Основные предпосылки создания адаптивного тренажерного
комплекса
Идея создания настоящей конструкции возникла в процессе изучения существующих концепций относительно характера и особенностей работы мышц при выполнении скоростно-силовых упражнений, а именно:
- сила развивается в большей степени в той точке (отрезке пути) движения, где преодолевается наибольшее сопротивление или вес отягощения (63,174,468 и др.)
- движение спортсмена в процессе выполнения спортивного упражнения сопровождается проявлением силового и скоростного акцентов на раз
-
личных участках (291) и выражается в виде обратной зависимости : увеличение скорости ведет к падению силы (357);
- тренировки с большими весами отрицательно влияют на скорость сокращения мышц (302) и координационную структуру соревновательных упражнений (350). Тренировка с малыми весами, совершенствуя пространственные параметры и развивая быстроту движения, оказывает тормозящее воздействие в развитии силы (302);
- сравнение изокинетического режима работы мышц при скорости, равной средней скорости выполнения изотонического упражнения, показывает, что в начальной и конечной фазах движения изотоническая сила выше, тогда как изокинетическая превосходит изотоническую в средней фазе движения. Эта закономерность характерна как для быстрых, так и для медленных движений (465). Значит, применяя тот или иной режим работы мышц, можно делать акцент на развитие силы в разных фазах движения;
- в тех случаях, когда максимум проявления мышечных усилий соответствует растянутому положению мышц, сила приобретенная в процессе тренировки, более или менее равномерно проявляется во всем диапазоне движения. Если же максимум силы, проявляемой спортсменом, соответствует укороченному состоянию мышц, то, при других положениях тела прирост силы сравнительно мал (273,275);
- тренировка в изокинетическом режиме увеличивает силу, скорость и результат в отдельных фазах движения намного быстрее, чем тренировка в других режимах (486);
- тренировка в изокинетическом режиме улучшает скоростные свойства мышц, повышает абсолютный градиент мышечного сокращения, ведет к значительному росту динамической силы, особенно в диапазоне скоростей близких к тренировочным (50);
-
- тренировка в высокоскоростном изокинетическом режиме эффективнее в развитии скоростно-силовых качеств по сравнению с низкоскоростным (50, 478);
- ударный режим работы мышц стимулирует скорость сокращения мышц благодаря сочетанию уступающего и преодолевающего режимов, сокращение мышц наступает после предварительного резкого растяжения работающих мышц за счет кинетической энергии падения тела (снаряда) или за счет кинетической энергии вращающегося маховика во время остановки. Наибольший прирост скорости и мощности усилия достигается в начальной фазе движения (58,261,271);
- смешанный режим деятельности мышц - статодинамический, сочетающий в себе изометрический (в начале движения) с динамическим (в конце его), является более эффективным для развития силовых, скоростно-силовых и скоростных качеств, чем динамический режим (105, 108, 109, 193);
Из данных рассуждений следует, что ударный режим работы мышц эффективен в первой фазе движения, изокинетический создает преимущества в средней фазе движения, а изотонический и статодинамический - в финальной фазе движения.
Анализ экспериментальных данных о характере распределения динамической силы показал, что он не зависит от максимальной величины силы, а связан с умением рационального воздействия (при равных показателях максимальной величины силы) на снаряд на всем пути при сохранении структуры основного спортивного упражнения. Поддержание значительного уровня динамической силы на протяжении всего движения говорит об эффективности распределения силы и правильном техническом выполнении броскового движения. Все части финального усилия выполняются со значительным мышечным напряжением. Показатели средней динамиче
ской силы в этом случае самые высокие. Нарастание усилий должно быть оптимальным и зависеть от максимальных силовых возможностей, которые метатель может проявить в конечной части финального усилия, с учетом веса отягощения и длины пути разгона (32).
В метательных движениях при возрастании стартовой скорости должна возрастать и скорость конечная, так как согласно, исследованиям развиваемая мышцей сила уменьшается с увеличением скорости ее укорачивания (357).
Но при недостаточной степени сопротивления (устройств или снарядов) мало стимулируется напряжение мышц и невозможно проявить значительные величины силы.
Для эффективной реализации силовых возможностей метателя необходимо учитывать характер распределения усилий, как при выполнении финального движения, так и при выполнении специальной работы для развития физических качеств и формирования двигательного навыка (30).
Применение тренажерных устройств, позволяющих повысить избирательность воздействия на нервно-мышечный аппарат спортсмена путем исследования различных сочетаний режимов работы мышц, является одним из прогрессивных направлений в совершенствовании методики развития скоростно-силовых качеств (8).
Оснащение тренажеров приспособлениями для измерения величины внешнего сопротивления позволяет более эффективно решать задачи сопряжения технической и физической подготовок (292).
Управление состоянием функциональных систем потребует осуществления более широкое использование в повседневной практики различного рода устройств, объективной оценки показателей деятельности этих систем, а также повлечет за собой резкое усиление внимания к использованию стендов для контролируемого, многократного воспроизведения трениро
вочных упражнений и для освоения режимов максимально полной реализации потенциальных возможностей спортсменов (294).
На основании вышеизложенного нами сделано заключение о необходимости создания устройства для управления развитием силы, скоростью сокращения мышц и техникой выполнения финального усилия в метаниях, позволяющего спортсмену в первой фазе метательного движения осуществлять работу спортсмена в ударном режиме, во второй - в изокинетическом; в третьей фазе - по типу динамического срыва, когда сопротивление резко убывает. Такое устройство создано нами и апробировано в процессе проведения данного исследования. Класс новых тренажеров, в которых величина нагрузки регулируется автоматически по параметрам выполнения упражнения спортсменом, которые являются результатом деятельности функциональных систем организма, названы нами адаптивными тренажерами. Величина сопротивления устройства тренажера адаптируется (приспосабливается) к состоянию функциональных систем организма в момент подготовки упражнения (например, замах) в ациклических видах спорта и в процессе выполнения упражнения в циклических и ациклических видах спорта
Устройство адаптивного тренажерного комплекса (АТК) и принцип его
работы
Схема взаимодействия спортсмена и тренажерного комплекса представлена на рисунке 10.
Тренажерный комплекс состоит (рис. И) из рамы 1, в которой закреплен вал 2. На нем жестко установлен барабан 3 для наматывания троса 4. Один конец троса крепится у основания барабана второй - заканчивается ручкой 5, для захвата при выполнении упражнения.
Устройство типа центробежного регулятора
Тензометрический датчик
Тензоус
зилитель
Датчик перемещения
Пр ео бразователь сигналов
Самопишущее устройство
Рис. 10.
Схема взаимодействия спортсмена и тренажерного комплекса
На валу 2 жестко закреплена ось 6; на концах ее шарнирно крепятся рычаги 7 со съемными грузами 8, которые могут раздвигаться до горизонтального положения.
Для придания жесткости вращающейся системе на валу 2, размещена (с возможностью перемещения) муфта 9,связанная шарнирно посредством рычагов 10 с рычагами 7.
Узел регистрации биомеханических характеристик состоит из датчика силы (ДС), датчика перемещения (ДП), блока усилителя (БУ), блока питания, самопишущего устройства (СУ) или АЦП с выходом на персональный компьютер.
Работает устройство следующим образом. Спортсмен, взяв рукоятку 5 и приняв исходное положение, выполняет бросковое движение. Трос, сматываясь с барабана вращает всю систему рычагов с грузами. После окончания движения трос наматывается на барабан, спортсмен снова принимает исходное положение, останавливая вращающуюся систему, а затем выполняет следующее бросковое движение. Их можно выполнять как сериями, так и одиночно. При выполнении упражнения сериями отсутствуют паузы между остановкой вращающейся системы и следующим броско-вым движением. Это позволяет использовать энергию вращающейся системы при торможении для резкого (ударного) растяжения мышц, стимулирующую нервно-мышечный аппарат и создающую в мышцах упругий потенциал напряжения, что способствует более быстрому последующему их сокращению. Можно выполнять движение и одиночно, т.е. делать паузу между торможением системы и следующим бросковым движением. В этом случае стимуляции нервно-мышечного аппарата не происходит, т.к. упругий потенциал мышц не используется. По окончании упражнения мы имеем графическую запись силы, перемещения, скорости движения,
находящейся в зависимости от времени. Скорость движения получаем методом дифференцирования перемещения.
5.3. Взаимодействие спортсмена и АТК в метательном (бросковом)
движении
Известно, что при взаимодействии спортсмена с тренажерным комплексом, в зависимости от силы и скорости выполнения упражнения создается разное сопротивление, при этом одно и то же сопротивление можно получить разными способами:
Fd = I-s
где F - сила тяги мышц, d - плечо силы,
/ (т, R) - момент инерции, ? - угловое ускорение. Для тренажерного комплекса эта формула верна во всех случаях:
- когда разные массы грузов можно закреплять на разном расстоянии от оси вращения, т.е. в этом случае тренажерное устройство работает как маховик (инерционный вариант использования тренажерного комплекса);
- адаптивный вариант использования тренажерного комплекса когда рычаги с грузом не закреплены, спортсмен, прикладывая силу тяги (F), вращает барабан радиусом (d). Под влиянием возникающей центробежной силы рычаги с грузами расходятся на угол (&) тем больший, чем выше угловая скорость (со) и чем дальше рычаги с грузами от оси вращения ( R).
tga = (mca2R)l mg = co2RI g
В этом варианте использования комплекса внешнее сопротивление возрастает, когда растет tg ОС, т.е. за счет увеличения радиуса вращения рычагов с грузами (R ) и увеличивающейся скорости ( со).
Работа, совершаемая спортсменом, направлена на изменение кинетической энергии вращения всей системы и потенциальной энергии рычагов с
грузами: где (S) расстояние действия силы тяги (F) спортсмена,
J FdS = (тсо2 -R2)/2 + mgH = [та2 • (/sin а)2 ]/2 + mgl^-cosa), когда рычаги с грузами расходятся до (2а = 180° ) OL = 90° и Since = 1.
jFdS = ni6)2'I2/2 + mgI
и работа спортсмена в этот момент направлена на изменение только кинетической энергии, так как конструкция устройства не позволяет выше подниматься грузам (потенциальная энергия грузов равная mgl остается постоянной, если угол при выполнении упражнения не изменяется). Часть работы совершаемой спортсменом по поднятию грузов (когда угол станет
равным ((X = 90 ) будет направлена на изменение кинетической энергии вращения рычагов с грузами, что приведет к изменения скорости вращения барабана в сторону увеличения, что вызовет резкое увеличение скорости метательного движения спортсмена.
Изменение скорости вращения барабана тренажерного комплекса ведет к увеличению центробежной силы и разбрасыванию грузов от оси вращения (увеличению угла СХ).
*
Поскольку основное нагрузочное устройство выполнено в виде центробежного регулятора, изменение скорости ведет к изменению (увеличению) внешнего сопротивления, т.е. сопротивление устройства регулируется по скорости выполнения упражнения, но это происходит тогда, когда грузы
расходятся до угла ОС
сопротивления стремится свести ускорение движения спортсмена к нулю. Это происходит тогда, когда сила, проявляемая спортсменом, больше соответствует возникающей центробежной силе, а величину центробежной силы мы можем изменить, увеличив массу грузов или длину рычага.
Исследование биомеханических характеристик метательных движений на тренажерном комплексе осуществлялось с учетом особенностей его работы и массы используемых грузов.
По анализу особенностей проявления силы во времени определялись режимы работы мышц.
1. Изотонический режим (Рис. 12, 13).
Если на рычаги 7 надеваются ограничители, не позволяющие им расходиться, величина нагрузки дозируется массой грузов 8. Величина сопротивления устройства в этом случае остается постоянной на всем пути выполнения упражнения. Аналогичный режим работы создается такими известными устройствами как: инерционный динамограф, а также всеми спортивными снарядами: штангой, ядром, гранатой и др.
2. Ударно-изотонический (Рис.12,13).
Ударно-изотонический режим работы мышц осуществляется при по-
вторном выполнении метательных движений (с использованием тренажер-
ного комплекса в качестве инерционного динамографа), т.е. метательному
движению предшествует уступающая работа мышц.
3. Изокинетический режим (Рис. 12, 13).
При работе на тренажерном комплексе одиночными движениями, когда рычаги с грузами не расходятся до горизонтального положения, мышцы спортсмена работают в изокинетическом режиме.
Применение предложенного "тренажерного комплекса" позволяет расширить возможности "Аппарата для упражнений" (патент США № 3640530),
F(H) f
-170-
-- изотонический режим
- - ударно - изотонический режим
-О" изокинетический режим
ударно - изокинетический режим
Рис 13. График скорости
Рис 14. График скорости
изокинетическо - динамическо - скоростной режим ударно - изокинетическо - динамическо - скоростной режим
создающего изокинетический режим работы мышц за счет сил трения. АПК позволяет сочетать изокинетический режим в одном движении спортсмена с другими существующими. Полученные смешанные режимы работы мышц, не претендуя на окончательное название, могут быть названы следующими режимами: ударно-изокинетическим, изокинетическо-динамическо - скоростным, ударно - изокинетическо - динамическо-скоростным.
4. Ударно-изокинетический режим (Рис. 12, 13).
При выполнении бросковых упражнений сериями, второе и после-
дующие выполнения упражнения происходят на качественно новом ис-
ходном уровне работы мышц, использующих упругий потенциал напряже-
ния, возникающий при торможении устройства и способствующий более
быстрому их сокращению. Затем упражнение выполнятся в изокинетиче-
ском режиме, вынуждающем спортсмена проявить околомаксимальную
силу с относительно постоянной скоростью движения.
* 5. Изокинетическо-динамическо-скоростной режим (Рис. 14).
Одиночные бросковые движения до выхода рычагов с грузами в горизонтальное положение спортсмен выполняет в изокинетическом режиме. В момент вращения рычагов с грузами в горизонтальном положении - сопротивление устройства резко падает и тренирующийся в финальной фазе проявляет динамическую работу взрывного характера с гораздо более высокой скоростью.
6. Ударно-изокинетическо-динамическо-скоростной режим (Рис.14). При выполнении бросковых движений сериями, когда рычаги с грузами расходятся до горизонтального положения, второе и последующие движения будут выполняться в ударно-изокинетически-динамическо-скоростном режиме. Начало упражнения происходит в ударном, середина -в изокинетическом, а заключительная фаза - в динамическо-скоростном
режимах (по типу динамического срыва, когда сопротивление устройства резко убывает, стремится к нулю).
Таким образом, "Адаптивный тренажерный комплекс" позволяет осуществлять тренировку в шести режимах работы мышц. Дифференцировать нагрузку, создаваемую спортсмену, можно, используя тот или другой режим, применяя их в различных комбинациях, либо регулируя это автоматически. В последнем случае требуется установить такую длину рычагов и массу грузов, чтобы спортсмен был не в состоянии развести их до горизонтального положения. По мере роста силы работающих мышц эти грузы расходятся все ближе к 180°, а затем (когда грузы разойдутся до горизонтального положения) мышцы автоматически переходят на новый динамиче-ско-скоростной режим работы.
По мере роста силы мышц грузы будут расходиться ближе до горизонтального положения, и этот переход осуществляется быстрее.
Большой интерес вызывает ударно-изокинематическо-динамическо-скоростной режим работы, который позволяет управлять силой спортсмена на протяжении одного движения. В начале движения создаются оптимальные условия для развития взрывной силы, в середине движения мышцы работают с максимальной силой, а в финальной фазе создаются условия для проявления скорости движения.
5.4. Кинематические, динамические и временные характеристики метательных движений, выполняемых на адаптивном тренажерном
комплексе
Исследование осуществлялось с целью определения количественных и качественных отличий биомеханических параметров метательных движений спортсмена во взаимодействии с разными условиями использования тренажерного комплекса и при разных предрабочих состояниях мышц
участвующих в работе.
Процедура сравнения кинематических и динамических показателей проводилась на результатах одного из испытуемых студентов подготовительного отделения, результаты которого мало чем отличались в метании гранаты и других скоростно-силовых показателях от результатов студентов, принимавших участие в педагогическом эксперименте.
Сравнительный анализ длительности выполнения упражнения.
Задача исследования - выявление временных различий.
Продолжительность выполнения упражнения (табл.3) в изокинетическом режиме равна 2,5 с, в ударно- изокинетическом -2,2 с, в изотоническом - 1,07 с и в ударно-изокинетическом - 0,9 с.
Упражнение в изокинетическом режиме выполняется дольше на 0,3 с, чем в ударно- изокинетическом или на 13,6%, Р
Сравнение силовых характеристик метательного движения.
Задача исследования - выявление силовых различий.
При исследовании динамограмм по максимальным пиковым значениям силы (табл. 3) выявлено, что сила в изотоническом режиме и в ударно-изотоническом равна 240 Н, в изокинетическом - 260 - Н, в ударно-изокинетическом - 260 Н., т.е. сила в ударно-изокинетическом режиме равна максимуму силы в изокинетическом.
Максимум силы, развиваемой в изокинетическом режиме и ударно
изокинетическом - на 20 Н или на 8,33% больше, чем в изотоническом и ударно-изотоническом режимах (Р > 0,05).
Проявление импульса силы Импульс силы (табл.3) ( площадь под кривой силы во времени) имеет следующие показатели: в изотоническом режиме - 96 Н с, в ударно-изотоническом -103 Н с, в изокинетическом - 404,8 Н с и в ударно-изокинетическом 423,2 Н с. Таким образом, самый большой импульс силы в ударно - изокинетическом режиме - он на 18,4 Н с (4,5%) больше импульса силы в изокинетическом режиме (Р
Проявление градиента силы (взрывной силы)
С целью изучения особенностей выполнения начальной фазы движения на тренажерном комплексе, в исследуемых режимах рассчитывался градиент силы (отношение первого максимума силы ко времени его достижения), который характеризует уровень развития взрывной силы.
Показатели градиента силы (табл. 3) в ударно-изокинетическом составляют 903 Н/с, в ударно-изотоническом 490 Н/с, в изокинетическом -460 Н/с и в изотоническом - 357 Н/с. Самое большое значение градиента (взрывной силы) в ударно-изокинетическом режиме - оно на 540 Н/с (117%) больше, чем в изокинетическом режиме (р
Показатель фадиента силы ударно-изотонического режима на 133 Н/с (6,52% Р
Скоростная характеристика движения
Одной из задач исследования было выявление различий максимальной скорости выполнения метательного движения.
По графику скорости (табл.3) максимальное ее значение достигалось в изотоническом и ударно-изотоническом режимах, эти значения равнялись 5,75 м/с и 5,875 м/с (Р>0,05), а в изокинетическом и ударно-изокинетичеком - 2,8 м/с. Разница в результатах: 2,95 м/с и 3,075 м/с (Р
5.5. Комплексное исследование адаптивного тренажерного комплекса в простейшем односуставном движении
Для сравнения исследуемых параметров в сложных технических движениях, проведено комплексное исследование адаптивного тренажерного комплекса в простейших одно-суставных движениях. Впервые получены данные компьютерного анализа следующих показателей: мощности движения, силы, скорости, гониограммы, перемещения и значение работы при сгибании руки в локтевом суставе и при разгибании ноги в коленном суставе на адаптивном тренажерном комплексе в адаптивном режиме (изокинетическом) и известном режиме изотоническом.
Для этих исследований изготовлено специальное адаптивное тренажерное устройство. Исследование включало в себя проведение измерений у одного и того же спортсмена при разгибании ноги в коленном суставе и при сгибании руки в локтевом суставе: 1) максимальной изометрической силы
в разных углах; 2) максимальной силы при выполнении движения в суставе при раскручивании нагрузочного тренажерного устройства в изокинетическом режиме и изотоническом (грузы закреплены и не поднимаются); 3) по значениям перемещения определялись значения скорости упражнения в изучаемых режимах; 4) по значениям мгновенной скорости и силы в данный момент рассчитывались показатели мощности движения и выводились на экран компьютера в виде графика; 5) интегральный показатель силы -импульс силы также рассчитывался и выдавался в виде цифровых значений; 6) работа определялась произведением мощности на время. Примерные графики выполнения разгибания в коленном суставе в изотоническом и изокинетическом режиме представлены в приложении.
Сравнение силовых характеристик разгибательного движения ноги в
коленном суставе
Задача исследования - выявление силовых различий. Сравнивая значение максимальной динамической силы (по максимальным пиковым значениям силы) при сгибании ноги в коленном суставе при использовании адаптивного тренажерного комплекса в изокинетическом режиме^ 58.798 Н) со значением максимальной динамической силы при разгибании ноги в коленном суставе при использовании адаптивного тренажерного комплекса в изотоническом режиме (122,366 Н) , разница составляет 36,432 Н или (29, 77%).
Сравнительный анализ длительности выполнения
упражнения
Задача исследования - выявление временных различий.
Таблица 3.
Биомеханические параметры метательных движений при различных вариантах использования тренажерного комплекса
ПАРАМЕТРЫ
Р Е Ж И МЫ
Достоверность различий (РО.05)
Изотонический
О)
п=14 М о
Ударно-изотонический
(2)
п=14 М о
Изокинетический
(3) п=14 М о
Ударно-изокине-тический
(4) п=14 М о
1-2
1-3
14
2-3
24
34
Время выполнения упр. t (с)
1.07 0.118
0.90 0.088
2.50 0.394
220 0382
+
+
+
+
+
+
Максимальное значение силы Fmax(H)
240.0 24.08
240.0 28.33
260.0 52.68
260.0 36.74
Импульс силы J (Не)
96.00 10.638
103.0 11.321
404.8 19.87
4232 20.08
-
+
+
+
+
+
Градиент
силы
Q(H/c)
357.0 28.37
490.0 31.22
460.0 30.44
903.0 28.46
+
+
+
+
+
Максимальное значение скорости V(m/c)
5.75 0.36
5.875 0.38
2.80 0.22
2.80 0.31
-
+
+
+
+
-
Продолжительность выполнения упражнения (табл.4) в изокинетическом режиме равна 1.86 с, в изотоническом - 1.25 с. Упражнение в изокинетическом режиме выполняется дольше на 0,61 с, чем в изотоническом, что составляет 48.8%.
Проявление импульса силы
Импульс силы (табл.4) ( площадь под кривой силы во времени) имеет
следующие показатели: в изотоническом режиме- 83,957 Не, в изокинетическом - 167,34Н с. Таким образом, импульс силы в изокинетическом режиме на 83.39 Н с (99 %) больше, чем в изотоническом.
Проявление градиента силы (взрывной силы)
С целью изучения особенностей выполнения начальной фазы движения на тренажерном комплексе в исследуемых режимах, с помощью специальной программы, рассчитывался градиент силы и выводился на дисплей в виде цифрового значения (отношение первого максимума силы ко времени его достижения), который характеризует уровень развития взрывной силы.
Показатели градиента силы (табл.4) составляют в изокинетическом -165,80 Н/с и в изотоническом 140 ,03 Н/с. Показатель градиента силы в изокинетическом режиме на 25.73 (18,37 %) больше, чем в изотоническом режиме.
Скоростная характеристика движения
Одной из задач исследования было выявление различий максимальной скорости выполнения движения.
По графику скорости (табл.4) максимальное ее значение достигалось в изотоническом режиме 2.025м/с, а в изокинетическом 1.143м/с. Разница в результатах: 0.82 м/с, составляет 71.74%.
Мощность разгибания ноги в коленном суставе
Мощность разгибания ноги в коленном суставе определялась специально разработанной компьютерной программой и выводилась на дисплей в виде графика На графике мощности наглядно видно, что кривая мощности является близкой по характеру к кривой скорости. Максимальная мощность разгибания ноги определялась по максимальному пиковому значению при использовании адаптивного тренажера в изокинетическом режиме и составила 10.32 Нм/с (вт)а в изотоническом режиме 18.25 Н м/ с (вт). Разница в результатах: 7.83 , что составляет 75, 87(%).
Работа, совершаемая спортсменом при разгибании ноги в коленном
