игровая деятельность — техника игры
Волейболисты используют два вида прыжка – толчком одной и двух ног; их выполняют с разбега и с места. Прыжки являются важной составной частью некоторых игровых приемов: атакующих ударов, блока, некоторых способов передач и игры в защите.
Для успешного поиска способов формирования эффективных механизмов биомашины из элементов опорно-двигательного аппарата волейболиста, позволяющих игрокам высоко прыгать, необходимо понять физическую сущность прыжков вверх с разбега и с места. Прыжки волейболиста, как и другие движения, выполняются в поле действия силы притяжения Земли. Она считается постоянной на поверхности планеты, т.к. расстояние между прыгуном и центром Земли практически одинаковое – высотой подпрыгивания можно пренебречь.
В процессе выполнения прыжка сила притяжения земли вызывает отрицательное ускорение (т. е. замедление скорости) тела прыгуна при движении волейболиста вверх после отталкивания, а при движении вниз – положительное. Величина этой силы определяется выражением F = m∙g (9), и тут, как говорится, все ясно.
Высота выпрыгивания игрока в поле действия сил гравитации Земли определится величиной прикладываемой к опоре силы, равной силе реакции опоры, и действующей определенное время – в течение разгона тела при отталкивании – импульсом силы. Величина набранной при отталкивании скорости тела прыгуна связана с высотой прыжка квадратичной зависимостью:
h = V2/2g (10)
Прыжок волейболиста будет тем выше, чем больше скорость вертикального вылета прыгуна, которая определяется прикладываемой силой в течение некоторого времени при отталкивании – импульсом силы (при прочих равных допущениях).
Импульс силы (при постоянном значении действующей силы) определяется произведением силы на время ее действия:
Р = F∙ t (11)
Однако в реальных условиях процесс отталкивания сложнее и не описывается приведенным выше выражением.
Во-первых, прикладываемая к опоре сила имеет переменное значение – от нуля к максимуму и обратно к нулю в момент отрыва (если не учитывать силу веса). Она является функцией разности скоростей и описывается уже приводимым выше выражением (4). Поэтому реальная величина импульса силы за конечный отрезок времени будет равна интегралу от элементарного импульса силы в течение этого временного промежутка.
tx
Р = ∫ F dt (12)
to
(фактически площадью под кривой на графике изменения силы во времени).
Во-вторых, на процесс отталкивания существенно влияет величина кинетической энергии движущегося к опоре тела в процессе напрыгивания, которому может предшествовать разбег.
В-третьих, двигатель (сократительный элемент мышцы) прикладывает силу через упругую связь – через пружину с прогрессирующей жесткостью, каковой является сухожилие.
Физическая сущность прыжка вверх с разбега сводится к повороту вектора скорости, набранной в разбеге спортсменом за счет создания скорости вертикального вылета в процессе отталкивания от опоры.
Однако важно понимать, что поворот вектора скорости в нашем случае – это не перемещение шарика по плоскости, загибающейся вверх. Любое изменение вектора скорости вызывается действием внешней силы (сил), приложенной под каким-либо углом к движущемуся телу. Действующая внешняя сила (или внутренняя, вызывающая внешнюю, например, силу реакции опоры) обеспечивает изменение вектора скорости, зависящее от ее величины и угла приложения.
Сила, приложенная под углом 90° к направлению перемещения тела прыгуна, не оказывает никакого влияния на величину вектора горизонтальной скорости разбега. Она изменяет направление вектора скорости и его величину за счет возникновения его вертикальной составляющей, как результата действия силы мышц ног на опору при отталкивании. При этом возникает сила реакции опоры, количественно равная силе, действующей на опору, и противоположно направленная. Результирующая двух составляющих скорости определит как направление, так и скорость перемещения прыгуна – таким образом, изменится вектор скорости.
Если сила действует на движущееся тело прыгуна под меньшим углом (при толчке назад «вдогонку»), то вектор скорости разбега спортсмена увеличится на величину горизонтальной составляющей вектора скорости, вызванного силой отталкивания. Возросший вектор скорости горизонтального перемещения тела и вертикальная составляющая вектора скорости определят результирующий вектор скорости перемещения прыгуна.
При действии силы на тело прыгуна под углом, превышающим 90° (в случае встречного толчка), вектор скорости перемещения уменьшается на величину горизонтальной составляющей вектора скорости, созданного действующей силой отталкивания.
Вертикальная составляющая вместе с уменьшившейся горизонтальной составляющей составят результирующий вектор скорости, который определит траекторию перемещения прыгуна в воздухе. Это и будет означать поворот вектора скорости.
В различных условиях выполнения прыжков с разбега горизонтальная составляющая вектора скорости в процессе отталкивания существенно снижается и может принять нулевое значение (если прыжок выполняется без «пролета» игрока вперед). Это происходит в случае встречного толчка, когда разнонаправленные горизонтальные составляющие вектора скоростей выравниваются.
Чтобы понять механизм отталкивания и сформулировать условия повышения высоты подпрыгивания, необходимо рассмотреть процесс прыжка с позиций эффективности использования мышечной энергии.
Мы уже отмечали, что причиной перемещения прыгуна вверх является действие силы отталкивания в течение некоторого времени – т. е. импульсом силы. Его величина отражается площадью под кривой на графике изменения действующей на опору силы во времени при отталкивании.
В реальности на опору действуют силы и в процессе амортизации (т. е. при подседании перед отталкиванием). Высоту прыжка определяет только часть площади под кривой изменения силы во времени, которая соответствует непосредственно отталкиванию, т.е., выпрямлению ног в коленном суставе, (минус вес тела прыгуна), как это принято считать.
Ошибочно думать, что долгое отталкивание увеличит высоту прыжка – при таком варианте неизбежно падает значение действующей силы и площадь под кривой графика «сила-время» также уменьшается на фоне нарушения «золотого правила» баллистических движений.
Снижение высоты прыжка вызывает и неоправданно быстрый толчок. Сокращение времени отталкивания, как правило, за счет уменьшения амплитуд движения звеньев тела, также уменьшает импульс действующей силы.
С позиций механики открытых систем необходимость повышения импульса силы при отталкивании для увеличения высоты подпрыгивания предъявляет высокие требования к мощности двигателя – мышц. Двигатель должен быть в состоянии проявлять как можно большую силу, в течение большего временного отрезка, что возможно, если развиваемая сила будет «быстрой». Т.е., как и в случае с нападающим ударом, двигатель биомашины спортсмена должен обладать высокой силовой и скоростной характеристикой. Другими словами, двигатель должен быть максимально мощным – способным выполнить огромную работу по разгону тела за короткое время в процессе отталкивания, т.е. увеличить импульс силы, что и обеспечит более высокий прыжок.
Способы и проблемы повышения указанных характеристик мышц за счет тренировки будут рассмотрены ниже, в соответствующей главе. Здесь же, принимая характеристики мышц прыгуна как данность, следует сосредоточиться на поиске условий эффективного и экономичного использования мышечной энергии для повышения высоты прыжка.
В общем виде процесс разгона тела уже достаточно подробно рассмотрен на простых примерах и моделях в разделе 5.2 (Атакующие удары). Нам остается только использовать результаты анализа для оптимизации процесса внесения и преобразования энергии при разгоне тела прыгуна в отталкивании.
Начнем с напрыгивания, представляющего собой невысокий прыжок волейболистов с одной ноги на две в позу готовности, из которой можно выполнить эффективное отталкивание. Суть эффекта напрыгивания сводится к использованию кинетической энергии тела прыгуна, набранной в разбеге и напрыгивании для увеличения импульса силы в отталкивании от опоры путем увеличения силы давления на опору, скорости и времени ее действия за счет сил упругости соответствующих элементов мышц и суставов.
Траектория перемещения тела в напрыгивании имеет вид кривой с восходящей и плавной нисходящей частью, что определяется постоянным действием силы притяжения земли. Она вызывает непрерывное ускорение тела, увеличивающее вертикальную составляющую вектора скорости, направленную вниз. Горизонтальная составляющая при этом остается неизменной, если пренебречь сопротивлением воздуха.
Остановку падающего в нисходящей части траектории напрыгивания тела прыгуна в принципе можно осуществить двумя различными способами.
- Остановка тела прыгуна в процессе амортизации осуществляется преимущественно работой мышц в уступающем режиме, т. е. отрицательной работой мышц в уступающем режиме, рассеивающей кинетическую энергию тела напрыгивающего игрока. Чем длиннее путь торможения тела до полной остановки, чем более плавно происходит приседание прыгуна, тем меньшая степень участия упругих элементов опорно-двигательного аппарата в его торможении. Как следствие, энергия падающего тела почти не аккумулируется. Это снижает эффективность отталкивания, что ограничивает высоту прыжка.
- За счет амортизации упругими элементами костно-мышечных сочленений при работе сократительных элементов мышц в изометрическом режиме (т. е. без увеличения их длины), или даже в ауксотоническом (преодолевающем). В этом случае кинетическая энергия движущегося вниз тела переходит в энергию упругой деформации упругих элементов преимущественно мышц, выполняющих работу по остановке движущегося вниз прыгуна. Эта аккумулированная энергия упругими элементами мышц (сухожилиями) и суставов (связками, суставными сумками и др.) может использоваться для разгона тела при их освобождении от деформации, если отталкивание проводится без задержки во времени и удается избежать демпфирования. Поведение подобной системы при разгоне тела с предварительной отрицательной скоростью описано в разделе «Атакующие удары» (см. рис. 15).
Таким образом, эффект напрыгивания будет выше, если амортизация перед отталкиванием будет проводиться быстро – за счет упругих элементов мышц и суставов без уступающей работы сократительных волокон мышцы.
Необходимость реализации требования быстрой и упругой амортизации тела волейболиста в напрыгивании диктуется и особой жесткостной характеристикой упругих элементов опорно-двигательного аппарата. Они обладают возрастающей жесткостью при растягивании на одинаковую длину. Чем большую жесткость проявляют растянутые упругие элементы, тем быстрее должны осуществляться остановка тела прыгуна и его разгон. Иначе растянутые «пружинки» демпфируют, и энергия рассеивается, не совершая полезной работы.
Вышеизложенные задачи эффективно решаются в рамках «золотого правила» баллистических движений. Одновременно реализуются и основные принципы оптимальной машины. В частности, принцип сохранения потока циркулирующей энергии и принцип обеспечения максимально возможной разности скоростей взаимодействующих систем. Амортизации тела волейболиста в напрыгивании диктуется и особой жесткостной характеристикой упругих элементов опорно-двигательного аппарата. Они обладают возрастающей жесткостью. Чем большую жесткость проявляют растянутые упругие элементы, тем быстрее должна осуществляться остановка тела прыгуна и его разгон. Иначе растянутые «пружинки» демпфируют, и энергия рассеивается, не совершая полезной работы.
Теоретически получается так: чем выше скорость разбега и падения тела прыгуна при напрыгивании (для чего в том числе необходимо выполнить более высокое напрыгивание), тем больше энергии падающего тела может аккумулироваться упругими элементами костно-мышечных сочленений, тем выше будет сам прыжок. Однако это возможно только при условии, что у прыгуна хватит силы на отталкивание без «уступающей» работы, которая рассеивает кинетическую энергию падающего тела в процессе напрыгивания без пользы, не «заряжая» упругих элементов мышц ног. Выбор оптимальной скорости разбега и высоты напрыгивания при любых прыжках должен осуществляться с учетом силовой характеристики мышц ног игрока так, чтобы избежать их работы в уступающем режиме при амортизации и отталкивании.
Чем сильнее мышцы ног, тем с большей скоростью можно разбегаться и выполнять более высокое напрыгывание. Сказанное также означает, что напрыгивание на месте при выполнении вертикального прыжка (напр. для блокирования) повышает их высоту.
В прыжках толчком одной ноги роль напрыгивания выполняет последний шаг с некоторым подседанием на опорной ноге. Его визуально трудно даже квалифицировать как напрыгивание – горизонтальной скорости разбега почти хватает для «зарядки» упругих элементов мышц, осуществляющих отталкивание.
Реализации условий увеличения высоты прыжков способствуют также и соответствующие механизмы управления мышечной активностью. Эти механизмы были созданы в процессе эволюции и закреплены в виде безусловных рефлексов, известных физиологам уже давно. Речь идет о шейно-тонических и миотатических рефлексах. Тонус мышц также рефлекторно повышается при резком выдохе.
Функции их сводятся к формированию при определенных условиях эфферентного сигнала большой силы, обеспечивающего более мощное сокращение работающих мышц. В первом случае нужно резко наклонить голову. Небольшой энергичный наклон головы, например, назад (по отношению к туловищу) повышает тонус мышц, выпрямляющих тело. Во втором – нужно резко растянуть мышцы, особенно напряженные, перед сокращением, что способствует проявлению ими большей силы в баллистических движениях. Такое предварительное растягивание напряженных мышц ног как раз и происходит при амортизации тела прыгуна в напрыгивании. В третьем – совместить финальное баллистическое движение с выдохом.
Далее рассмотрим существующие варианты выполнения напрыгивания и отталкивания.
Начнем с напрыгивающего шага. При выполнении прыжков с разбега для реализации атакующих ударов напрыгивающий шаг целесообразно осуществлять с левой ноги на две сразу[1] для правшей, и с правой на две – для левшей. Прыжок с обратным порядком напрыгивания (с правой ноги на две для нападающих правшей) нападающему вредит, сковывая его движения, и выглядит не лучшим образом.
При постановке на опору правой стопы впереди левой для отталкивания (а именно так – «в разножку» – выполняют напрыгивание подавляющее большинство игроков) нападающего разворачивает к сетке правым боком. Это мешает атакующему волейболисту повернуть туловище вправо и отвести руку в замах. Так провоцируется появление и закрепление ряда ошибок: попадание бьющей руки в «мягкую» схему связи, неучастие в ударе поворотных движений туловища, укорочение замаха и др.
Важно, отметить еще один момент: необходимо обеспечить жесткость взаимодействия ног с опорой в процессе отталкивания, снизив тем самым меру рассеивания кинетической энергии тела прыгуна в разбеге и напрыгивании. Это достигается упруго-жесткой постановкой стоп на опору, для чего нужно выполнить напрыгивание на обе «жесткие» пятки одновременно, а не на расслабленные ступни.
В процессе отталкивания с последовательной (во времени) постановкой стоп на опору упругие элементы мышц ног используются в менее эффективном режиме. При таком варианте отталкивания движущееся в напрыгивании тело волейболиста тормозится сначала одной ногой, потом преимущественно другой. Это увеличивает время толчка и способствует рассеиванию энергии и уменьшает степень ее аккумулирования упругими элементами мышц ног. Быстрое отталкивание имеет большое значение при выполнении скоростных атак первым темпом, при блокировании после перемещений, при запаздывании нападающего с выходом к мячу.
Последовательной постановке ног на опору обычно сопутствует вынос одной ноги впереди другой (бывает до метра). Эффективность отталкивания при этом снижается. При таком варианте постановки ног отталкивание осуществляется «вдогонку», с переносом веса тела прыгуна с одной ноги на другую, что приводит в известной мере к поочередному отталкиванию и, как следствие, к снижению величины действующей силы при ее «растягивании» во времени. Здесь нарушается «золотое правило» баллистических движений – не обеспечивается возможно более мощный начальный рывок. Тем самым снижается коэффициент передачи энергии разгоняемому телу, и в меньшей степени используются упругие элементы для аккумуляции энергии с последующим ее освобождением в процессе толчка. Величина импульса силы неизбежно падает.
Таким образом, для обеспечения наибольшего эффекта в процессе напрыгивания ноги на опору для отталкивания нужно жестко ставить на обе пятки одновременно, и на одну линию, перпендикулярную направлению разбега. Отталкивание целесообразно выполнять с перекатом «с пяток на носки», стремясь реализовать «золотое правило баллистических движений».
Помимо прочих преимуществ такой способ постановки ног на опору позволяет избежать ошибок «заступа» в зону нападения при атаках со второй линии и наносить удар по мячу ближе к сетке, что увеличивает возможности нападающего.
Рассмотрим еще один важный механизм отталкивания – маховые движения конечностей прыгуна. Такой прыжок для лучшего понимания полезно рассмотреть на упрощенной модели (рис. 20), где двигатель 1 (Дв.1) будет играть роль мышц толчковых конечностей, а двигатель 2 (Дв.2) – роль мышц маховых конечностей.
Высота подпрыгивания модели зависит от величины импульса силы и в общем виде определяется выражением (12).
Суммарная действующая сила при отталкивании (Fобщ.) складывается из силы действия на опору мышц ног (F1) и силы маха конечностей (F2), также действующую на опору, а не на массу (m1): Fобщ. = F1 + F2 (13)
Если двигатели для разгона масс тел включать последовательно, то в случае начала работы второго двигателя (Дв.2) после отрыва тела от опоры (как результата работы первого двигателя (Дв.1)) высота взлета волейболиста никак не изменится. Она определится количеством работы по перемещению системы тел (m1+m2), выполненной только первым двигателем, поскольку F2 = 0.
Не рассматривая промежуточные варианты, проанализируем случай, когда оба двигателя включаются в работу одновременно. К скорости системы тел m1 и m2, сообщаемой двигателем 1, добавится скорость движения массы 2, полученной за счет работы двигателя 2. Суммарная кинетическая энергия двух масс возрастет – она перераспределится в воздухе, и прыжок будет выше.
Это выгоднее случаев, когда скорость движения вверх обоим телам сообщает только один двигатель при неработающем втором, или начинающим работу после отрыва тел от опоры. Эффект при этом будет одинаковым – высота подпрыгивания не изменится.
При выполнении маховых движений прыгуном функцию второго двигателя выполняет только вертикальная составляющая центробежной силы, возникающей в результате вращательного движения маховых конечностей. Именно ее величина будет (вместе с силой, развиваемой мышцами ног) определять импульс силы действия на опору в процессе амортизации и отталкивания.
Вертикальная составляющая силы маховых движений действует на опору опосредовано – через туловище и ноги. Во время амортизации и отталкивания она сначала увеличивает давление на опору за счет все большего совпадения вектора центробежной силы с силой притяжения Земли по мере вращательного перемещения конечностей. Потом облегчает отталкивание, так как часть массы тела (маховые конечности) в процессе маха приобретает довольно высокую скорость вертикального взлета. В воздухе происходит перераспределение кинетической энергии частей тела за счет выравнивания их скоростей.
Таким образом, увеличение силы действия на конечности приводит к возрастанию кинетической энергии вращательного движения, которая переходит в энергию поступательного движения при их торможении внешней силой, каковой для конечностей является инерция массы туловища и ног.
Для выявления условий эффективности маховых движений можно использовать проведенный уже анализ поведения маятника (см. Атакующие удары и бег). На основе сделанных там выводов сформулируем условия эффективности маховых движений прыгуна.Мах конечностями нужно выполнять из широкого замаха по большой амплитуде. При этом решаются как минимум две задачи.
- На большем пути маховые конечности могут набрать большую скорость (а она в формуле кинетической энергии для вращательного движения содержится в квадрате (2)).
- При широком замахе выпрямленными конечностями создается наибольшее давление на опору — это соответствует положению рук в момент прохождения ими нижней вертикали. В этом положении знак ускорения меняется на обратный.
- Мах необходимо выполнять выпрямленными конечностями – так увеличивается радиус вращения сегментов их масс, содержащийся в уравнении момента инерции в квадрате, который, в свою очередь, входит в формулу кинетической энергии вращения (2).
В реальных условиях, где опорно-двигательный аппарат представляет собой систему маятников, выполняющих вращательные движения, их массовой характеристикой, как мы уже отмечали, служит момент инерции (3):
J = Σ mi · ri², где ri – радиус вращения каждой «приведенной» массы (mi) маховой конечности.
Логично было бы предположить, что увеличение массовых характеристик маховых конечностей (за счет увеличения количества маховых конечностей и увеличения их моментов инерции, что возможно при соответствующем изменении геометрии масс конечностей) приведет к повышению высоты прыжка.
Но так происходит не всегда. Например, если помимо рук использовать в качестве маховой одну ногу, а отталкиваться другой, то эффект повышения скорости вылета тела за счет активного маха свободной ногой может быть нивелирован снижением прикладываемой силы при отталкивании. А это неизбежно, поскольку отталкивание выполняется одной ногой, а не двумя.
Необходимо принять во внимание то, что вертикальная скорость взлета тела прыгуна определяется не абсолютным показателем силы, а ее действием во времени – импульсом силы (4). Одинакового эффекта можно добиться при действии разных по величине сил, действующих на протяжении разных промежутков времени.
В случае отталкивания одной ногой от опоры, игрок имеет возможность дольше прикладывать меньшую силу в сравнении с прыжком толчком двух и может подпрыгнуть на такую же высоту. Вполне вероятно, что для волейболистов величины суммарной кинетической энергии вылета тела после отталкивания обоими способами вполне сопоставимы в силу их примерно одинаковой «проработки» в процессе тренировки. Легкоатлетам же правилами по прыжкам в высоту с разбега разрешается отталкиваться только одной ногой…
Сделаем вывод: прыжки с разбега толчком одной не так уж плохи и в определенных ситуациях имеют неоспоримое преимущество. Например, нападающий удар по мячу в прыжке толчком одной может быть нанесен в точках, составляющих траекторию перемещения игрока вдоль сетки длиной до двух метров при передачах вдоль сетки. Это создает трудности для блокирующих соперника, которых, впрочем, может выручить такой же прыжок – толчком одной с «пролетом» вдоль сетки.
Резюме
- Высота прыжка определяется величиной прикладываемой к опоре силы, действующей во времени, т. е. величиной импульса силы. Она соответствует площади под кривой графика изменения силы во времени с момента начала выпрямления ног при отталкивании.
- Необходимость выполнения высокого прыжка предъявляет повышенные требования к силовой и скоростной характеристикам двигателя – мышцам. Мышцы ног прыгуна должны обладать «быстрой силой», т. е. мощностью, проявляемой при отталкивании.
- Высота прыжка увеличится, если прыгун использует кинетическую энергию тела, набранную в разбеге и напрыгивании, для отталкивания за счет ее аккумулирования упругими элементами мышц и суставов с последующим ее освобождением.
- Все условия эффективного отталкивания реализуются в рамках «золотого правила» баллистических движений. В процессе отталкивания необходимо обеспечивать концентрацию мышечных усилий во времени и смещать их к началу разгона тела прыгуна. Другими словами, нужно выполнять возможно более мощное начальное усилие – в течение короткого промежутка времени проявлять возможно большую силу отталкивания.
- Скорость разбега, а также высоту и длину напрыгивания следует подбирать с учетом силы мышц ног прыгуна. В процессе напрыгивания с левой ноги (для праворуких нападающих) на две «жесткие» пятки необходимо отвести прямые руки в замах по большой амплитуде и отклонить туловище назад (тем больше, чем выше скорость разбега).
- Обе пятки в напрыгивании на опору нужно ставить одновременно на одну линию, перпендикулярную направлению разбега.
- Отталкивание нужно выполнять с упругим перекатом «с пяток на носки», стремясь снизить величину рассеивания энергии за счет повышения жесткости голеностопных суставов.
- Необходимо осуществить широкий (по большой амплитуде) активный мах прямыми руками в процессе отталкивания. При выполнении прыжков без предварительного перемещения полезно выполнять напрыгивание на месте с активным махом рук.
- В прыжках с разбега толчком одной необходимо реализовать 3, 4 и 5 рекомендации для прыжков толчком двух.
[1] Иногда тренерами используется в такой ситуации терминологическое определение порядка шагов как «напрыгивание правой ногой», однако словосочетание «с левой – на две» представляется более точным и содержательным, хотя и первое, наверное, нельзя считать ошибкой.
