Равновесие, устойчивость, балансирование биомеханической системы
Равновесием называется такое положение тела, которое сохраняется без дополнительных воздействий извне. Существует несколько видов равновесий, которые определяются по действию силы тяжести, приводящей к возможно малому отклонению в определенном положении тела (рис. 15).
Рис. 15. Виды равновесия. А - устойчивое: Б - неустойчивое; В - безразличное;
Г - ограниченно-устойчивое: Н - высота ОЦМ; Р - сила тяжести тела; АВ - проекция площади опоры; а, р - углы устойчивости тела
Равновесия подразделяются на: устойчивое, при котором тело возвращается в прежнее положение при любом отклонении (например, вис на перекладине, кольцах); неустойчивое, при котором тело обязательно опрокидывается при малейшем отклонении (например, стойка на руках на перекладине, как ситуация остановки при выполнении большого оборота); безразличное равновесие характеризуется средними представлениями об устойчивом и неустойчивом видах (кувырки вперед, назад, в сторону, потерять равновесие в которых практически невозможно); ограниченно-устойчивое равновесие характеризуется удержанием проекции центра тяжести в пределах, предварительно заданной и по замыслу эффективной для устойчивости опоры (например, различные равновесия в вольных упражнениях). Для большинства упражнений в спорте характерно ограниченно- устойчивое равновесие, которое в свою очередь содержит в себе все признаки других, приведенных выше, видов равновесий.
Решение двигательных задач, сопряженных с проявлением ограниченноустойчивого равновесия, зависит (по Л. Элиоту и У. Уилкоксу) от ряда механических причин (рис. 15). Особенности свойств и условий, в которых находятся тела (условно конусы), позволяют говорить, что:
- - устойчивость тела тем больше при равновесиях, чем больше его масса (А, Б), ниже расположен ОЦМ (Б, В), больше площадь опоры (В, Г);
- - чем ближе проекция центра тяжести тела расположена к границе опоры, тем больше вероятность потери равновесия в случае смещения ОЦМ в сторону вероятной потери равновесия;
- - в случае выхода проекции ОЦМ за пределы эффективной площади опоры равновесие нарушается и падение тела неизбежно.
При анализе двигательных действий, сопряженных с выполнением телеснодвигательных упражнений, не следует отождествлять вид равновесия со степенью устойчивости. Вид равновесия характеризует основу сохранения положения тела, а показатели устойчивости определяют меру возможного сохранения определенного положения тела.
Устойчивость тела спортсмена определяется величиной площади опоры, высотой расположения ОЦТ тела и местом прохождения вертикали, опущенной из ОЦТ на опору. Чем больше площадь опоры, тем больше устойчивость тела. Высота положения ОЦТ различна у спортсменов разного возраста, конституции и пола. У женщин, как уже отмечалось, ОЦТ расположен несколько ниже, чем у мужчин, разумеется, при относительно близкой по значениям антропометрии. У детей раннего возраста ОЦТ расположен выше, чем у взрослых, что, наряду с еще недостаточной физической подготовленностью, затрудняет сохранение телом необходимой устойчивости.
Степень устойчивости тела спортсмена во многих случаях выражается в количественном аспекте - углом устойчивости, который образуется вертикалью, опущенной из ОЦТ тела, и прямой, проведенной из ОЦТ к краю площади опоры, в сторону которой возможна потеря равновесия тела (рис. 16).
Два таких угла, но образованные прямыми, проведенными из ОЦТ к противоположным краям опоры и находящиеся водной плоскости, образуют угол равновесия. При этом, чем больше угол устойчивости, тем более устойчиво тело в конкретном положении относительно опоры.
Рис. 16. Углы устойчивости при различных положениях тела в гимнастике.
А - угол устойчивости назад в стойке на руках;
Б - угол устойчивости вперед в стойке на голове и руках;
В - углы устойчивости при выполнении упражнения «шпагат»: а - угол устойчивости назад; (i - угол устойчивости вперед; Р - сила тяжести (по М.Ф. Иваницкому)
Устойчивость спортсмена при выполнении определенного упражнения тем выше, чем ниже находится его ОЦТ и чем больше расстояние между краями опоры. К примеру, в положении стойки ноги врозь, устойчивость выше, чем в основной стойке, и ниже, чем в широкой стойке ноги врозь. Но все это относится к устойчивости во фронтальной плоскости. А устойчивость тела определяется и величинами углов устойчивости, и равновесия во взаимно перпендикулярных плоскостях. Ясно, что в приведенных примерах устойчивость в сагиттальной плоскости тела будет очень низкой, так как угол устойчивости здесь образован вертикалью из ОЦТ и линией, проведенной от центра тяжести тела к границе опоры. Следует различать понятия поверхности опоры и эффективной опоры. Так, в стойке на руках поверхность опоры обозначена кривой, охватывающей общие границы опоры на две кисти. Эффективная опора - это суммарная площадь опоры каждой кисти. Следовательно, устойчивость тела зависит от расстояния между краями эффективной опоры и, конечно, от характера опоры, на одну или две точки (руки, ноги). Устойчивость в стойке ноги врозь или в стойке на голове и руках всегда выше, чем в любом боковом равновесии.
Трудность сохранения равновесия во многих упражнениях, в частности гимнастических, заключается в том, что человек - сложнейшая биологическая, биокинематическая многозвенная система с огромным количеством суставных сочленений и связей. В отличие от твердого физического тела на спортсмена в упражнениях, связанных с равновесием, действует множество внешних и внутренних возмущающих воздействий. Это и характер опоры, и различная переменчивая тонизация мышц, суставных сочленений, и физические особенности работы жизнеобеспечивающих систем организма. В целом устойчивость тела спортсмена характеризуется равновесием колебательного типа. А управление сохранением равновесного состояния тела достигается управлением уравновешивающими и восстанавливающими движениями посредством компенсаторных, амортизирующих и восстанавливающих движений частями и звеньями тела спортсмена.
Компенсаторные движения, как правило, предупреждают выход центра массы тела за пределы общей поверхности опоры. Они часто применяются спортсменами в процессе приземлений посредством различного рода наклонов тела в сторону возмущающих воздействий, однократного или многократного вращения руками, как вторичной коррекции, что сопряжено уже с явлениями балансирования и рядом затухающих или активизирующихся колебаний в биокинематической цепи тела спортсмена.
Под балансированием понимается устранение вредного влияния динамических нагрузок с целью уравновешивания тела, сохранения равновесия. Сохранение заданного положения тела во многих упражнениях связано с постоянным в той или иной степени активным балансированием, с непрерывными управляющими движениями в биокинематической цепи тела спортсмена. Причем, чем меньше диапазон движений, сопровождающих балансирование, чем меньше они заметны, тем выше мастерство исполнения упражнения. Общепринятые в спорте статические упражнения, по сути, называются так условно, поскольку их исполнитель постоянно в разной степени активности осуществляет восстанавливающие балансирующие движения, рсфлекторно или целенаправленно управляемые.
Амортизирующие движения направлены на уменьшение воздействия возмущающих сил. Это практически всегда встречается в приземлениях в фазе амортизации или, к примеру, как незначительные сгибания рук в стойке на руках с последующим их выпрямлением.
Восстанавливающие движения спортсмена направлены на возвращение центра масс его тела в зону (площадь) сохранения равновесного положения путем перемещения точки опоры. Они часто встречаются и применяются гимнастами в ходе приземления выполнением стопорящего шага в направлении возмущающих воздействий, и таким образом нейтрализующих эти силы. Каждому гимнасту, выполняющему стойку на руках в вольных упражнениях или на брусьях, известно чувство восстанавливающих движений при нежелательном наклоне тела вперед. Для предотвращения потери равновесия спортсмен активно напрягает сгибатели кисти, пальцев и таким образом создает восстанавливающий момент силы, способствующий возвращению центра масс тела в зону сохранения устойчивого положения тела.
Наиболее простыми и распространенными моделями индивидуального и комплексного проявления равновесия, устойчивости и балансирования являются различные виды стоек и осанок. В теории и практике телесно-двигательных упражнений различают симметричные и асимметричные виды стоек. Признаком симметричной стойки является равномерное распределение давления на обе нижние конечности. Асимметричная стойка отличается преимущественным распределением тяжести на одну из ног. И в том, и в другом случае удержание тела в состоянии равновесия возможно, если вертикаль, опущенная из центра тяжести тела, будет находиться в пределах площади опоры.
В группе симметричных стоек различают нормальную, основную и свободную. Для основной стойки (схожей с военной) характерно расположение вертикали, проходящей через ОЦТ тела, спереди от поперечных осей, проходящих через центры тазобедренных, коленных и голеностопных суставов. При этом туловище выпрямлено, голова в естественном относительно туловища положении, живот подтянут, грудная клетка слегка расширена. Поясничный лордоз и наклон таза при этом увеличены до 80-90° при норме 50-65°.
Нормальная стойка в определенной степени схожа с типичной осанкой и принимается, как правило, при антропометрических измерениях, включая биомеханические исследования. При такой стойке ОЦТ тела и поперечная ось тазобедренных суставов находятся в одной фронтальной плоскости, туловище и голова выпрямлены при наклоне таза 50-65°. Равновесное положение тела при нормальной стойке обеспечивается незначительным балансирующим напряжением мышц, окружающих тазобедренные, коленные и голеностопные суставы. В случае необходимости увеличение устойчивости равновесного положения в нормальной стойке может быть обеспечено незначительным разведением ног в стороны.
Стойка в положении «вольно» практически схожа по характеристикам с нормальной стойкой и является переходной для начала передвижения, к примеру, при выполнении общеразвивающих упражнений в процессе групповой формы занятий.
Для спортивных видов гимнастики характерны две специфичные разновидности стоек, демонстрируемых в условиях соревнований. Стойка готовности выполнять упражнение - это та же нормальная стойка с одной рукой, поднятой вверх и несколько в сторону-вперед выпрямленной ладонью. Таким способом спортсмен сигнализирует судьям о своей готовности выполнять упражнение. Стойка завершения упражнения характерна тремя, переходящими одна в другую позами. Первая принимается сразу после приземления и представляет собой незначительный полуприсед, со скругленным туловищем с полунаклоном вперед и естественным относительно туловища положением головы, с руками, выведенными вперед-вверх и в стороны. Такая поза обеспечивает спортсмену при прочих условиях устойчивое равновесное положение тела при приземлении. После удержания этой позы не более 2 с, гимнаст переходит во вторую - выпрямляется в стойку, схожую с основной, с выведением рук вверх - в стороны, с акцентированным выпрямлением головы и удержанием такого положения тела в течение одной секунды с последующим поворотом в сторону судейской бригады, сохраняя прежнюю позу и опуская руки вниз, слегка назад и в стороны. Часто спортсмены индивидуально стилизуют все три отмеченные позы приземления и завершения упражнения, что отражает индивидуальность гимнаста и, как правило, не считается ошибкой.
С позиций биомеханики и основной гимнастики следует отличать рассмотренные стойки от осанки. Осанка - это привычная поза тела, не вынужденное ее удержание, обусловленная индивидуальными особенностями человека; подразделяется на статическую и динамическую.
Статическая осанка характерна удержанием определенной позы тела в различных положениях (стоя, сидя, лежа и др.). Динамическая осанка сохраняется в переменных условиях, в движении, в процессе выполнения упражнения. Часто динамическая осанка, характерная для конкретного упражнения, определяет его форму и название. Так, в сальто назад в группировке динамической осанкой является положение группировки.
В упражнениях различных спортивных видов гимнастики, в комбинациях элементов могут проявляться несколько разновидностей осанок. Соскоки со снарядов, опорные прыжки, как правило, называют по более характерной и более длительно удерживаемой осанке, и таким образом определяемой форме элемента. Например, характерной динамической осанкой для упражнений на коне является слегка скругленное в верхнем грудном отделе положение тела с максимально поднятым относительно опоры (ручки, тело снаряда) плечевым поясом и подконтрольной умеренной тонизацией мышц задней поверхности туловища. Отмеченное во многом обеспечивает оптимально высокое положение О ЦТ тела спортсмена над опорой и выполнение упражнений без ее касания ногами и тазом.
