условно разделено на четыре отрезка в зависимости от специфики выполняемых действий. Первый отрезок протяженностью 23 м характеризовался стартовым разбегом и был ограничен участком от старта (нулевая отметка движения) до начала «атаки забора». Второй отрезок протяженностью 5 м (от 23 до 28 м дистанции) включал «преодоление забора» с последующим бегом и подхватом пожарных рукавов. Третий отрезок дистанции (от 28 до 75 м) начинался с момента подхвата пожарных рукавов с последующим бегом по буму, соединением пожарных рукавов между собой и разветвлением. Четвертый отрезок протяженностью 25 м представлял собой максимально быстрое финиширование с одновременным соединением пожарного ствола с пожарным рукавом.

Исследование проводилось на учебно-тренировочной базе образовательного учреждения «Гомельский инженерный институт» Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь и в ходе соревнований различного уровня. В нем принимали участие спортсмены пожарно-спасательного спорта с квалификацией от кандидата в мастера спорта до мастера спорта международного класса. При выполнении соревновательного упражнения производили видеосъемку прохождения дистанции и регистрацию пространственно-временных параметров движения с последующей обработкой данных.

Выполнение упражнения «Преодоление 100-метровой полосы с препятствиями» характеризуется относительно небольшой продолжительностью при большой (и даже максимальной на отдельных отрезках) мощности и относится к группе скоростносиловых видов пожарно-спасательного спорта. Высокие спортивные достижения в данном случае определяются скоростно-силовыми способностями. Вместе с тем значительную роль играет техника преодоления препятствий и выработка особого ритма бега по дистанции.

Результаты исследования

В таблице представлены результаты сильнейших спортсменов-спасателей Республики Беларусь по итогам чемпионата мира 2010 г. Время преодоления стометровой полосы с препятствиями варьировалось в пределах 15,02–15,90 с со средним значением 15,61 с.

Техника выполнения упражнения «Преодоление 100-метровой полосы с препятствиями» определяется способом преодоления двух препятствий (забора и бума), выполнения ряда соединений (соединение пожарных рукавов между собой, подсоединение пожарного рукава к разветвлению и присоединение пожарного ствола к пожарному рукаву) и эффективностью бега по дистанции. Каждый элемент упражнения выполняется в определенном темпе и ритме.

Дистанцию спортсмен преодолевает за 60–64 беговых шага, включая 14–15 шагов от старта до забора (1-й отрезок), 4–4,5 шага от забора до подхвата пожарных рукавов (2-й отрезок), 27–29 беговых шага от подхвата пожарных рукавов до соединения разветвления (3-й отрезок) и 15–16 шагов на финише (4-й отрезок).

На первом отрезке дистанции 0–23 м необходимо набрать максимально возможную скорость на ограниченном участке и преодолеть двухметровый забор. Скорость выполнения упражнения составляет (6,7±0,07) м/с (около 94% от максимального значения) и достигается уже через 12–15 м после старта.

Кинематические параметры бега при выполнении упражнения «Преодоление 100-метровой полосы с препятствиями»

Длина отрезка дистанции, м	Параметры	Инициалы спортсмена							Среднее значение со среднеквадратичным отклонением, X ± σ
		Т.А.	С.В.	С.С.	Е.Б.	К.А.	Ш.М.	М.А.
0–23	t, с	3,42	3,40	3,40	3,42	3,46	3,48	3,46	3,43±0,03
	v, м/с	6,73	6,77	6,77	6,73	6,65	6,61	6,65	6,7±0,07
	n, ш	15	14	14	15	15	14	14	14,42±0,53
	l, м	1,54	1,65	1,65	1,54	1,54	1,65	1,65	1,6±0,06
	r, ш/с	4,39	4,12	4,12	4,39	4,34	4,03	4,05	4,21±0,16
24–28	t, с	1,75	1,63	1,63	1,64	1,76	1,78	1,66	1,69±0,07
	v, м/с	2,86	3,07	3,07	3,05	2,84	2,81	3,02	2,96±0,12
	n, ш	4,5	4,0	4,0	4,5	4,0	4,5	4,5	4,29±0,27
	l, м	1,12	1,25	1,25	1,12	1,25	1,12	1,12	1,18±0,07
	r, ш/с	2,58	2,46	2,46	2,75	2,28	2,53	2,71	2,54±0,16
29–75	t, с	7,08	7,06	7,11	7,02	7,12	7,02	7,12	7,08±0,04
	v, м/с	6,64	6,66	6,61	6,70	6,60	6,70	6,60	6,64±0,04
	n, ш	29	28	28	27	28	28	27	27,86±0,69
	l, м	1,62	1,68	1,68	1,74	1,68	1,68	1,74	1,69±0,04
	r, ш/с	4,10	3,97	3,94	3,85	3,94	3,99	3,80	3,94±0,1
76–100	t, с	3,50	3,52	3,48	3,50	3,54	3,58	3,54	3,52±0,03
	v, м/с	7,15	7,11	7,19	7,15	7,07	6,96	7,07	7,10±0,08
	n, ш	15,0	15,5	15,5	15,8	15,2	15,0	15,2	15,31±0,3
	l, м	1,67	1,62	1,62	1,59	1,65	1,67	1,65	1,63±0,04
	r, ш/с	4,29	4,41	4,46	4,52	4,30	4,19	4,30	4,35±0,11
0–100	t, с	15,75	15,61	15,62	15,58	15,88	15,86	15,78	15,73±0,12
	v, м/с	6,35	6,41	6,41	6,42	6,30	6,31	6,34	6,36±0,05
	n, ш	63,5	61,5	61,5	62,3	62,2	61,5	60,7	61,89±0,89
	l, м	1,58	1,63	1,63	1,61	1,61	1,63	1,65	1,62±0,02
	r, ш/с	4,04	3,94	3,94	4,00	3,92	3,88	3,85	3,94±0,07

Примечание: t – время бега на отрезках, с; v – скорость бега на отрезках, м/с; n – количество беговых шагов на отрезках; l – длина беговых шагов на отрезках, м; r – частота беговых шагов на отрезках, ш/с.

За 8 м до забора скорость несколько снижается вследствие подготовки к его преодолению. Шаги укорачиваются, корпус незначительно отклоняется назад. Происходит естественное торможение перед препятствием. Угол отклонения корпуса от вертикали составляет (79±3)° (рис. 1, а ). Частота шагов приближена к максимальной интенсивности (96–97%) и составляет 4–4,5 ш/с. Наилучшие результаты показывают

а                       б                        в

Рис. 1. Подготовка спортсмена к преодолению забора спортсмены, способные максимально приблизить скорость движения на этом отрезке к скорости, достигнутой за предыдущие 17 м. Сокращение длительности фазы амортизации достигается за счет предварительного напряжения и жесткости мышц, а также сохранения минимальных углов отклонения туловища от горизонтальной оси (86±2)° и сгибания ноги в коленном суставе (140±3)° (рис. 1, б). В то же время преодоление забора на очень высокой скорости сказывается на технической стороне выполнения упражнения. Избежать этого можно при минимальном отклонении туловища от вертикали (не более 20–25°) и мягкой постановке опорной ноги на забор со сгибом в коленном суставе на угол (117±3)° (рис. 1, в).

Важнейшим фактором эффективности техники бега на стометровой полосе с препятствиями является момент опоры, при котором потери скорости должны быть минимальны. Длительность контакта ноги с опорой в фазе амортизации также должна быть минимальной. Сокращение амортизационной фазы при несущественной потере горизонтальной скорости может быть достигнуто приближением плюсневой части стопы к проекции центра масс тела. Расстояние между точкой постановки стопы и линией проекции общего центра масс не должно превышать 0,35 м (см. рис. 1, б ).

Угол отталкивания определяется характером действий в период прохождения проекции вертикали и скоростью движения маховой ноги. В фазе амортизации и отталкивания мышцы действуют последовательно в уступающем и преодолевающем режиме, трансформируя потенциальную энергию спортсмена в кинетическую энергию.

На следующем отрезке дистанции 23–28 м (преодоление забора) скорость составляет около 44% от максимальной. В момент непосредственной атаки тело спортсмена активно подтягивается двумя руками к забору, маховая нога ложится на забор под углом (45±3)° с отклонением туловища в противоположную сторону от точки опоры, под углом (40±5)° относительно горизонтали забора (рис. 2, а , б ), что предотвращает излишнее вертикальное перемещение над забором и тем самым потерю скорости движения. При преодолении забора значительная нагрузка приходится на руки, которые подтягивают туловище к препятствию и удерживают его в таком положении (см. рис. 2, б ). После перемещения за забор туловище остается практически в горизонтальном положении, а плечи перемещаются вперед относительно проекции центра масс. Проекция плечевых суставов находится на расстоянии 0,75–0,80 м за проекцией забора (рис. 2, в ). В этот момент выполняется активное отталкивание от забора толчковой ногой и опорной рукой.

Движение маховой ноги также свидетельствует о высокой эффективности техники бега и скорости преодоления препятствия. Сегменты маховой ноги (бедро, голень и стопа) создают инерцию движения вперед–вверх. Об эффективности и взрывном характере отталкивания свидетельствуют следующие параметры: угол подъема бедра (57±3)°, угол сгибания маховой ноги (150±3)°, угол наклона корпуса (58±2)° (рис. 2, г ). Скорость спортсмена на данном участке составляет около 42% от максимальной и колеблется в диапазоне 2,8–3,1 м/с.

а                б                   в                г                 д

Рис. 2. Преодоление забора и приземление спортсмена на беговую дорожку

а               б             в             г             д             е

Рис. 3. Подхват пожарных рукавов

В момент приземления угол наклона туловища находится в пределах (52±2)° (рис. 2, д ). Общий центр масс тела расположен на расстоянии 0,15–0,20 м до точки опоры. Значительная нагрузка во время приземления приходится на опорную ногу. При постановке ноги на опору в момент приземления угол в коленном суставе в амортизирующей фазе равен (170±2)°, угол сгибания маховой ноги в коленном суставе (74±3)° (см. рис. 2, д ). Угол между голенью опорной ноги и беговой дорожкой составляет (95±2)°, что снижает тормозящий эффект и отрицательное воздействие нагрузки при постановке ноги на опору (см. рис. 2, д ).

На отрезке 28–75 м (подхват рукавов, бег по буму, соединение рукавов между собой и подсоединение рукава к разветвлению) отмечается повышение скорости бега до 93–94% от максимальной (6,6–6,7 м/с). Средняя длина бегового шага постепенно растет, достигая значения 1,6–1,7 м. Полученную после приземления и отхода от забора кинетическую энергию спортсмены используют для начала движения по беговой дорожке. Важной задачей в данный момент является быстрый подхват пожарных рукавов без потери скорости бега. Спортсмен выполняет 2,5–3 беговых шага от момента касания беговой дорожки до подхвата пожарных рукавов. Угол наклона туловища составляет (10±2)° относительно горизонтальной оси тазобедренных суставов (рис. 3, а ). Основная нагрузка в момент подхвата рукавов приходится на опорную ногу. Угол в коленном суставе составляет около 120° (рис. 3, в ). После подхвата пожарных рукавов активно выносится бедро маховой ноги и происходит ее сгибание в коленном суставе до угла (80±3)° (рис. 3, г ). Угол сгибания локтевых суставов составляет (80±3)° (рис. 3, е ).

До преодоления очередного препятствия спортсмен делает 5–5,5 беговых шага. Скорость движения постепенно нарастает и к моменту захода на бум достигает максимума для данного отрезка дистанции. На последнем шаге перед бумом корпус выпрямляется, руки в локтевых суставах сгибаются до угла (55±3)°, угол в коленном суставе опорной ноги в фазе амортизации (160±5)° (рис. 4, а ). При следующем шаге угол в коленном суставе маховой ноги составляет (115±3)° (рис. 4, в ). В момент первого касания бума вновь происходит наклон туловища до (58±2)° относительно линии горизонта, проходящей через линию тазобедренных суставов (рис. 4, г ). Как и при преодолении забора, надлежащий выбор положения туловища позволяет избежать излишнего вертикального перемещения над бумом (см. рис. 4, в , г , д ). Значимым моментом выполнения первого шага по буму является низкая посадка на опорной ноге (угол в коленном суставе (100±5)°) и наклон туловища (43±2)°) (см. рис. 4, д ), что способствует плавному вбеганию. При заходе на бум опорная нога ставится ближе к началу бревна, что способствует сохранению набранной скорости, проекция плечевых суставов находится за проекцией оси опорной ноги (см. рис. 4, д ).

Бег по буму отличается от бега по беговой дорожке большим наклоном туловища (55±5)° (рис. 5, а , б , в ) и большей частотой шагов – до 3,5–4 ш/с. Перед сходом с бума углы в коленных суставах опорной и маховой ноги достигают минимальных значений (115±5)° (рис. 5, г ) и (48±3)° (рис. 5, д ) соответственно. Увеличенная частота шагов позволяет спортсмену преодолеть бум за 5 беговых шагов без существенной потери бега (6,2–6,6 м/с).

Отличительной особенностью схода с бума является низкое подседание на опорной ноге на последнем шаге, наклон туловища до 48–50° (рис. 6, а ), широкий «выпад» на сходню с углом между бедрами в (112±2)° и поднятием колена маховой ноги до угла (20±2)° относительно оси тазобедренных суставов (рис. 6, б ).

а            б                 в                     г                   д

Рис. 4. Забегание на бум

а             б               в                  г                    д

Рис. 5. Бег по буму

а                б               в               г                 д

Рис. 6. Сход на беговую дорожку

а                     б                     в                    г

д                е                ж               з

Рис. 7. Присоединение пожарного рукава к разветвлению

Для максимального использования скорости, набранной при движении по буму, необходимо обеспечить мощное отталкивание от сходни, подъем бедра маховой ноги до угла (30±5)° относительно плоскости тазобедренных суставов и сгибание ноги в коленном суставе до угла (92±3)° (рис. 6, г ).

Подготовка к выполнению упражнения у разветвления отличается постепенным снижением центра масс за счет сгибания ног в коленном и тазобедренном суставах и наклоном корпуса вперед (рис. 7, а ). Для выполнения соединения пожарного рукава с разветвлением за 4–5 беговых шагов до разветвления спортсмен поднимает правую руку с полугайкой пожарного рукава до угла (25±5)° относительно горизонта оси плечевых суставов и направляет руку по прямой к соединительной головке разветвления (см. рис. 7, а ). Происходит постепенное укорочение 23–27-го беговых шагов до минимума 0,50–0,60 м (рис. 7, б ) и увеличение длины 28–29-го беговых шагов перед разветвлением до 0,9–1 м (рис. 7, г ). Во время выполнения 29-го бегового шага угол в коленном суставе опорной ноги составляет (73±3)° (рис. 7, в ). В дальнейшем происходит опускание общего центра масс тела за счет сгибания опорной ноги в коленном суставе до (67±3)° и увеличение наклона туловища до (32±2)° (см. рис. 7, г ).

Рис. 8. Присоединение пожарного ствола к пожарному рукаву и финиширование

Рис. 9. Усилие в ахилловом сухожилии при выполнении соревновательного упражнения «Преодоление 100-метровой полосы с препятствиями»

За 2–3 беговых шага до разветвления и в момент соединения с ним центр масс тела движется параллельно беговой дорожке. Это позволяет плавно подойти к разветвлению и обеспечить точность соединения (рис. 7, д , е , ж , з ). В момент встречи правой руки с разветвлением центр масс тела переходит с опоры на две ноги на впереди стоящую ногу (см. рис. 7, е ).

На финишном отрезке (75–100 м) спортсмены показывают максимальную скорость бега и высокую частоту беговых шагов. Эти показатели составляют 6,96–7,15 м/с и 4,0–4,5 ш/с соответственно (рис. 8). Обращает на себя внимание способность спортсменов высокого класса наращивать скорость в момент присоединения пожарного ствола к рукаву, не опуская взгляд на место соединения полугаек.

При выполнении упражнения в части разветвления, во время преодоления забора и бума существенную нагрузку испытывают не только скелетные мышцы, но и сухожилия, в особенности ахиллово сухожилие. Это обусловлено изменением скорости и направления движения, а также угла между плоскостью стопы и поверхностью опоры.

При изменении состояния скелетных мышц (растяжении и сокращении) механическое напряжение передается от саркомера к сухожилию. Напряжение в сухожилии колеблется от 20–25% при сокращении скелетной мышцы до 90–95% при ее максимальном растяжении. Низкая, в сравнении со скелетной мышцей, эластичность сухожилия ограничивает величину усилия пороговым значением около 5000 Н.

По данным исследований авторов, такое усилие достигается при сходе с бума и преодолении забора в момент постановки ноги во время приземления за препятствием, когда критический угол между стопой и плоскостью опоры составляет (30±2,3)° (рис. 9). В условиях мышечного утомления, равно как и в условиях утомления сухожилий, снижается эластичность тканей и, как следствие, повышается вероятность получения травмы. Поэтому количественные критерии выполнения упражнений в зависимости от их интенсивности являются основой планирования как микро-, так и мезоциклов.

Выводы

Представленные данные позволяют охарактеризовать структуру бега на соревновательной дистанции пожарно-спасательного спорта «Преодоление 100-метровой полосы с препятствиями» в условиях соревновательной деятельности следующим образом:

• 1.    Особенностью дистанции является чередование отрезков с различной частотой бегового шага, скоростью и ритма бега, когда разгон сменяется торможением. Соревновательный результат зависит от скорости бега на данных отрезках, техники преодоления препятствий и затрат времени на подготовку и преодоление этих препятствий.

• 2.    На участке дистанции 0–23 м достигается около 94% максимальной скорости (6,7±0,07) м/с. У сильнейших спортсменов стартовый разбег и достижение максимальной скорости отмечается через 12–15 м.

• 3.    На участке дистанции 23–28 м скорость минимальна относительно остальных отрезков дистанции и составляет (2,96±0,12) м/с.

• 4.    На участке дистанции 28–75 м отмечается дальнейшее увеличение скорости бега. На фоне увеличения скорости, (6,64±0,04) м/с, повышается длина, (1,69±0,04) м, и частота беговых шагов, (3,94±0,01) ш/с. Скорость соединения разветвления увеличивается за счет уменьшения угла сгибания в коленном суставе опорной ноги на 28–29-м беговых шагах, что позволяет быстрее пройти финишный отрезок, однако вероятность соединения пожарного рукава с разветвлением значительно уменьшается.

• 5.    На финишном участке дистанции 75–100 м на фоне увеличения частоты шагов, (4,35±0,11) ш/с, и незначительного уменьшения длины шага, (1,63±0,04) м, спортсмены-спасатели достигают максимальной скорости, (7,1±0,08) м/с.

• 6.    При сходе с бума и преодолении забора в момент постановки ноги во время приземления за препятствием, когда критический угол между стопой и плоскостью опоры составляет (30±2,3)°, в ахилловом сухожилии возникает усилие, близкое к пороговому.

Представляется, что информация такого рода о кинематических и силовых параметрах, полученная тренерами и спортсменами по итогам соревнований, позволяет определить оптимальный режим тренировок, снизить травматизм и психоэмоциональные нагрузки.