Технический анализ процесса педалирования

Техника педалирования. Термин «техника педалиро­вания», принятый в велосипедном спорте, представляет собой весьма емкое понятие и включает уровень исполне­ния основного функционального движения гонщика — педалирования, а также сопутствующих ему других дви­жений — таких, как прием «танцовщица», приемы преодо­ления препятствий, прохождения виражей, сложных участков трассы и других движений, обеспечивающих высокий уровень эффективности использования энергети­ческого потенциала гонщика. Важнейшим из всех пере­численных движений, бесспорно, является педалирование, обеспечивающее скоростной режим ведения гонки.

Техника педалирования велогонщика различными спе­циалистами оценивается по-разному. Существует много методов контроля и измерений, форм трактовки получен* ных результатов, а также рекомендаций по их практиче­скому использованию. В любом случае перед специали- стами-тренерами, исследователями и преподавателями ста­вится задача овладения достаточно надежной и научно обоснованной методикой оценки качества педалирования велогонщика, на основании которой можно увязать много­образные факторы, влияющие на этот весьма сложный циклический процесс.

Циклический характер основного функционального движения велогонщика — педалирования — является определяющим фактором при рассмотрении проблемы техники педалирования.

Многочасовые велогонки, особенно многодневные, тре­буют от спортсмена осмысленной экономии энергии, нахо­дящей свое выражение в рациональной технике педали­рования. Экономичное педалирование — залог успеха гон­щика при прочих равных условиях. В моменты макси­мальной усталости организма оно позволяет при незна­чительных усилиях поддерживать высокую скорость дви­жения, а на решающих этапах гонки — выполнять работу с наивысшей отдачей. Еще более повышенные требования к качеству педалирования предъявляются в индивидуаль­ных, командных и гитовых гонках на треке, в которых быстрая утомляемость организма гонщика сильно ска­зывается на характере педалирования в заключительной фазе гонки и, как следствие этого, снижает КПД системы гонщик—велосипед.

Таким образом, объективная оценка качества педали­рования велосипедиста является решающей задачей в ана­лизе этого процесса.

Основным фактором, обеспечивающим движение вело­сипеда, является крутящий момент, создаваемый от уси­лия, приложенного велосипедистом к педали. ,В дальней­шем этот момент принят в качестве основного показателя, характеризующего количественную и качественную взаи­мосвязь «биологического» двигателя (организма велосипе­диста, совершающего работу) и велосипеда как механиче­ской системы, потребляющей эту работу с определенной эффективностью, в основе которой лежит качество педа­лирования.

На качество педалирования при общепринятой кон­струкции гоночного велосипеда может оказывать влияние целый ряд факторов: посадка велосипедиста, степень его тренированности, физиологические, эмоциональные ха­рактеристики и т. д. При этом необходимо отметить, что далеко не все перечисленные факторы могут быть учтены в полном объеме.

Для анализа комплексного влияния перечисленных факторов на качество педалирования может быть исполь­зован хорошо известный тензометр и чески й метод, различ­ные варианты и результаты использования которого не­однократно описывались в литературе. Такой метод позво­ляет регистрировать крутящие моменты на обоих криво­шипах велосипеда и углы их поворота, а также воспроиз­водить фазовую картину изменения крутящего момента на велосипеде, установленном на обычном велостанке. Для оценки педалирования предусмотрена индукционная установка, смонтированная на оси заднего ролика вело­станка. Установка позволяет плавно менять и контроли­ровать момент сопротивления, создаваемый в процессе исследования.

Для иллюстрации эффективности данного метода проанализируем качество педалирования двух спортсменов: гонщика низкой квалифи­кации на обычном велостаике (рис. 7.4, а); этого же гонщика на вело­станке, нагруженном моментом сопротивления (рис. 7.4, 6); гонщика высокой квалификации на обычном велостанке (рис. 7.4, в).

Особенностью представленных графиков является преднамеренное отсутствие масштаба исследуемых функций, так как в процессе экспе­римента перед гонщиками ставилась только одна задача — продемон­стрировать характерное для них качество педалирования.

Как видно из графиков, характер педалирования в рассматриваемых трех случаях различен. У гонщика низкой квалификации при форси-

а)

Рис. 7.4. Функции, определяющие качество педалирования: а, б — Гонщик низкой квалификации; в — гонщик высокой квалификации: j — крутящий момент Mi, создаваемый на левом кривошипе; 2 — крутящий момент М2, создаваемый на правом кривошипе,* 3 — результирующий крутя­щий момент М 4 — крутящий момент относительно среднеинтегрального его значения; 5 — производная функции движущего момента; а — угол поворота кривошипа; t — время

ровании нагрузки наблюдается отрицательный крутящий момент на левом кривошипе (см. рис. 7.4, б), область которого заштрихована. При увеличении частоты вращения путем снятия нагрузки и переходе на более легкий режим педалирования область отрицательного момента котя и сужается (см. рис. 7.4, с), но остается по-прежнему в каждом цикле педалирования. Кривые результирующего крутящего момента характеризуются существенным перепадом экстремальных значений Мтах и Мтт. Наилучшие показатели крутящего момента наблюдаются у гонщика более высокой квалификации (см. рис. 7.4, в).

Полученные экспериментальные данные позволяют вы­явить два критерия (Кг и К2) оценки качества педалиро­вания, отвечающие требованиям, предъявляемым ко вся­ким критериям (они должны быть безразмерными, эффек­тивными, универсальными и иметь физический смысл):

Т; (7.1)

j f (М) dt

о

is I (^^/^Отах (dM/dt) mln I r7

— Гм — m ". і • — z)

I lv‘ max m min I

Рассматриваемые критерии имеют следующий физиче­ский смысл: —неравномерность крутящего момента,

определяемого относительно его среднеинтегрального зна­чения; Кг—относительная скорость изменения отклоне­ния суммарного крутящего момента за цикл педалирова­ния Т.

Обработка полученных результатов содержит ряд по­следовательных математических операций, связанных с разложением в ряд Фурье функции крутящего момента, выделением функций его отклонения, вычислением ее про­изводной, определением экстремумов, расчетом численных значений критериев качества педалирования и табулиро­вания полученных функций.

Результаты расчета для рассмотренного выше примера представ­лены в табл. 7.4. Анализируя результаты, можно констатировать, что критерии Ki и К2 чувствительны к изменению условий педалирования. Это хорошо видно на примере критерия К і — Критерий Кг также до­статочно чувствителен. При этом надо иметь в виду, что на его численное значение большое влияние оказывает период цикла педалирования, определяющий скорость изменения функции отклонения крутящего мо­мента. Значение критерия для рассматриваемого третьего случая

Т а б л и ц а 7.4. Сравнение критериев качества педалирования Анализируемый спортсмен Критерий Период Т, с Ki Кг Гонщик низкой квалификации на велостанке (см. рис. 7.4, а) Гоищик низкой квалификации при возросшей нагрузке (см. рис. 7.4, б) Гонщик высокой квалификации (см. рис. 7.4, в) 0,687 1,016 0,249 1,263 1,394 0,907 0,640 0,869 0,589

существенно снизилось бы, а для второго случая повысилось при ус­ловии равенства периодов педалирования.

Описанный метод оценки качества педалирования до­статочно трудоемок в практическом применении и требует сложного технического оснащения. Метод становится эф­фективным при возможности реализации оперативного контроля качества педалирования и оперативной обрат­ной связи с гонщиком во время испытательного заезда.

На практике характеристика крутящего момента (ХКМ), оцениваемая рассмотренными критериями каче­ства педалирования, является важным инструментом пе­дагогической работы в учебно-тренировочном процессе. Этой характеристикой удобно оперировать как при ко­личественных оценках, так и при текстуальном описании качества педалирования того или иного гонщика.

Механический аспект процесса педалирования. Про­цесс педалирования характеризуется тремя основными параметрами: частотой, шагом и характеристикой крутя­щего момента (ХКМ), создаваемого на оси каретки вело­сипеда. Идеальным следует считать такого гонщика, ко­торый способен обеспечить ХКМ типа турбинной харак­теристики при частоте педалирования в диапазоне, тре­буемом условиями гонки.

Однако практика показала, что характеристика крутя­щего момента существенно отличается от турбинной, а ча­стота педалирования не может увеличиваться беспре­дельно. Особенно это относится к темповым гонкам, в ко­торых фактор продолжительного времени гонки оказывает определяющее влияние на частоту педалирования.

Механизмом, избирательно регулирующим скоростно­силовые параметры педалирования, является цепная пе­редача гоночного велосипеда. Особенности его техниче­ского оснащения позволяют варьировать передаточное отношение привода и тем самым дают возможность подойти весьма тонко и дифференцированно как к формированию двигательного стереотипа, в первую очередь, по частоте, так и к его поддержанию. На трековом велосипеде пара­метры передачи устанавливаются гонщиком непосред­ственно перед гонкой с учетом вида гонки, характеристики велотрека, состава участников, тактических задач и лич­ного самочувствия. На шоссейном велосипеде вопросы выбора параметров цепной передачи решаются значи­тельно проще с помощью переключателя скоростей. В обоих случаях решение о скоростно-силовой нагрузке

лри ведении гонки принимает сам гонщик. Его опыт и квалификация (точнее, потенциал мощности) являются определяющими в выборе передаточного отношения цеп­ной передачи.

Гонщиков и тренеров многих поколений волновал и продолжает волновать вопрос о таком соотношении ука­занных выше основных параметров процесса педалирова­ния (частоты, шага педалирования и ХКМ), которое позволило бы достичь наивысшего качества педалирова­ния и более высокой скорости движения. Вопрос этот является достаточно сложным потому, что биологический двигатель — организм гонщика — не имеет стабильной энергетической характеристики, а двигательный аппарат (система кривошип—педаль—стопа—голень—бедро) имеет большое число степеней свободы. Следовательно, суще­ствует еще один неявный параметр педалирования, увя­зывающий три перечисленных выше фактора, — мощность педалирования.

Этот параметр является функцией многих переменных, в том числе общей тренированности гонщика, его физиоло­гического состояния, технической оснащенности и Т. Д. /Мощность педалирования Р характеризует потенциальные возможности организма и является основным показателем скоростно-силовой подготовки гонщика:

а

р = MKV(a)d<x, (7.3)

о

где Мкр (а) — функция крутящего момента; са — круго­вая частота педалирования; а — угол поворота криво­шипа.

Шаг и частота педалирования являются параметрами, неразрывно связанными с биологическими и антропоме­трическими особенностями человека. Опыт более столет­него существования мирового велосипедного спорта вы­работал, можно с уверенностью утверждать, оптимальные. или близкие к оптимальным шаг и частоту педалирования. Эти параметры зависят от размеров ног гонщика и соот­ветствуют наилучшим условиям напряжения и расслабле­ния мышц в рамках цикла функционального движения.

В качестве шага педалирования в дальнейшем будем рассматривать четырехкратную длину кривошипа, соот­ветствующую расстоянию между двумя крайними (напри­мер, задним и передним) положениями одной педали.

В качестве частоты педалирования — число оборотов кри* вошипа в минуту. Задача выбора длины кривошипа и ча­стоты педалирования является компромиссной задачей. Ее решение сводится к отысканию рационального соот­ношения этих параметров по критерию минимизации за­трачиваемой мощности при длительном педалировании или максимизации мощности при кратковременном педа­лировании.

Вопросы минимизации затрачиваемой мощности в каж­дом виде велосипедных гонок надо рассматривать с учетом специфики каждой гонки.

Например, в гите на 1 км, который разыгрывается в один заезд, вопрос экономного расходования энергии может рассматриваться только в рамках тактики этого единственного заезда с позиции требований под­держания заданной скорости на протяжении всей дистанции.

В спринте с учетом многократных стартов экономное расходование энергии приобретает важное стратегическое значение для финальных заездов. В этих гонках в каждом заезде первостепенную роль играет фактор достижения максимально возможной мощности, что необходимо для победы. Фактор непрерывной экономии энергии отступает на вто­рой план и рассматривается только с позиции стратегии спортивной борьбы в предстоящих заездах.

Иная картина наблюдается в индивидуальной гонке преследова­ния, например на дистанции 4 км и особенно в рекордных заездах на стайерских дистанциях 10 , 20 , 50, 100 км, и в часовой гонке. Здесь непрерывная экономия энергии становится главной задачей гонщика при неизменных требованиях поддержания заданной графиком ско­рости движения, т. е. ставится задача достижения рекордной скорости при минимальной мощности педалирования.

Частота педалирования является показателем скорост­ных возможностей гонщика. Это относится в первую оче­редь к таким видам гонок, как спринт или финишные спурты шоссейных гонок. В темповых гонках, начиная с гита на 1 км, гонки преследования на 4 км и кончая часовой гонкой, частота педалирования стабилизируется с увеличением дистанции и становится важным фактором, иллюстрирующим постоянство биологических способно­стей организма человека.

Анализ развития мировых рекордов в классической часовой гонке на треке является наилучшим подтвержде­нием относительной стабильности частот педалирования у ведущих гонщиков мира на протяжении по крайней мере тридцати лет. В табл. 7.5 приведены некоторые дан­ные по передачам и частотам педалирования при уста­новлении мировых рекордов в часовой гонке среди про­фессионалов. Из таблицы видно, что на протяжении 30 лет частота педалирования практически оставалась неизмен-

Таблица 7.5. Выборочные данные по мировым рекордам в часовой гонке на треке среди профессионалов Гонщик Год уста­новления рекорда Рекордное расстояние. км Переда­ ча Укладка, м Частота педали рова — ния. об/ми и Ф. Колпи 1942 45,848 52 X 15 7,40 103,26 . Ж. Анкетиль 1956 46,159 52 X 15 7,40 103,96 : Э. Балдина 1956 46,396 52 X 15 7,40 104,48 Р. Ривьер 1957 46,923 52 X 15 7,40 105,68 Р. Ривьер 1958 47,346 53 X 15 7,54 104,65 Ф. Бракке 1967 48,093 53 X 15 7,54 106,20 О. Риттер 1968 48,653 . 54 X 15 7,69 105,44 Э. Меркс 1972 49,431 52 X 14 7,93 103,89 Примечание. Передача указана для ров колес гоночного велосипеда; 0,68 м (27"). ста нда рт ных разме-

ной в диапазоне 103,26—106,30 об/мин. Можно предпо­ложить, что при установлении этих рекордов размеры кривошипов также оставались в пределах от 0,171 м (6,75") до 0,184 м (7,25"). Изменилась в сторону постоянного уве­личения только мощность педалирования. При этом тех­ническая оснащенность и техника педалирования несом­ненно повысили КПД системы гонщик—велосипед.

Рассмотренные положения могут быть проиллюстри­рованы с помощью рис. 7.5, построенного на основании данных табл. 7.6. В этой таблице представлен анализ отдельных рекордов мира на классических дистанциях трековых гонок среди любителей. Факт достижения в каж­дой гонке максимальных мощностей является неоспоримой истиной, так как эти данные соответствуют уровню разви­тия велоспорта на рассматриваемый момент и, следова­тельно, предельным мощностным возможностям сильней­ших велосипедистов мирового любительского спорта.

Интересно проследить изменение мощностей и частот педалирования по мере увеличения длительности езды при условии стремления гонщика к достижению максималь­ного спортивного результата. Кривая 1 — изменение ча­стот f педалирования во времени при прохождении ди­станций 500 м, 1, 4, 5, 10 и 20 км со стартом с места и в часовой гонке; кривая 2 — дистанций 200 м с хода; прямая 3 — асимптота, иллюстрирующая процесс стаби­

лизации частоты при переходе к длительному педалирова­нию (/“дл > 12 мин) на уровне рекордных скоростей; кри­вая 4 — изменение мощности Р, расходуемой на обеспе­чение движения без учета КПД системы гонщик—вело­сипед при рекордных скоростях движения; прямая 5 — асимптота, иллюстрирующая процесс стабилизации мощ­ности при переходе к длительному педалированию (ідл £>

/,об/мин(

2901 |

I | 50

„ оА I I ‘ Р, Вт 2901 і 1600 1200 800 #00

t..>l2 мин

Рис. 7.5. Изменение рациональной частоты и мощности педалирования в зависимости от длины дистанции при условии достижения спортив­ного результата на уровне рекор­дов мира в гонках иа треке (для шкалы lg t значение t выражено

в секундах)

>> 12 мин) также при уровне рекордных скоростей; кри­вая 6 — изменение мощности педалирования во времени в условиях достижения рекордного результата.

Мгновенная максимальная мощность приближается к значению Рщах « 2000 Вт, ей соответствует частота педалирования /тах л* 205 об/мин. При длительном педа­лировании обеспечивать большую мощность гонщик не в состоянии, и ее асимптотическое значение (прямая 7) достигает значения Рдл « 290 Вт при частоте педалиро­вания /дл ^ 100 об/мин. Здесь следует еще раз подчерк­нуть, что эти результаты являются среднестатистическими и что у каждого гонщика — рекордсмена мира (прошлого

Таблица 7.6. Сравиительные данные анализа некоторых рекордов мира в трековых гонках среди любителей (по даниым на 01.01.1983)

или будущего) — свои характеристики педалирования и потенциальные возможности по параметрам мощности и частоты.

Важным фактором организации тренировочного про­цесса является постоянная работа над развитием скорост­ных возможностей гонщика. Эта работа обычно начи­нается ранней весной при использовании малых передач и продолжается в течение всего года. Хорошо отработан­ное педалирование и высокий скоростной потенциал гон­щика — залог экономного и эффективного расхода энер­гии на затяжных и крутых подъемах, а также при отры­вах и финишных спуртах.

Рассматриваемые параметры педалирования — частота и шаг — имеют свои аналоги и в других видах функцио­нальных движений, например при ходьбе. Анализ ходьбы показал [1], что работа А на единицу пути, мощность Р,

развиваемая при ходьбе, и оптимальная длина шага LonT

могут быть подсчитаны по формулам:

Л = ^+ 4^(Frf; (7.4)

^ОПТ =

2gmy/’n(Fr); (7.5)

р = ту + 4^-ги3; <7-6)

^опт — ]/^lih/g, (7.7)

где т — масса человека; g — ускорение свободного паде­ния; L — длина шага; h — координата положения центра масс по вертикали; = тн/те — отношение массы ноги к массе корпуса; Fr = v/Ygh—число Фруда; v — ско­рость передвижения.

Первые члены правых частей уравнений (7.4) и (7.6) определяют работу и мощность, затрачиваемые на под­держание тела, вторые члены — на перенос ноги. Числен­ные решения уравнений показали, что при v = 1,25 м/с (4,5 км/ч), /і=1 ми ц. = 0,2 оптимальная длина шага при ходьбе составляет LonT = 0,7 м при частоте шага /опт = 105,3 шаг/мин. При этом мощность будет Рш1п = = 150 Вт. Важно отметить, что оптимальный шаг при ходьбе приблизительно равен шагу педалирования, т. е. четырехкратной длине кривошипа. Длина кривошипа, согласно существующему стандарту, равна 0,171 м (6,75") или 0,178 м (7,0"). Таким образом, шаг педалирования составляет соответственно 0,684 или 0,712 м. При анало­гичной мощности (Р = 150 Вт) езда на велосипеде с ча­стотой педалирования f = 105 об/мин позволяет развить скорость 24 км/ч.

Нет достаточных оснований считать такое совпадение случайным. В этом совпадении есть определенная законо­мерность — стремление конструкторов велосипедов и ве­логонщиков к максимально экономичной организации функционального движения. В теории ходьбы и педали­рования на велосипеде человек шел разными путями ■а поиске оптимальных решений и пришел к общему ре­зультату — оптимальные по мощности шаг ходьбы и шаг педалирования приблизительно равны между собой при одинаковой частоте функциональных движений.

Таким образом, мощность Р педалирования может быть рассмотрена как амплитудно-частотная характеристика на основании выражения

Р = kMf, (7.8)

где М — крутящий момент на оси каретки, Н м; f — частота вращения кривошипов, об/мин; k — коэффициент пропорциональности.

Потенциальные возможности гонщика зависят от его силовой (амплитудная часть мощностной характеристики) и скоростной (частотная часть мощностной характери­стики) подготовки. Такое разделение является искус­ственным, так как мало кого может интересовать чисто силовая (статическая сила) или чисто скоростная (без- нагрузочное скоростное педалирование, например с от­ключенным цепным приводом) подготовка гонщика. Такие упражнения часто используются гонщиками на трени­ровках для развития силы и скорости движений или в ка­честве контрольных тестов общефизической подготовки.

Интерес в первую очередь представляет так называемая скоростно-силовая выносливость, определяемая развивае­мой мощностью и временем ее поддержания. Графически это иллюстрирует рис. 7.6, где условные кривые 1 и 2 построены на основании зависимости Pftt = const. В ма­лом интервале времени, примерно t1 мин, спринтер способен кратковременно развивать значительно большую мощность (РГкв >> чем стайер. В большем интер­

вале времени, примерно t^> 5 мин, спринтер, как пра­вило, проигрывает в мощности стайеру (Р™дл <С Я™дл)* Вместе с тем существует область времени гонки, примерно от t > 2 мин до t <С 3,5 мин, в которой мгновенные мощ­ности спринтера и стайера приблизительно равны (Рг « « Рг). Эти соображения часто вносят существенные раз­ногласия при комплектовании состава команд в гонках преследования на 4 км, в которых пытаются использовать спринтеров со стайерскими наклонностями.

Итак, спортивная подготовка гонщика определяется уровнем его скоростно-силовой выносливости. Это отно­сится к гонщикам любых специализаций: как к спринте­рам, обладающим кратковременной скоростно-силовой вы-

Рис, 7.6. Условные графики мощностных возможностей гонщика: 1 — спринтера; 2 — стайера

носливостью на высоком уровне мощности, так и к стайе — рам, обладающим длительной скоростно-силовой вынос­ливостью на менее высоком уровне мощности. Обеспече­ние способности поддержания высокого уровня мощности на протяжении всей гонки и на наиболее ответственных ее участках является предметом учебно-тренировочного процесса гонщика.

Как отмечалось выше, мощность является амплитудно — частотной характеристикой, и, следовательно, необходимо обеспечить такие условия работы СНКГ, когда при опти­мальной частоте педалирования для данного гонщика мышечный аппарат способен выполнить наибольшую ра­боту. Многочисленные исследования работоспособности СНКГ показали, что при разных взаимных положениях элементов СНКГ гонщик будет развивать разные усилия и обеспечивать разную частоту циклических движений. Это свидетельствует о необходимости выбора рациональ­ной посадки гонщика на велосипеде в целях обеспечения максимальной мощности педалирования за время про­хождения дистанции гонки.

Биомеханический аспект педалирования. Биомеха­ника СНКГ является доминирующим объектом анализа в общей биомеханике велосипедного спорта. К функцио­нальным биомеханическим характеристикам гонщика сле­дует отнести характеристики СНКГ (длины А2, А3 и А4 и массы элементов СНКГ, представленные на рис. 2.12), условия работы СНКГ (параметры посадки гонщика на велосипеде, определяющие взаимные положения элемен­тов СНКГ с помощью углов гр0_2, г|з2_3, фз_4 и г|)0_4 — см. рис. 2.7) и мощностные параметры СНКГ, определяемые амплитудно-частотной характеристикой мышечного аппа­рата СНКГ. Если размерные и массовые характеристики СНКГ определены природными данными каждого инди­видуума, то их взаимное расположение обусловлено па­раметрами посадки гонщика на велосипеде, которые и определяют выходную мощность и время ее поддержания на требуемом уровне.

В целом центральная нервная система человека всегда стремится осуществить свою деятельность наиболее эко­номичным путем. При этом по мере многократного повто­рения функционального движения в коре больших полу­шарий головного мозга организуются связи, которые устанавливают определенный порядок возбудитель­ных и тормозных процессов — вырабатывается автома­тический стереотипный навык, который не нарушает­ся или почти не нарушается даже в состоянии утом­ления.

Несмотря на общность принципов организации, ЦНС каждого индивидуума имеет свои, присущие только ей характерные признаки, которые проявляются, в частно­сти, и в организации функционального движения вело­гонщика — педалировании. Эти характерные признаки могут быть обнаружены только с помощью технических средств, позволяющих регистрировать биосигналы и их временные характеристики. В периоды сокращения мышц при выполнении функционального движения в их клетках возникают биотоки, которые могут быть зарегистриро­ваны с помощью специальных электродов, наложенных сверху или введенных в мышцу. Полученные сигналы регистрируются специальной аппаратурой. В мышцах, находящихся в состоянии покоя, биотоки отсутствуют. Напряжение в мышцах и интенсивность его нарастания

nil

Cslta-ifr-‘OtOtN. eOOj

« і О.

СП

рнс. 7.8. Схематическое изображение СНКГ для иллюстрации действия двух пар мышц-антаго- нистов:

/ — таз; 2 — прямая мышца бедра; 3 — бедренная кость; 4 — двуглавая мышца бедра; 5 — большая и малая берцовые кости голени; 6 — икроножная мыш­ца; 7 — плюсневые кости стопы; 8 — передняя боль­шеберцовая мышца

пропорциональны в определенных пре — делах величине биосигнала и интенсив­ности его изменения.

Подобный метод исследования по­зволяет в общих чертах проанализиро­вать активность работы отдельных мышц и их групп, а также оценить координационные характеристики, фа­зовые сдвиги и построить общую цикло­грамму работы основных мышечных групп. На рис. 7.7 представлена ком­плексная контрастная картина ЭМГ отдельных мышц рук, корпуса и ног двух спортсменов, один из которых является новичком, а другой имеет классификацию мастера спорта.

Для удобства анализа целесообразно выделить группу мышц ног, разделив их на сгибатели и разгибатели, по­строить временную циклограмму на базе условной модели ноги велогонщика, представленной схематично в виде прямолинейных стержней, оснащенных дополнительными кронштейнами и пружинами (рис. 7.8). Кронштейны ими­тируют места крепления мышц к надкостнице, а пру­жины — мышцы, работающие только в режиме периоди­ческого сжатия. При построении циклограммы ставилась задача наглядной демонстрации взаимосвязанной работы отдельных мышц-антагонистов. Такой анализ выборочно взятых мышц-антагонистов не позволяет давать количе­ственную оценку из-за сложности расчета пространствен­ной схемы рабочего органа (в данном случае ноги), явно нелинейной характеристики ЭМГ, наличия биотоков на­сыщения и отсутствия достаточного количества экспери­ментальных данных.

Если выделить в СНКГ для анализа всего четыре мышцы (двуглавую бедра 4, прямую бедра 2, икронож­ную 6 и переднюю большеберцовую 8) и построить для них качественную диаграмму биотоков в виде временной циклограммы с нормированной амплитудой, равной еди-
нице, то создается четкая картина преимущества работы сравниваемых мышц квалифицированного велогонщика (мастера спорта) по сравнению с новичком. Разумеется, здесь не делается попытки сравнить в количественном отношении работу, например, искроножной и передней

си, ос. Рис. 7.9. Циклограмма работы четырех специально выбранных мышц иоги на основании данных ЭМГ (см. рис. 7.7) применительно к условной структурной схеме (см. рис. 7.8): а — у новичка; 6 — у мастера спорта 1, 2 — характеристики активности двуглавой и прямой мыша бедра; <? — их результирующая характеристика; 4,5 — характеристики икроножной в пе­редней большеберцовой мышц; 6 — их результирующая характеристика (а — угол поворота кривошипа, соответствующий работе мыши в противофазах)

большеберцовой мышц. Обнаруженное преимущество осо­бенно наглядно видно при анализе рис. 7.9, построенного на основе ЭМГ (см. рис. 7.7). Представленные графики приближенно характеризуют условную среднеинтеграль­ную работу. Они, как указывалось выше, не могут дать количественной информации, так как сравниваются только парные мышцы-антагонисты, работа которых в отдельные моменты времени происходит в противофазах |3

|4- В условных сравниваемых единицах работа новичка равна 132, работа мастера спорта — 102. Как видно, для „поддержания одной и той же скорости движения, согласно ЭМГ, процесс педалирования мастера спорта более эко­номичен.

Это позволяет сделать важный вывод: помимо увеличе­ния силы, выносливости и скорости сокращения мышц тренировка позволяет достичь синхронности и необходи­мой последовательности включения и выключения мышц в работу по выполнению функционального движения. Хорошо тренированный организм весьма четко реализует обратную связь управления физиологическими процес­сами, обеспечивая в автоматическом режиме максималь­ную экономию мышечной энергии. Достижение гармони­ческого временного сочетания работы мышц — важнейшая задача тренировочного процесса. Утомленный организм, в том числе и перетренированный, утрачивает должный автоматизированный (или стереотипный, как принято на­зывать в физиологии) контроль за мышечной деятель­ностью, что неизбежно приводит к снижению качества ранее отработанного функционального движения. Это на­рушение проявляется, во-первых, в изменении временных параметров циклограммы работы мышечного аппарата и сдвиге по фазе включений (выключений) мышц в работу. Во-вторых, снижаются показатели скорости сокращения и силы мышц, что усиливает нарушение исходной цикло­граммы. Все вместе взятое приводит к кризису, называе­мому утомлением организма.

Эффективность педалирования в зависимости от биомеханических факторов — параметров посадки гонщика, мышечной активности и суставных моментов в СНКГ — можно проследить на следующем при­мере [27].

Параметры процесса педалирования представлены в табл. 7.7. Гонщик № 1 принят в качестве эталонного, все остальные варианты сравнивались с первым. Изменение нагрузки на педали сопровождалось изменением передаточного отношения (21 цепной передачи при поддержа­нии (варианты 4 и 5) постоинной угловой скорости кривошипа <а1. Взаимосвязь между нагрузкой на педаль и передаточным числом выяв­лялась С ПОМОЩЬЮ Выражения ДЛЯ МГНОВеННОЙ МОЩНОСТИ Р = М<В], развиваемой на оси кривошипа. Полагая, что потери мощности в пепной передаче пренебрежимо малы, можно считать, что мощность на оси кривошипов равна мощности на оси заднего колеса. Следовательно, /Vfjto, = M2ut2=P, где М2— момент на оси заднего колеса; <в2 —угловая скорость заднего колеса. Теперь можно установить прямую связь между моментами на оси кривошипа и оси заднего колеса:

Мг = М2а>21щ = М2гг/г2 = Afa*ai.

Таблица 7.7, Параметры процесса педалирования в условиях эксперимента Гонщик Ї, об/мин f’ai П, % ДРщ. % 1 80 52/19 100 0 2 63 52/15 100 — 3 97 52/23 100 — 4 80 52/23 100 21,05 5 80 52/15 100 —21,05 . При м е ч а н и е. Принятые обозначения: f — частота педа- лироваиня. об/ми и; i21 = г,/г, — передаточное отношение цепной пе- редачи; П — — процентный параметр посадки гонщика (см. гл. 2); ДPlh~ процентное изменение мощности педалирования £-го гонщика по срав- нению с гонщиком JV I.

В таком случае процентное изменение мощности для вариантов, отличающихся от № 1, принятого в качестве эталона в данном экспе­рименте, составит (в %)

ДЯіА = (*2l/*2l) 100* ^’9)

Таким образом, получен выигрыш в мощности на 21,05 % для варианта № 4 и проигрыш на 21,05 % для варианта № 5 по сравнению с эталонным № 1. Варианты № 2 и 3 предусматривали такие режимы педалирования, при которых мощность на выходе остается неизменной — Это требование достигалось сохранением соотношения о>1е21 = const.

Биомеханический аспект последующего анализа со­стоит в учете изменения активности мышц СНКГ при из­менении передаточного числа цепной передачи t21 в цикле педалирования или в случае изменения посадки гонщика с учетом ее процентного параметра П, значения которого приведены в табл. 7.7.

Оценка биомеханического потенциала гонщика была выполнена 127] на основании комплексного анализа: тен — зометрирования касательной и нормальной составляющих силы, приложенной к педали со стороны СНКГ, потенцио — метрирования углов поворота кривошипа и педали и ре­гистрации активности мышц СНКГ с помощью поверх­ностных электродов (синхронная запись ЭМГ). Типичная картина мышечной активности представлена на рис. 7.10. В процессе измерений этих параметров имела место высо­кая степень повторяемости не только при выполнении не­прерывной серии циклов педалирования, но и в раздель­ных попытках, что еще раз подтверждает стабильность стереотипных процессов в организме спортсмена при вы-

Рис. 7.10. Диаграмма активности мышц иышиа СНКГ (темные зоны — фазы макси-‘ мальной активности): 7

1 — большая ягодичная мышца; 2 — пря­мая мышца бедра; 3 — медиальная широ­кая мышца бедра; 4 — латеральная ши* рокая мышца бедра; 5 — передняя боль­шеберцовая мышца; 6 — икроножная мыш­ца; 7 — двуглавая мышца бедра; 8 — по> луперепончатая мышца (GCj — 0 — верхнее положение кривошипа)

90 180 270 360 °

полнении функциональных, в 7 первую очередь циклических-:б движений.

Анализ мышечной активно­сти с использованием специ­ального программного обеспечения ЭВМ выполнялся от­носительно ЭМГ, принятой за эталон у гонщика № 1 (см. табл. 7.7), и производился методом нормализации уровней интегральных значений ЭМГ каждой мышцы относительно максимального уровня интегрирования ЭМГ этой же мышцы. Процентная разность интегрированных ЭМГ каждой мышцы в каждом интервале угла поворота кривошипа учитывалась в дальнейших расчетах.

Кривошипно-педальный механизм образует с СНКГ систему, которую можно рассматривать в виде замкнутого пятизвенного контура (рис. 7.11), в котором 1 — бедро; 2 — голень; 3 — стопа, 4 — криЕОшип, 5 — велосипед. Для расчета углов подвижных связей уравнение пяти — звенного контура имеет вид /=е

£ IjtW = 1^ + /2е‘е* + /Зе‘е» + /4е‘е* + + letin = 0.

I

(7.10)

Поскольку контур состоит из пяти звеньев, то необхо­димо наложить ограничения на два параметра. Один из них — угол положения кривошипа (04), который яв­ляется функцией времени. Другой — угол поворота сто­пы 03, зависящий от угла поворота кривошипа. Уравнение ограничений имеет вид

(7.11)

04 +0з — У — зт/2 = 0.

Угол наклона стопы 03 может быть определен экспери­ментально, так как он характерен для каждого гонщика и является результатом многолетних тренировок. График

изменения 03 может быть аппроксимирован синусоидой с помощью рядов Фурье.

Углы наклона бедра 0Х и голени 02 рассчитывают по следующим формулам:

(7.12) (7.13)

_ 9 t„-i 2G±(2G)2-4(Ј + f) (E-F)l/2 2 (E + F)

■*_! (С — В) — li sin 0 (А — В) — fjcos0 ’ a) U)

tg-

Рис. 7.11, Совместная система СНКГ и кривошипно-педального меха­низма: а — пятизвенный контур; 6 — кинетостатика свободных эле­ментов СНКГ где

0i = 2tg — 02

А = 1в + к cos 04; В = 4 cos 0; С = 1Ъ /4 sin 04;

Е = (А — Bf + (С — Df + l] — if, D = k sin 02;

F = 2 (A—B)lt; G = 2 (C — D) h.

Выражения для угловых скоростей 0, и 02, а также для ускорений 0t и 02 имеют вид:

0х — [Qi (—к cos 02) — Qo ( к sin 02) ] X

X [—к sin 0X (—/2 sin 0.2) — /, cos 0, (—12 sin 02) I-1;

(7.14)

02 = [Q2 (—■к s>n 0i) — Qi (—к cos 0!) 1 X

X [—к sin 0J (—4 COS 02) — /і cos 0X (—12 sin 02) I-1,

(7.15)

1 = Qs (к sin 0X — U sin 02)-1; (7.16)

2 — Q4 (к cos 0i + h cos 0г)- (7-17)

ГДЄ

Qi = —;404 Sin 04 4- 403 sin 03;

Q2 = —/404 cos 04 — /30з cos 03;

Q3 = — ^404 COS 04 — /ь03 COS 03 + /ь02 Sin 02 + 1101 COS 01 +

-j — ^202 COS 02Ї

Qi = —/484 Sin 04 — j- /.,03 Sin 03 — /383 COS 03 — f-

-}- /101 Sin 01 -{- ^202 Sin 02-

Угловое ускорение кривошипа может быть принято 04 = 0, поскольку расчеты ведутся для наиболее про­стого случая — равномерного движения велосипеда.

Аналогично уравнения положений центров масс звеньев СНКГ (бедра, голени и стопы соответственно) имеют виді

гх = с^е1’0»;

г 2 = ^е’0′ + d2efe»;

г3 = /хе’0> + /2е, н* + d„eie«,

где dlt d2, dg — расстояния от проксимального сустава до центров масс соответственно бедра, голени и стопы.

Уравнения ускорений для центров масс указанных звеньев:

fi = d (—0i — f — і0і)е‘е*;

r2 = —Ufa1*1 + г7і0е(Єі — d202Ve2 + id2Q2ete°; гз = —/.0?еІЄі + і7,0,е(е* — г20ІеіВг + И2В2еіві —

— <^303Є10* -{- 1СІ30зЄ‘Єз.

Зная угловые ускорения звеньев, нормальные и тан­генциальные силы, действующие на педали, и ускорения центров масс (ЦМ) звеньев, можно определить суставные моменты, используя диаграмму на рис. 7.11, б: для тазобедренного сустава

Ml = —J101 — f- М2 — j — 5 Sin 0[ — /?15 cos 0 j) cf 1 — f-

+ (^2 sin 0i — R*2cos 0i) (/i — di); (7.18)

207

для коленного сустава

Мз — —J202 — f — М4 — j — ( R23 Sin 02 — R23 COS 0г) (І2 — d.2) — f-

—sin 02 — RiCos 0г) d.2, (7-19)

для голеностопного сустава

•/W5 = —Jz% H — (^32 Sin 03 — R32 COS 0з) d3 — f

-f {Rl4 cos у — Rm Sin 7) (/3 — d3). (7.20)

В дальнейшем анализе целесообразно суммарные су­ставные моменты М/ разделить на моменты кинематиче­ские М’і, обусловленные только движением СНКГ, и на моменты статические М], обусловленные только силами, действующими на педаль для обеспечения движения си­стемы гонщик—велосипед с заданной скоростью. В таком случае

Mt = М + Ml (7.21)

Выражения для статических суставных моментов: для голеностопного сустава

Ml = Riil 1 cos у — Я34/ sin у; (7.22)

для коленного сустава

Ml = Л’?5 -{- RmI<2 sin 02 — RmI-2 cos 02‘, (7.2-3)

для тазобедренного сустава

Мї = Ml + RUi sin 0, — Rl, l 1 cos 0i, (7.24)

где

Rm = Rtl Sin (03 + y) — #34 COS (03 + y)

Rl4 = Rh cos (O3 + v) — f — R34 sin (03 -j — v).

При выполнении биомеханического анализа предло­женное разделение момента на кинематический и статиче­ский целесообразно по двум причинам. Во-первых, оно облегчает возможность описания и изучения функции мышц, которая заключается в управлении СНКГ и созда­нии усилий на педалях. Совместный анализ мышечной активности СНКГ и приложенной к педали силы позво­ляет сравнивать их между собой и устанавливать корре­ляции между ними. Во-вторых, суперпозиция кинемати­ческого и статического моментов позволяет глубже про­никнуть в суть биомеханики процесса педалирования.

кпд процесса педалирования. КПД, согласно обще­принятому определению, есть отношение полезно выпол­ненной механической работы Еп к общим затратам энер­гии Е0 при выполнении этой работы: Л = -§2- 100 % = г),г)2г)3г)4г)5іівті7, (7.25) где тії — КПД педалирования; т)2 — КПД цепной пере­дачи; г)3 — КПД механической системы, включая раму, колеса, однотрубки и т. д.; г)4 — аэродинамический КПД; г)5 — КПД организации функционального движения; % — КПД управления движением системы гонщик—велосипед; г)7— КПД жизнеобеспечения организма гонщика во вре­мя гонки.

/—з — моменты в тазобедренном (/), коленном (2) и голеностопном (3) суста. вах: 4, 5 — тангенциальная и нормальная силы соответственно; в—8 — угло вые ускорения стопы (6‘), голени (7) и бедра (8)

Наиболее сложным для анализа и значительным по величине является КПД педалирования, который учиты­вает качество педалирования, определяемое ХКМ, и по­тери на преодоление инерционного сопротивления СНКГ.

Опыты показали, что при различных режимах работы, выполняемой в различных условиях, КПД велосипедиста по некоторым данным колеблется от 8 до 29 %, а по дру­гим данным достигает 40 % г. Причем он увеличивается с ростом тренированности, квалификации спортсмена и уровня его технической оснащенности.

Разность Е0 — Еп составляет объем потерь, которые и характеризуют эффективность системы гонщик—велоси­пед. Эти дополнительные потери определяют затратами на обеспечение ряда процессов, сопутствующих выполне­нию функциональной работы. В полном объеме эти про­цессы невозможно да и нет надобности перечислять. Вот некоторые из них: затраты энергии на жизнеобеспечение организма в период выполнения работы, потери энергии, связанные с теплообменом, несовершенством работы дви­гательного аппарата, низким качеством педалирования гонщика, механическим трением в узлах велосипеда, а также косвенные потери энергии, связанные с органи­зацией движения системы гонщик—велосипед.

Не останавливаясь подробно на всех компонентах энергетических потерь системы гонщик—велосипед, огра­ничимся разбором некоторых из них.

Последний из перечисленных выше факторов — орга­низация движения — имеет немаловажное значение, так как расчет итогового показателя работы Еп предусматри­вает идеальное движение велосипеда по установленной траектории, например по линии разметки полотна вело­трека. Фактически траектория движения велосипеда, вы­званная недостаточной квалификацией гонщика, суще­ственно отличается от расчетной, которая, как было ска­зано, является зачетной при определении спортивного результата.

Так, при радиусе виражей велотрека 30 м и при про­хождении этих виражей на расстоянии 0,1 м выше линии разметки гонщик в гонке преследования на 4 км фактиче-

1 Для сравнения: КПД двигателя внутреннего сгорания автома­шины достигает 30 %, паровоза — 7 %, человека при ходьбе — 44 %, лебедки ручной с одной парой шестерен — 80 %, электродвигателя — 82-98 %.

еки пройдет лишних 7,5 м. В расчете же затраты энергии, связанные с периодическим подъемом на некоторую вы­соту при входе в вираж, не учитываются.

Приведем другой пример влияния организации движе­ния в командной гонке преследования на конечное зна­чение КПД системы гонщик—велосипед. Известно, ЧТО для поддержания максимальной скорости лидирующий гонщик меняется через один круг или половину круга. Каждая смена обходится команде примерно в трехметро­вое отставание по сравнению с условным движением команды, в которой лидер не меняется. За дистанцию 4 км при лидировании по 0,5 круга набегает суммарное уве­личение дистанции на 72 м. Исключение этих потерь при условии прохождения дистанции, предположим, без смены лидера позволило бы команде вместо результата, напри­мер, 4 мин 30 с иметь результат 4 мин 25 с.

В гонках, особенно продолжительных, велики суммар­ные потери энергии в двигательном аппарате спортсмена. Спортивный опыт, тренированность и техника выполне­ния отдельных движений позволяет спортсмену суще­ственно экономить энергию, затрачиваемую организмом на организацию функционального движения. Например, квалифицированный бегун, владеющий более совершенной техникой бега, имеет лучшие по сравнению с новичком показатели по амплитуде колебаний центра масс тела в вертикальной плоскости в цикле бегового движения. Бегун, обладающий большой массой, в том числе нижних конечностей, затрачивает больше энергии, чем менее мас­сивный бегун.

Аналогичные проблемы экономии энергии имеются и у велогонщиков, и в первую очередь это касается КПД педалирования, одной из особенностей которого являются инерционные сопротивления СНКГ. Полная мощность Р, развиваемая гонщиком при педалировании, определяется полезной мощностью Рп, необходимой для преодоления сопротивления движения системы гонщик—велосипед, и мощностью Ря, необходимой для преодоления инерцион­ного сопротивления СНКГ. Возникает еще одно понятие так называемого динамического КПД, зависящего от инер­ционных характеристик СНКГг

КПДд =(Р — Ра)1Р. (7.26)

Динамический КПД характеризует потери мощности при педалировании в зависимости от длины и массы эле­ментов СНКГ, параметров посадки гонщика на велоси­педе, длины кривошипов, их частоты вращения и (в слу­чае применения эллиптической системы цепного привода) параметров эллиптического делительного контура ведущей звездочки и угла смещения его осей относительно криво­шипа. Из соотношения (7.26) следует, что чем меньше масса СНКГ, тем меньше потери на инерционное сопро­тивление и тем выше динамический КПД. Однако СНКГ с малой мышечной массой не обладает необходимой сило­вой возможностью, что, как известно из практики вело­сипедного спорта, компенсируется частотой педалиро­вания.

В заключение необходимо еще раз подчеркнуть значи­тельные трудности определения КПД системы гонщик—ве­лосипед как экспериментальными, так и теоретическими методами. Значительно легче поддается расчету КПД ме­ханических систем гоночного велосипеда, и некоторые методы и результаты даны в следующих параграфах.