Биомеханика спринтерского бега.

Спринт включает фазу быстрого ускорения, за которой следует фаза поддержания скорости. На начальном этапе спринта бегуны наклоняют верхнюю часть тела вперед, чтобы направить силы реакции опоры более горизонтально. Когда они достигают максимальной скорости , туловище выпрямляется и принимает вертикальное положение. Цель спринта – достичь и поддерживать высокую максимальную скорость, чтобы преодолеть заданную дистанцию в кратчайшие сроки. Множество исследований было посвящено количественной оценке биологических и математических факторов, управляющих спринтом. Было обнаружено, что для достижения таких высоких скоростей спринтерам приходится прикладывать большую силу к земле для достижения желаемого ускорения , а не делать более быстрые шаги.

Количественная оценка механики спринта и основных уравнений

В предыдущих исследованиях человеческие ноги во время ходьбы были механически упрощены до набора перевернутых маятников , тогда как при беге на длинные дистанции (характеризующемся подпрыгивающей походкой) ноги моделировались как пружины . До недавнего времени считалось, что более высокой скорости спринта способствуют исключительно физиологические особенности, которые увеличивают длину и частоту шагов; Хотя эти факторы действительно влияют на скорость спринта, также было обнаружено, что способность бегуна развивать наземную силу также очень важна.

Вейанд и др. (2000) ^{[ 1 ]} придумал следующее уравнение для определения скорости спринта:

V=f_{\text{step}}F_{\text{avg}}/W_{\text{b}}L_{\text{c}},

где $V$ - скорость спринта (м/с), $f_{\text{step}}$ частота шага (1/с), $F_{\text{avg}}$ средняя сила, приложенная к земле (Н), $W_{\text{b}}$ вес тела (Н) и $L_{\text{c}}$ длина контакта (м).

Короче говоря, скорость спринта зависит от трех основных факторов: частоты шагов (сколько шагов вы можете сделать в секунду), средней вертикальной силы, приложенной к земле, и длины контакта (на расстояние, на которое перемещается ваш центр массы в течение одного периода контакта). ). Формула была протестирована на испытуемых, бегущих на силовой беговой дорожке (которая представляет собой беговую дорожку, содержащую силовую пластину для измерения сил реакции опоры (GRF)). Рисунок 1 ^{[ который? ]} примерно показывает, как выглядят показания силовой пластины на протяжении трех шагов. Хотя это уравнение оказалось достаточно точным, исследование было ограничено в том смысле, что данные собирались с помощью силовой пластины, которая измеряла только вертикальную GRF, а не горизонтальную GRF. Это привело некоторых людей к ложному утверждению, что простое приложение большей вертикальной (перпендикулярной) силы к земле приведет к большему ускорению, что далеко не верно (см. исследования Морена ниже).

В 2005 году Хантер и др. ^{[ 2 ]} провел исследование, которое определило взаимосвязь между скоростью спринта и относительными импульсами , в ходе которого были собраны и проанализированы данные о походке и силе реакции опоры. Было обнаружено, что во время ускоренного бега типичная фаза поддержки характеризуется фазой торможения, за которой следует фаза движения (-FH, за которой следует +FH). Общей тенденцией у самых быстрых испытуемых было то, что возникало лишь умеренное или низкое количество вертикальной силы и большое количество горизонтальной силы. После исследования автор выдвинул гипотезу, что тормозные силы необходимы для накопления упругой энергии в мышечной и сухожильной ткани. Это исследование в общих чертах подтвердило важность горизонтального и вертикального GRF во время фазы ускорения спринтерского бега. К сожалению, поскольку данные были собраны на отметке 16 м, их оказалось недостаточно для того, чтобы сделать однозначные выводы относительно всей фазы ускорения.

Морин и др. (2011) ^{[ 3 ]} провели исследование по изучению важности сил реакции опоры, предложив спринтерам бегать на силовой беговой дорожке, которая измеряла как горизонтальные, так и вертикальные силы реакции опоры. Скорость ленты измерялась для каждого шага и проводились расчеты, чтобы найти «индекс техники приложения силы», который определяет, насколько хорошо испытуемые способны применять силу в горизонтальном направлении.

Во второй половине теста испытуемые выполняли спринт на 100 метров по искусственной дорожке, используя радар для измерения скорости бегунов вперед и создания кривых зависимости скорости от времени. Основной результат этого исследования показал, что техника приложения силы (а не просто общее количество приложенной силы) является ключевым определяющим фактором в прогнозировании скорости спринтера. Это еще предстоит интегрировать в основное уравнение спринта.

Кинетика

Кинетика . бега описывает движение бегуна с использованием эффектов сил, действующих на тело или извне Большинство факторов, способствующих возникновению внутренних сил, связано с активацией мышц ног и размахом рук.

Активация мышц ног

Мышцы, отвечающие за ускорение бегуна вперед, должны сокращаться с возрастающей скоростью, чтобы приспособиться к возрастающей скорости тела. Во время фазы ускорения спринтерского бега сократительный компонент мышц является основным компонентом, отвечающим за выходную мощность . Как только устойчивая достигнута скорость и спринтер находится в вертикальном положении, значительная часть мощности поступает за счет механической энергии, запасенной в «последовательных эластичных элементах» во время растяжения сократительных мышц, которая высвобождается сразу после фазы положительной работы . ^{[ 4 ]} По мере увеличения скорости бегуна эффекты инерции и сопротивления воздуха становятся ограничивающими факторами для максимальной скорости спринтера.

Ранее считалось, что существует внутримышечная вязкая сила, увеличивающаяся пропорционально скорости мышечного сокращения , противодействующая сократительной силе; с тех пор эта теория была опровергнута. ^{[ 5 ]}

В исследовании, проведенном в 2004 году, модели походки бегунов на длинные дистанции, спринтеров и людей, не занимающихся бегом, измерялись с помощью видеозаписи. Каждая группа пробежала 60 метров со скоростью 5,81 м/с (что соответствует бегу на длинные дистанции) и с максимальной скоростью бега. Исследование показало, что не-спринтеры бежали неэффективной походкой в испытаниях на максимальную скорость, в то время как все группы бегали энергетически эффективными походками в испытаниях на дистанцию. Это указывает на то, что развитие экономичной формы бега на длинные дистанции — естественный процесс, тогда как спринт — это освоенная техника, требующая практики. ^{[ 6 ]}

Качели руками

Вопреки выводам Mann et al. (1981), ^{[ 7 ]} Качание рук играет жизненно важную роль как в стабилизации туловища, так и в вертикальном движении. Что касается стабилизации туловища, размах рук служит для уравновешивания вращательного момента, создаваемого размахом ног, как предположили Хинрикс и др. (1987). ^{[ 8 ]} Короче говоря, спортсмену было бы трудно контролировать вращение туловища без размахивания руками.

То же исследование ^{[ 8 ]} также предположил, что, в отличие от распространенного мнения, возможности создания горизонтальной силы руками ограничены из-за поворота назад, следующего за поворотом вперед, поэтому эти два компонента уравновешивают друг друга. Однако это не означает, что размах рук вообще не способствует движению во время спринта; Фактически, он может составлять до 10% от общей вертикальной движущей силы, которую спринтер может приложить к земле. Причина этого в том, что, в отличие от движения вперед-назад, обе руки синхронизированы в своем движении вверх-вниз. В результате никакого списания сил нет. У эффективных спринтеров размах рук начинается от плеча и имеет действие сгибания и разгибания, которое имеет ту же величину, что и сгибание и разгибание, происходящее на ипсилатеральном плече и бедре.

Энергетика

Ди Прамперо и др. ^{[ 9 ]} математически количественно определяет стоимость фазы ускорения (первые 30 м) спринтерского бега посредством экспериментальных испытаний. Субъекты неоднократно бежали по дорожке, а радар определял их скорость. Кроме того, это было обнаружено в предыдущей литературе. ^{[ 10 ]} что энергетика спринтерского бега по ровной местности аналогична бегу в гору с постоянной скоростью. Ниже приведен пример математического процесса вывода:

В начальной фазе спринтерского бега общее ускорение, действующее на тело ( $g'$ ) представляет собой векторную сумму ускорения вперед и ускорения Земли под действием силы тяжести :

g'=((a_{\text{f}}^{2}+g^{2}))^{0.5}

«Эквивалентный наклон» (ES) при спринте по ровной поверхности составляет:

{\text{ES}}=\tan \left(90-\arctan \left(g+a_{\text{f}}\right)\right)

Тогда определяют «эквивалентную нормализованную массу тела» (ЭМ):

{\text{EM}}={\frac {g'}{g}}=\left[\left({\frac {a_{\text{f}}^{2}}{g^{2}}}+1\right)\right]^{0.5}

После сбора данных стоимость спринта ( $C_{\text{sr}}$ ) оказалось:

C_{\text{sr}}=((155.4\,{\text{ES}})^{5}-(30.4\,{\text{ES}})^{4}-(43.3\,{\text{ES}})^{3}+(46.3\,{\text{ES}})^{2}+19.5\,{\text{ES}}+3.6)\,{\text{EM}}

Приведенное выше уравнение не учитывает сопротивление ветра, поэтому учитывая стоимость бега против сопротивления ветра ( $C_{\text{aer}}$ ), который, как известно:

C_{\text{aer}}=k'v^{2}

Объединив два уравнения, получим:

C_{\text{sr}}=((155.4\,{\text{ES}})^{5}-(30.4\,{\text{ES}})^{4}-(43.3\,{\text{ES}})^{3}+(46.3\,{\text{ES}})^{2}+19.5\,{\text{ES}}+3.6)\,{\text{EM}}+k'v^{2}

Где $g'$ - ускорение тела бегуна, $a_{\text{f}}$ ускорение вперед, $g$ ускорение силы тяжести, $k'$ константа пропорциональности и $v$ скорость.

Эффекты усталости

Усталость является важным фактором в спринте, и уже широко известно, что она препятствует максимальной мощности мышц, но также влияет на ускорение бегунов способами, перечисленными ниже.

Субмаксимальная мышечная координация

Исследование мышечной координации ^{[ 11 ]} в котором испытуемые выполняли повторяющиеся 6-секундные велосипедные спринты или прерывистые спринты короткой продолжительности (ISSD), продемонстрировали корреляцию между снижением максимальной выходной мощности и изменениями координации движений . В этом случае координация движений относится к способности координировать движения мышц для оптимизации физического действия, поэтому субмаксимальная координация указывает на то, что мышцы больше не активируются синхронно друг с другом. Результаты исследования показали задержку между латеральной широкой мышцей бедра (ВЛ) и двуглавой мышцей бедра (БФ). Поскольку снижение мощности во время ISSD происходило одновременно с изменениями координации VL-BF, указывается, что изменения в межмышечной координации являются одним из факторов, способствующих снижению выходной мощности в результате утомления. Это было сделано с помощью спринтерского бега на велосипеде, но с точки зрения бегуна эти принципы применимы и к спринтерскому бегу.

Препятствие применению эффективных методов приложения силы

Морин и др. ^{[ 12 ]} исследовали влияние усталости на производство силы и технику приложения силы в исследовании, в котором спринтеры выполняли четыре подхода по пять 6-секундных спринтов, используя ту же беговую дорожку, что упоминалось ранее. Были собраны данные об их способности создавать силы реакции земли, а также об их способности координировать соотношение наземных сил (горизонтальных и вертикальных), чтобы обеспечить большее горизонтальное ускорение. Непосредственные результаты показали значительное снижение производительности с каждым спринтом и более резкое снижение темпов снижения производительности с каждым последующим набором данных. В заключение следует отметить, что было очевидно, что это сильно повлияло как на общий потенциал производства сил, так и на технические возможности применения сухопутных войск.

Профилактика травм

Беговая походка (биомеханика) очень важна не только для эффективности, но и для предотвращения травм. Ежегодно примерно от 25 до 65% всех бегунов получают травмы, связанные с бегом. ^{[ 13 ]} Причиной травм часто называют неправильную механику бега. Однако мало кто предлагает изменить режим бега человека, чтобы снизить риск травм. специализирующиеся на носимых технологиях, Компании, такие как I Measure U, создают решения, используя данные биомеханики, для анализа походки бегуна в режиме реального времени и предоставления обратной связи о том, как изменить технику бега, чтобы снизить риск травм. ^{[ 14 ]}

Ссылки

^ Вейанд, Питер Г., Дебора Б. Стернлайт, Мэтью Дж. Беллицци и Сет Райт. «Более высокая максимальная скорость бега достигается за счет увеличения силы наземных усилий, а не за счет более быстрых движений ног». Журнал прикладной физиологии 89 (2000): 1991–999.
^ Хантер, JP. «Взаимосвязь между импульсом силы реакции земли и кинематикой ускорения при спринтерском беге». Журнал биомеханики 21 (2005): 31–43.
^ Морен, Жан-Бенуа, Паскаль Эдуард и Пьер Самозино. «Техническая способность приложения силы как определяющий фактор производительности в спринте». Медицина и наука в спорте и физических упражнениях 43.9 (2011): 1680-688.
^ Каванья, Джованни А., Л. Комарек и Стефания Маццолени. «Механика спринтерского бега». Журнал физиологии 217 (1971): 709-21.
^ Фурусава, К., А.В. Хилл и Дж.Л. Паркинсон. «Динамика «спринтерского» бега». Труды Королевского общества B: Биологические науки 102.713 (1927): 29-42.
^ Бушнелл, Тайлер Дуайт. Биомеханический анализ спринтеров и бегунов на длинные дистанции на равных и максимальных скоростях. Диссертация. Университет Бригама Янга. Кафедра физических упражнений, 2004 г.
^ Манн, Ральф В. «Кинетический анализ спринта». Медицина и наука в спорте и физических упражнениях 13.5 (1981): 325-28.
^ Jump up to: ^а ^б Хинрикс, Р.Н. «Функция верхних конечностей при беге. II: Вопросы углового момента». Международный журнал спортивной биомеханики 3 (1987): 242–63.
^ Ди Прамперо, PE, С. Фузи, Дж. Б. Морин, А. Белли и Г. Антонутто. «Спринтерский бег: новый энергетический подход». Журнал экспериментальной биологии 208.14 (2005): 2809-816.
^ Ди Прамперо, PE, С. Фузи и Г. Антонутто. «О спринтерском беге или беге в гору?» Журнал физиологии 543 (2002): 198.
^ Бийо, Ф., Ф. Бассет и Г. Фальгеретт. «Изменения координации мышц во время прерывистых велосипедных спринтов». Neuroscience Letters 380.3 (2005): 265–69.
^ Морен, Жан-Бенуа, Пьер Самозино, Паскаль Эдуард и Катя Томазин. «Влияние усталости на производство силы и технику приложения силы во время повторных спринтов». Журнал биомеханики 44.15 (2011): 2719-723.
^ Питер Кавана, доктор философии. Биомеханика бега на длинные дистанции. Глава 2, Кинетика человека, 1990 г.
^ Носимые технологии - Марк Финч, I Measure U NZ Herald

[weyand-1] Вейанд, Питер Г., Дебора Б. Стернлайт, Мэтью Дж. Беллицци и Сет Райт. «Более высокая максимальная скорость бега достигается за счет увеличения силы наземных усилий, а не за счет более быстрых движений ног». Журнал прикладной физиологии 89 (2000): 1991–999.

[2] Хантер, JP. «Взаимосвязь между импульсом силы реакции земли и кинематикой ускорения при спринтерском беге». Журнал биомеханики 21 (2005): 31–43.

[3] Морен, Жан-Бенуа, Паскаль Эдуард и Пьер Самозино. «Техническая способность приложения силы как определяющий фактор производительности в спринте». Медицина и наука в спорте и физических упражнениях 43.9 (2011): 1680-688.

[4] Каванья, Джованни А., Л. Комарек и Стефания Маццолени. «Механика спринтерского бега». Журнал физиологии 217 (1971): 709-21.

[5] Фурусава, К., А.В. Хилл и Дж.Л. Паркинсон. «Динамика «спринтерского» бега». Труды Королевского общества B: Биологические науки 102.713 (1927): 29-42.

[6] Бушнелл, Тайлер Дуайт. Биомеханический анализ спринтеров и бегунов на длинные дистанции на равных и максимальных скоростях. Диссертация. Университет Бригама Янга. Кафедра физических упражнений, 2004 г.

[7] Манн, Ральф В. «Кинетический анализ спринта». Медицина и наука в спорте и физических упражнениях 13.5 (1981): 325-28.

[hinrichs-8] Jump up to: ^а ^б Хинрикс, Р.Н. «Функция верхних конечностей при беге. II: Вопросы углового момента». Международный журнал спортивной биомеханики 3 (1987): 242–63.

[9] Ди Прамперо, PE, С. Фузи, Дж. Б. Морин, А. Белли и Г. Антонутто. «Спринтерский бег: новый энергетический подход». Журнал экспериментальной биологии 208.14 (2005): 2809-816.

[10] Ди Прамперо, PE, С. Фузи и Г. Антонутто. «О спринтерском беге или беге в гору?» Журнал физиологии 543 (2002): 198.

[11] Бийо, Ф., Ф. Бассет и Г. Фальгеретт. «Изменения координации мышц во время прерывистых велосипедных спринтов». Neuroscience Letters 380.3 (2005): 265–69.

[12] Морен, Жан-Бенуа, Пьер Самозино, Паскаль Эдуард и Катя Томазин. «Влияние усталости на производство силы и технику приложения силы во время повторных спринтов». Журнал биомеханики 44.15 (2011): 2719-723.

[13] Питер Кавана, доктор философии. Биомеханика бега на длинные дистанции. Глава 2, Кинетика человека, 1990 г.

[14] Носимые технологии - Марк Финч, I Measure U NZ Herald

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]