Биомеханические закономерности взаимодействия бегуна с опорой

Одной из наиболее характерных особенностей, присущих бегу, является боль в мышцах голени, которая имеет место в тех случаях, когда спортсмен приступает к тренировкам после длительного перерыва в занятиях или при чрезмерном увеличении объема темпового бега, например, после марафонского (Хикида и др., 1933; Вархоя и др., 1985). Очевидно, что боли в мышцах голени связаны с морфологическими нарушениями в мышечных волокнах: установлено, что происходит повреждение Z — дисков; лизис миофибрилл; контрактурные узлы; разбухание митохондрий; разрывы Т-трубочек; саркодеммы. Показано наличие клеточного некроза и воспаления. Через 7—10 дней происходит восстановление мышечных волокон.

В рамках рабочей гипотезы можно утверждать, что при беге мышцы голени подвергаются нагрузкам, превышающим предел прочности миофибрилл активированных мышечных волокон.

Прочность мышцы зависит от прочности каждой миофибриллы, умноженной на их количество в мышечном волокне и умноженное на количество активированных мышечных волокон.

Следовательно, прочность мышцы связана с максимальной силой (количеством миофибрилл) и электрической активностью мышцы.

Известно, что предел силового проявления мышцы в уступающем режиме составляет 130—150 % от максимальной изометрической силы (В. М. Зациорский и др., 1981). Поэтому предельная величина сопротивления мышц головы может быть примерно оценена (F мак = 1300 Н).

Цель исследования — изучить процесс взаимодействия бегуна с опорой при изменении упругих свойств опоры, выяснить, как свойства опоры влияют на процесс развития реакции опоры.

Методика

В эксперименте принимал участие один испытуемый: масса 65 кг, длина тела 173 см. Он выполнял пробежки с постоянной скоростью 3,0+0,1 м/с по двум динамографическим платформам (ДГП). Регистрировалось время пробегания 5 м с помощью двух оптронных пар, установленных до первой и после второй ДГП.

ДГП — конструкция ВИСТИ, частота собственных колебаний 200 Гц.

ОП — конструкция ВИСТИ, точность ускорения временных интервалов 0,001 с.

Регистрация вертикальных и горизонтальных (продольных) сил на платформах выполнялась на светолучевом осциллографе.

Испытуемый выполнял следующие варианты беговых упражнений:

десять раз босиком с опорой на пятку — 3 м/с,
десять раз босиком с опорой на носок — 3 м/с
бег со скоростью 4 м/с и 8 м/с,
44 раза в разных кроссовках, 3 м/с.

Кроссовки изучались на динамографическом стенде с целью получения коэффициента их жесткости. Кроссовка устанавливалась на платформу и выполнялось давление в области пятки и носка. На круг с площадью 2,84 см² выполнялось давление. Регистрировалась сила по данным динамографической платформы, а деформация туфли и рычага по изменению положения рычага.

Результаты

В этой статье представлены предварительные результаты.

I. Жесткость кроссовок

А. Исследование началось с установления зависимости между деформацией рычага и силой давления на платформу. Была получена зависимость:

где Δ Lp — изменение положения высоты края рычага. Погрешность измерения в диапазоне сил 100—1500 не превысила ±10 Н.

Б. Жесткость кроссовок изучалась в двух точках — по середине места, где располагается пятка, и в месте, где касается подошвы второй плюсно-фаланговый сустав.

Исследование показало, что зависимость «деформация туфли — сила сопротивления» имеет криволинейный характер. В большинстве случаев она может быть удовлетворительно описана параболическим уравнением:

Коэффициент С изменялся в следующих диапазонах:

пятка — от 6,3 до 26;
носок — от 11 до 67.

Коэффициент жесткости это первая производная от установленной зависимости или

так как , то

Cледовательно, в момент действия силы величины 500 Н в ходе бега со скоростью 3 м/с КЖ составит:

500 Н носок 148 Н×см^-3 — 366 Н×см^-3
пятка 112 Н×см^-3 — 228 Н×см^-3

При таком коэффициенте жесткости минимальная частота собственных колебания массы в 65 кг составит:

носок
пятки

где S — площадь соприкосновения пятки (10 см²) или носка (30 см²) с подошвой кроссовки.

II. Процесс взаимодействия стопы с опорой

Процесс взаимодействия стопы с опорой при беге на носках приводит к тому, что в результате изменения направления результирующей опорной реакции момент в голеностопном суставе закономерно изменяется в первые 10 мс взаимодействия. Очевидно, что эта динамика суставного момента является той причиной, которая вызывает появление сил в трехглавой мышце голени.

Величина первого и второго пиков увеличения момента в суставе связана со скоростью бега на носках. Нами была получена следующая экспериментальная зависимость между скоростью бега и первым пиком вертикальной составляющей реакции опоры

где m — масса тела, кг; V — скорость бега на носках , м/с. Это означает, что на скорости 3 м/с Fb1= 300 H, на 5 м/с — 800 Н, на 8 м/с — 2000 Н.

Частота колебаний тела бегуна на платформе меняется, по мере увеличения силы вертикальной составляющей опорной реакции растет частота (уменьшаются интервалы времени между пиками). Изменения частот: 21, 31 Гц — постоянная характеристика для данного испытуемого, она не зависит от коэффициента жесткости опоры.

Причиной полученной частоты колебаний и ее изменений является изменение вертикальной составляющей опорной реакции — характеризует активное состояние мышц разгибателей стопы, следовательно, их жесткости.

Поэтому можно рассчитать коэффициент жесткости мышцы для момента появления первого пика момента:

Это в три раза меньше максимального коэффициента жесткости мышц (1000 Н/см).

Для второго пика, коэффициент жесткости составляет:

Если изменения коэффициента жесткости мышц разгибателей голени характеризует их активность и соответственно способность противостоять внешним силам, то можно провести сопоставление:

Fмак = 2000 ÷ 3000 Н
V = 3 м/с ; Fb1= 300 Н < Fn = 30 % . Fmaк = 650 Н
V = 5 м/с; Fb1= 800 Н > 650 Н
V = 8 м/с; Fb1= 2000 Н >> 650 Н

Следовательно, бег на скорости 3 м/с или медленнее не вызывает разрушений в мышце, поскольку внешние силы (650 Н) не превышают предела прочности (30 % активной части мышцы); превышение скорости выше некоторого предела (4,2 м/с в нашем случае) будет приводить к разрушению морфоструктур (миофибрилл) мышечных волокон. Таким образом, наиболее травмоопасным является первый пик изменения момента в голеностопном суставе, появляющийся на фоне малоактивированной мышцы.

III. Влияние упругих свойств кроссовок на процесс взаимодействия с опорой

В ходе эксперимента было установлено, что по мере уменьшения жесткости опоры возрастает амплитуда колебаний силы горизонтальной составляющей опоры, что приводит к увеличению пиковых величин момента силы в голеностопном суставе (бег без туфлей, амплитуда Fr = 200 Н; в кроссовках амплитуда Fr = 600 Н).

Причиной этого явления, видимо, является увеличение коэффициента динамичности

где W — частота вынуждающих колебаний, К — частота собственных колебаний системы.

Для бега на носках величина коэффициента динамичности меняется: мягкие туфли м = 1,09—1,25

Коэффициент динамичности свидетельствует о росте амплитуды колебаний системы, следовательно, и об увеличении пиковых значений опорных реакций.

Таким образом, изготовление мягких подошв в районе носка кроссовки приводит к увеличению амплитуды колебаний момента в голеностопном суставе, т.е. и повышению вероятности разрушения трехглавой мышцы голени при беге на носках даже с небольшими скоростями 3—4 м/с.

В связи с этим для минимизации травмирующего эффекта бега любителям трусцы нужно бегать с начальной опорой на пятку.