Вращательные движения тела
(анатомическая характеристика)
Вращательные движения тела получили широкое распространение в спорте: в
гимнастике (обороты, махи, соскоки с гимнастических снарядов),
акробатике (перекаты, кувырки, перевороты, сальто), фигурном катании на
коньках (пируэты, "волчок"), прыжках в воду и т. п.
Вращательные движения могут выполняться вокруг свободной и закрепленной
осей вращения. Свободная ось вращения проходит через о.ц.т. тела
человека, закрепленной осью являются спортивные снаряды.
Как и все другие движения, вращательные движения обусловлены
взаимодействием внешних и внутренних сил. Однако характер их
взаимодействия при вращательных движениях несколько иной, чем при
поступательных. Так, из внешних сил сила отталкивания должна быть
направлена не в о. ц. т. тела, как при беге, ходьбе, прыжках, а так,
чтобы между о. ц. т. и направлением действующей силы образовалось плечо
силы для возникновения момента вращения. При этом чем больше плечо силы,
тем больше момент и тем значительнее вращение.
Внутренние силы (сила мышц) при поступательных движениях в фазе
свободного перемещения (фаза полета) не могут оказать влияния на
траекторию о. ц. т. тела. Какие бы движения в фазе полета ни совершал
прыгун, он не может изменить ни скорости, ни направления полета, а при
вращательных движениях изменением взаимного расположения частей тела с
помощью мышечных усилий можно увеличить или уменьшить скорость вращения
тела. Например, фигурист, выполняя пируэт с отведенными руками,
вращается с небольшой скоростью, но, опустив руки, может резко повысить
скорость. Если при быстром вращении гимнаста с опорой на канате развести
ноги, скорость вращения тела замедлится. Это связано с тем, что инерция
массы вращающегося тела (способность сопротивляться) проявляется иначе,
чем в поступательных движениях. При поступательном движении скорости
всех точек тела одинаковы, при вращательном - чем дальше материальная
точка тела расположена от оси вращения, тем больше линейная скорость.
Выражая линейную скорость через угловую, характеризующую быстроту
вращательного движения, можно определить момент инерции для каждой точки
и для тела в целом. Момент инерции вращающейся точки прямо
пропорционален ее массе и квадрату радиуса, т. е. расстоянию ее от оси
вращения: M = mr2, где М - момент инерции, m - масса точки, r - радиус.
Момент инерции всего тела можно представить суммой моментов инерции всех
точек тела: Σmr2.
Таким образом, моменты инерции разных точек различны и зависят от
расстояния точки от оси вращения. Чем дальше части тела удалены от оси
вращения, тем больше они сопротивляются движению.
Все вращательные движения основаны на законе постоянства или сохранения
момента количества движения. Количество движения, полученное в
результате взаимодействия внешних и внутренних сил при выполнении
вращательных движений в каждый данный момент, есть величина постоянная и
представляет собой произведение момента инерции на угловую скорость: К=Σ
mr2×ω, где:
К - константа, постоянная величина;
Σmr2 - момент инерции;
ω - угловая скорость.
(Угловая скорость - это отношение угла поворота к времени, в течение
которого происходит вращение.)
Таким образом, изменяя расположение отдельных звеньев вращающегося тела
при свободном полете (в безопорный период), приближая или удаляя их от
оси вращения, можно изменить и момент инерции - уменьшить или увеличить
его, что увеличивает или уменьшает угловую скорость вращения всего тела.
При вращательных движениях вокруг закрепленной оси большое напряжение
мышц вызывает центробежная сила инерции, которая стремится удалить части
тела от оси вращения, при этом особенно большая нагрузка падает на
мышцы, укрепляющие суставы.
В качестве примера вращательного движения вокруг свободной оси можно
рассмотреть сальто назад с места.
Сальто назад с места
(анатомическая характеристика)
Сальто назад с места - это сложное, ацикличное, вращательное движение,
при котором происходят отталкивание тела от опорной поверхности, полет с
вращением тела и последующее его приземление. Тело вращается вокруг
свободной оси, проходящей через о. ц. т. в поперечном направлении.
Возможно вращение тела и вокруг сагиттальной оси (при боковом сальто).
В сальто назад с места различают четыре фазы: подготовительную, фазу
толчка, фазу полета и фазу приземления. Фаза полета, в свою очередь,
делится на взлет, группирование, вращение и выпрямление тела
(разгруппирование).
Сальто назад с места обусловлено, как и любое движение спортсмена,
взаимодействием внешних и внутренних сил. Направление силы отталкивания
проходит впереди о. ц. т. тела так, что между
о.ц. т. и точкой приложения силы образуется плечо, в связи с чем
возникает момент вращения. Сила тяжести действует во всех фазах
движения, тогда как сила реакции опоры - только в первой, второй и
четвертой фазах. Степень устойчивости тела изменяется так же, как и при
прыжке.
В подготовительной фазе спортсмен приседает. В этот момент под влиянием
силы тяжести (если рассматривать последовательно от опорной поверхности)
весьма специфически расположены звенья тела в суставах. При
фиксированной стопе голень наклонена вперед, угол между стопой и голенью
уменьшен, что характерно для разгибания стопы. Коленный сустав согнут,
но при этом к фиксированной голени приближено бедро, так что угол между
голенью и бедром уменьшен. Тазобедренный сустав, как и коленный, в
состоянии сгибания, однако не бедро движется вперед, как обычно при
сгибании свободной ноги, а таз. Туловище также находится в состоянии
сгибания, голова несколько наклонена вперед. Данное положение
обеспечивается не теми мышцами, которые производят указанные движения, а
их антагонистами - сгибателями стопы, разгибателями голени,
разгибателями бедра, туловища и головы. Причем они выполняют уступающую
работу при дистальной опоре. Подготовительная фаза обеспечивает
опускание о. ц. т. тела и способствует растягиванию мышц, подготавливая
их к более сильному последующему сокращению в фазе отталкивания.
В фазе отталкивания происходит резкое сгибание в голено-стопном,
разгибание в коленном и тазобедренном суставах, разгибание туловища,
головы и взмах руками вверх. Напряжены те же группы мышц, что и в первой
фазе, но они выполняют преодолевающую работу. На короткое время
включаются в работу и антагонисты этих мышц: разгибатели стопы,
сгибатели голени, бедра и позвоночного столба, обеспечивая создание
жесткой кинематической цепи, по которой передается сила отталкивания.
Поднимание верхних конечностей осуществляется за счет движения в
плечевом суставе и соединениях костей пояса верхних конечностей. При
этом напрягаются сгибатели плеча, работающие при верхней опоре, и мышцы,
поднимающие пояс верхних конечностей, а затем (для закрепления звеньев
верхней конечности) включаются все мышцы, окружающие плечевой, локтевой,
луче-запястный суставы и суставы кисти. Верхние конечности, перемещая
тяжесть тела вверх, поднимают о.ц.т. тела для создания соответствующей
траектории его в полете.
Поскольку возник момент вращения тела, необходимо так расположить части
тела, чтобы уменьшить момент инерции, увеличив угловую скорость (по
закону постоянства момента количества движений). Для этого следует
максимально приблизить к оси вращения все точки тела человека. Поэтому в
фазе полета и выполняется так называемая группировка, при которой момент
инерции тела уменьшается примерно в 2,5-3 раза. Во столько же раз
увеличивается угловая скорость, что позволяет выполнить один или два
полных оборота или вращения тела. При группировке происходят сгибание
позвоночного столба, сгибание в тазобедренном и коленном суставах,
разгибание стопы и резкое движение головы назад (рывок головой). Верхние
конечности опускаются, захватывают голени и подтягивают ноги к туловищу.
Движения позвоночного столба, а также движения в суставах нижних
конечностей обусловлены напряжением соответствующих групп мышц:
сгибателей позвоночника, сгибателей в тазобедренном и коленном суставах
и разгибателей стопы, которые вначале выполняют преодолевающую, а затем
удерживающую работу. Рывок головой производят мышцы- разгибатели шейного
отдела позвоночного столба и мышцы, участвующие в движении головы назад,
которые расположены на задней поверхности атланто-затылочного и
атланто-осевого суставов. Рывок головой как бы сообщает телу
дополнительный момент количества движений, который передается, на нижний
отдел тела, способствуя ускорению вращения.
Опускание верхней конечности происходит преимущественно под действием
силы тяжести. Плавность движений обусловлена уступающей работой
антагонистов - мышц, поднимающих пояс верхней конечности. При захвате
голеней напряжены сгибатели кисти и пальцев. Согнутое положение руки в
локтевом суставе обеспечивается напряжением сгибателей предплечья,
работающих при проксимальной опоре.
После вращения тела для уменьшения угловой скорости, соответственно тому
же закону постоянства момента количества движений, выполняется
разгруппирование (выпрямление тела) - сгибание стоны, разгибание в
коленном и тазобедренном суставах, в позвоночном столбе. При медленном
разгруппировании, когда возникающая при вращательных движениях
центробежная сила стремится удалить отдельные части тела от оси
вращения, работают те же мышцы, что и при группировании, но в уступающем
режиме. При быстром разгруппировании, когда центробежных сил
недостаточно для отдаления звеньев тела от оси вращения, эти движения
выполняются за счет преодолевающей работы мышц-антагонистов. Напрягаются
сгибатели стопы, разгибатели в коленном и тазобедренном суставах, а
также разгибатели позвоночного столба.
Верхние конечности, несколько согнутые в локтевом суставе для
балансирования тела, выдвигаются вперед сгибанием в плечевом суставе.
Работа мышц-сгибателей плеча носит преодолевающий характер при
проксимальной опоре. В локтевом суставе напрягаются мышцы-сгибатели,
работающие также при проксимальной опоре, но в удерживающем режиме.
Несмотря на то что выпрямление тела происходит не полностью для лучшей
амортизации в фазе приземления, тем не менее момент инерции
увеличивается, угловая скорость уменьшается, вращение тела замедляется.
Чтобы увеличить момент инерции перед приземлением, спортсмен иногда
поднимает руки вверх. Приземление происходит обычно на передний край
стопы для усиления амортизации. Ноги несколько согнуты в коленных и
тазобедренных суставах за счет уступающей работы мышц-сгибателей стопы,
разгибателей в коленном и тазобедренном суставах, а также разгибателей
позвоночного столба.
Особенности механизма внешнего дыхания при сальто назад с места состоят
в том, что в фазе отталкивания происходит вдох, в фазе полета - задержка
дыхания, в фазе приземления создаются благоприятные условия для выдоха.
Сальто повышает прыгучесть, вырабатывает высокую координацию движений.