ЛЕКЦІЯ 1. ВСТУП У БІОМЕХАНІКУ.

Значення біомеханічних знань для спортивного педагога

Предмет і завдання біомеханіки

Розділи біомеханіки фізичних вправ

Призначення біомеханічних характеристик

Етапи біомеханічного аналізу

Критерії оптимальності рухової діяльності

Системно-структурний і функціональний підходи до аналізу рухової діяльності

Основні поняття біомеханіки

Біомеханічна класифікація фізичних вправ

Питання для перевірки знань

1. Біомеханіка як наука про рухову діяльність людини.

Значення біомеханічних знань для спортивного педагога. Гостра конкуренція і висока щільність спортивних результатів останнім часом обумовили те, що провідні спортивні фахівці все більше уваги почали приділяти удосконаленню механізмів керування тренувальним процесом, спортсменами, які забезпечують стабільні і одночасно високі спортивні результати.

Вирішуючи питання побудови моделі майбутнього, багато вчених-тренерів асоціюють його з оптимізацією процесу оволодіння технікою руху, а також розкриттям механізмів керування біомеханічними структурами провідних характеристик координації основних, притаманних певному виду спорту рухових дій ( Д.Д.Донской, 1962).

Не так давно багато вчених і практиків вважали, що покращення кожного з видів підготовки спортсмена (фізичної, технічної, тактичної і т.ін.) від новачка до МСМК повинно відбуватись поступово і паралельно. Проте аналіз літературних даних показує, що незалежно від стану (періоду) підготовки є часові інтервали, коли показники спортивної майстерності визначаються не спеціальними фізичними якостями, а технікою виконання. У деяких видах спорту, як циклічних, так і ациклічних, розвиток провідних фізичних якостей, припустимо швидкісно-силових, у спортсменів першого розряду, майстрів спорту може знаходитися на одному рівні, проте досконала техніка виконання основного рухового завдання дозволяє одному спортсмену показувати результат набагато кращий, ніж іншому. Тим не менше дане твердження не дає ще можливості остаточно стверджувати про те, що у такий період необхідно всю увагу приділяти лише технічній підготовці. Найменше зменшення необхідного рівня спеціальних фізичних якостей може спричинити погіршення техніки виконання, а отже, погіршення результату.

Оптимізація засобів як всієї технічної підготовки у виді спорту, так і окремих прийомів залежить від вірного вибору методів, основною умовою яких повинна бути індивідуалізація в процесі навчання на підставі морфо-біологічних параметрів спортсменів конкретного виду спорту або конкретної рухової дії. В умовах високогір’я на перше місце висувається ефективна і раціональна техніка виконання рухів, а не фізичні якості, оскільки в складних функціональних умовах існує одна єдина можливість переграти, припустимо у футболі, а не «перебігати».

Техніка виконання спеціальних вправ в окремих видах спорту залежить від морфофункціональних характеристик спортсмена. Тому, без складання морфофункціонального «портрету» юного спортсмена неможливо визначити його резервні можливості. Лише суворий контроль і порівняння в динаміці морфобіомеханічних параметрів кожної дитини допоможе позбавитися явищ застою у спортивних результатах. Біомеханічний аналіз техніки рухів в онтогенезі щодо певного виду спорту у порівнянні з мас-інерційними характеристиками дозволить виявити найбільш оптимальні, а отже, і ефективні технічні прийоми на основі біомеханічних параметрів і морфологічних особливостей, що на них впливають.

Таким чином прослухавши курс біомеханіки майбутній учитель фізичної культури :

1) ознайомиться з біомеханічними основами техніки рухових дій і тактики рухової діяльності;

2) озброїться теоретичними знаннями і практичними навичками, необхідними для науково обґрунтованого здійснення навчального і тренувального процесу, змагальної і спортивно-прикладної діяльності у фізичному вихованні, спорті і масовій фізкультурі.

Усвідомлення надзвичайної складності і разом з тим пізнаванності рухової діяльності, ознайомлення з теоретичними концепціями сучасної біомеханіки, оволодіння основами системного підходу до аналізу складних явищ, освоєння методів моделювання й оптимізації рухової діяльності – усе це не тільки розширює професійні знання, уміння і навички майбутнього вчителя, але і формує специфічний стиль мислення, необхідний для цілеспрямованого й ефективного перетворення навколишньої дійсності.

Біомеханіку вважають складною наукою, що вимагає гарної математичної підготовки і тому є важкою для студента. Але про закономірності рухів можна говорити і простою загальнодоступною мовою. З огляду на сказане, матеріал з біомеханіки викладений популярно. Для його розуміння досить знань, отриманих у середній школі і при вивченні курсу анатомії людини.

Предмет і завдання біомеханіки. Біомеханіка в циклі наук освітньо-професійної програми напряму вищої освіти за спеціальністю «Вчитель фізичної культури» відноситься до блоку спеціально-теоретичних дисциплін і базується на матеріалі анатомії людини і спортивної морфології.

Термін біомеханіка складений з двох грецьких слів: bios – життя і мехаnе – знаряддя. Як відомо, механіка – це розділ фізики, що вивчає механічний рух і механічну взаємодію матеріальних тіл. Звідси зрозуміло, що біомеханіка – це розділ науки, що вивчає рухові можливості і рухову діяльність живих істот.

Біомеханіка фізичних вправ вивчає рухові дії людини у процесі виконання фізичних вправ. Основними завданнями біомеханіки є:

1. вивчення об’єктивних закономірностей і вдосконалення рухової функції людини;

2. оптимізація рухової діяльності людини на основі вимірювання та контролю її кількісних характеристик та розробки критеріїв ефективного управління станом її рухової функції і т.ін.

Найбільший практичний інтерес представляє вивчення рухів людини і вищих тварин. Перші наукові праці тут написані Аристотелем (384-322 р. до н.е.), якого цікавили закономірності руху наземних тварин і людини. А основи наших знань про рухи у воді закладені Архімедом (287-212 р. до н. е.).

На становлення біомеханіки вплинули видатні мислителі минулого: римський лікар Гален (131-201 р.), Леонардо да Вінчі (1452-1519 р.), Мікеланджело (1475-1564 р.), Галілео Галілей (1564-1642 р.), Исаак Ньютон (1642-1727 р.), учень Галілея Джованні Альфонсо Бореллі (1608-1679 р.) – автор першої книги по біомеханіці «Про рухи тварин», що вийшла у світ в 1679 р.

І.М. Сєченов (1829-1905 р.), П. Ф. Лесгафт (1837-1930 р.), О. О. Ухтомський (1875-1942 р.) і основоположник російської біомеханічної школи М.О. Бернштейн (1896-1966 р.) багато зробили для розвитку біомеханіки праці і спорту. Крім того, в останні десятиліття виникли і розвиваються:

інженерна біомеханіка, основні досягнення якої пов’язані з будуванням роботів;

медична біомеханіка, що досліджує причини, наслідки і способи профілактики травматизму, міцність опорно-рухового апарата, питання протезобудування;

ергономічна біомеханіка, що вивчає взаємодію людини з навколишніми предметами з метою їхньої оптимізації.

Проте центральним розділом біомеханіки залишається біомеханіка фізичних вправ. Вона вивчає рухову діяльність людини під час спортивних тренувань і змагань і в процесі занять масовими й оздоровчими формами фізичної культури, у тому числі на уроках фізичної культури в школі. Постійно удосконалюючись, біомеханіка фізичних вправ поступово перетворюється в біомеханіку рухової активності, що охоплює всі сторони рухової діяльності людини.

Архітектоніка сучасної біомеханіки складається як би з трьох «секцій» і трьох «поверхів» (мал. 1).

Біомеханіка поділяється на загальну, диференціальну і прикладну.

Загальна біомеханіка вирішує теоретичні проблеми і допомагає довідатися, як і чому людина рухається. Цей розділ біомеханіки дуже важливий для практики фізичного виховання і спорту, тому що «немає нічого практичніше гарної теорії».

Диференціальна біомеханіка вивчає індивідуальні і групові особливості рухових можливостей і рухової діяльності. Вивчаються особливості, що залежать від віку, статі, стану здоров’я, рівня фізичної підготовленості, спортивної кваліфікації і т.ін.

Прикладна біомеханіка розглядає конкретні питання технічної і тактичної підготовки в окремих видах спорту і різновидах масової фізичної культури. У тому числі в оздоровчому бігу і ходьбі, загально розвиваючих гімнастичних вправах, ритмічній гімнастиці та ін. Основне питання прикладної біомеханіки – як навчити людину правильно виконувати різноманітні рухи або як самостійно освоїти культуру рухів.

На трьох «поверхах» (рівнях) біомеханіки вивчають: рухи – рухові дії – рухову діяльність. На першому рівні фактичні дані для дослідження рухів добуваються найчастіше в експериментах з ізольованими м’язами й іншими частинами тіла тварин.

За рідкісним винятком (наприклад, рухи немовляти) здорова людина виконує цілеспрямовані і мотивовані рухи, або рухові дії. На цьому (другому) рівні біомеханіка вивчає й удосконалює техніку рухових дій (наприклад, техніку стрибка, удару, кроку і т.ін.).

Третій рівень біомеханіки присвячений тактиці рухової діяльності. При виконанні фізичних вправ рухова діяльність складається з рухових дій, як ланцюг з ланок. Наприклад, біг складається з окремих кроків; стрільба – із приготування, прицілювання і пострілу; штрафний удар у футболі з розбігу й удару ногою по м’ячу. Рухові дії в такому ланцюзі взаємозалежні і взаємообумовлені. Тому рухова діяльність – це система рухових дій.

Біомеханіка займає особливе положення серед наук про фізичне виховання і спорт. Вона базується на анатомії, фізіології і фундаментальних наукових дисциплінах – фізиці (механіці), математиці і теорії керування. Взаємодія біомеханіки з біохімією, психологією й естетикою дало життя новим науковим напрямам, що, ледь народившись, вже приносять велику практичну користь. У їхньому числі «психобіомеханіка», енергетичні й естетичні аспекти біомеханіки.

Біомеханіка більше, ніж інші медико-біологічні і педагогічні дисципліни використовує досягнення електронно-обчислювальної техніки.

Але головне – біомеханіка є посередником між теорією і практикою фізичного виховання, спорту і масової фізичної культури. Спираючись на знання біомеханіки, педагогу легше вчити своїх вихованців, але для цього необхідно вміти аналізувати рухову діяльність, або, говорячи професійною мовою, читати рухи. Тут можна провести аналогію з музикою. Неспеціаліст сприймає фонограму музичного твору емоційно, а професіонал-музикант розрізняє голоси різних інструментів, тонко оцінює погодженість їхнього звучання, зауважує помилки і крім того, може «думкою почути» звуки, записані на нотних лінійках. Так і фахівець з фізичного виховання повинний уміти «думкою побачити» рух, якщо зареєстровані його характеристики (траєкторія, швидкість, сила і т.д.).

2. Етапи біомеханічного аналізу. Для того, щоб оцінити окремі рухи, зіставити їх між собою, визначають їхню біомеханічну характеристику. Розрізняють біокінематичні, біодинамічні та енергетичні характеристики рухів тіла людини. У них різне призначення: кінематичні характеризують зовнішню картину рухової діяльності, динамічні несуть інформацію про причини зміни рухів, енергетичні дають уявлення про механічну продуктивність і економічність.

Процедура аналізу рухової діяльності (біомеханічного аналізу) складається з наступних етапів:

1. Вивчення зовнішньої картини рухової діяльності. Насамперед з’ясовують, з яких рухових дій вона складається і яка послідовність цих рухових дій. Наприклад, шкільний урок фізичної культури складається з ряду вправ. Потрібно враховувати, що характер, тривалість і інтенсивність попередніх вправ впливають на якість виконання наступних.

Вивчаючи зовнішню картину рухової діяльності, реєструють біокінематичні характеристики: системи відліку відстані і часу; просторові характеристики (координати крапки, тіла, системи тіл, траєкторії крапок); часові характеристики (моменти часу, тривалість руху, темп і ритм рухів); просторово-часові характеристики (швидкості і прискорення крапок і тіла).

Особливо важливо знати тривалість окремих частин руху (фаз), графічним відображенням чого є хронограма. Хронограма рухової дії характеризує техніку (мал. 2), а хронограма рухової діяльності – перше, на що звертають увагу при аналізі спортивної тактики.

2. З’ясування причин, що викликають і змінюють рухи. Вони не доступні візуальному контролю і для їхнього аналізу необхідно реєструвати біодинамічні характеристики: інерційні характеристики (маса тіла, момент інерції); силові характеристики (сили, моменти сил, імпульс сили й імпульс моментів сил). Найважливіше значення тут мають величини сил, що діють на людину ззовні і які створюються її власними м’язами.

3. Визначення топографії працюючих м’язів. На цьому етапі визначається, які м’язи і який механізм їх участі у виконанні фізичної вправи. Знаючи, які м’язи переважно забезпечують рухову діяльність, до якої готує себе людина, можна з безлічі фізичних вправ відібрати ті, які сприяють розвитку саме цих м’язів і їхньої координації.

У залежності від того, яка частина всієї м’язової маси тіла задіяна, розрізняють: глобальну м’язову роботу (більш 2/3), регіональну (від 1/3 до 2/3) і локальну (менше 1/3). Так, бігуни, плавці, лижники виконують глобальну м’язову роботу. До регіональної відноситься, наприклад, м’язова робота, виконувана при деяких загальнорозвиваючих гімнастичних вправах (підтягуванні на поперечині, підніманні ніг і верхньої частини тулуба з положення лежачи на спині і т.п.).

Уявлення про те, які м’язи задіяні в кожній вправі, можна одержати, реєструючи їхню електричну активність. Чим інтенсивніше працює м’яз, тим вище її електрична активність і більше амплітуда електроміограми.

Добре відомо, що різні рухи відрізняються за кінематикою і динамікою. Так само і електроміографічний портрет рухів неоднаковий у різних вправах. Але, як пише Р.С.Персон, «навіть досить складні рухи, якщо вони досить автоматизовані (наприклад, ходьба й інші локомоції, звичайні побутові, професійні і спортивні рухи), мають більш-менш постійний малюнок збудження м’язів не тільки при повторенні руху одною людиною, але й у різних людей».

4. Визначення енергетичних витрат і того, як доцільно витрачається енергія працюючих м’язів. Для відповіді на ці питання реєструють біоенергетичні характеристики: робота сил, потужність, механічна енергія тіла - кінетична і потенційна. Поряд з величинами енерговитрат важлива економічність, що тим вище, чим більше частка корисних енерговитрат стосовно усієї витраченої енергії. Підраховано, наприклад, що у стаєрів вищої кваліфікації підвищення економічності бігу на 20% переміщає бігуна в списку кращих з 10-го на 1-е місце.

5. Виявлення оптимальних рухових режимів (найкращої техніки рухових дій і найкращої тактики рухової діяльності) здійснюється на заключному етапі біомеханічного аналізу. Тут же оцінюється ступінь відповідності реально мають місце й оптимальні варіанти техніки і тактики.

Оптимальним (від лат. орtімus — найкращий) називається найкращий варіант із усіх можливих. У спорті (а останнім часом і в оздоровчій фізкультурі) постійно йде пошук оптимальних варіантів техніки і тактики і визначення ступеня відповідності рухового режиму, що спостерігається реально, оптимальному. Тим самим вирішується завдання оптимізації рухової діяльності або її раціоналізації (якщо не вдається досягти ідеалу, але можна до нього наблизитися).

Оптимізацією називають вибір найкращого варіанта з числа можливих. Але що таке найкращий варіант рухової діяльності? Загальної відповіді на це питання не існує, оскільки усе залежить від конкретної ситуації і поставленої мети. Так, людина, що рятується від переслідувачів, не думає про красу й економічність. Головне – бігти швидко. Інша справа, гімнастка, що виконує вільні вправи. Вона прагне рухатися якнайкраще, відповідно до естетичних канонів свого виду спорту. У цих ситуаціях різні цілі людей. І тому неоднакові критерії оптимальності, тобто показники, які вико­ристовуються для оцінки ступеня досягнення поставленої мети (Рис. 5).

Економічність рухової діяльності обернено пропорційна енергії, затрачуваної на одиницю виконуваної роботи або метр пройденого шляху. Це найважливіший критерій оптимальності.

Механічна продуктивність тим вище, чим більший обсяг роботи виконується за визначений час або чим швидше виконується даний обсяг роботи. Наприклад, у циклічних видах спорту механічна продуктивність оцінюється часом подолання змагальної дистанції, а в масовій фізичній культурі – відстанню, що людина може пройти, пробігти або пропливти за 12 хв.

Рис.5. Критерії оптимальності рухової діяльності.

Точність рухових дій є двох різновидів: цільова точність і точність відтворення заданої зовнішньої картини рухів (наприклад, при виконанні «школи» у фігурному катанні). Цільова точність оцінюється відхиленням точки попадання від центра мішені (наприклад, у стрільбі) або відношенням числа успішно виконаних рухових дій до їхнього загального числа (ударів у боксі і спортивних іграх, кидків у боротьбі, передач і прийомів м’яча і т.п.).

Естетичність оцінюється близькістю кінематики (тобто зовнішньої картини руху) до естетичного ідеалу – загальноприйнятому або прийнятому в даному виді спорту (фігурному катанні, художній гімнастиці, синхронному плаванні і т.п.).

Комфортабельними вважаються плавні рухи. Чим більше трясеться тіло при ходьбі, бігу і т.п., тим нижче комфортабельність.

Безпека тим вище, чим менше імовірність травми.

Трудомісткість біомеханічного аналізу і користь від нього залежать від того, наскільки педагог прагне розібратися в техніці і тактиці своїх учнів. Розрізняють системно-структурний і функціональний підходи до аналізу рухової діяльності.

Функціональний підхід дозволяє констатувати ті або інші недосконалості техніки і тактики.

Наприклад, на уроці фізкультури можна побачити, що техніка підтягування в багатьох відрізняється від еталонної. Але як її виправити? Функціональний підхід не дає відповіді на це питання. На його прапорі написано: опановувати процесом керування без повного розкриття його внутрішньої природи. Зрозуміло, що такий шлях ненадійний. Не маючи ясних рекомендацій для усунення недоліків техніки і тактики, викладач змушений діяти навмання.

Системно-структурний підхід дає більш конкретні рекомендації. Педагог, що застосовує при навчанні своїх учнів системно-структурний підхід, прагне до пізнання складу і структури рухової діяльності, тобто до відповіді на питання, з яких елементів вона складається і як вони зв’язані між собою. Крім того, з’ясовують внутрішні механізми, тобто прагнуть відповісти на запитання, чому рухові дії виконані саме так, а не інакше. Найбільше широко розповсюдженим прийомом системно-структурного підходу є виконуване за визначеними правилами поділ рухової дії на частині («фази») (див. мал. 2). У розділі 6 розповідається про ці правила.

Функціональний і системно-структурний підходи до аналізу й удосконалювання рухової діяльності доповнюють один одного. Застосовуючи системно-структурний підхід, педагог веде аналіз від складного до простого. Елементи рухової діяльності, що знаходяться на нижній ступіні ієрархічної градації, залишаються нерозкритими, недеталізованими і розглядаються вже з позицій функціонального підходу. Рівень, на якому системно-структурний підхід переходить у функціональний, залежить від розв’язуваних задач.

Наприклад, при тактичній підготовці рухові дії (технічні елементи) вважаються «неподільними цеглинками», з яких складається рухова діяльність. А при технічній підготовці детально вивчається взаємодія м’язів, кістки, суглобово-зв’язкового апарата. Але стосовно окремих елементів рухового апарата застосовується функціональний підхід: їхня будова і функціонування на молекулярному рівні звичайно не розглядаються.

У сучасній біомеханіці гармонійно переплітаються ідеї і методи оптимізації рухової діяльності, функціонального і системно-структурного підходів, автоматизованого контролю за техніко-тактичним майстерності, моделювання техніки і тактики на електронно обчислювальних машинах. Але головною залишається думка та праця дослідника, який осягає закономірності рухів, і педагога, який використовує ці досягнення у навчальному і тренувальному процесах.