Начальные условия реализации биомеханизмов педалирования
Велосипедист преодолевает
внешние физические силы:
— сопротивления воздуха;
— трение качения;
— силу тяжести при подъеме в гору;
внутренние физические силы:
— инерции звеньев ноги при изменении направления их движения.
Велосипедист преодолевает
внешние физические силы:
— сопротивления воздуха;
— трение качения;
— силу тяжести при подъеме в гору;
внутренние физические силы:
— инерции звеньев ноги при изменении направления их движения.
Сила сопротивления воздуха зависит Fa = 0,5 S Cx d V2, где S — лобовая площадь, м2, (может изменяться от 0,5 до 0,32 м2, [13]) Cx — коэффициент формы тела, d — плотность воздуха, V — скорость потока воздуха, м/с.
Примерно силу сопротивления можно оценить для скорости 13 м/с:
Fa = 0,5×0,5×0,5×1,15×13×13 = 24,3 Н,
А мощность W=Fa×V = 24,3×13 = 315 Вт
Сила трения качения 1,5 — 2 % от мощности силы сопротивления или10–35 Вт[13, 17, 19, 20].
Затраты на перемещение звеньев ног составляют (В. Н. Селуянов, И. А. Савельев, 1982 [11]
Nn = 2 × (масса) × f3.
Nn = 2×70×2 х 2×2 = 112 Вт при темпе (2 об/с или 120 об/мин).
Таким образом, при велоезде на треке суммарная мощность, преодолеваемых физических сил составляет, например, на скорости 13 м/с (46,8 км/час) обычная скорость на равнине для профессиональных гонщиков на шоссе в раздельном старте:
W = Wa + Wr + N = 315 + 30 + 115 = 470 Вт (при кпд =23 % VO2 = 6,7 л/мин). За счет применения аэродинамичной посадки можно снизить мощность до 350 Вт, или потребления кислорода 4,7 л/мин.
Физиологические механизмы энергообеспечения
Для продолжительной езды (более 10 мин.) велосипедист должен вырабатывать механическую мощность на уровне анаэробного порога или несколько выше его [2, 13, 14]. Для мастеров спорта характерными величинами анаэробного порога являются4–4,5 л/мин[13, 27]. Тестирование велосипедистов выполняется в ступенчатом тесте на велоэргометре с различным темпом педалирования. Выбор темпа педалирования обусловлен либо традициями данной лаборатории, либо формальными предпосылками, например, обычный темп в гонке с раздельным стартом на шоссе —85–100 об/мин,следовательно, удобно крутить с темпом 90 об/мин. На самом деле рациональная техника педалирования и выбор оптимального темпа педалирования являются важнейшими задачами велосипедного спорта [11, 13, 25, 27, 28, 29].
Модель опорно двигательного аппарата велосипедиста
Опорно-двигательный аппарат, участвующий в педалировании, включает кости нижних конечностей, таз и мышцы, осуществляющие сгибание и разгибание ног.
При педалировании можно выделить следующие биомеханизмы.
Биомеханизм проталкивания педали. При проталкивании педали — первая четверть окружности педалирования (1ЧОП) работают прямая и широкие головки четырехглавой мышцы бедра (ЧГМБ)
Биомеханизм нажима на педаль начинает функционировать с конца 1ЧОП и всю 2 ЧОП. В это время разгибаются бедро, голень и сгибается стопа. В осуществлении этих движений принимают участие следующие основные мышцы. В разгибании бедра: ягодичные, двуглавая, полусухожильная, полуперепончатая; голени — четырехглавая; в растягивании мышц задней поверхности голени — икроножная, камбаловидная, задняя большеберцовая, длинные сгибатели большого пальца и пальцев, длинная и короткая малоберцовые. Совместное действие мышц при нажиме (90° ОП — начало 2ЧОП) позволяет велосипедистам развивать изометрическую силу2500–3500 Н(Левенко, 1977 [13]).
Биомеханизм проводки и подтягивания ноги. В этом случае нога сгибается в коленном, тазобедренном и голеностопном суставах. В сгибании бедра принимают участие следующие основные мышцы: подвздошнопоясничная, портняжная, мышца-натягиватель широкой фасции бедра, гребешковая и прямая; голени — длинная головка двуглавой, полусухожильная, полуперепончатая, подколенная, икроножная; стопы — передняя большеберцовая, длинные разгибатели пальцев и большого пальца (при тыльном сгибании стопы). При сгибании ноги, подтягивании велосипедисты демонстрируют изометрическую силу800–1100 Н(Левенко, 1977 [13]).
Сила тяги мышц вызывает появление суставных моментов и соответственно силы давления на педаль. Поскольку при педалировании последовательно включаются мышечные группы с разной массой и силой, то равномерного педалирования быть не может при решении задачи — демонстрировать максимальную мощность педалирования, алактатную — в спринте или на уровне АнП — в шоссейной гонке.
Моделирование техники педалирования
Велосипедист может прикладывать усилия к шатуну (или к педали) в любом направлении, но продвижение вперед с наименьшими затратами механической энергии возможно с точки зрения законов механики лишь в том случае, когда вектор силы давления на педаль перпендикулярен к продольной оси шатуна. В этом случае сила не раскладывается на составляющие, не растягивает шатун, а целиком идет на образование крутящего момента. Опираясь на подобные доводы, вводят следующий показатель эффективности техники педалирования:
ПЭТ = J1 / J2,
где: J1 — импульс силы — нормальной составляющей к шатуну за цикл педалирования; J2 — импульс модуля векторной силы давления на педаль, за цикл педалирования. В идеале ПЭТ должен быть равен 100 %.
Другим важным обстоятельством с точки зрения механики является равномерность приложения сил. Изменение силы приводит к неравномерности движения, повышению энергозатрат на преодоление сил инерции.
Таким образом, механически наиболее целесообразной будет техника педалирования, которая потребует наименьших затрат энергии (минимальным разложением силы и равномерным давлением на педаль) на создание определенного крутящего момента на оси каретки велосипеда (Чхаидзе, 1961 [13]).
Однако, первые же исследования сил, прикладываемых к педалям, показали (Чхаидзе, 1959, 1961 [13]), что ни один из велосипедистов высшей квалификации не следует в полной мере этим рекомендациям. Усилия прикладываются неравномерно (гонщики нажимают на педаль, но почти ее не подтягивают) с недостаточно рациональным направлением векторов усилий. Отношение импульса силы, пошедшего на создание крутящего момента, к импульсу силы давления на педаль (ПЭТ) обычно составляло75–81 %(Чхаидзе, 1961; Тимошенков, 1981 [13]). Обнаруживается, однако, тенденция к увеличению ПЭТ с ростом спортивной квалификации. Аналогичные результаты были получены Hull et al [20].
Коэффициент эффективности техники существенно зависит от техники педалирования, что особенно наглядно при сравнении выполнения упражнений с туклипсами и без туклипсов. Закрепление стопы, как это было уже показано (В. Н. Селуянов, Б. А. Яковлев, 1985 [13]), существенно повышает эффективность, однако не до 100 % .
Таким образом, поскольку спортсмены разной спортивной квалификации используют разнообразные варианты техники педалирования, а неравномерность приложения сил к педали не вызывает практически ощутимых дополнительных энергозатрат (не более 3 Вт) [13], то определить рациональный вариант техники педалирования, учитывая только два вышеперечисленных соображения, видимо, невозможно.
Особенность активности мышц ног при педалировании
Сравнение результатов разных авторов [13, 18, 19, 20, 25, 27, 28] показывает, что длительность активности, моменты начала и конца периода активности основных мышечных групп совпадают, а наблюдаемая при этом вариативность показателей, видимо, обусловлена: индивидуальными особенностями техники, высотой посадки и темпом педалирования.
Значительное влияние на ЭАМ оказывают посадка и темп педалирования. Уменьшение высоты посадки (10 % ниже нормы) приводит к изменению мышечной активности. Позднее включается и заканчивает работать еще в начале 4 ЧОП (при нормальной посадке лишь в начале 1 ЧОП — [13]).
Увеличение темпа педалирования (с 70 до 120 об/мин) приводит к относительному увеличению продолжительности активности (в процентах к длительности цикла) основных мышечных групп — четырехглавой и двуглавой мышц бедра — на 10 % [13].
Наиболее сложную функцию при педалировании выполняют двусуставные мышцы ног: прямая, длинная головка двуглавой (ДГДМБ), полусухожильная, полуперепончатая, икроножная. Например, прямая мышца бедра начинает работать в 4 ЧОП и выполняет две функции — сгибает ногу в тазобедренной суставе и разгибает голень, тем самым создает через костные рычаги на оси педали результирующую силу, близкую к касательной окружности педалирования. Двуглавая мышца бедра и ее синегристы в цикле педалирования должны сгибать голень и разгибать бедро. Однако они активизируются в конце 1 ЧОП, когда еще выполняется разгибание коленного сустава. Расчеты показали, что ДГДМБ в первой и второй ЧОП практически не изменяет своей длины, в связи с этим она не может выполнить механической работы. Напряжение же ДГДМБ приводит к появлению на оси педали дополнительной силы, которая изменяет направление вектора силы давления на педаль, увеличивая тем самым «коэффициент полезного действия» основных работающих мышц-разгибателей бедра (они через бедро создают силу вдоль голени). Причем функция мышц-разгибателей голени (как это не кажется парадоксальным) теряет свой смысл разгибателя голени (2 ЧОП), поскольку активность ее будет мешать ДГДМБ выполнять коррекцию направления и величины силы давления на педаль. Действительно, во 2 ЧОП активность ВШМБ снижется.
Таким образом, усилия, прикладываемые к педалям, обусловлены анатомическим строением нижних конечностей и координацией работы мышц. Следствием этого является отрицание информативности коэффициентов ПЭП как показателя совершенства владения техникой педалирования. Коэффициент ПЭП одновременно демонстрирует как способности скелетно-мышечного аппарата (механизма) к реализации потенциальных возможностей мышц (двигателей), так и технику — умение велосипедиста эффективно использовать свои потенциальные возможности.
Коэффициент полезного действия педалирования
Коэффициент полезного действия (КПД) это отношение механической мощности к механическому эквиваленту метаболической мощности. В силу особенностей строения опорно-двигательного аппарата человека, когда при давлении на педаль создаются условия для рационального приложения усилий от моментов сил, создаваемых основными мышечными группами ноги (разгбатели тазобедренного сустава, разгибатели коленного сустава) коэффициент полезного действия у всех людей остается примерно одинаковым22–24 %.Есть данные (Coyle et al., 1992, Lucia, 2002), показывающие, что у профессиональных гонщиков КПД может достигать26–28 %.В нашем случае КПД достиг 34 %, но в случае, когда темп педалирования превышал 100 об/мин и при этом учитываются затраты на перемещение ног (В. Н. Селуянов, И. А. Савельев, 1982 [11]).
Было предположено, что мышцы сгибатели голеностопного сустава (икроножная и камбаловидная) могут при нажиме накапливать энергию упругой деформации и отдовать ее при протягигивании педали в нижней части окружности педалировании. Таким образом повышается эффективность работы главных мышц — разгибателей тазобедренного и коленного суставов. Это явление легко воспроизводится квалифицированным велосипедистом при педалировании с высоким темпом и смещением стопы по отношению к оси педали назад. Подтверждение этой гипотезы было найдено в эксперименте с растяжимыми шатунами. При педалировании с упругими шатунами коэффициент полезного действия повысился с 23 % до 28 % при педалировании с любым темпом, в том числе и с низким темпом —60–75 об/мин.
Факторы, обуславливающие выбор темпа педалирования
Велосипедисты-шоссейники при передвижении со скоростью24–48 км/часизменяют темп педалирования с 70 до 150 об/мин, а укладку от 5,5 до 8,13 м (Левенко, 1975, 1977 [13]). Анализ соотношения частоты педалирования и величины передачи на соревнованиях за последние40–60лет показывают, что значительное увеличение средней соревновательной скорости у велосипедистов произошло исключительно за счет увеличения укладки, темп практически не изменился. В частности, в часовой гонке по треку с 1942 по 1972 рекорд мира улучшился с 45 км 848 м (Копи) до 49 км 431 м (Меркс). При этом частота педалирования составляла 103,3 и 103,8 об/мин, а укладка 7,32 и 7,93 м соответственно
Оптимальный темп педалирования в шоссейных гонках с раздельным стартом. В исследованиях Рагимова (1965) [13] и Левенко, Михайлова (1972) [13] было показано, что с ростом темпа педалирования при постоянной внешней мощности возрастают энергозатраты. Понятно, что энергозатраты увеличиваются в связи с ростом внутренней мощности упражнения. С увеличением темпа педалирования экономичностьх будет снижаться из-за дополнительного расхода энергии на перемещение ног. Поэтому некоторые авторы рекомендовали использовать в гонках такие передаточные соотношения, которые вынуждали бы гонщика ехать с темпом60–70 об/мин.
Такие рекомендации (Рагимов, 1965) не удовлетворяли ни практиков, ни теоретиков, поэтому предпринимались попытки кардиолидирования (Крылатых, 1975) [13], когда велосипедисты выполняли педалирование на всех десяти передаточных соотношениях гоночного велосипеда при заданной ЧСС. В итоге были получены кривые для пульса 150, 165 и 180 уд/мин. На всех кривых наблюдаются оптимумы, соответствующие определенной скорости, передаче и, следовательно, темпу. Так, при ЧСС 150 уд/мин оптимальными оказались: темп 78 об/мин, передача 6,8 м; 165 уд/мин — 87 об/мин, 6,8 м; 180 уд/мин — 98 об/мин, 7,12 м. Эти результаты указывают на выгодность увеличения темпа педалирования, несмотря на рост энергозатрат на перемещение ног.
Для понимания обнаруженных явлений необходимо рассмотреть современные концепции физиологии и биоэнергетики мышечной деятельности.
Лимитирующим фактором при циклических локомоциях часто является периферическое звено — мышечный аппарат. Транспортная (сердечно-сосудистая система) при любой мощности достаточно, как правило, обеспечивает мышцы кислородом и другими питательными веществами. Это означает, что с увеличением количества и массы мышц, участвующих в педалировании, должно расти потребление кислорода (например, Vo2АнП при педалировании двумя ногами в два раза больше Vo2АнП при выполнении упражнения одной ногой). Другими важными факторами являются: композиция мышц — количество окислительных и гликолитических мышечных волокон, масса митохондриальной системы. Например, гипертрофия мышц и связанное с ней увеличение максимальной силы окислительных МВ и при равной методике спортивной тренировки к увеличению потребления кислорода на уровне АнП.
В ходе педалирования скорость велоезды зависит от:
V = N/Fвн = M×f/Fвн,
где Fвн — внешние силы, f — темп, М — средний момент силы давления на педали.
В случае М = const скорость и внешние силы будут увеличиваться за счет роста темпа. Это означает, что велосипедист может рекрутировать одни и те же ДЕ, проявлять одну и ту же силу, но с изменением темпа скорость (и мощность) будут увеличиваться.
В ходе шоссейных индивидуальных гонок спортсмен должен активировать только окислительные и промежуточные МВ, то есть педалировать со строго заданной силой (причем, чем больше ОМВ и ПМВ их поперечник, тем будет больше сила давления на педаль), тогда предельная скорость велоезды на уровне порога аэробного обмена будет достигнута в момент достижения такого темпа, когда полностью будут исчерпаны аэробные возможности ОМВ.
Следовательно, в шоссейных гонках сила давления на педаль (передаточное соотношение) обусловлена уровнем силовой подготовленности медленных мышечных волокон (то есть их количеством и физиологическим поперечником), а скорость велоезды и соответственно темп — окислительными возможностями митохондральной системы ОМВ (ее характеризует Vo2 АнП).
Действительно, при выполнении педалирования со ступенчато-возрастающей мощностью с темпом 50 и 100 об/мин наблюдается равенство по величине потребления кислорода на уровне АнП (достигнут максимум окислительной возможности митохондриальной системы функционирующих мышц). Внешняя мощность при 100 об/мин существенно меньше, поскольку часть энергии уходит на перемещение ног (около 60 Вт). Однако значительно большие величины потребления кислорода и мощности наблюдаются на уровне порога аэробного обмена при темпе 100 об/мин. С увеличением темпа Vo2 АэП приближается к Vo2 АнП.
На основании изложенного можно сделать следующие выводы:
1. В шоссейных гонках с раздельным стартом рациональный темп педалирования варьирует при равном спортивном результате от 80 до 110 об/мин (Михайлов, 1975). Обусловлено это разным уровнем подготовленности у спортсменов различных функциональных систем. Так, гонщикам с большим содержанием окислительных мышечных волокон, то есть большой силой ОМВ, относительно выгодно педалировать с низким темпом и большим передаточным соотношением. Гонщикам, имеющим меньший процент и обладающим меньшей силой ОМВ, более выгодно педалировать с высоким темпом и меньшим передаточным соотношением. Но в этом случае у велосипедиста должен быть резерв по минутному объему кровообращения, т. е. АнП должен наблюдаться на пульсе120–150 уд/мин.Равный результат такие спортсмены могут показать лишь в том случае, если окислительные возможности мышц (порог аэробного обмена) у второго гонщика будут выше на величину, необходимую для компенсации расхода энергии на перемещение ног в более высоком темпе.
Примерно силу сопротивления можно оценить для скорости 13 м/с:
Fa = 0,5×0,5×0,5×1,15×13×13 = 24,3 Н,
А мощность W=Fa×V = 24,3×13 = 315 Вт
Сила трения качения 1,5 — 2 % от мощности силы сопротивления или10–35 Вт[13, 17, 19, 20].
Затраты на перемещение звеньев ног составляют (В. Н. Селуянов, И. А. Савельев, 1982 [11]
Nn = 2 × (масса) × f3.
Nn = 2×70×2 х 2×2 = 112 Вт при темпе (2 об/с или 120 об/мин).
Таким образом, при велоезде на треке суммарная мощность, преодолеваемых физических сил составляет, например, на скорости 13 м/с (46,8 км/час) обычная скорость на равнине для профессиональных гонщиков на шоссе в раздельном старте:
W = Wa + Wr + N = 315 + 30 + 115 = 470 Вт (при кпд =23 % VO2 = 6,7 л/мин). За счет применения аэродинамичной посадки можно снизить мощность до 350 Вт, или потребления кислорода 4,7 л/мин.
Физиологические механизмы энергообеспечения
Для продолжительной езды (более 10 мин.) велосипедист должен вырабатывать механическую мощность на уровне анаэробного порога или несколько выше его [2, 13, 14]. Для мастеров спорта характерными величинами анаэробного порога являются4–4,5 л/мин[13, 27]. Тестирование велосипедистов выполняется в ступенчатом тесте на велоэргометре с различным темпом педалирования. Выбор темпа педалирования обусловлен либо традициями данной лаборатории, либо формальными предпосылками, например, обычный темп в гонке с раздельным стартом на шоссе —85–100 об/мин,следовательно, удобно крутить с темпом 90 об/мин. На самом деле рациональная техника педалирования и выбор оптимального темпа педалирования являются важнейшими задачами велосипедного спорта [11, 13, 25, 27, 28, 29].
Модель опорно двигательного аппарата велосипедиста
Опорно-двигательный аппарат, участвующий в педалировании, включает кости нижних конечностей, таз и мышцы, осуществляющие сгибание и разгибание ног.
При педалировании можно выделить следующие биомеханизмы.
Биомеханизм проталкивания педали. При проталкивании педали — первая четверть окружности педалирования (1ЧОП) работают прямая и широкие головки четырехглавой мышцы бедра (ЧГМБ)
Биомеханизм нажима на педаль начинает функционировать с конца 1ЧОП и всю 2 ЧОП. В это время разгибаются бедро, голень и сгибается стопа. В осуществлении этих движений принимают участие следующие основные мышцы. В разгибании бедра: ягодичные, двуглавая, полусухожильная, полуперепончатая; голени — четырехглавая; в растягивании мышц задней поверхности голени — икроножная, камбаловидная, задняя большеберцовая, длинные сгибатели большого пальца и пальцев, длинная и короткая малоберцовые. Совместное действие мышц при нажиме (90° ОП — начало 2ЧОП) позволяет велосипедистам развивать изометрическую силу2500–3500 Н(Левенко, 1977 [13]).
Биомеханизм проводки и подтягивания ноги. В этом случае нога сгибается в коленном, тазобедренном и голеностопном суставах. В сгибании бедра принимают участие следующие основные мышцы: подвздошнопоясничная, портняжная, мышца-натягиватель широкой фасции бедра, гребешковая и прямая; голени — длинная головка двуглавой, полусухожильная, полуперепончатая, подколенная, икроножная; стопы — передняя большеберцовая, длинные разгибатели пальцев и большого пальца (при тыльном сгибании стопы). При сгибании ноги, подтягивании велосипедисты демонстрируют изометрическую силу800–1100 Н(Левенко, 1977 [13]).
Сила тяги мышц вызывает появление суставных моментов и соответственно силы давления на педаль. Поскольку при педалировании последовательно включаются мышечные группы с разной массой и силой, то равномерного педалирования быть не может при решении задачи — демонстрировать максимальную мощность педалирования, алактатную — в спринте или на уровне АнП — в шоссейной гонке.
Моделирование техники педалирования
Велосипедист может прикладывать усилия к шатуну (или к педали) в любом направлении, но продвижение вперед с наименьшими затратами механической энергии возможно с точки зрения законов механики лишь в том случае, когда вектор силы давления на педаль перпендикулярен к продольной оси шатуна. В этом случае сила не раскладывается на составляющие, не растягивает шатун, а целиком идет на образование крутящего момента. Опираясь на подобные доводы, вводят следующий показатель эффективности техники педалирования:
ПЭТ = J1 / J2,
где: J1 — импульс силы — нормальной составляющей к шатуну за цикл педалирования; J2 — импульс модуля векторной силы давления на педаль, за цикл педалирования. В идеале ПЭТ должен быть равен 100 %.
Другим важным обстоятельством с точки зрения механики является равномерность приложения сил. Изменение силы приводит к неравномерности движения, повышению энергозатрат на преодоление сил инерции.
Таким образом, механически наиболее целесообразной будет техника педалирования, которая потребует наименьших затрат энергии (минимальным разложением силы и равномерным давлением на педаль) на создание определенного крутящего момента на оси каретки велосипеда (Чхаидзе, 1961 [13]).
Однако, первые же исследования сил, прикладываемых к педалям, показали (Чхаидзе, 1959, 1961 [13]), что ни один из велосипедистов высшей квалификации не следует в полной мере этим рекомендациям. Усилия прикладываются неравномерно (гонщики нажимают на педаль, но почти ее не подтягивают) с недостаточно рациональным направлением векторов усилий. Отношение импульса силы, пошедшего на создание крутящего момента, к импульсу силы давления на педаль (ПЭТ) обычно составляло75–81 %(Чхаидзе, 1961; Тимошенков, 1981 [13]). Обнаруживается, однако, тенденция к увеличению ПЭТ с ростом спортивной квалификации. Аналогичные результаты были получены Hull et al [20].
Коэффициент эффективности техники существенно зависит от техники педалирования, что особенно наглядно при сравнении выполнения упражнений с туклипсами и без туклипсов. Закрепление стопы, как это было уже показано (В. Н. Селуянов, Б. А. Яковлев, 1985 [13]), существенно повышает эффективность, однако не до 100 % .
Таким образом, поскольку спортсмены разной спортивной квалификации используют разнообразные варианты техники педалирования, а неравномерность приложения сил к педали не вызывает практически ощутимых дополнительных энергозатрат (не более 3 Вт) [13], то определить рациональный вариант техники педалирования, учитывая только два вышеперечисленных соображения, видимо, невозможно.
Особенность активности мышц ног при педалировании
Сравнение результатов разных авторов [13, 18, 19, 20, 25, 27, 28] показывает, что длительность активности, моменты начала и конца периода активности основных мышечных групп совпадают, а наблюдаемая при этом вариативность показателей, видимо, обусловлена: индивидуальными особенностями техники, высотой посадки и темпом педалирования.
Значительное влияние на ЭАМ оказывают посадка и темп педалирования. Уменьшение высоты посадки (10 % ниже нормы) приводит к изменению мышечной активности. Позднее включается и заканчивает работать еще в начале 4 ЧОП (при нормальной посадке лишь в начале 1 ЧОП — [13]).
Увеличение темпа педалирования (с 70 до 120 об/мин) приводит к относительному увеличению продолжительности активности (в процентах к длительности цикла) основных мышечных групп — четырехглавой и двуглавой мышц бедра — на 10 % [13].
Наиболее сложную функцию при педалировании выполняют двусуставные мышцы ног: прямая, длинная головка двуглавой (ДГДМБ), полусухожильная, полуперепончатая, икроножная. Например, прямая мышца бедра начинает работать в 4 ЧОП и выполняет две функции — сгибает ногу в тазобедренной суставе и разгибает голень, тем самым создает через костные рычаги на оси педали результирующую силу, близкую к касательной окружности педалирования. Двуглавая мышца бедра и ее синегристы в цикле педалирования должны сгибать голень и разгибать бедро. Однако они активизируются в конце 1 ЧОП, когда еще выполняется разгибание коленного сустава. Расчеты показали, что ДГДМБ в первой и второй ЧОП практически не изменяет своей длины, в связи с этим она не может выполнить механической работы. Напряжение же ДГДМБ приводит к появлению на оси педали дополнительной силы, которая изменяет направление вектора силы давления на педаль, увеличивая тем самым «коэффициент полезного действия» основных работающих мышц-разгибателей бедра (они через бедро создают силу вдоль голени). Причем функция мышц-разгибателей голени (как это не кажется парадоксальным) теряет свой смысл разгибателя голени (2 ЧОП), поскольку активность ее будет мешать ДГДМБ выполнять коррекцию направления и величины силы давления на педаль. Действительно, во 2 ЧОП активность ВШМБ снижется.
Таким образом, усилия, прикладываемые к педалям, обусловлены анатомическим строением нижних конечностей и координацией работы мышц. Следствием этого является отрицание информативности коэффициентов ПЭП как показателя совершенства владения техникой педалирования. Коэффициент ПЭП одновременно демонстрирует как способности скелетно-мышечного аппарата (механизма) к реализации потенциальных возможностей мышц (двигателей), так и технику — умение велосипедиста эффективно использовать свои потенциальные возможности.
Коэффициент полезного действия педалирования
Коэффициент полезного действия (КПД) это отношение механической мощности к механическому эквиваленту метаболической мощности. В силу особенностей строения опорно-двигательного аппарата человека, когда при давлении на педаль создаются условия для рационального приложения усилий от моментов сил, создаваемых основными мышечными группами ноги (разгбатели тазобедренного сустава, разгибатели коленного сустава) коэффициент полезного действия у всех людей остается примерно одинаковым22–24 %.Есть данные (Coyle et al., 1992, Lucia, 2002), показывающие, что у профессиональных гонщиков КПД может достигать26–28 %.В нашем случае КПД достиг 34 %, но в случае, когда темп педалирования превышал 100 об/мин и при этом учитываются затраты на перемещение ног (В. Н. Селуянов, И. А. Савельев, 1982 [11]).
Было предположено, что мышцы сгибатели голеностопного сустава (икроножная и камбаловидная) могут при нажиме накапливать энергию упругой деформации и отдовать ее при протягигивании педали в нижней части окружности педалировании. Таким образом повышается эффективность работы главных мышц — разгибателей тазобедренного и коленного суставов. Это явление легко воспроизводится квалифицированным велосипедистом при педалировании с высоким темпом и смещением стопы по отношению к оси педали назад. Подтверждение этой гипотезы было найдено в эксперименте с растяжимыми шатунами. При педалировании с упругими шатунами коэффициент полезного действия повысился с 23 % до 28 % при педалировании с любым темпом, в том числе и с низким темпом —60–75 об/мин.
Факторы, обуславливающие выбор темпа педалирования
Велосипедисты-шоссейники при передвижении со скоростью24–48 км/часизменяют темп педалирования с 70 до 150 об/мин, а укладку от 5,5 до 8,13 м (Левенко, 1975, 1977 [13]). Анализ соотношения частоты педалирования и величины передачи на соревнованиях за последние40–60лет показывают, что значительное увеличение средней соревновательной скорости у велосипедистов произошло исключительно за счет увеличения укладки, темп практически не изменился. В частности, в часовой гонке по треку с 1942 по 1972 рекорд мира улучшился с 45 км 848 м (Копи) до 49 км 431 м (Меркс). При этом частота педалирования составляла 103,3 и 103,8 об/мин, а укладка 7,32 и 7,93 м соответственно
Оптимальный темп педалирования в шоссейных гонках с раздельным стартом. В исследованиях Рагимова (1965) [13] и Левенко, Михайлова (1972) [13] было показано, что с ростом темпа педалирования при постоянной внешней мощности возрастают энергозатраты. Понятно, что энергозатраты увеличиваются в связи с ростом внутренней мощности упражнения. С увеличением темпа педалирования экономичностьх будет снижаться из-за дополнительного расхода энергии на перемещение ног. Поэтому некоторые авторы рекомендовали использовать в гонках такие передаточные соотношения, которые вынуждали бы гонщика ехать с темпом60–70 об/мин.
Такие рекомендации (Рагимов, 1965) не удовлетворяли ни практиков, ни теоретиков, поэтому предпринимались попытки кардиолидирования (Крылатых, 1975) [13], когда велосипедисты выполняли педалирование на всех десяти передаточных соотношениях гоночного велосипеда при заданной ЧСС. В итоге были получены кривые для пульса 150, 165 и 180 уд/мин. На всех кривых наблюдаются оптимумы, соответствующие определенной скорости, передаче и, следовательно, темпу. Так, при ЧСС 150 уд/мин оптимальными оказались: темп 78 об/мин, передача 6,8 м; 165 уд/мин — 87 об/мин, 6,8 м; 180 уд/мин — 98 об/мин, 7,12 м. Эти результаты указывают на выгодность увеличения темпа педалирования, несмотря на рост энергозатрат на перемещение ног.
Для понимания обнаруженных явлений необходимо рассмотреть современные концепции физиологии и биоэнергетики мышечной деятельности.
Лимитирующим фактором при циклических локомоциях часто является периферическое звено — мышечный аппарат. Транспортная (сердечно-сосудистая система) при любой мощности достаточно, как правило, обеспечивает мышцы кислородом и другими питательными веществами. Это означает, что с увеличением количества и массы мышц, участвующих в педалировании, должно расти потребление кислорода (например, Vo2АнП при педалировании двумя ногами в два раза больше Vo2АнП при выполнении упражнения одной ногой). Другими важными факторами являются: композиция мышц — количество окислительных и гликолитических мышечных волокон, масса митохондриальной системы. Например, гипертрофия мышц и связанное с ней увеличение максимальной силы окислительных МВ и при равной методике спортивной тренировки к увеличению потребления кислорода на уровне АнП.
В ходе педалирования скорость велоезды зависит от:
V = N/Fвн = M×f/Fвн,
где Fвн — внешние силы, f — темп, М — средний момент силы давления на педали.
В случае М = const скорость и внешние силы будут увеличиваться за счет роста темпа. Это означает, что велосипедист может рекрутировать одни и те же ДЕ, проявлять одну и ту же силу, но с изменением темпа скорость (и мощность) будут увеличиваться.
В ходе шоссейных индивидуальных гонок спортсмен должен активировать только окислительные и промежуточные МВ, то есть педалировать со строго заданной силой (причем, чем больше ОМВ и ПМВ их поперечник, тем будет больше сила давления на педаль), тогда предельная скорость велоезды на уровне порога аэробного обмена будет достигнута в момент достижения такого темпа, когда полностью будут исчерпаны аэробные возможности ОМВ.
Следовательно, в шоссейных гонках сила давления на педаль (передаточное соотношение) обусловлена уровнем силовой подготовленности медленных мышечных волокон (то есть их количеством и физиологическим поперечником), а скорость велоезды и соответственно темп — окислительными возможностями митохондральной системы ОМВ (ее характеризует Vo2 АнП).
Действительно, при выполнении педалирования со ступенчато-возрастающей мощностью с темпом 50 и 100 об/мин наблюдается равенство по величине потребления кислорода на уровне АнП (достигнут максимум окислительной возможности митохондриальной системы функционирующих мышц). Внешняя мощность при 100 об/мин существенно меньше, поскольку часть энергии уходит на перемещение ног (около 60 Вт). Однако значительно большие величины потребления кислорода и мощности наблюдаются на уровне порога аэробного обмена при темпе 100 об/мин. С увеличением темпа Vo2 АэП приближается к Vo2 АнП.
На основании изложенного можно сделать следующие выводы:
1. В шоссейных гонках с раздельным стартом рациональный темп педалирования варьирует при равном спортивном результате от 80 до 110 об/мин (Михайлов, 1975). Обусловлено это разным уровнем подготовленности у спортсменов различных функциональных систем. Так, гонщикам с большим содержанием окислительных мышечных волокон, то есть большой силой ОМВ, относительно выгодно педалировать с низким темпом и большим передаточным соотношением. Гонщикам, имеющим меньший процент и обладающим меньшей силой ОМВ, более выгодно педалировать с высоким темпом и меньшим передаточным соотношением. Но в этом случае у велосипедиста должен быть резерв по минутному объему кровообращения, т. е. АнП должен наблюдаться на пульсе120–150 уд/мин.Равный результат такие спортсмены могут показать лишь в том случае, если окислительные возможности мышц (порог аэробного обмена) у второго гонщика будут выше на величину, необходимую для компенсации расхода энергии на перемещение ног в более высоком темпе.
Комментариев нет:
Отправить комментарий