Теоретичні відомості. Унаслідок неповної інтеркомпенсованості та рекуперованості м'язових джерел, реалізація будь-яких, навіть циклічних

Унаслідок неповної інтеркомпенсованості та рекуперованості м'язових джерел, реалізація будь-яких, навіть циклічних, рухових дій без підводу в біомеханічну систему додаткової енергії залишається проблематичною.

Підвищення механічної ефективності рухової дії можливе за рахунок максимального використання механічної енергії, що знаходиться в системі (тобто її переходу між різними фракціями та біоланками).

Для розрахунку роботи переміщення і її складових у біомеханіці використовують два способи.

Згідно першого – у відповідності з прийнятим означенням механічної роботи. Величину знаходять як скалярний добуток векторів сили і переміщення точки її прикладення:

, (52)

де – значення прикладеної сили;

– величина переміщення;

– кут між векторами прикладеної сили і переміщенням.

Другий полягає в тому, коли сили, діючи на тіло, невідомі. Відтак величину роботи, виконаної над тілом, можна визначити за зміною механічної енергії тіла:

А= DE (53)

Основна складність розрахунку роботи на переміщення біоланок тіла пов'язана з тим, що тіло спортсмена є так званою " неконсервативною" системою, в якій одна частина механічної енергії розсіюється, а інша – зберігається та використовується в наступних рухових діях.

На сьогодні при рухових діях людини відомі декілька можливі шляхи збереження (рекуперації) механічної енергії:

а) перехід кінетичної енергії (енергії руху) біоланки в її потенціальну енергію (енергію положення в полі сил тяжіння) і навпаки;

б) перехід механічної енергії від однієї біоланки до іншої;

в) накопичення енергії в пасивно розтягнутих м'язах (за аналогією потенціальної енергії розтягнених пружин) з подальшим її поверненням (враховуючи часткові втрати на релаксацію з плином часу). Або зворотні перетворення механічної енергії в хімічну, тобто перехід кінетичної енергії руху в потенціальну енергію пружної деформації м’язів і сухожилля та навпаки.

Результати сучасних досліджень не дають особливих сподівань щодо п. " в", справа в тому, що при реверсивній роботі м'язів підвищення їх коефіцієнта корисної дії в першу чергу зумовлено збільшенням концентрації іонів Са++ – активаторів механіко-хімічної реакції. Адже вона збільшується при руйнації клітинних оболонок від стискування м'язу саркомерою під час його сильного розтягу, наприклад, у процесі замаху. Внаслідок порівняно високої жорсткості пружні компоненти м'язів при розтягу зовнішніми силами не можуть накопичувати достатню кількість енергії.

Залишається й донині мало дослідженим факт принципової можливості синтезувати хімічні сполуки в м'язах при їх розтягу, що може бути використано як додаткове джерело виконаної механічної роботи.

Що стосується п." б", то на відміну від механізмів і машин (наприклад, двигуна внутрішнього згоряння, швейної машинки та ін., де всі частини механізму і їх рухи однозначно пов'язані), навряд чи можлива передача механічної енергії від однієї руки до іншої, або від руки до ноги (окрім окремих випадків, де вони механічно зв'язані, наприклад, ноги велосипедиста кривошипом). Це легко пояснити наявністю у кожної біоланки індивідуальних двигунів м'язів, що приводить її в рух, на відміну від механізмів, де всі деталі приводяться в рух від однієї з них. Не викликає сумніву проблематичність переходу енергії від однієї руки до іншої під час їх поперемінного піднімання та опускання. Тому збереження енергії в тілі спортсмена реально можливе лише за рахунок переходу із конкретних біоланок кінетичної енергії в потенціальну і навпаки (подібно перетворенням енергії при коливаннях маятника (рис.31).

Рис.31 – Перетворення механічної енергії при коливаннях маятника:

Тіло людини розглядається як неконсервативна система, в якій одна частина механічної енергії розсіюється, а інша зберігається і використовується в подальшій динаміці.

З'ясувати, в якій мірі рух виконується за рахунок механічної енергії, що знаходиться в системі, а в якій – за рахунок енергії м’язового скорочення, можна лише експериментальними шляхами за допомогою методів теоретичної механіки.

Повну механічну енергію і-тої біоланки (Е_і^S) можна обчислити як суму потенціальної (Е_і^р) і кінетичної(Е_і^к) енергії. Кінетична енергія в свою чергу, згідно з теоремою Кеніга є сумою кінетичної енергії центра мас біоланки (з огляду на те, що в ній зосереджена вся її маса) і кінетичної енергії обертання біоланки відносно центра мас:

Е_і^S = m_igh + m_iV²/2 + I_iw²/2, (54)

де m_i – маса і-ої біоланки;

I_i – її момент інерції відносно миттєвої осі обертання, що проходить через центр мас;

V – абсолютна швидкість центру мас;

w – миттєва кутова швидкість;

h – висота центру мас над нульовим рівнем;

g – прискорення сили тяжіння.

Енергетика витрачається на зміну потенціальної і кінетичної енергії. Обидва види енергії можуть змінюватися як у результаті роботи діючих на біоланку сил негравітаційної природи, так і в результаті переходу кінетичної енергії в потенціальну і під дією сил тяжіння навпаки (як це відбувається при коливаннях маятника).

На практиці при виконанні фізичних вправ лише деякі переміщення біоланок тіла нагадують рухи маятника (наприклад, рухи рук і ніг при ходьбі та бігу). У більшості випадків (особливо це стосується швидких рухів), потенціальна і кінетична енергія окремих біоланок змінюється несинхронно. Це зумовлено необхідністю реалізувати в процесі виконання фізичних вправ специфічні траєкторії і режими руху, внаслідок чого сумарна енергія системи постійно змінюється, а ступінь взаємних переходів механічної енергії біоланки зменшується (рис.32).

Рис.32 – Зміна кінетичної (DЕ^к), потенціальної (DЕ^р) і повної (DЕ^S) механічної енергії верхньої частини тулуба

Необхідною умовою перетворення кінетичної " енергії швидкості" у потенціальну " енергію положення" і навпаки є їх протифазна зміна в часі. Зауважимо, що внаслідок протифазної зміни кінетичної і потенціальної енергії тулуба, їх сума дорівнює повній механічній енергії, змінюється в циклі значно менше, ніж кожен з її додатків (фракцій). Чим більша різниця між сумою приросту потенціальної і кінетичної енергії і набутком повної енергії системи, тим більше енергії в ній заощаджується.

Яка частка кінетичної системи біоланок тіла людини переходить у потенціальну і навпаки, а яка витрачається повністю за кожен цикл рухів, показує коефіцієнт механічної рекуперації енергії.

Показник взаємного переходу енергії – коефіцієнт рекуперації визначається за формулою:

(55)

Коефіцієнт рекуперації механічної енергії може змінюватися від нуля до одиниці: К = 0 у випадку відсутності переходу (DЕ^р+DЕ^к=DЕ^S) і К = 1 при збережені повної енергії біоланки (DЕ^S = 0), як у випадку коливань маятника.

Механізм людини можна розглядати як відкриту систему, енергетичні потреби якої задовольняються за рахунок використання хімічної енергії окислення продуктів харчування. Позаяк єдиним джерелом енергії живого організму є окислювальні процеси, то при різних умовах і видах діяльності за допомогою методів непрямої калори-метрії можна визначити енергетичні витрати. Оскільки енерговитрати пропорційні величині спожитого кисню, то про них доволі наближено можна судити за об’ємом кисню, що поглинається за одиницю часу – VО₂, л/хв.

Частота серцевих ритмів у стандартних умовах добре корегує із споживанням кисню. У той же час частота серцевих скорочень росте пропорційно інтенсивності фізичного навантаження (рис.33).

Розвинуту при виконані роботи спортсменом потужність у певних видах рухів (гребля, педалювання) можна виміряти безпосередньо на спеціальних ергометрах.

У спортивній практиці найбільшого розповсюдження отримали два типи велоергометрів: механічні та електромеханічні. У механічних – за допомогою динамопристрою задається потрібний постійний навантажувальний момент на осі каретки, і кутова швидкість (кількість обертів за секунду) вимірюється.

За результатами експерименту, робота на переміщення біоланок тіла велоси-педиста, що виконується за один оберт, зміню-ється пропорційно квад-рату частоти педалю-вання. Натомість потуж-ність – пропорційно її кубу (рис.34).

Рис.34 – Залежність швидкості споживання кисню від частоти рухів

За висновками В.М.Салуянова та І.А.Савельєва (в експерименті брали участь 12 спортсменів, потужність навантаження – 91, 8Вт) залежність швидкості споживання кисню від частоти педалювання має наступний математичний запис:

VО₂ = 1, 283 + 1, 075·10^-8·m·g·n³, (56)

де VО₂ – швидкість споживання кисню, л/хв.;

m – маса тіла людини, кг;

n – частота педалювання на велоергометрі, об/хв

Якщо два спортсмени показують різні результати, то це пояснюється трьома обмежуючими параметрами:

– різними функціональними можливостями;

– механічною ефективністю (тобто на виконання однакової величини механічної роботи витрачається не однакова енергія);

– економічністю техніки (при русі з тією ж швидкістю спортсмени виконують різну механічну роботу).

У відповідності з цим цілеспрямовано коригують тренувальний процес.