Гимнастика. Секреты эффективного движения. Биомеханика. Структура. Техника

Опорно-двигательный аппарат человека (ОДА), в том числе гимнаста – своеобразная машина, отличающаяся, однако, от искусственных механизмов исключительным многообразием, управляемой изменчивостью и даже избыточностью своих функций. Выдающийся российский физиолог Н. Е. Введенский отмечал, что человек, ОДА которого обладает громадным числом потенциальных возможностей движения, не мог бы выполнять координированные действия, если бы не умел исключать избыточные степени свободы, превращая тем самым свой двигательный аппарат в рабочую машину, действующую в каждый данный момент по совершенно определенной программе, способной, однако, быстро и целесообразно перестраиваться в зависимости от цели действия.

Чтобы иметь достаточно детальные представления о биомеханике ОДА гимнаста и связанных с этим двигательными возможностями, необходимо рассмотреть основные особенности как кинематики, так и динамики ОДА.

2.1. ЭЛЕМЕНТЫ КИНЕМАТИКИ ОДА ГИМНАСТА

2.1.1. Тело гимнаста как биокинематическая цепь

С точки зрения технической механики, тело человека, в данном случае гимнаста, подобно цепи звеньев, последовательно соединенных подвижными шарнирами (суставами). Анализируя кинематические свойства этой «машины», оперируют тремя основными понятиями: «звено», «пара» и «цепь».

Кинематическое звено (КЗ) – наиболее простой структурный элемент «человеческой машины», обычно совпадающий с понятием анатомического звена, соединенного суставами со смежными звеньями. В зависимости от положения, которое занимает КЗ в цепи звеньев, оно может быть срединным или концевым. К первым относятся, например, плечо, бедро, туловище, ко вторым – стопа, кисть, голова. Однако, в зависимости от характера исполняемого действия, в роли «концевых» или «срединных» могут быть различные содружества звеньев. Например, рука, фиксированная в суставах кисти, запястья и локтя, может играть роль единого концевого звена, а все тело гимнаста, фиксированное во всех суставах, кроме тазобедренных, превращается в кинематическую пару с двумя концевыми звеньями. От места звена в цепи звеньев существенно зависит его вклад в управление движением (см. ниже).

Кинематическая пара (КП) это два звена (или две «закрепленные» совокупности звеньев), соединенных общим суставом или суставами. Таковы плечо и предплечье, с локтевым суставом между ними, голень и бедро с коленным суставом посередине, ноги и туловище с головой, вращающиеся относительно друг друга в тазобедренных суставах и др. Движения в таких КП могут вызываться как внутренними силами, действующими в цепи, так и внешним силовым воздействием.

Наиболее важный фактор движения в КП – внутренние силы, т.е. действие мышц, перекинутых через сустав, соединяющий звенья пары. Так, сгибатели и разгибатели предплечья или бедра могут не только обеспечивать в суставе движения, прямо соответствующие названию этих мышц, но и совершать взаимно согласованные («шунтирующие») действия, когда мышцы-антагонисты участвуют в управлении движением, в основном выполняемом агонистами, например, сдерживают ранее заданное движение в суставе.

В свою очередь, в качестве внешних сил, способных вызвать движение в КП, могут выступать сила тяжести, инерционный «напор», возникающий в момент приземления и др.

Кинематическая цепь (КЦ) – совокупность нескольких КП. В роли КЦ могут быть как совокупности звеньев тела гимнаста (конечности, туловище), так и все его тело. В зависимости от особенностей взаимодействия звеньев тела гимнаста между собой и с опорой различают три принципиально важных разновидности КЦ (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Виды кинематических цепей

Закрытая КЦ – характерна для положений, в которых концевые звенья цепи фиксированы на опоре. Таковы, например, цепь, образуемая ногами и тазовым поясом человека, стоящего на земле в стойке «ноги врозь»; цепь в виде руки, поставленной на пояс или все тело в положении «упора стоя», «мостика» (рис. 2.1, а) и т. п. Очевидно, что в таких условиях спортсмен ограничен в двигательных возможностях, энергонасыщенные суставные движения для него затруднительны, и чаще всего действия в положении с закрытой КЦ – это просто удержание позы, а не координированное ее изменение.

Свободная КЦ – антитеза закрытой цепи. Это случаи безопорного движения, характерные для бега, прыжков, гимнастических соскоков со снарядов и т. п. (рис. 2.1, б), когда в роли КЦ выступает все тело спортсмена. Подвижность звеньев такой цепи не ограничена внешней опорой, но зависит от положения звена в системе. По понятным причинам наиболее подвижны края такой цепи, тогда как срединные ее звенья несколько ограничены связями. Двигаясь в полете, гимнаст может свободно менять позу и в определенных параметрических границах управлять вращением тела. Однако он лишен возможности изменять базовые характеристики движения – траекторию ОЦТ, высоту и время полета, кинетический момент, определяющий интенсивность «крутки» и др. (см.)

Открытая КЦ – случай, наиболее характерный и важный как с точки зрения описания структуры и техники гимнастических упражнений, так и в отношении обучения движениям (рис. 2.1, в). Свойствами открытой КЦ обладает все тело спортсмена, если опорой фиксирован только один конец цепи (в). Биомеханически открытой КЦ являются и свободные конечности спортсмена – нога, совершающая взмах, рука, выполняющая «волну» и т. д. Специфическим случаем возникновения открытой КЦ являются движения с опорой животом или тазом, когда тело спортсмена «делится» опорой пополам, как бы образуя две открытые полуцепи.

В отношении управления, движения, выполняемые в положении открытой КЦ, наиболее богаты возможностями. Если при закрытых цепях тело спортсмена слишком связано с опорой, а при свободных КЦ, напротив, вообще лишено ее (что означает невозможность радикального управления движением), то открытая КЦ предоставляет исполнителю наибольшие возможности для выполнения активных целевых действий.

Реальное гимнастическое упражнение, взятое в динамике, как правило, сопровождается изменениями кинематического статуса тела спортсмена. Так, движение на «соскок дугой», показанное на рис. 2.1, начинается из упора стоя согнувшись, т.е. в положения типа закрытой КЦ (а). После освобождения ног гимнаст переходит в положение открытой КЦ (в) и мощно разгибается, обеспечивая тело энергией, необходимой для выполнения решающей части программного движения. В полете тело становится свободной КЦ (б), а после приземления вновь переходит в состояние открытой КЦ. Таким образом, спортсмен должен соответственно перестраивать двигательные действия, исходя из оперативных физических условий.

2.1.2. Степени свободы звеньев открытой КЦ

Разнообразие и сложность движений звеньев тела гимнаста, свобода управления ими и их энергонасыщение зависят не только от типа действующей в данный момент КЦ, но и от положения каждого звена в цепи. В особенности это относится к открытым КЦ.

На рис. 2.2. на примере гимнастического виса показано как изменяется число степеней свободы звеньев тела спортсмена. Чем дальше от опоры расположено звено цепи, тем выше его потенциальная подвижность. В положении с полностью фиксированными суставами (а-б) все звенья системы имеют только одну степень свободы и, соответственно, лишь одну возможность вращаться всем фиксированным телом в переднезадней плоскости. Но последовательное введение в движение других суставов (б-в, в-г и т.д.) позволяет суммировать степени свободы и наращивать тем самым подвижность звеньев тем больше, чем дальше звено расположено от опоры.

Рис. 2.2. Вис как открытая кинематическая цепь. Степени свободы звеньев.

Необходимо особенно подчеркнуть, что высокая подвижность концевых звеньев КЦ чрезвычайно важна не только в плане координации движений, но и в отношении энергообеспечения упражнения: при движениях типа «мах» в висах и упорах концевые звенья КЦ не только обладают наибольшим числом степеней свободы, но, как правило, перемещаются с максимальной окружной скоростью, т.е. обладают, сравнительно с другими звеньями КЦ (даже такими массивными, как туловище) наибольшей кинетической энергией, которая при определенной технике передается на смежные звенья, и в конечном итоге, на все тело, обеспечивая этим выполнение программного движения.

2.1.3. Кинематика пояса верхних конечностей

Наиболее характерные рабочие положения гимнаста на снаряде – это положения с опорой на руки, т.е. упоры, висы, стойки. В их числе не только наиболее естественные, доступные для освоения, анатомически удобные положения, но и (что характерно для гимнастики высших достижений) нарочито усложненные, требующие специальной подготовки. Таковы положения типа висов сзади или в аномальных хватах, движения, требующие выкручивания в плечевых суставах и т. п. При этом те и другие тесно связаны морфологически: именно на переходах от «удобных» положений к «неудобным», усложненным и обратно построены многие упражнения.

В связи с этим возникают вопросы, ответы на которые должны представлять интерес для каждого продвинутого тренера.

Пределы подвижности в суставах ПВК. Техника и качество исполнения многих гимнастических упражнений, сопровождающихся опорой руками (кистями) о снаряд, в значительной степени зависят от показателей подвижности в суставах ПВК; подвижность кисти и руки относительно туловища при опорных поворотах, дохватов, перехватов и т. п. – важный показатель подготовленности и технического потенциала гимнаста в движениях, требующих высокой подвижности такого рода.

На рис. 2.3 показаны три характерные зоны, которые выделяются для такой подвижности (на примере пронации по Ю. К. Гавердовскому, К. Абдельвахабу, 1982).

Рис. 2.3. Пределы подвижности в суставах в зависимости от положения рук.

Активная «удобная» зона. В пределах этой зоны гимнаст активно, за счет собственной мышечной работы, поворачивает звено до доступного предела и некоторое время удерживает его в этом положении. Именно так приходится действовать при дохватах, перехватах и некоторых поворотах вокруг опорной кисти.

Активно-пассивная «неудобная» зона. Гимнаст может более резким движением достичь предела амплитуды, несколько большего, чем в предыдущем случае, но уже не может самостоятельно зафиксировать достигнутое положение звена. Так, если кисть предельно пронировалась, мышцы-супинаторы, натягиваясь, тем больше препятствуют пронации, чем резче, активнее последняя осуществлялась.

Пассивная зона. Наконец, достичь наибольшей подвижности звена, превышающей показатели двух предыдущих случаев, можно только под значительным внешним воздействием, как это бывает, например, в висах сзади под действием силы тяжести, инерционных сил или благодаря внешней помощи.

В гимнастической практике подвижность звена в пассивной зоне – наиболее важный, базовый показатель подготовленности гимнаста, «разработанности» его суставов и окружающих их мышечно-связочного аппарата. Чем лучше она выражена, тем больше за ней «подтягиваются» и остальные показатели подвижности.

Подвижность при выкрутах в плечах – необходимое двигательное качество гимнаста, являющееся частным случаем подвижности в суставах. При вкручиваниях – выкручиваниях хватом сверху руки гимнаста, связанные опорой (гимнастической палкой или стационарной опорой) должны преодолевать критическую зону, в которой происходит переход головки сустава в новое положение. При вкручиваниях с движением рук назад за голову (с плечевым сгибанием) эта зона располагается после прохождения руками лицевой плоскости, а при обратном движении, выкручивании (с плечевым разгибанием) – там же, на подходе к лицевой плоскости. При этом в решающий момент происходит своеобразный скачкообразный «прорыв» в новое положение, который возможен лишь при условии создания необходимого и достаточного «напряжения» в плечевых суставах, возникающего тем позднее, чем больше руки сведены на жесткой опоре и чем «жестче плечи». Обычно для подготовленных спортсменов или, например, детей, гимнасток с более «мягкими» плечами, величина описанной критической зоны вкручивания-выкручивания уменьшается.

Аксиальная взаимосвязь движений в суставах ПВК. Из рис. 2.3 можно было видеть, что абсолютные показатели подвижности в суставе (на примере пронации кисти) зависят не только от активности действий гимнаста в суставах, но также от положения руки относительно туловища. Для смежных звеньев тела фактически не существует изолированных двигательных функций: выполняя какое-либо «одно» движение спортсмен, желая того или не желая, «втягивает» в этот процесс и другие двигательные функции. В частности, функция супинации – пронации руки гимнаста непосредственно связана не только с ее положением относительно туловища, но и с характером движения руки. Это явление морфологической взаимосвязи движений в суставах носит совершенно однозначный характер и может быть описано посредством строгой структурно-логической схемы, показанной на рис. 2.4 (Ю. К. Гавердовский, 1971, 1986).

Рис. 2.4. Аксиальная связь движений в суставах плечевого пояса.

На рис. 2.4. показан фрагмент аналитического построения, показывающего аксиальную (т.е. имеющую отношение к осям вращения) взаимосвязь между гимнастическими движениями на жесткой продольной опоре (перекладина, жердь брусьев разной высоты и т.п.). Смежные положения, показанные в этой схеме, можно не отпуская рук менять одно на другое путем простого движения в переднезадней плоскости. Например, из виса хватом сверху (см. в верхней части рисунка позицию 14; в нижней то же положение показано под номером 2) можно подняться в вис продольно касаясь (11), затем, с перемахом ногами перейти в вис прогнувшись или согнувшись сзади (9) и, наконец, опуститься до виса сзади хватом сверху (6). Весь описанный переход будет сопровождаться вращением тела гимнаста вокруг фронтальной плечевой оси с разгибанием плеча до возможного максимума при одновременной все большей пронации кисти и руки.

Аналогичным образом может быть выполнено и обратное движение с возвращением в простой вис хватом сверху, но уже за счет сгибания в плечевых суставах с одновременной супинацией кисти, то есть с чередованием положений 6-9-11-14 (2).

Вместе с тем существует и другой путь возвращения из виса сзади хватом сверху в вис тем же хватом: отпустив одну руку, можно повернуться вокруг продольной оси руки, супинируя кисть и «раскручивая» плечо в обратную сторону, т.е., последовательно проходя позиции (5 или 3) – 2.

Таким образом, вращения вокруг фронтальной и продольной осей морфологически взаимозаменяемы. Эта закономерность имеет глубокий смысл и большое практическое значение. С одной стороны, ею устанавливаются многие технические требования к движениям, определяющие как качество, так и саму возможность исполнения упражнения. С другой стороны, аксиальная связь движений в суставах обусловливает структуру возможных движений на опорах, в том числе форму и уровень сложности упражнений. Так, если строить гимнастическое упражнение, проходя рабочие положения на снаряде, показанные вдоль построения на рис.3.5 (например, 1-4-8-11-15), то выясняется, что гимнаст может практически освоить каскад совершенно оригинальных упражнений4, в которых поворот вокруг опорной руки не имеет анатомических пределов и может продолжаться в одном направлении сколь угодно долго, так как деформация тканей руки и плеча, вызываемая поворотом вокруг продольной оси, синхронно компенсируется обратным по морфологическому смыслу движением относительно фронтальной плечевой оси. Причем движения такого типа создают щадящий режим воздействия на ОДА плечевого пояса, «берегут» мышцы, связки и суставы.

Не меньшее практическое значение имеют и сочетания движений в суставах, при которых вращения вокруг продольной и фронтальной осей вызывают форсированное натяжение мягких тканей. На рис. 3.4 это движения с чередованием положений, расположенных «поперек» построения (3—4, 5—7, 6—8). Упражнения, построенные на таких формах движения, могут, с одной стороны, при неосмотрительном их использовании стать причиной травм типа растяжений и т.п., но одновременно являются необходимым средством развития подвижности в суставах. Взаимосвязь и взаимозамещаемость вращений относительно разных осей суставов вообще дает возможность пользоваться более разнообразными средствами воздействия на мышцы и связки плечевого пояса при развитии подвижности в плечевых суставах. Например, важная для гимнастов подвижность в плечах при движениях типа «вкручиваний – выкручиваний», махах в висах сзади и т. п. прекрасно развивается не только посредством упражнений, выполняемых непосредственно в данных рабочих положениях (т.е. с движениями на сгибание и разгибание в плечах с прохождением рук через лицевую плоскость, с махами в висах сзади и т.д.), но и упражнениями с глубокими поворотами в висе на одной руке, когда кисть, а затем и вся рука до плеча совершает относительно туловища супинаторно-пронаторные повороты. И наоборот, супинаторно-пронаторные возможности руки можно совершенствовать, выполняя разнообразные упражнения в висах сзади.

Действия кистями на подвижной опоре (на кольцах) подчиняются принципиально тем же, но более сложным закономерностям. Необходимые манипуляции кистями-кольцами зависят от направления вращения всего тела, характера движений в плечах и текущего расположения тела относительно опоры (в упоре или висе). При этом существуют определенные технические варианты, когда, например, на спаде действия кистями приостанавливается (это необходимо по соображениям, связанным с преодолением ударных, «обрывных» эффектов в висе) с тем, чтобы позднее, при подъеме необходимый разворот кистей был восполнен более активной работой.

2.2. ЭЛЕМЕНТЫ ДИНАМИКИ ОДА ГИМНАСТА

2.2.1. Геометрия масс тела гимнаста

Под этим термином подразумевается обусловленное телосложением, распределение относительных масс тела гимнаста, определяющее особенности индивидуальной техники упражнений, их трудность для данного исполнителя, требования к его специальным физическим качествам, обучению, отбору для занятий гимнастикой и другие важные элементы подготовки спортсменов.

Наиболее существенными масс-инерционными характеристиками, важными для понимания техники гимнастических упражнений, являются относительное и абсолютное положение и перемещение общего центра масс тела (ОЦМ), а также значения момента инерции тела гимнаста при изменениях его позы на опоре и, особенно, в полете.

Относительные массы звеньев тела (в процентах от общей массы тела человека) описываются следующими примерными значениями (Д. Д. Донской):

– голова – 6,9;

– верхний отдел туловища – 15,9;

– плечи – 5,4;

– средний отдел туловища – 16,3;

– предплечья – 3,2;

– нижний отдел туловища – 11,3;

– кисти – 1,2;

– бедра – 28,4;

– голени – 8,6;

– стопы – 2,8.

Учитывая специфику гимнастических движений, можно обобщить эти данные, представляя тело гимнаста в виде системы из трех основных звеньев: руки – туловище с головой – ноги. В этом случае соотношение масс этих звеньев будет в округлении выглядеть следующим образом:

– руки – 10%,

– туловище с головой – 50%

– ноги – 40%.

Таким образом, очевидно, что массы тела человека сосредоточены в двух звеньях – туловище с головой и ноги. При этом масса ног лишь незначительно уступает массе туловища с головой. При исполнении маховых движений в висах и упорах, когда ноги, как правило (особенно при «бросках») перемещаются гораздо быстрее, чем туловище, они становятся основным энергонесущим звеном, определяющим возможность и различные технические оттенки исполнения упражнения.

Расположение центров масс звеньев достаточно характерно (рис. 2.5). Поскольку звенья тела человека имеют коническую форму, то ЦТ звена всегда несколько смещен от его середины к проксимальному суставу, располагаясь от него на расстоянии около 0,42—0,47 см от общей длины звена.

Рис. 2.5. Расположение центров масс звеньев тела человека.

Относительное и абсолютное положение ОЦТ тела. Относительное положение ОЦТ тела спортсмена является одним из показателей взаимного расположения его звеньев, т.е. масс-геометрической характеристикой позы.

На рис. 2.6 схематически показаны позы в стойке на ногах. Нетрудно видеть, что положение ОЦТ характерным образом меняется в разных случаях, при этом точка, соответствующая ОЦТ, во многих случаях не проецируется на тело спортсмена, т. к. ОЦТ – физическая абстракция и не имеет материальной связи с самим телом человека (подобно тому, как гимнастический обруч, вращается в полете вокруг оси, проходящей через центр масс снаряда, находящийся в его геометрическом центре, т.е. – «в пустоте»).

Рис. 2.6. Относительное положение ОЦТ тела человека при изменениях позы.

Абсолютное положение ОТЦ тела спортсмена является, в свою очередь, характеристикой расположения и перемещения всего тела спортсмена относительно внешних неподвижных координат. Наиболее детальное представление об этой характеристике можно получить, обратившись к описанию конкретных типов гимнастических упражнений, сопровождающихся ярко выраженным перемещением ОЦМ по некоторой пространственной траектории (см. ниже).

При анализе структуры и техники спортивных упражнений выделяются две категории, различающиеся по признаку наличия или отсутствия опоры, сопутствующей исполнению движения в данной его фазе.

В перемещениях первой категории пространственные координаты ОЦМ определяются, прежде всего, взаимодействием тела спортсмена с опорой и представляют интерес как интегральная характеристика именно действий на опоре. Так, траектория ОЦМ тела гимнаста, выполняющего большой оборот на перекладине, представляет собой замкнутую кривую, по форме стремящуюся к окружности. При исполнении аналогичных упражнений на кольцах траектория ОЦМ имеет практически отвесную форму и т. д. При этом в зависимости от техники, уровня мастерства спортсмена, степени его утомления и пр. параметры этих кривых многообразно меняются, как в масштабе более или менее длительных периодов подготовки, так и оперативно, в масштабе занятия и отдельных попыток исполнения. При наличии соответствующих методов регистрации движения по этим изменениям можно тонко отслеживать индивидуальные особенности техники спортсмена, динамику освоенного им навыка и т. д. Принципиально важно при этом, что тонкое пространственное поведение ОЦМ тела спортсмена в таких движениях всегда есть функция его суставных движений, силовых изменений позы на опоре.