Работа мышц в беге по дистанции

Как известно, напряжение мышц вызывает движение сегментов тела, причем не всегда при этом в процессе движения длина мышцы уменьшается. Обычно напряжение мышцы приводит к тому, что угол в перекрытом ею суставе уменьшается, и она укорачивается. В таком случае говорят о концентрическом напряжении. При различных движениях мышцам приходится амортизировать приземление или тормозить двигающуюся с большой скоростью конечность, в результате чего напряженная мышца под действием внешних сил растягивается, такой режим называется эксцентрическим напряжением.

Быстрые движения довольно часто требуют такой работы мышц, при которой сустав зафиксирован. Мышцы-антагонисты, окружающие сустав с противоположных сторон, одновременно напрягаются и, взаимно уравновешивая силу, «запирают» сустав, образуя жесткую систему. Такое напряжение мышц называется изометрическим.

Следовательно, в процессе выполнения двигательного акта мышца может быть расслаблена или находиться в одном из трех состояний напряжения. Поэтому при изучении внутреннего механизма движения необходимо знать характер напряжения отдельных мышечных групп, количество одновременно работающих двигательных единиц в мышце, что определяет силу сокращения, а также длительность их напряжения.

Чтобы учесть все возможные параметры работы отдельных мышечных групп и выявить систему их взаимодействия в процессе даже самого простого движения человека, необходимы расчеты, которые пока еще трудно выполнить современной вычислительной машине. Скорость мышечного сокращения настолько велика, а его характер так разнообразен, что самому спортсмену полностью невозможно контролировать свои действия в максимально быстрых движениях, а тем более описать их. Если попросить спринтера рассказать о последовательности своих действий и характере чередования усилий при выполнении бегового шага, вряд ли он сможет даже приблизительно сделать это. В одном английском стихотворении иносказательно так говорится об этом:

Сороконожка была вполне счастлива,

Пока жаба ради шутки.

Не сказала ей: «Догадайся, какая нога

Идет у тебя после какой?»

Разум сороконожки был ввергнут

В такую бездну раздумья,

Что она обезумела и, лежа в канаве,

Размышляла о том, как бегать

Действительно, для сороконожки, у которой, как определили зоологи, 260 ног, эта задача оказалась непосильной, однако и система организации движений человека, несмотря на столетнюю историю изучения, все еще не раскрыта до конца.

Как показали исследования Н. А. Бернштейна, любое двигательное действие реализуется многоуровневой системой управления. Медленные произвольные движения выполняются с участием высших слоев нервной системы под контролем органов чувств. В этом случае движение корректируется на основе обратной афферентации. Ходьба и бег относятся к разряду так называемых автоматизированных движений, которые осуществляются ‘на основании заранее сформированной программы и, как правило, проходят без контроля со стороны больших полушарий коры головного мозга, то есть бессознательно.

В процессе развития человеческого организма с первых самостоятельных шагов такая программа начинает постепенно формироваться. Делая медленный шаг, ребенок постоянно контролирует каждый его элемент. В раннем возрасте свои движения дети складывают как кубики, подбирая самые подходящие из них или заменяя одно на другое.

Замечательная способность человека на первых порах своей жизни столь внимательно анализировать свои действия и быстро изменять их составные части, перестраивая двигательную структуру, широко используется в практике различных видов спорта, где особенно важно проявлять способность к высокой координации движений. Именно поэтому больших успехов добиваются юные гимнасты и акробаты, фигуристы и прыгуны в воду.

Автоматизированные движения начинают формироваться у человека к пятому, шестому году жизни. До этого каждый элемент движения в отдельности уже хорошо освоен, однако система еще не сложилась. Каждый шаг отличается один от другого различной внутренней ритмической структурой. Лишь значительно позже формируется двигательная программа, которая может выполняться без контроля сознания, и управление таким движением переходит к более низким уровням мозга (мозжечку, подкорковым узлам, стволу мозга и мотонейронам спинного мозга). Поскольку в беге (и особенно в беге с высокой скоростью) сознание не контролирует отдельные движения рук и ног, очень важно разобраться во внутренней структуре бегового шага, то есть в последовательности и характере действий отдельных мышечных групп ног, с тем, чтобы в процессе тренировок использовать целенаправленную программу технической подготовки и применять специальные упражнения, соответствующие режимам работы мышц в беге с максимальной скоростью.

Рассмотрим упрощенную схему мышечного аппарата, который обеспечивает беговые движения.

Рис 6 – Схема основных мышечных грипп, обеспечивающих движения в беге

На рис 6 схематично изображены основные мышцы ног и места их прикреплений.

1. Группа мышц таза (основные – ягодичные большая, средняя и малая) выпрямляет согнутое вперед туловище, отводит и разгибает бедро.

2. Передняя группа мышц бедра (основные – портняжная и четырехглавая бедра, в которую входит прямая мышца, бедра, широкие – внутренняя, латеральная и промежуточная). Некоторые мышцы группы перекрывают два сустава – тазобедренный и коленный, принимают участие в сгибании бедра и разгибании голени.

3. Задняя группа мышц бедра (основные – полусухожильная, полуперепончатая и двуглавая) разгибает бедро и сгибает голень.

4. Передняя группа мышц голени (основные – передняя большеберцовая, длинный разгибатель пальцев, длинный разгибатель большого пальца) разгибает стопу, поднимая ее вверх.

5. Задняя группа мышц голени (основные – трехглавая голени, состоящая из двух головок икроножной и лежащей под ними камбаловидной мышцы) сгибает голень в коленном суставе и стопу.

Анализировать режим работы мышечных групп при выполнении спортивных упражнений – задача достаточно трудная. Во-первых, необходимо зафиксировать мышечную активность, то есть временные и силовые характеристики мышечного возбуждения, во-вторых, связать эти данные с внешними характеристиками движения. Изучение спринтерского бега в этом отношении выдвигает целый ряд дополнительных трудностей, связанных с быстрым передвижением спортсмена по дорожке. Предпринятые ранее исследования по изучению бега с невысокой скоростью не давали возможности выявить закономерности мышечного сокращения в спринте. В беге на средние и длинные дистанции значительная длительность фаз опоры и полета дает возможность мышцам развить почти максимальное усилие и расслабиться, позволяя мышце-антагонисту выполнять такую же задачу. В спринтерском же беге надо проявить максимально возможную силу в кратчайшие сроки, поэтому мышцы иногда работают в ущерб наиболее рациональному действию.

В исследованиях И. М. Козлова (1983) раскрываются некоторые основные внутренние механизмы, обеспечивающие бег с высокой скоростью. Автор изучал электрическую активность семи основных мышц ног и сопоставлял ее с синхронной записью движений бегуна. Анализ кинограммы, на которой циклы бегового шага разделены на периоды опоры (с фазами амортизации и отталкивания) и переноса ноги (с фазами разгона ноги и торможения), и электромиограммы работающих мышц позволила понять сложную иерархию деятельности мышц и переосмыслить некоторые установки, связанные с применением беговых упражнений. Прежде всего, необходимо отметить полученные данные по временным показателям активности исследуемых мышечных групп. Хорошо известно, что спринт характерен достаточно стабильными для различных спортсменов временными параметрами бегового шага.

У мужчин в беге со скоростью 11 м/с время опоры составляет 90 мсек, а полета – 115 мсек, у женщин – 110 мсек и 125 мсек. Обычно колебания значений этих параметров находятся в пределах 2–3%, однако если рассматривать длительность напряжения отдельных мышечных групп у отдельных спринтеров, то диапазон этих колебаний значительно расширяется и составляет 5-22 % (!). Таким образом, примерно одинаковые во внешнем проявлении движения спортсмена обеспечиваются у различных людей совершенно по-разному. Иначе говоря, у каждого спринтера свой способ достижения цели, и, по-видимому, насколько он более рационален – настолько экономичнее техника бега. Очевидно, именно здесь проявляется предрасположенность спортсменов к длинному или короткому спринту Во время бега с высокой скоростью мышцы ног работают в диапазоне 30–80 % от всего двигательного цикла. При этом движение осуществляется по так называемому баллистическому типу, когда, резко повышая активность, мышца разгоняет отдельные звенья тела на коротком отрезке пути, после чего движение осуществляется по инерции. Такие баллистические движения характерны для всех высокоавтоматизированных быстрых действий, требующих высокой точности. На рисунке 7 приведена кинограмма движений ноги в спринтерском беге и соответствующие периоды электрической активности мышц (И М. Козлов, 1983).

Рисунок 7 – работа основных мышечных групп в цикле бегового шага

Наибольшая активность всех мышечных групп ноги наблюдается в момент подготовки к постановке стопы на грунт в первую фазу периода опоры.

Мощное напряжение мышц, вызывающее разгибание бедра и сгибание голени, позволяет развить необходимую «посадочную» скорость стопы, а напряжение соответствующих мышц-антагонистов «закрепляет» все суставы опорной ноги и обеспечивает достаточно жесткое приземление, сохраняющее высокую траекторию общего центра тяжести. В фазе амортизации основную нагрузку несут мышцы голени – икроножная и камбаловидная, а также ахиллово сухожилие, при этом угол в голеностопном суставе изменяется на 34–38°. Под влиянием отягощения массы тела напряженные мышцы голени, растягиваясь, поглощают энергию, с тем, чтобы во второй фазе использовать ее при отталкивании. Перемещения звеньев ноги в коленном суставе в период опоры достигает лишь 4-10°, поэтому нагрузка на прямую мышцу бедра и в эксцентрическом режиме в фазе амортизации относительно меньше. Установлено, что у спринтеров в периоде опоры мышцы голеностопного сустава выполняют работу в 6 раз большую, чем мышцы коленного сустава. Интересно и даже несколько неожиданно, что наиболее важной из двух фаз отталкивания при беге с максимальной скоростью является фаза переднего толчка. В беге с максимальной скоростью при эффективной технике 70 % от общей энергии накапливается в момент переднего толчка и только 30 % создается в заключительной фазе отталкивания. Таким образом, чем больше спортсмен сумеет аккумулировать энергию и чем эффективнее он использует эластичные свойства мышц, связок и сухожилий, тем выше будет скорость его бега.

Постоянная работа в экстремальных условиях приводит к значительному приросту максимальных силовых возможностей мышц голени. Поэтому по жесткости икроножных мышц (показатель, который имеет почти линейную зависимость с проявляемой силой) сильнейшие спринтеры значительно превосходят представителей всех других спортивных дисциплин.

Приведенные данные последовательности работы мышечных групп и их режимов деятельности в процессе выполнения опорного периода бегового шага позволяют более избирательно подойти к выбору специальных скоростно-силовых упражнений, применяемых в тренировке спринтеров. Как известно из теории спортивной тренировки, подбор специальных средств основывается на принципе динамического соответствия применяемого упражнения соревновательному. Электро-миографические исследования характеристик мышечной активности в спринтерском беге показали, что процесс амортизации в опорном периоде и подготовка к нему являются важнейшими, если не самыми главными, элементами бегового шага, так как величина усилий и очень сложная координированность деятельности всех мышечных групп ноги достигает в этот период наивысших значений. Однако в практике подготовки бегунов на короткие дистанции часто не учитывают этот фактор. Как правило, для развития скоростно-силовых возможностей мышц голени используют различные выпрыгивания, подскоки, подъемы на носки с отягощением и прочие аналогичные упражнения, в которых слабо акцентируется элемент амортизации. Многоскоки, которые широко представлены в скоростно-силовой подготовке бегунов, также отличны по своим двигательным параметрам от характеристик быстрого бега, так как в этом случае постановка ноги на грунт осуществляется на плоскую стопу и основная нагрузка в фазе амортизации падает на мышцы и связки окружающие колено.

Таким образом, вероятно, более подходящими упражнениями для спринтера должны быть: «бег на одной ноге» с акцентом приземления на переднюю часть стопы, многоскоки в быстром темпе, а также в гору с обязательным условием не касаться пяткой поверхности дорожки. Можно рекомендовать спрыгивания с возвышения 70–80 см, амортизируя приземление мышцами голени, с последующим выпрыгиванием вперед или вверх. Автор применял кроссовые пробежки до 4–5 км только на переднем своде стопы. В таких случаях в целях контроля на пяточную часть подошвы кроссовок можно наклеивать пластырь: его чистота в конце пробежки – свидетельство добросовестного выполнения задания.

В фазе отталкивания опорного периода в основном хорошо работают «заряженные» мышцы голени, в то время как мышцы, разгибающие колено, работают в меньшей степени. Эти данные опровергают бытовавшее ранее мнение об эффективности доотталкивания и о том, что хорошая техника бега, прежде всего, характерна полностью выпрямленной в коленном суставе ногой в момент отрыва стопы от дорожки.

Исследования техники спринтерского бега показывают, что увеличения скорости спортсмены высокой квалификации достигают в основном за счет повышения частоты шагов, которая, прежде всего, зависит от силы и согласованности действий мышц, перекрывающих тазобедренный сустав. Разгон маховой ноги начинается передней группой мышц бедра чуть раньше момента, когда опорная нога касается поверхности дорожки. В фазе разгона и торможения маховой ноги активно участвуют передние и задние группы мышц бедра, работающие как в период опоры, так и особенно в период переноса, и практически не бывающие в состоянии полного расслабления. Определено, что активный период прямой мышцы бедра составляет 80 % всего двигательного цикла, а двуглавой – 75 %.

Таким образом, представление о том, что техника спринта представляет собой строго последовательную работу мышц-антагонистов, не соответствует реальному протеканию процессов напряжения и расслабления мышечных групп в этом виде бега. Если в момент подготовки к приземлению и в период опоры мышцы-антагонисты как бы «запирают» суставы, обеспечивая жесткость ноги, то одновременное напряжение мышц-антагонистов бедра в момент маха несет несколько иную функцию.

Если обратиться к обычному маятнику, который рассматривают в физике, то он характеризуется так называемой частотой свободных колебаний, зависящих от его длины и распределения масс вдоль маятника. Чем ближе расположен центр масс к оси вращения, тем выше частота свободных колебаний. Поэтому для большей частоты колебаний маятника целесообразнее приблизить центр тяжести к оси вращения. Именно так поступают, регулируя маятник часов: поднимая вверх регулировочный вес – увеличивают частоту колебаний, снижая – замедляют. В природе этот физический закон хорошо иллюстрируют животные, умеющие хорошо бегать. Основная мышечная масса ног животных приближена к суставам, вокруг оси, которых выполняются маховые движения. Среди крупных животных наибольшую частоту движений в беге развивают свиньи, строение ног которых – классическое подтверждение упомянутого факта. Кстати, способность поросят быстро бегать используют на специальных соревнованиях, которые проводятся регулярно под руководством Федерации спортивного свиноводства.

Как известно, в результате маховых движений, выполняемых в момент опоры, происходят перемещения и ускорения общего центра тяжести масс в такой же степени, что и при активном отталкивании. Мерой эффективности махового движения, которое характеризуется скоростью перемещения звена и расположением его массы относительно оси вращения, является кинетический момент или количество вращательного движения. Если рассматривать ногу как колеблющийся маятник, то ее сгибание в коленном суставе позволяет значительно изменять момент инерции, который зависит от квадрата расстояния центра массы до оси вращения. При выполнении максимально быстрых движений имеет смысл «укорачивать маятник», так как в этом случае нас, прежде всего интересует время перемещения конечности (рисунок 8).

Рисунок 8 – Различные варианты маха ногой

Сгибая коленный сустав (вариант б), мы перемещаем общий центр тяжести маховой ноги ближе к оси вращения и ускоряем частоту колебаний маятника.

Существует еще одна возможность увеличить частоту колебания маятника. Для этого необходимо связать маятник упругими связями, что схематично изображено на рисунке 9.

Рисунок 9 – Ускорение движения маятника путем связи его упругими тягами

При быстрых передвижениях маховой ноги роль таких упругих связей последовательно выполняют мышцы-антагонисты, сгибающие и разгибающие бедро. Они находятся почти в постоянном напряжении, причем максимумы активности мышечных групп диаметрально противоположны. Благодаря этому обеспечивается разгон в том или ином направлении. Работа мышцы-антагониста в эксцентрическом режиме позволяет накапливать энергию, используя упругие свойства мышц. Такой режим работы, называемый реверсивным, позволяет быстро менять направление движений, увеличивая их частоту. Изменение темпа движений энергетически стоит очень дорого и при быстром беге пропорционально третьей степени скорости перемещения маховых конечностей. Это значит, что увеличение скорости всего на 10 % требует увеличения энергии на одну треть, а двукратное увеличение скорости требовало бы ее возрастания в 8 раз. В общей энергетике спринта расходы:, затрачиваемые на «болтание» ногами, существенно превосходят другие энергетические компоненты, примерное соотношение которых в спринтерском беге таково: работа против силы тяжести-3%, против сопротивления воздуха-18 %, работа, направленная на разгон конечностей – 57 % и на их торможение – 22 %.

Приведенные данные позволяют с некоторой долей критики рассмотреть сложившуюся систему скоростно-силовой подготовки бегунов на короткие дистанции. Работа против силы тяжести – это перемещение в каждом шаге общего центра массы тела на высоту 4–6 см. Такая задача может быть решена каждым начинающим спортсменом. Однако отталкивание, очевидно, решает далеко не все проблемы спринтерского бега. Ясно, что спринт – это не последовательно выполняемые прыжки в длину, результативность которых, как известно, зависит от силы толчка. Основные энергетические ресурсы в максимально быстром беге расходуются на разгон и торможение массивной маховой конечности. Если около 80 % своих усилий спортсмены тратят именно на этот режим деятельности, то в спортивной тренировке доля упражнений, связанных с активными маховыми движениями, должна быть существенно увеличена.

Как показали исследования техники бега спортсменов мирового класса, высшей скорости соответствуют максимальные значения характеристик маховых движений – угловые скорости маха вперед и постановки ноги на грунт. При этом скорость стопы при махе вперед достигает 20 м/сек и более, то есть она в 2 раза больше скорости бега. При перемещении бедра вперед оно за 0,04-0,05 сек приобретает ускорение 80,8-90 м/сек², через 0,02-0,03 сек резко возрастает ускорение голени, достигая величины 120–140 м/сек². При отделении стопы от опоры происходит сильный реактивный рывок назад с ускорением до 180 м/сек2.

Фактические данные, свидетельствующие об огромных значениях ускорений в момент перемещения ноги, дают основание считать, что совершенствование координационной структуры движений, связанное с наиболее эффективной работой мышц-антагонистов, осуществляющих маховые движения, является наиболее перспективным направлением процесса развития скоростных возможностей бегунов на короткие дистанции. Важную роль при этом играет сбалансированность скоростно-силовых характеристик мышц, осуществляющих разнонаправленные действия. Рост силы мышечных групп человека происходит таким образом, что вследствие выполнения самых разнообразных бытовых движений – ходьбы, медленного бега, переноса тяжестей, подъема по лестнице и других, преимущественно нагружаются мышцы-разгибатели ног, которые в зрелом возрасте человека превосходят силу соответствующих мышц-сгибателей бедра и голени – в 3,8, стопы – в 6,2 раза. Тренировка в спринте, где значительная нагрузка ложится на мышцы-сгибатели ног, приводит к выравниванию скоростно-силовых характеристик мышц-антагонистов. У спортсменов высокого класса эти соотношения достигают следующих величин для мышц бедра – в 2,9, голени – в 2,5, стопы – в 5 раз. Учитывая эту тенденцию, можно достаточно уверенно говорить, что прогресс спортсмена в спринтерском беге зависит не только от максимальных значений силы мышц ног, но и от того, насколько они сбалансированы в мышцах-антагонистах.

Использование специальных беговых упражнений будет более эффективным, если их выполнять с соответствующими двигательными заданиями. Например, бег с высоким подниманием бедра в основном направлен на совершенствование силовых возможностей его сгибателей. При усложнении этого упражнения заданием быстрее поднимать и опускать бедро содержание упражнения в большей степени будет соответствовать характеристикам спринтерского бега. Особенно эффективен бег с невысокими барьерами (40–50 см), при котором скорость разгибания бедра при опускании ноги за барьер значительно превосходит эту скорость при беге на короткие дистанции. Поэтому можно говорить о том, что бег с низкими барьерами должен являться одним из основных упражнений спринтера. Помните, что великий спринтер Д.Оуэнс был и рекордсменом мира в беге на 200 метров с барьерами (высота барьера на этой дистанции 76,2 см).

Подтягивание скоростно-силового потенциала отстающих мышечных групп спринтеров, видимо, не является достаточно серьезной проблемой, так как требует лишь увеличения доли силовых упражнений, направленных на развитие силы мышц-сгибателей ног. Более сложным вопросом представляется совершенствование координации работы соответствующих мышечных групп. Для решения этой задачи подбор упражнений должен быть обоснован режимом работы мышц-антагонистов в спринтерском беге. Например, применение различных маховых упражнений с использованием резиновых амортизаторов в данном случае является неоправданным, так как по мере растяжения амортизатора необходимо увеличивать напряжение соответствующих мышц, в то время как в быстром беге характер напряжения совершенно противоположный (баллистическое движение). Здесь предпочтительнее выполнять упражнения с отягощением на маховой ноге.

Высокоэффективными силовыми упражнениями, соответствующими координационной структуре и способствующими совершенствованию скоростных возможностей бегунов на короткие дистанции, являются так называемые рывково-тормозные упражнения (Б.Н.Шустин), такие, как имитация максимально быстрого бега с отягощением на ногах и без него при верхней опоре (кольца, брусья) или в стойке на лопатках; интересен и эффективен бег в воде. Кроме специальной подготовки мышц, осуществляющих маховые движения важным компонентом движений спринтера является рациональная техника и положение отдельных сегментов тела при выполнении тех или иных действий. Например, нейтральное положение таза способствует тому, что сгибатели бедра растягиваются, что в дальнейшем позволяет реализовать эластичную энергию для эффективного маха. Это движение должно производиться с наибольшей скоростью. Ранний наклон укорачивает мышцы сгибатели бедра, снижая эффективность их действия, что может отразиться на подготовке к постановке ноги на поверхность дорожки. Напрягая мышцы брюшного пресса и спины, а также правильно располагая таз, спортсмен должен добиваться такого положения, когда плечи находятся над тазом. Такое положение позволяет накапливать эластичную энергию мышц сгибателей бедра. При максимально быстром беге, следуя советам «наклоняться вперед» атлет сокращает длину сгибателей бедра, что в дальнейшем отражается на эффективности маха вперед, из-за того, что не было достигнуто оптимального растяжения этих мышц. Для возможной компенсации такого положения спортсмен вынужден сильно напрягать сгибатели бедра, что, естественно, отражается на результативности бега.

Необходимо вкратце остановиться на движениях рук. Действия рук обеспечиваются мышцами, окружающими плечевой сустав. Американские специалисты предлагают рассматривать движения рук следующим способом: «Представьте себе, что ваши руки это молотки и вам необходимо забить гвозди, которые находятся за вашей спиной. При этом необходимо вбить гвоздь в стену как можно с большей силой и ускорением. Движения рук должны быть такими, чтобы кисть не достигала положения выше уровня плеча».