Гимнастика. Секреты эффективного движения. Биомеханика. Структура. Техника
Мышца, разгоняющая при сокращении массу звена, оказывается в аналогичной ситуации: чем больше скорость звена в сравнении со скоростью активного укорочения мышцы, тем меньше развиваемая ею сила. Не трудно также заметить, что описанная ситуация прямо соотносится с закономерностью, связывающей максимальную силу мышцы с преодолеваемым ею сопротивлением (см. рис. 3.9 и текст к нему); в примере с санями бобслеиста спортсмен тем меньше способен прикладывать к снаряду силу, чем меньше последний ему «сопротивляется» по мере ускорения движения.
При исполнении физических упражнений описанная особенность работы мышечного аппарата накладывает отпечаток на действия человека не только при быстрых, но и замедленных движениях. Характерна известная ситуация противоборства на руках (типа армрестлинга), когда один из соперников, поначалу получивший перевес, вынужден затем остановиться, и возникает равновесие или даже обратное движение со сменой инициативы12. Здесь в неподвижной позиции борьба ведется за счет изометрического режима работы мышц, но, как правило, с непрерывным игровым изменением степени напряжения мышц с обеих противоборствующих сторон. Во время атаки одного из соперников последний действует в преодолевающем режиме, а его противник – в останавливающем. При этом в чисто физиологическом смысле, нападающий вынужден работать в неблагоприятных условиях, тогда как защищающийся, благодаря напряженному натяжению мышечного аппарата руки и плечевого пояса – легче наращивает усилия. И чем быстрее происходит движение, тем больше ситуация смещается в пользу защищающегося. Именно поэтому часто атака «захлебывается» и вновь наступает изометрическое равновесие. По этой модели может протекать противоборство в сумо, регби, а также в таких видах состязаний, как перетягивание каната.
Другие примеры. Зафиксировать трудное силовое положение на кольцах – упор руки в стороны («крест») легче, если гимнаст опускается в него из упора не нарочито замедленно, как это часто делают неопытные исполнители, боясь «провалиться», а достаточно динамично. Благодаря этому, приводящие мышцы плеча, выполняющие здесь главную работу, развивают большее усилие, чем при осторожном опускании.
Еще один пример – взмах руками при отталкиваниях в акробатике. Иногда спорят: как надо (или можно) высоко «выпускать» руки вверх, например, при отталкивании на сальто назад? Между тем, если иметь в виду энергетическую эффективность этого действия, спор оказывается беспредметным. Дело в том, что энергетический эффект махового движения руками зависит от того, как долго, выбрасывая руки вверх, гимнаст сможет наращивать скорость их движения. Если нарастание высоты взмаха сопровождается падением силовой тяги, то мах перестанет быть эффективным, и лучше заблаговременно ограничить его по амплитуде. Если же скоростно-силовые возможности спортсмена достаточно велики, он может дольше ускорять звено и соответственно пользоваться более высоким (если это оправдано технически) взмахом.
Сказанное в равной мере относится, разумеется, и к любым другим скоростно-силовым движениям, например – маху ногой при исполнении махового сальто и т. п. Из этого вытекает очевидный вывод о том, что обучение таким спортивным движениям должно быть всегда индивидуализированным и очень тесно увязываться с реальными двигательными возможностями спортсмена и специальной физической подготовкой.
Наконец, при построении техники упражнения и обучении важно учитывать, в каких именно фазах и с какой скоростью изменяется рабочая длина мышцы. Например, чем быстрее, «резче» происходит переход от подседания к собственно отталкиванию при прыжках, от замаха к собственно броску при метаниях и т.д., тем выше скорость натяжения основных мышц, занятых в исполнении данного действия, и тем больше развиваемая ими сила. С этим связаны нюансы обучения подобным упражнениям, когда важно строить движение с вполне определенной акцентировкой действий.
3.2.2. Режимы работы мышц
Как отмечалось, мышца может находиться в различных состояниях в зависимости от сочетанного действия ряда факторов.
Понятие «режима работы» мышцы связано, прежде всего, с совокупным действием двух генеральных факторов, определяющих рабочее состояние мышцы. Это степень возбуждения/расслабления и изменения ее рабочей длины.
Степень возбуждения/расслабления мышцы определяется силой импульса, поступающего из мотонейрона к концевым веточкам соответствующего аксона. Очевидно, что между состоянием полного покоя с расслаблением мышцы и максимально возможным в каждом данном случае ее возбуждением (напряжением) существует неограниченное число промежуточных градаций. Тем не менее, для исходного анализа работы мышц удобно пользоваться условно альтернативными понятиями «возбуждения» и «расслабления» мышцы.
Рабочая длина мышцы определяется степенью удаления друг от друга зон ее прикрепления к костям кинематической пары. Соответственно этому, под сокращением (или укорочением) мышцы понимается уменьшение ее длины при сближении несущих концов кинематической пары, а под натяжением (или удлинением, растяжением, хотя последняя формулировка менее удачна, так как носит «травматический» оттенок) – увеличение ее длины при движении противоположного характера. Этот момент следует подчеркнуть, так как иногда в понятие «сокращение» вкладывают смысл, соответствующий «напряжению» и работе в преодолевающем режиме, что приводит к недоразумениям.
Основные режимы работы мышц. Показатели возбуждения и рабочей длины мышцы могут по-разному сочетаться друг с другом, вводя мышцу в различные режимы работы, описанные ниже.
(Встречающаяся в литературе терминология, относящаяся к режимам работы мышц, неоднозначна и часто носит обобщенный характер. Так, любая работа мышцы на фоне ее удлинения (без учета степени ее возбуждения) именуется «эксцентрической», при сокращении – «концентрической», при сохранении длины (независимо от степени натяжения) – «изометрической», при неизменном напряжении (включая чисто лабораторный случай) – «изотонической». Работа напряженной мышцы при сокращении именуется не только «преодолевающей», но также «миометрической», при удлинении – «уступающей» или «плиометрической». Таким образом, существует некоторая разноголосица, порой затемняющая суть дела. В рамках настоящей работы используется терминология, в основном опирающаяся на работы Д. Д. Донского […]. Она позволяет достаточно детально рассмотреть различные режимы работы мышечного аппарата, обращаясь к конкретным примерам из спортивной практики).
Ниже рассматриваются наиболее характерные состояния мышц, связанные с понятием мышечного режима.
Поскольку мышцы работают весьма разнообразно, о фиксированных режимах работы мышц можно говорить лишь условно. Однако понимание различий между этими базовыми режимами весьма важно для анализа техники спортивных упражнений. Рассмотрим вначале четыре наиболее важных динамических режима, встречающихся при исполнении спортивных движений (рис. 3.12).
Рис. 3.12. Основные режимы работы мышц.
Останавливающий режим – состояние работающей мышцы, когда, натягиваясь, она все более возбуждается. В спортивной практике действия в останавливающем режиме очень существенны. Так, при упругом приходе на опору с прыжка или в беге, напряженные мышцы неизбежно натягиваются, развивая при этом наиболее значительные усилия. В останавливающем режиме мышцы работают также при движениях реверсивного характера, когда ранее разогнавшееся звено форсированно останавливается натягивающимися антагонистами и затем разгоняется в противоположном направлении. Эти фазы спортивных движений крайне важны, так как являются одним из основных средств эффективной подготовки мышечного аппарата к работе и самой работы в наиболее ответственных динамических компонентах движения.
Преодолевающий режим лежит в основе множества активных произвольных действий типа тяг, отталкиваний и т. п. Это сочетание одновременного сокращения и нарастающего напряжения мышцы. С отвлеченно биомеханической точки зрения, такой режим как бы менее выгоден, чем останавливающий, поскольку не позволяет развивать максимальные усилия. Но технически работа в преодолевающем режиме – единственная возможность активно воздействовать на внешние тела, сообщая им движение. Вместе с останавливающим режимом, преодолевающий режим является решающим техническим компонентом таких действий, как упругое отталкивание при беге, прыжках, когда после постановки опорного звена на опору вначале следует упругое приближение к опоре (с работой в останавливающем режиме), после чего следует преодолевающая работа.
Баллистический режим, как показывает само его название13, связан с выполнением движений броскового характера. При этом мышца (или группа синергистов), постепенно расслабляясь, продолжает сокращаться в силу инерционного движения звена, получившего ускорение, в результате чего точки прикрепления мышцы сближаются. Строго говоря, «баллистической» следовало бы называть работу мышц, по крайней мере, в двух фазах собственно бросковых движений и, соответственно, в двух локальных режимах, относящихся к сокращению мышц, выполняющих бросок. А именно – в фазе напряженной преодолевающей работы, сообщающей положительное ускорение движущейся массе, и в фазе последующего сокращения тех же мышц, но уже на фоне их постепенного расслабления.
Уступающий режим возникает при сочетании расслабления мышцы с ее одновременным натяжением под действием внешней силы14, включая действие антагонистов. Естественным следствием этого является постепенное, пропорционально степени и скорости натяжения, возрастание напряжения этих мышц, что чрезвычайно важно при исполнении движений реверсивного, в том числе циклического типа. Иначе говоря, работа мышц в уступающем режиме естественным образом готовит их к новому активному сокращению.
Порядок, в котором были прокомментированы четыре ключевых режима работы мышц – не случаен. Суть в том, что при исполнении суставных возвратно-колебательных движений последние следуют друг за другом в определенном порядке, образуя цикл (на рис. 3.12 ему соответствует последовательность режимов, идущих друг за другом в круговом направлении по часовой стрелке).
Рассмотрим пример. Если предложить человеку выполнять повторные, без остановок, маятникообразно махи прямой рукой в горизонтальной плоскости (например, слева направо и обратно), большая грудная мышца (как одна из синергистов, участвующих в этом движении), в момент быстрого маха рукой вправо будет работать в останавливающем режиме. Затем, после того как рука достигнет крайней точки движения, та же мышца, продолжая быть напряженной, начнет действовать в преодолевающем режиме. Далее, разогнав руку до определенной скорости, большая грудная мышца будет, благодаря инерционному движению конечности, постепенно расслабляться, переходя к баллистическому режиму. Наконец, когда звено уже совершает обратное движение под действием антагонистов (задние пучки дельтовидной мышцы и др.), грудная мышца, до того времени оставаясь расслабленной, начнет натягиваться (уступающий режим) и, благодаря этому, все больше напрягаться, переходя к останавливающей работе, т.е. к началу нового цикла колебательных движений.
Описанный цикл, включающий в себя четыре наиболее важных режима, характерен тем, что каждая мышца, участвующая здесь в движении, прежде чем развить необходимое усилие, предварительно натягивается, что чрезвычайно важно для рациональной, гармоничной работы всего мышечного аппарата. В литературе такой режим работы мышц, при котором они действуют в условиях эффективного предварительного натяжения, иногда именуется ауксотоническим. Характерно также, что мышцы при этом действуют реверсивно, то есть заставляют звено перейти к возвратному движению в каждой крайней точке цикла.
В спорте чисто циклические, возвратно-колебательные движения не так редки, как может показаться. Это, например, разнообразные размахивания в висах и упорах или ритмически выстроенные сгибания-разгибания тела в гимнастике, все шагательные, в том числе беговые движения, даже подготовительные махи рукой с диском у легкоатлета, и т. д. Вместе с тем очевидно, что в ациклических движениях, могущих составлять постоянно меняющиеся стохастические цепи (например, в действиях баскетболиста, маневрирующего на площадке), работа мышц носит более сложный, «мозаичный» характер, и компонуется как бы «из обломков» описанного цикла.
Помимо динамических существуют также статические режимы работы мышц, также весьма характерные для спортивной практики. С ними связаны известные упражнения и состояния, начиная от поз с полным расслаблением мышц и заканчивая труднейшими силовыми фиксациями, отягощенными положением тела или внешней нагрузкой. Прокомментируем в этой связи еще один режим работы мышц, хорошо известный из литературы и практики и также показанный в рис. 3.12.
Изометрический режим – состояние, при котором мышца сохраняет свою длину при разных степенях ее натяжения и напряжения. В своих активных разновидностях такая работа может использоваться для иммобилизации суставных сочленений, удержания заданной силовой позы и т. п. Примеры изометрической работы многочисленны. Формально, это вообще все статические упражнения, особенно характерные для гимнастики, групповой акробатики, поддержек в фигурном катании и т. д. Особенно характерны равновесные и трудные силовые фиксации, часто сопровождающиеся предельной мобилизацией силовых возможностей спортсмена (статические силовые упражнения в гимнастике, фиксация штанги и др.).
Характерны также упражнения, в которых заданная поза должна фиксироваться по ходу движения тела спортсмена в постоянно изменяющемся силовом поле. Так, гимнаст, выполняющий спад в вис на перекладине, должен удерживать возможно более «оттянутое» и выпрямленное положение, несмотря на нагрузки, значительно меняющиеся как по величине, так и по направлению (по В. Т. Назарову – «динамическая осанка»). Отметим также, что в этом смысле и все равновесные упражнения типа стоек и т. п. также требуют, несмотря на внешнюю статичность положения, постоянно варьирующих усилий, связанных с балансированием.
Соотношение режимов работы мышц-антагонистов. Из приведенного выше разбора видно, что работа мышц-антагонистов тесно связана, и в общем соответствует рассмотренному выше принципу реципрокной иннервации. Это прямо соотносится и с циклической сменой режимов в работе мышц.
На рис. 3.13 приведено построение, иллюстрирующее характер одновременной занятости противопоставленных мышечных групп. Можно видеть, что упорядоченные возвратные действия-движения антагонистов функционально противоположны. Так, если мышцы работают в останавливающем режиме, то их антагонисты в это же время проходят фазу баллистического. Преодолевающему режиму одной группы «отвечает» уступающий режим другой¸ противопоставленной мышечной группы.
Рис. 3.13. Сочетание режимов работы мышц-антагонистов при возвратно-колебательных движениях.
Разумеется, надо понимать, что эта картина идеализирована и иллюстрирует лишь самый общий принцип сочетаний мышечной работы, так как реальная мышечная работа – это не «стерильные» маятникообразные колебания в биокинематической цепи, а сложные, многообразные движения, «обслуживающие» самые различные спортивные движения.
Двигательные действия и режимы работы мышц. В связи с вышесказанным, рассмотрим ряд конкретных двигательных действий и состояний, заставляющих мышцы работать или пребывать в разнообразных режимах, начиная с наиболее элементарных случаев.
На построении в рис. 3.14 дается ряд «точек» и «траекторий», показывающих характерные режимные состояния мышц (построение соответствует рис. 3.13., буквами обозначены опорные точки построения, соответствующие состоянию мышц, цифрами – точки на траекториях, соответствующих изменениям в состоянии мышц в реальных движениях).
Рис. 3.14. Изменения режимов работы мышц в реальных упражнениях.
Приведем ряд реальных примеров, в которых чередование мышечных режимов носит сложный «мозаичный» характер, соответствующий структуре действий-движений в различных упражнениях.
1↔2. Упражнения на растяжку. Стремясь максимально расслабиться, спортсмен полностью подчиняется внешним воздействиям. Например, сидя на полу, с помощью партнера предельно наклоняется вперед, повторяя движение циклически.
3. Произвольное изменение позы в отсутствие внешних нагрузок. Типичный пример – суставные движения в безопорных положениях без быстрого вращения.
4. Останавливающая работа и силовая фиксация положения. Наиболее характерный пример – силовые гимнастические опускания в положения типа «креста», горизонтальных висов, упоров и др.
5→6→7→8→5. Инерционные циклические сгибания/разгибания типа «размахиваний изгибами» на перекладине. На рис. 3.14 они показаны эллиптической «траекторией», захватывающей все зоны построения, но в основном располагающейся в его левом нижнем углу, соответствующем преимущественно баллистическому режиму с ярко выраженным инерционным движением массивных звеньев. Подчеркнем, что чем больше выражено в этом цикле свободное, инерционное движение, тем выше технический уровень исполнения упражнения.
9→10→11. Отталкивание «с места». В простейшем случае спортсмен из статического подседа (9), резко наращивая напряжение мышц-разгибателей и вызывая их сокращение (9→10), выпрыгивает вверх. В биомеханическом плане такое движение малоэффективно, так как выполняется без должной подготовки: мышцы, выполняющие отталкивание, в известной степени натянуты, но начинают работу из статического положения, в котором скорость натяжения мышц, вовлекаемых в работу, равна нулю.
12→9. Приземление в остановку. Чтобы полностью погасить движение, спортсмен действует преимущественно в уступающем режиме с сопутствующим подрасслаблением мышц, снимающим напряжение, которое может нарастать по мере увеличения натяжения мышц («притормаживание с уступанием», по Д. Д. Донскому).
13→14→15→16→17. Упругий наскок на опору и наскок. Прыжок с места, уже рассмотренный нами (9→10→11), и прыжок, выполняемый с темпового упругого наскока на опору (что наиболее типично и важно, как предмет обучения), обладают большим внешним сходством. Однако, анализируя «траектории», показанные на рисунке, можно убедиться, что эти двигательные действия, в отношении режимов мышечной работы, совпадая в отдельных деталях (ср. точки 9→10 и 15→16; 10→11 и 16→17), вместе с тем существенно различаются. В прыжке «с места» отсутствует эффективная подготовительная фаза действий, дающая темповое натяжение мышц-разгибателей при упругом наскоке. Данные различия носят принципиальный характер, тогда как в практике они, как правило, не учитываются. Это касается, в частности, и физической стороны прыжковой подготовки: установка на прыжки «с места» и «с темпа» тренирует разные двигательные способности спортсмена. Наконец, заметим, что любой вид прыжка может завершаться приземлением в остановку (9→10→11→12→9 или 13→14→15→16→17→18→12→9), а также переходить в циклические прыжки с промежуточными упругими приземлениями, как это происходит в беге или «многоскоках» (14→15→16→17→18→12 →14).
Рассмотренные случаи движений, так же, как и сами режимы работы мышц, по сути упрощенные модели истинной деятельности мышечного аппарата спортсмена. Однако профессиональный анализ тренировочных упражнений в спорте, описание технических эффектов движений не возможны без удовлетворительного знания хотя бы основных, грубо очерченных закономерностей работы двигательного аппарата.
3.3. УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЯМИ
Рассмотренные выше биомеханические закономерности работы двигательного аппарата спортсмена относятся, по преимуществу, к его периферической, эффективной части. Между тем, любой двигательный акт, совершаемый человеком, предполагает участие в исполнении движения центрально-нервных механизмов, подобно тому, как передвижение на автомобиле требует не только наличия подвижной части с рамой, мотором и колесами, но и системы управления, на вершине которой находится водитель.
3.3.1. Кольцевая схема управления движениями
Вопрос об управлении произвольными движениями широко и разнообразно обсуждался в специальной литературе, и основные положения, относящиеся к данной проблеме, ныне сложились в достаточно определенную концепцию. Это концепция кольцевых процессов управления двигательными действиями на основе сенсорных коррекций, полностью применимая и к спортивным двигательным действиям.
Фазы управления движениями. На рис. 3.15 принципиальная схема управления двигательным действием, в целом соответствующая концепциям П. К. Анохина, Н. А. Бернштейна и др., но адаптированная в целях прикладного применения. Анализ этой схемы регуляции двигательных действий помогает понять целый ряд закономерностей освоения и исполнения спортивных упражнений.
Рис. 3.15. Кольцевая схема управления двигательными действиями на основе сенсорных коррекций.
Обозначения: 1—2 – формирование образа действий в программирующих отделах ЦНС спортсмена, 3—4 – сигнал прямой связи и начало действия, 5—6 – активная мышечная работа и ее начальный физический эффект, 7—10 рецепция осуществленного движения и сигнал обратной связи, поступающий в аппараты сравнения и программирующие отделы ЦНС, 11—17 – коррекция движения и продолжение двигательного акта в новом цикле сенсорного контроля-управления.
Можно видеть, что двигательный акт, согласно этой схеме, развивается в следующей принципиальной последовательности:
– вначале формируется образ действия-движения в программирующих отделах ЦНС (1—2). Это фаза, связанная с возникновением и (или) последовательным уточнением двигательных представлений, играющих кардинально важную роль как в самом начале обучения, так и в дальнейшем, вплоть до выработки установки на исполнение упражнения в соревнованиях. Сформировавшиеся двигательные представления являются по сути, своего рода, программой двигательного действия;
– при наличии сформированной программы, психологической установки и должной функциональной готовности на конкретное исполнение двигательного действия, в управляющих отделах ЦНС (3) генерируется командный, эфферентный сигнал или – сигнал прямой связи. Это фактическое начало непосредственного двигательного акта (4);
– эфферентный импульс вызывает возбуждение мышечного аппарата (5), дающего некоторый первичный эффект (6) в виде усилия, движения и т.п.;
– результат физической работы, полученный в этом цикле действий, подлежит рецепции (7), т.е. оценке сенсорными системами, функционально соответствующими полученному движению;
– информация о результатах рецепции поступает в виде афферентного сигнала или сигнала обратной связи (8) в аппараты сравнения ЦНС (9);
– в аппаратах сравнения происходят анализ и синтез полученной информации на предмет соответствия программного движения фактически полученному результату. Если последний соответствует ранее заданной программе, исполнение упражнения может быть продолжено (10). При рассогласовании того и другого (что весьма типично для обучения) программа экстренно корректируется (11);
– в дальнейшем генерируется вторичный эфферентный импульс (12—13), также поступающий в эффекторы (14) и дающий некоторый новый результат (15), подвергающийся очередной рецепции (16, 17).
Описанный циклический процесс повторяется до тех пор, пока сохраняется потребность и возможность исполнения управляемого произвольного двигательного действия.
Сенсорные коррекции. Таким образом, можно убедиться, что процесс управления носит кольцеобразный характер и строится на основе обратной связи, получаемой от сенсорных систем. Перестройки, которые благодаря этому могут вноситься в движение, носят наименование сенсорных коррекций, без которых никакое произвольное движение не может быть управляемым15.
Интересно отметить, что в приведенной схеме управления двигательным актом как бы в снятом виде отражается весь процесс освоения спортивного упражнения, включающий в себя создание и совершенствование необходимых двигательных представлений, углубленное разучивание движения с его последовательной коррекцией и совершенствованием, а также методы и средства такой работы.