Биомеханический анализ выполнения двигательных действий удара по мячу внутренней стороной стопы и серединой подъема

4)FDt = D(mVy)

Подставляя значение F в  выражение для силы трения, получаем:

5)Fтр = K (D(mVy)/Dt), где  К – коэффициент трения.

Изменение количества движения в поперечном направлении определяется как импульс силы Fтр Dt:

6)D mVx = K (D(mVy)

Если в последнем уравнении  учесть, что масса мяча в процессе удара не изменяется, то, сократив последнюю, окончательно имеем:

7)Vx = K DVy

Таким образом, при скользящем ударе  появляется поперечная скорость, зависящая от величины изменения  продольной скорости в результате ударного взаимодействия. При осуществлении  скользящего взаимодействия величина поперечной скорости оказалась независимой  от угловой скорости вращения мяча, что может выглядеть несколько  парадоксальным.

Для объяснения этого феномена необходимо рассмотреть ситуацию с  точки зрения механизма образования  силы трения в данных условиях. В  процессе образования контакта происходит взаимодействие ударного характера  с образованием очень значительных сил в минимальный промежуток времени. Поскольку сила трения  определяется силой давления, то при  возрастании относительной продольной скорости увеличивается и сила давления. Так, если считать удар абсолютно  упругим,  импульс силы давления (в соответствии с формулой А) оказывается  равным  двойному относительному импульсу мяча. Иными словами, при увеличении продольной относительной скорости происходит увеличение силы давления и, соответственно, силы трения.

Предельное значение силы трения в данном случае соответствует отсутствию проскальзывания, что рассмотрено выше. При достижении такой  ситуации дальнейшее увеличение продольной относительной скорости не приводит к изменению появляющейся поперечной составляющей, которая при рассматриваемом в данный момент центральном ударе определяется величиной угловой скорости вращения мяча.

Если учесть специфику  ударного взаимодействия мяча и ноги в футболе, ситуацию проскальзывания  можно ожидать  при  небольших  относительных скоростях соударяющихся  в рассматриваемом случае объектов. Начиная с некоторого предельного  значения  продольной относительной  скорости проскальзывание прекращается  и  ситуация начинает подчиняться  закономерностям, рассмотренным в  первом случае, описанном выше.

Таким образом,  при осуществлении  удара по вращающемуся мячу  возможны два основных варианта взаимодействия. Это – образование мгновенного  контакта без  взаимного проскальзывания  ударного звена и мяча и возникновение  скользящего контакта.

В первом случае величина поперечной скорости определяется угловой скоростью  вращения мяча, возрастая при увеличении последней. При образовании скользящего  контакта величина поперечной скорости  зависит от  первоначальной скорости  и коэффициента трения между взаимодействующими поверхностями.

Качественный биомеханический  анализ показывает, что случай проскальзывания  возможен при незначительных относительных  скоростях взаимодействующих объектов. В большинстве реальных атакующих  ударов  должен проявляться механизм, характеризующийся отсутствием  проскальзывания в момент осуществления  удара.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Характеристика скорости движений звеньев ноги при ударах в футболе.

 В качестве методики  используется система компьютерного  биомеханического синтеза двигательных  действий на основе суставных  движений. В ходе анализа получены зависимости скорости бьющего звена от параметров управляющих движений в суставах, а также от  начальных условий выполнения рассматриваемого физического упражнения. На основании проведенного анализа обосновано разделение действий в суставах на элементы осанки и управляющие движения. Полученные данные могут быть использованы  при освоении и совершенствовании техники футбольных ударов.

Настоящая работа связана  с определением роли суставных движений при выполнении удара по мячу в  футболе. Целью настоящей работы является установление влияния  суставных движений на процесс формирования скорости бьющего звена, осуществляющего футбольный удар, выявление  основных составляющих биомеханической структуры рассматриваемого двигательного действия – его элементов осанки и управляющих движений.

В качестве методики исследования использовалось компьютерное моделирование, в ходе которого применялась  11-звенная  модель тела спортсмена, находящегося в контакте с опорой [7], адаптированная для решения поставленных в работе задач [5]. В ходе моделирования осуществлялся компьютерный синтез футбольного удара на основе численного интегрирования уравнений движения модели, инерционные характеристики которой определялись из  уравнений регрессии [1], а реальные параметры суставных движений – с использованием предварительного биомеханического видеоанализа.

На первом этапе исследования из анализа видеоматериалов определялись усредненные реальные параметры  суставных движений, которые затем  использовались в компьютерной модели синтеза двигательного действия. В ходе моделирования варьировались  временные и амплитудные  характеристики выполнения  суставных движений, исследовалось влияние вариаций  на скорость бьющего звена, перемещение  общего центра тяжести и некоторые  другие, менее существенные характеристики двигательного действия.

В результате исследования были получены зависимости скорости ударной точки бьющего звена  от времени  при изменении параметров суставных движений. Указанные зависимости  графически представлены на рис 1 – 5.

Рис. 1. Зависимость величины скорости ударной точки от времени при  выполнении удара с места ( увеличение времени суставного движения на 13%).

На  графиках (рис.1-3) одна из приведенных зависимостей, обозначенная как исходная, соответствует синтезу  двигательного действия, имеющего усредненные  реальные значения параметров суставных  движений. Остальные кривые соответствуют  изменению времени (и, соответственно, скорости)  выполнения одного из суставных  движений. В частности, графики построены  для увеличения времени выполнения суставного движения на 0,02 с, что соответствует  приблизительно 13% от исходного значения времени.

   Рис. 2. Зависимость  горизонтальной составляющей скорости  ударной точки от времени (увеличение  времени выполнения суставного движения на 13%).

Анализ полученных результатов  показывает, что  наибольшее влияние  на величину вектора скорости ударной  точки оказывает движение в тазобедренном  суставе бьющей ноги. При указанном  выше уменьшении скорости суставного движения соответствующее уменьшение величины скорости составляет около 14%. Заметно меньшее влияние оказывают  другие суставные движения. В частности, около 6% составляет изменение скорости ударной точки  при уменьшении скорости движения в коленном суставе  бьющей ноги. Влияние других суставов на скорость бьющей ноги при выполнении футбольного удара  менее существенно.

Рис.3. Зависимость вертикальной составляющей  скорости ударной точки от времени (увеличение времени выполнения  суставного движения на 13%).

Точность удара зависит  не только от величины скорости бьющего  звена, но и от ее направления в  пространстве. Поэтому заметный интерес  представляет исследование  влияния  суставных движений на  горизонтальную и вертикальную составляющие скорости бьющей точки. Соответствующие данные приведены на графиках (рис.2 и 3).

Анализ приведенных зависимостей показывает, что, как и при исследовании модуля  скорости бьющей точки, наиболее заметное влияние на горизонтальную составляющую  оказывают изменения  скорости движения в тазобедренном  суставе маховой ноги. Так, увеличение времени выполнения управляющего движения в указанном суставе на 13% приводит к изменению горизонтальной скорости ударной точки на 11% и вертикальной на 9%. Аналогичные показатели для коленного сустава бьющей ноги составляют соответственно 2,1% и 3%.

Влияние тазобедренного сустава  опорной ноги представляется несколько  парадоксальным. Здесь, при замедлении суставного движения происходит незначительное увеличение как величины результирующей скорости (рис. 3.), так и ее вертикальной составляющей. В частности, при увеличении времени управляющего движения в  тазобедренном суставе опорной  ноги на 13% происходит увеличение вертикальной составляющей скорости на  1%. Более  того, при полной фиксации тазобедренного сустава опорной ноги во время  выполнения удара увеличение вертикальной составляющей скорости составляет 5%.

Такой результат может  быть объяснен с позиций кинематики данного движения.  Если представить, что спортсмен находится правым боком к наблюдателю,  соединить  ударную точку с точкой контакта спортсмена с опорой и ассоциировать  вращение тела спортсмена как целого с вращением указанной линии,  то ее поворот по  часовой стрелке  в течение всего ударного действия будет уменьшать и вертикальную и горизонтальную составляющие скорости ударной точки. Такое вращательное перемещение  тела футболиста, как  известно [6],  вызывается именно движениями в тазобедренном суставе опорной ноги. Следовательно, устранение данного движения должно способствовать увеличению скорости бьющей точки и, соответственно, силы удара.

Таким образом, анализ результатов  компьютерного синтеза рассматриваемого двигательного действия свидетельствует  о том, что  главным управляющим  движением, при выполнении удара  по мячу в футболе является сгибательно-разгибательное движение в тазобедренном суставе  ноги, выполняющей удар. В качестве корректирующего управляющего движения можно рассматривать  движение аналогичного типа, выполняемое в коленном суставе  маховой ноги. К вспомогательным  управляющим движениям  можно  отнести изменения суставных  углов в суставах рук. Их роль заключается  в компенсации вращения, которое  стремится возникнуть в горизонтальной плоскости в результате энергичного  движения маховой ноги. Здесь руки вращаются в противоположном  направлении и обеспечивают сохранение ориентации тела футболиста. Другие суставные  движения, имеющие место при выполнении удара оказывают существенно  меньшее влияние на скорость ударной  точки.

К элементам динамической осанки можно отнести  фиксацию голеностопного коленного и тазобедренного суставов опорной ноги и фиксацию голеностопного сустава маховой ноги.

При разбеге  в момент образовании контакта с опорой  одной из ног,  тело как целое  получает вращательный импульс относительно точки контакта. Этот импульс тем  больше, чем выше скорость предварительного разбега. Для оценки влияния разбега  на скорость бьющей точки в модель в качестве начального условия была введена  угловая скорость опорного звена.

Результаты моделирования  ситуации,  связанной с выполнением  удара с разбега представлены на рис 4.

   Рис. 4. Зависимость  скорости ударной точки от  времени при выполнении удара  с разбега.

Полученные результаты показывают, что  в момент удара наличие  разбега практически не влияет на скорость бьющего звена. Такой результат  на первый взгляд кажется нелогичным, поскольку футболисты большинство ударов наносят с разбега. Более подробное рассмотрение ситуации  позволяет ответить на данный вопрос. Дело в том, что в момент удара ударная точка находится в непосредственной близости от точки контакта с опорой,  относительно которой происходит вращение тела как целого, имеющее место в результате разбега.  Если мысленно соединить  ударную точку и точку контакта с опорой, то в момент удара это расстояние составляет всего несколько сантиметров. Как известно, линейная скорость определяется произведением угловой скорости на указанный радиус и в рассматриваемой ситуации она составляет совершенно незначительную величину. Иными словами, с позиции кинематики разбег не должен играть существенную роль.

Если же рассмотреть ситуацию с точки зрения динамики, то можно  сказать, что  роль разбега  заключается  в возможности создания  в момент   возникновения  контакта с опорой  торможения и обеспечения таким образом  образования сил инерции в направлении мяча.  Указанные силы, совместно с мышечными усилиями обеспечивают более высокое ускорение  ударных звеньев и их скорость к моменту удара. В связи с этим можно сказать, что разбег играет существенную роль в создании динамической ситуации, способствующей выполнению удара. 

Приведенные выше результаты относятся, главным образом, к суставам, в которых происходит существенное изменение углов. Вместе с тем  заметный интерес представляет исследование влияния на скорость ударной точки  амплитуды в суставах опорной  ноги футболиста, где имеет место  минимальный размах движения.

Для ответа на данный вопрос в модель были введены соответствующие  изменения. Было исследовано как  положительное, так и отрицательное  изменения суставных углов.  Результаты приведены на рис. 5.

Рис. 5. Зависимость скорости ударной точки от амплитуды движения в коленном и голеностопном суставах опорной ноги.

Анализ полученной зависимости  показывает, что движение в коленном суставе опорной ноги оказывает  заметное влияние на скорость ударной  точки. Так, при обеспечении сгибательного  суставного движения в указанном  суставе на 20 градусов  скорость ударной точки в момент контакта с мячом возрастает приблизительно на 7%, а при выполнении разгибания на такое же количество градусов  остается практически неизменной.