игровая деятельность — техника игры
Основные положения концепции биомашины
К общему пониманию человека как машины ученые подходили давно, еще со времен Л. Да Винчи и Дж. Борелли. Более предметные представления об ее устройстве складывались у исследователей последующих поколений (А. А. Ухтомский, Н. А. Бернштейн, затем П. К. Анохин и др.). На современный, качественно новый уровень эти представления поднимает появление науки биофизики, в особенности направление, разработанное создателями советской биофизической школы, наряду с достижениями молекулярной биологии (Г. М. Франк, Л. А. Блюменфельд, М. В. Волькенштейн, В. А. Энгельгардт, С. Э. Шноль и др). На фоне всеобщего признания задачи естествознания как раскрытия механизмов протекания природных процессов, все «научные права» получило вошедшее в учебники понятие «молекулярная машина». Биофизики считают, что «живая природа – это мир молекулярных машин» [88].
Опираясь на воззрения биофизиков и биомехаников, мы преемственным образом приходим к необходимости разработки концепции биомашины, применимой к организму не только на микро-, но и на макроуровне, с тем, чтобы с ее точки зрения лучше понять устройство функциональных систем организма и возможности их совершенствования. С долей условности можно принять определение, обрисовывающее наш подход в целом: биологическая машина – это многофункциональная система живого организма, осуществляющая свою деятельность по его жизнеобеспечению посредством механизмов, функционирующих за счет использования и преобразования энергии в соответствии с фундаментальными физическими законами.
Называя функциональные системы организма «биомашинами», мы подчеркиваем принцип «механизмности» и «физичности», однозначность причинно-следственных связей, лежащих в основе любого функционирования, оставляя за термином «биологическая система» его более широкое и общее значение. Поскольку затруднительно использовать полную аналогию определениям системного подхода – «система» и «подсистема», используются термины «биомашина» и «биомашина более низкого уровня организации».
Полагая, что Природа создавала биомашины живых организмов с учетом, прежде всего, ограниченного энергетического ресурса, их устройство было рассмотрено с позиций обеспечения экономичности и эффективности, а также целесообразности функционирования, чтобы определить возможности их совершенствования.
Последовательно осуществляя шаги в направлении поиска причинно-следственных связей, устройства функциональных систем организма, принципов и механизмов их функционирования с физических позиций, удалось сформулировать наиболее общие положения концепции биомашины, как кредо, пока на качественном уровне. Они таковы:
– Живой организм можно рассматривать как биомашину.
– Все детали живой биомашины и процессы ее функционирования, – физические.
– Все системы биомашины организма вплоть до молекулярного уровня – функциональные.
– Свойства биомашины определяются ее устройством, способом организации, структурой функциональных связей, способом функционирования.
– Любые детали, звенья, узлы, механизмы биомашины также представляют собой функциональные системы (их можно рассматривать как биомашины более низкого структурного уровня), устройство которых тоже определяет их свойства и характеристики.
– Функционирование биомашины любого структурного уровня осуществляется за счет затрат энергии.
– Качество функционирования биомашин определяется степенью реализованности в их устройстве условий эффективного и экономичного использования энергии, генерируемой организмом.
– Системы управления обеспечивают устойчивость состояний функциональных систем организма (в том числе сознание, эмоции и целеполагающее мышление) и эффективность его взаимодействия со средой.
Опорно-двигательный аппарат в соответствии с принятой концепцией также трактуется как биомашина, осуществляющая двигательные функции. Эффективность его функционирования определяется главным образом тем, насколько эффективно используются законы внесения и преобразования потоков энергии в двигательной деятельности. От того, как вносится и как преобразуется генерируемая организмом энергия в процессе ее усвоения, зависит степень совершенства выполняемых двигательных функций и их итоговый результат. Способы генерирования, внесения и преобразования энергии определяются устройством биомашины опорно-двигательного аппарата (ОДА) человека. Для того чтобы получить нужное качество функций организма, надо соответствующим образом изменить его структуру (устройство биомашины).
Понимание принципов организации и функционирования систем организма как биомашин дает возможность со знанием дела управлять процессом их целенаправленного совершенствования в тренировочной деятельности. Знания об устройстве и функциях биомашины организма спортсмена должны быть инженерными, способными трактовать функциональные связи на причинно-следственном уровне. Только такие знания дадут возможность инженеру-конструктору (в нашем случае – тренеру и спортсмену) целенаправленно и наиболее эффективно совершенствовать ее устройство, чтобы существенно улучшить функционирование.
Принципы оптимальной машины
С точки зрения развиваемой концепции важнейшее значение приобретает выявление способов эффективного внесения и преобразования генерируемой энергии в открытых динамических системах[2]. Исходя из кинетической трактовки, процесс внесения энергии можно представить в виде потока неких частиц — носителей энергии, имеющих определенную массу и максимальную предельную скорость (Vmax). Такой поток имеет свои характеристики: площадь сечения (S), скорость движения частиц (Vmax), их массу (m), количество на единицу площади сечения (n) и в единицу времени (ν). Последние с долей условности можно назвать плотностью (количество частиц в площади сечения n) и интенсивностью (количество частиц в единицу времени ν) потока носителей энергии. Поток материальных носителей энергии для простоты назовем потоком энергии[3].
Биомашины организма также являются открытыми системами (т. е. с открытыми входами и выходами) и могут быть описаны в общем виде схемой потока энергии и вещества, представленной на рис. 4. Исследование процессов внесения и преобразования потока генерируемой энергии в открытых системах позволило Н. С. Северцову сформулировать закон изменения действующей силы в процессе взаимодействия и принципы оптимальной машины. Т. е.такой машины, в которой для достижения максимально возможной эффективности и экономичности функционирования в полной мере реализованы принципы эффективного, экономичного и целесообразного внесения и преобразования потока генерируемой энергии. Они составляют основу теории оптимальной машины и во многом определяют эффективность функционирования биомашин.
Логика рассуждений была следующей. Силы в открытых динамических системах – величины непостоянные, зависящие от скорости взаимодействующих тел. Они выполняют работу, эквивалентную затраченной энергии. Чтобы оптимизировать потоки энергии в целях совершенствования, в конечном счете, механических функций биомашин, необходимо понимать закон изменения действующей силы при выполнении работы в открытых динамических системах. Этот закон имеет огромное значение, поскольку дает ключ к пониманию принципов оптимальной машины, которые использовала Природа, создавая эффективные и экономичные функциональные системы организмов – биомашины.
Для начала необходимо было установить причины стабилизации скорости при разгоне тел. Некорректность существующей трактовки определена распространенными представлениями о постоянстве действующей силы. В задачах школьных учебников она обычно задается как величина постоянная. Стабилизацию скорости специалисты объясняют уравновешиванием движущей силы внешним сопротивлением среды и внутренним сопротивлением (например, мышц-антагонистов, их вязким сопротивлением (по А. Хиллу)). При этом КПД, отражающий экономичность работающей системы, считается равным 100%.
Подобная трактовка приводит к ошибочным выводам и представлениям о методике тренировки в скоростно-силовых видах спорта. Для повышения скорости рекомендуется увеличивать мощность двигателя (мышц) и снижать сопротивление движению. Это может быть справедливо для одиночного движения, но неверно для циклических движений.
Скорость спринтера в разгоне, набираемая мощными, но слабеющими с каждым шагом толчками, стабилизируется вследствие того, что дорожка «убегает» из-под бегуна со скоростью постановки стопы на опору. Спринтер не успевает оттолкнуться от убегающей дорожки. Сила отталкивания в этой ситуации будет стремиться к нулю, если пренебречь не так уж великой силой сопротивления воздуха и силой «переднего» толчка. КПД в этом случае также будет крайне невысоким и мало отличаться от нуля.
Здесь важно учесть тот факт, что в динамических процессах высокая силовая характеристика двигателя (в нашем случае — мышц) часто решающего значения не имеет. Поскольку сила действия (как мера воздействия одного тела на другое) всегда равна силе противодействия (в соответствии с первым законом Ньютона), то двигатель может проявить свою максимальную силу только при условии наличия достаточных сил сопротивления со стороны разгоняемого тела.
Пуля, пробивающая лист бумаги, оказывает на него давление, количественно равное силе сопротивления листа. Танк, разгоняющий трехколесный велосипед, натягивает буксировочный трос с силой, равной величине силы сопротивления велосипеда.
В динамических процессах необходимо различать абсолютный динамометрический показатель двигателя (Fmax) и силу действия в каждый текущий момент времени (Fx).
В инерционных динамических системах сила действия всегда зависит от разности скоростей: максимальной скорости холостого хода (Vmax) двигателя и текущего значения скорости разгоняемого тела (Vx). Пояснить сказанное можно на простой модели.
Представим себе парусник, способный под действием силы ветра перемещаться по идеально гладкой поверхности, не оказывающей сопротивления его движению. Роль двигателя здесь будет выполнять ветер (поток частиц воздуха). Когда парусник стоит на приколе, ветер оказывает на парус наибольшее давление (сила действия достигает максимального значения – Fmax, разность скоростей Vmax и Vx будет также максимальной). По мере разгона парусника сила действия ветра (Fx) уменьшается и становится равной нулю в момент достижения парусником скорости потока частиц воздуха (они просто не могут догнать парус). Vx станет равной Vmax, их разность – равной нулю. Парус повиснет в условиях отсутствия давления воздуха, парусник будет двигаться по инерции.
Совмещенный график зависимостей «сила воздействия на парус – путь разгона» и «скорость парусника – путь разгона» в условиях отсутствия сопротивления на качественном уровне будет выглядеть следующим образом (см. рис. 5).
Несколько иная картина наблюдается при разгоне двигателем (Дв.) тела массой m через абсолютно жесткий трос (Тр.). Процесс повторяется с небольшим расхождением, вызванным тем, что разгоняемая масса в исходном положении не зафиксирована, и двигатель в начальный момент не включен, как в случае с системой «парусник – ветер» (см. рис. 6).
После включения двигателя сила действия, передаваемая телу через трос, от нулевого значения возрастает до определенного максимума и снижается до нуля к моменту, когда текущая скорость разгоняемого тела (Vx) сравняется с максимальной скоростью холостого хода двигателя (Vmax).
Ведь в условиях отсутствия сопротивления движению, и при достаточном пути ускорения двигатель может разогнать тело только до собственной скорости холостого хода (см. график на рис. 7).
Рис.7
Математически зависимость изменения действующей силы от скорости взаимодействующих тел определяется выражением 1[4]:
(Vmax – Vx)2
Fх = Fmax ——————— ( 1 ),
Vmax2
где Fх и Vx – текущие значения силы и скорости,
а Fmax и Vmax – их максимальные значения.
Понимание зависимости падения силы действия, выполняющей работу по разгону массы, с ростом скорости (что эквивалентно снижению количества вносимой энергии) позволило сформулировать ряд принципов оптимальной машины. Они таковы.
- Принцип упорядочения потока генерируемой энергии (исключение фазы хаотического движения) природа в полной мере реализовала сама, создав мышцу в качестве двигателя. Мышечное сокращение происходит за счет преобразования химической энергии реакций расщепления на молекулярном уровне непосредственно в механическую, минуя тепловую фазу.
- Принцип сохранения потока циркулирующей (внутренней) энергии. Он предполагает сохранение энергии движущихся элементов системы. В биомашине это могут быть конечности человека. Ноги бегущего спортсмена выполняют колебательные движения, на разгон и остановку которых затрачивается бóльшая часть вырабатываемой мышечной энергии. Но эту работу могут выполнить без затрат энергии упругие элементы костно-мышечных сочленений за счет преобразования кинетической энергии движущихся конечностей в энергию упругой деформации упругих элементов опорно-двигательного аппарата при торможении и обратно – в кинетическую при разгоне. Это пример реализации принципа сохранения потока циркулирующей энергии. В технике эту роль обычно выполняет маховик.
- Принцип адекватности величины потока генерируемой энергии наиболее полно может проявляться также в баллистических и локомоторных движениях спортсменов. Он предполагает не стимулировать энергопоток, если это не приносит механического эффекта, что существенно экономит энергию, и наоборот, увеличивать плотность, интенсивность и площадь генерируемого потока в условиях, когда велик коэффициент его усвоения в процессе выполнения работы.
- Принцип обеспечения максимально возможной разности скоростей взаимодействующих систем: скорости потока вносимой энергии (Vmax) и текущей скорости системы поглощения энергии (Vx). Его реализация существенно повышает КПД любой машины, поскольку действующая сила (значит и коэффициент утилизации генерируемой энергии) тем больше, чем большая разность скоростей: Vmax – Vx.
По сути дела, эту же задачу призваны решать способы преобразования потока генерируемой энергии (кинематический и энергетический), для чего может использоваться механизм упругих колебаний. Он обеспечивает периодичность внесения энергии с момента нулевого значения Vx в каждом полуцикле колебаний и позволяет реализовать энергетическое и кинематическое преобразование потока генерируемой энергии с целью повышения Vmax .
Наибольшую разность скоростей можно обеспечить:
1.За счет повышения скорости потока вносимой (генерируемой) энергии V max путем:
– энергетического преобразования потока вносимой энергии:
а) за счет использования вторичного двигателя;
б) за счет использования эффекта упругой связи;
– кинематического преобразования потока вносимой энергии:
а) за счет переменного передаточного отношения;
б) за счет последовательно сочлененного привода.
2. За счет периодического снижения текущей скорости движения системы поглощения энергии Vx:
а) периодическим внесением энергии (напр. реактивное движение моллюсков, падающий полет птиц и пр.);
б) использованием рекуперативного эффекта упругих колебаний. Т. е., периодическим (дважды за цикл колебаний) снижением скорости системы поглощения энергии до нуля при ее сохранении за счет аккумулирования упругими элементами в процессе остановки и освобождении при разгоне в обратном направлении.
В целом биомашины опорно-двигательного аппарата и систем обеспечения выполняют свои функции тем эффективнее, чем в большей степени в них на всех уровнях организации реализуются вышеприведенные принципы оптимальной машины. Они позволяют решать задачи каждой функциональной системы организма эффективно, экономично и целесообразно.
Выявление условий эффективного выполнения технических приемов игры в волейбол осуществляется через познание возможностей реализации принципов оптимальной машины в биомашине двигательного аппарата волейболистов для повышения эффективности решения игровых задач.
С этих позиций суть обучения и спортивной тренировки волейболистов в общем виде должна заключаться в формировании целесообразной структуры (устройства) биомашины его организма, которая обеспечивала бы все более полную реализацию принципов оптимальной машины в процессе выполнения игровых приемов, как условий эффективного решения двигательных задач, определяющих совершенство ее функций, характеристик, свойств.
[1] Эта и шестая главы концептуально опираются на исследования Н. С. Северцова, результаты которых опубликованы лишь частично – большинство находится в его архиве; в обсуждении ряда основополагающих материалов он принимал непосредственное участие.
[2] Под «динамическими системами» понимаются механические системы, в которых действуют силы, зависящие от движения (скорости) взаимодействующих тел (т.н. неконсервативные силы), а не от координат, где действуют консервативные силы (напр. силы полей).
[4] Получение формулы в кратком варианте см. в приложении 1.
