НАУКА СПРИНТА, Часть 2 — СИЛЫ — Train Hard, Train Smart

Как вы смогли убедиться в первой части, спринт, как в прочем, и любая двигательная активность человека, зависит от проявляемых сил.

Для проявления сил атлету необходима опора, в данном случае – беговой трек.

Ранее вы могли прочесть такие определения, как «вертикальная сила» и «горизонтальная сила», что на самом деле, не совсем верно.

Вы всегда можете проявить только ОДНУ силу, но в зависимости от вектора ее направления (угла наклона), она может иметь различные вертикальные и горизонтальные составляющие.

Итак, у нас есть суммарная сила – это и есть сила, которую проявляет (или поглощает) наш опорно-двигательный аппарат. Она направляется от точки опоры к Центру Масс Тела (ЦМТ) под определенным углом a.

Поскольку сила приложена под углом, какую-то часть силы можно представить строго вертикально, а какую-то – строго горизонтально.

Представим прямоугольный треугольник ABC, с гипотенузой AC, которая построена вдоль проявляемой силы.

Тогда один катет AC будет направлен строго вертикально (вертикальная составляющая силы), другой, AB, направлен горизонтально (горизонтальная составляющая силы).

Длина катета AB есть длина гипотенузы, умноженная на косинус угла a.

Длина катета AC есть длина гипотенузы, умноженная на синус угла a.

Таким образом, есть два варианта изменения горизонтальной и вертикальной составляющей силы:

1) Рост самой силы толчка, это вызовет рост как вертикальной, так и горизонтальной составляющий силы.

2) Изменение угла наклона силы толчка, что сместит акцент больше в сторону одной составляющей силы, вертикальной или горизонтальной.

В гладком беге есть три случая, которые будут рассмотрены позже:

1) Нога ставится перед ЦМТ под небольшим углом, максимальная вертикальная сила, горизонтальная составляющая силы, направленная назад (отрицательная, тормозящая сила)

2) Опора находится строго под ЦМТ, высокая вертикальная составляющая силы, горизонтальная сила равна 0.

3) Опора находится позади ЦМТ под небольшим углом, имеется вертикальная составляющая силы и горизонтальная составляющая силы, направленная вперед (положительная, ускоряющая сила)

Это фаза торможения, фаза поглощения и фаза отталкивания при контакте  с опорой.

СИЛЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ В СПРИНТЕ

Кроме проявляемой силы, и ее составляющих, есть еще силы сопротивления спринтеру, их всего две:

1) Сила тяжести, направлена вертикально вниз

2) Сила сопротивления воздуха, направлена против движения (горизонтально назад)

Сила тяжести равна m*g, вне зависимости от того, стоите вы или бежите, стартуете с колодок, или находитесь в фазе гладкого бега.

Для атлета весом 80 кг, F тяжести = 80 кг * 9,81  = 785 Н

Сила направлена всегда вертикально вниз к центру Земли, поэтому она будет уменьшать вертикальную составляющую силы толчка. Из-за чего важно именно превышение вертикальной силы над силой тяжести. Их разница – результирующая вертикальная сила.

Когда атлет находится в безопорном положении, сила тяжести заставляет его падать вниз с ускорением свободного падения.

Сила сопротивления воздуха направлена против хода движения в воздушной среде. Пропорциональна квадрату скорости спринта:

F сопротивления = 0,549 *v^2 *A

Где A – площадь поперечного сечения тела, примерно 0,5 .На скорости 5 м/с сила сопротивления будет составлять 7 Н, на скорости 8 м/с – 17,5 Н. Для скорости 10 м/с – 27 Н, для 12 м/с – 40 Н.

Как мы видим, даже на скорости в 12 м/с, сила сопротивления воздуха почти в 20 раз меньше, чем сила тяжести.

Поэтому считается, что вертикальная составляющая силы в спринте важнее, поскольку ей противодействует сила тяжести.

Разница между горизонтальной составляющей силы толчка и силой сопротивления воздуха будет результирующей горизонтальной силой.

ПРИМЕР РЕАЛЬНОГО ПРОЯВЛЕНИЯ СИЛ В СПРИНТЕ

Ниже мы рассмотрим видео с канала LocomotorLabSMU, в котором рассматривается профессиональный спринтер, бегущий по дорожке со скоростью 11,2 м/с, с замерами вертикальной и горизонтальной составляющей силы толчка.

Рисунок 1: Постановка стопы на опору. Пунктирная линия – вертикаль от ЦМТ. Линия со стрелочками – направление силы от опоры к ЦМТ. Видно, что сила будет направлена в сторону от бега (торможение)

Рисунок 2: Вертикальная сила стремительно возрастает из-за контакта с опорой, в тоже время, горизонтальная сила уходит в отрицательные значения, это означает, что происходит торможение тела.

Рисунок 3: Точка опоры находится практически вертикально под ЦМТ, ударная сила спадает, а горизонтальная сила уходит в 0.

Рисунок 4: Вертикальная сила падает, горизонтальная сила достигает пика – происходит отталкивание вперед

Рисунок 5: И вертикальная, и горизонтальная сила уменьшаются, по причине того, что нога снимается с опоры

Общая картина сил и импульсов:

Вертикальная сила – имеет пик при контакте с опорой. Площадь под кривой – вертикальный импульс. Чем он больше, и чем быстрее он произошел, тем активнее будет вертикальная составляющая (время отрыва). Импульс до веса тела (200 фунтов) не приносит никаких результатов, т.к. он нивелируется силой тяжести.

Горизонтальная сила – вначале, имеет отрицательное значение и негативный импульс (это фаза торможения/амортизации). Затем, горизонтальная сила уходит в плюс, образуя позитивный импульс.

От соотношения негативного и позитивного импульса зависит, будет атлет ускоряться (позитивный больше негативного), тормозить (негативный больше позитивного), или иметь постоянную скорость (импульсы равны).

МОДЕЛЬ ДВУХ МАСС В СПРИНТЕ

В реальном примере, вертикальная сила максимальна еще до того, как точка опоры стала вертикальна ЦМТ. Это происходит потому, что на силу реакции опоры влияют две массы:

  1. Масса голени (8% от веса тела). Имеет определенное ускорение, с которым она ставиться на опору, вызывая ударные силы
  2. Масса тела без массы голени (92%). Начинает играть роль уже при активном отталкивании от опоры.

В итоге, можно разобрать гладкий бег по дистанции с учетом двух масс:

 

Видно, что оба импульса начинаются при постановке стопы. Но импульс массы 1 проходит намного раньше, когда импульс массы 2 как раз достигает своего пика.

В итоге, мы имеем два пика вертикальной силы – ударный (от инерции массы 1) и концентрический (от выталкивания массы 2).

Соответственно, мы можем бежать быстрее, как за счет большего ускорения голени в опору (сильнее бить ногой в трек), так и за счет более сильного и быстрого толчка. Очевидно, что импульс массы 1 значительно меньше, поэтому у этого метода меньше потенциал.

ЗАВИСИМОСТЬ СИЛЫ ОТ УГЛА ПОСТАНОВКИ СТОПЫ

При более пологой постановке, тормозящая сила растет, тогда как вертикальная сила падает – это ухудшает ваш бег, вы тормозите на земле, плюс имеете малое время полета. Напротив, более вертикальная постановка дает преимущество – меньше торможения и больше время полета.

ЗАВИСИМОСТЬ СИЛЫ ОТ УРОВНЯ АТЛЕТА

С ростом квалификации спринтера, он начинает проявлять больше вертикальных сил, и делать это за меньшее время, благодаря этому, он больше «летит», чем «бежит».

Что касается горизонтальных сил, то элитные спринтеры также проявляют их больше и быстрее, чем просто высокоуровневые атлеты. К тому же, на 9-11 шагах и далее, у них намного меньше горизонтальных негативных (тормозящих) сил.

С ростом тренированности показатели силы растут, уменьшается угол проявления сил, и сами пики сил становятся чаще (растет частота проявления силы/шагов)

ЗАВИСИМОСТЬ СИЛЫ ОТ УЧАСТКА СПРИНТА

Во время стартового толчка и первых шагов, толчки осуществляются достаточно долго, вертикальные силы относительно невелики, а горизонтальные силы большие, причем негативный импульс отсутствует. Тем не менее, абсолютно, вертикальная сила выше и в этом случае.

Далее, шаги становятся короче по времени, вертикальная сила растет, и приобретает яркий амортизационный пик, в то время как горизонтальная сила становится меньше, и имеет вначале негативный импульс торможения.

Комментарии:

Вставить формулу как
Блок
Строка
Дополнительные настройки
Цвет формулы
Цвет текста
#333333
Используйте LaTeX для набора формулы
Предпросмотр
\({}\)
Формула не набрана
Вставить