Атакующие удары

игровая деятельность — техника игры

Прямой  нападающий  удар 

Важнейшее место в арсенале игроков занимают атакующие удары. Эффективность их применения во многом определяет успешность игры команды в современном волейболе. Для определения основных условий эффективного решения двигательных задач при выполнении атакующих действий в волейболе рассмотрим сначала прямой нападающий удар по ходу разбега. Примем за критерий оптимальности скорость полета мяча после соударения. Именно высокая послеударная скорость полета мяча во многом определяет успешность атак. В этом случае определение условий эффективности должно свестись к поиску рациональных путей решения трех основных задач нападающего при выполнении ударов.

1.Сообщить бьющим звеньям тела возможно бóльшее количество кинетической энергии.

2.Обеспечить передачу возможно бóльшего количества кинетической  энергии  ударника  мячу.

3.За время соударения подвести взаимодействующим телам возможно бóльшее количество кинетической энергии. 

Первая задача – сообщить бьющим звеньям тела возможно бóльшее количество кинетической энергии.

В соответствии с развиваемой концепцией опорно-двигательный аппарат человека трактуется как высоконелинейная[1] автоколебательная система, способная к резонансному накоплению энергии. Живые существа используют движения колебательного характера. Это относится не только к циклическим локомоциям, где колебания очевидны, но и к ациклическим, совершающимся по усложненному или прерванному циклу (замах – удар, напрыгивание – отталкивание и проч.).

С этой точки зрения звенья тела представляют собой систему физических маятников. Кинетическая энергия бьющего звена (ударника), представляющего собой в простейшем случае однозвенный физический маятник, количественно равна полупроизведению момента инерции на квадрат угловой скорости:

                  J ∙ w²

  E вр.  =  ───                                                          ( 2 )

                   2

Здесь величина кинетической энергии ударника (Е вр.) пропорциональна его моменту инерции ( J ) и квадрату угловой скорости (w²). Таким образом, задача повышения энергии ударника сводится к его разгону до возможно большей скорости и к увеличению его момента инерции.  Момент инерции вращающегося тела определяется следующим выражением:

               J = ∑ m_i ∙ r_i ²                                                ( 3 )                            

Увеличить момент инерции маятника можно двумя путями:

1) увеличением массы ударника;

2) увеличением радиуса ее вращения.

Другими словами, ударник должен быть как можно более массивным и длинным.

Отметим, что удаление массы ударника от оси ее вращения выгоднее, чем увеличение массы при неизменном радиусе, т.е. второй путь выгоднее первого в силу квадратичной зависимости величины момента инерции от длины радиуса. Увеличение радиуса ударника, например в 2 раза при неизменной угловой скорости движения, приведет к повышению его момента инерции в 4 раза., т.к. он в формуле (3) содержится в квадрате.

Отмеченные особенности в качестве условий эффективности волейболист может использовать при организации двигательной структуры нападающего удара, для чего необходимо:

1) удар по мячу наносить рукой, выпрямленной в процессе ударного разгона после замаха, при поднятом плече;

 2) смещать ось вращения ударного маятника волейболиста как можно ниже (это увеличивает радиус вращения и массу ударника), что реализуется, если в ударном движении участвует туловище за счет наклона, (это происходит, когда нападающий «складывается» подобно складному ножу) и вращательного движения вокруг его продольной оси.

Однако это не должно приводить к снижению угловой скорости движения ударника, что в целом скорее приведет к уменьшению его энергии. Так получается, когда игрок, стремясь «вложиться» в удар туловищем, почти исключает движение руки в плечевом суставе.

Далее рассмотрим возможности повышения угловой скорости (w) ударника. Это выгоднее, чем увеличение момента инерции (J) ударника, т.к. угловая скорость в выражение энергии ( 2 ) входит в квадрате. Это означает, что, к примеру, двукратное увеличение момента инерции при постоянной скорости маятника приведет к возрастанию энергии ударника в два раза. А при разгоне маятника до скорости, в два раза превышающей некоторую начальную, его энергия возрастет в четыре раза.

Чтобы придать маятнику скорость, необходимо совершить работу по его разгону (А). Количество совершаемой работы при разгоне однозвенного ударника-маятника определится выражением (в упрощенном виде):

А = j∙МZ,                                 (4)

где    j – величина углового перемещения ударника, или угол поворота при разгоне (другими словами путь разгона ударника), а  МZ – момент силы как мера вращающего действия силы на тело (маятник), определяемый произведением модуля силы (F) на ее плечо (d). При этом количество работы (А) эквивалентно величине энергии (Евр.), сообщаемой ударнику в процессе разгона.

Из приведенного выражения (4) следует, что увеличение количества работы по разгону маятника-ударника (значит, и увеличение его энергии) можно осуществить двумя способами (при постоянном плече приложения силы):

а) увеличением пути разгона ударника – угла поворота (j);

б) увеличением действующей на ударник силы.

Возрастанию пути углового перемещения (разгона) (j) ударника  способствуют:

а)  широкий (с большой амплитудой) замах;

Рис. 7

б) точный в пространстве и во времени выход под мяч для выполнения атакующего удара (исключение ошибок: «пробегание» мяча и несвоевременный выход нападающего);

в) высокий прыжок, позволяющий обработать мяч чуть ниже максимально возможной высоты, но впереди нападающего. За счет переноса точки удара ближе к сетке у атакующего игрока появляется возможность переправлять мяч через верхний  трос сетки на большей высоте при одинаковом угле атаки (см. рис. 7).

Но бесконечно увеличивать путь разгона ударника нельзя из-за необходимости (в том числе по тактическим соображениям) обработки мяча в самой высокой точке, до которой может дотянуться нападающий в прыжке. В реальных условиях удара путь разгона всех частей тела атакующего игрока, составляющих ударник, невелик и для достижения его высокой скорости необходимо увеличить действующую силу. Отсюда очевидное требование к двигателю (мышцам) – его высокая  силовая  характеристика.

В общем виде силовая характеристика двигателя определяется величиной площади и плотностью потока вносимой энергии, а также возможностью целесообразного его изменения с целью увеличения плеча приложения силы. При выполнении нападающего удара эта задача может решаться, как минимум, в трех направлениях.

1) Использованием в движениях наиболее сильных перистых мышц, имеющих большой физиологический поперечник вследствие параллельного соединения большого количества двигательных единиц. При таком способе соединения динамический эффект на выходе мышцы равен сумме эффектов каждого микродвигателя (мышечного волокна).

2) Применением эффективных систем управления мышцами, обеспечивающих более «дружное» включение наибольшего количества двигательных единиц в работу. Речь, в частности, идет о рефлексе «автогенного торможения» (см. раздел 5.4.2) и шейно-тоническом рефлексе. Суть последнего сводится к тому, что резкий наклон головы вперед повышает тонус работающих мышц живота, обеспечивая, тем самым, более мощный начальный рывок.

3) Повышением уровня собственно силовых характеристик мышц игрока посредством тренировки, используя способность организма к самоорганизации при выполнении упражнений «на силу». Это не есть проявление мистического психо-физиологического качества «силы». Здесь налицо результат целесообразной перестройки структуры биомашины, каковой является мышца, имеющей целью увеличение плотности и площади потока освобождаемой энергии. Это происходит за счет синхронизации работы двигательных единиц, формирования новых мышечных волокон, упорядочения митохондрий, обеспечения более мощного и своевременного сигнала к мышцам и т. п.

Ранее мы уже отмечали, что в динамических процессах сила действия является величиной переменной и снижается по мере роста скорости разгоняемого тела (1). Эта зависимость силы от скорости дает возможность определить основные условия эффективности при организации движений баллистического характера. Из формулы 1 следует, что  действующая сила, следовательно, и коэффициент утилизации вносимой энергии выше в начале разгона, когда еще велика разность скоростей:  Vmax – Vx.  Чем эта разность скоростей меньше, тем меньше сила, разгоняющая тело. Чтобы реализовать принцип адекватности генерируемой энергии, нужно сместить действие максимальной силы к началу разгона и выключить двигатель после достижения значений Vx уровня Vmax, чтобы не тратить энергию зря.

В системе «мышца – разгоняемая конечность» проявляется та же закономерность: действующая сила находится в непрямой зависимости от разности скоростей взаимодействующих объектов.

Вышеизложенное позволяет сформулировать «Золотое правило баллистических движений»:

Другими словами, нужно обеспечить возможно более мощный начальный рывок. По сути дела это способ реализации двух последних принципов оптимальной машины.

При анализе поведения рассматриваемых моделей становится очевидным, что улучшение собственно силовой характеристики двигателя (Fmax) без увеличения его максимальной скорости не сделает двигатель способным разогнать тело до большей скорости; сократится только время и путь его разгона.

В ударном движении волейболиста по мячу это обстоятельство, однако, может иметь положительное значение для повышения эффективности атакующих ударов непосредственно в игре, поскольку короткий путь разгона ударника вносит элемент неожиданности для соперника. Ему остается меньше времени на разгадывание направления атаки и организации противодействия. С другой стороны, у нападающего появится возможность наносить удар выпрямленной рукой (при быстром разгоне рука выпрямляется раньше – этому способствует неизбежно возникающая центробежная сила) в ситуации, когда мяч оказывается за головой из-за ошибки выхода под мяч с его «пробеганием».

Итак, повышение только силовой характеристики двигателя задачи разгона ударника до более высоких скоростей не решит. Это возможно только при увеличении скоростной характеристики двигателя (его максимальной скорости холостого хода (Vmax)). Ведь приложение максимальной возмущающей силы возможно только при условии сохранения максимально высокой разности скоростей. Чем выше разница скоростей, тем больше прикладываемая сила. Это четвертый принцип оптимальной машины – принцип обеспечения максимально возможной разности скоростей взаимодействующих систем.

Поскольку в процессе одиночного движения текущее значение скорости разгоняемого тела (Vx) закономерно увеличивается, (в этом, собственно, и заключается смысл разгона), то остается один лишь путь сохранения высокой разницы скоростей – увеличение скорости холостого хода двигателя (Vmax).

Отсюда второе требование к двигателю (мышцам) – его  высокая  скоростная  характеристика.

Повышение максимальной скорости двигателя для открытой системы, в общем виде, сводится к увеличению скорости потока носителей энергии[2] (увеличению скорости сокращения мышц) и к возможности его преобразования с целью повышения Vmax.

На уровне опорно-двигательного аппарата поток энергии генерируют мышцы, участвующие в движении. Самоочевидной кажется возможность повышения скоростной характеристики генерируемого мышцами потока энергии посредством мышечной тренировки в упражнениях «на скорость». По меньшей мере, практика спортивной тренировки начиналась именно с этого.

Существующие знания о процессе структурной перестройки в ходе тренировки такой биомашины, каковой является мышца, еще неполны и имеют феноменологический характер. Изменения, происходящие в мышцах, как реакция на «скоростную» нагрузку, пока для тренера во многом – «черный ящик» с малоизвестным устройством, а управление процессом тренировки в целом носит кибернетический характер. Не случайно традиционная методика тренировки быстроты имеет ограниченные возможности: довольно скоро наступает широко известное специалистам явление «скоростного барьера» в скоростных движениях, или «потолка скорости».

Более продуктивным и перспективным будет поиск возможностей преобразования потока генерируемой мышцами энергии с целью повышения его максимальной скорости через перестройку структуры движений, т. е. устройства биомашины.

Необходимо использовать оба основных способа преобразования величины входного воздействия: кинематическое и энергетическое  (по Н. С. Северцову). Что по сути своей является обеспечением четвертого принципа оптимальной машины за счет увеличения Vmax двигателя.

Кинематическое преобразование потока генерируемой энергии можно осуществить двумя путями:

1 – за счет использования эффекта переменного передаточного отношения;

2 – за счет эффекта последовательно сочлененного привода.

1. Эффект переменного передаточного отношения можно проиллюстрировать на простейшей модели. На рис. 8 тело массой М приводится в движение при помощи буксировочного троса по рельсе двигателем (Дв.), расположенным вне рельсы. По мере движения тела непропорционально возрастают отрезки пути его перемещения (ΔS1, ΔS2…) при одинаковом укорочении буксировочного троса (ΔL1, ΔL2…) за одинаковые отрезки времени. Это означает непропорциональный рост скорости перемещаемого тела.

2. Если у двигателя хватит силы протягивать трос с постоянной скоростью на протяжении всего пути, то в момент прохождения вертикали (что соответствует положению Б) скорость тела бесконечно возрастет (в идеальных условиях отсутствия сопротивления). Это так называемая «жесткая» схема связи (по Н. С. Северцову) или «жесткая» схема приложения сил. В технике ее называют системой с прогрессирующей жесткостью.

С этой точки зрения выгодное строение имеют мышцы с перистым расположением волокон (рис. 9). Имея большой физиологический поперечник вследствие параллельного соединения большого числа элементарных двигателей – сократительных мышечных волокон, перистая мышца обладает большой силой сокращения. Такая мышца способна проявлять силу в режиме высоких скоростей, что обеспечивается «жесткой» схемой динамического воздействия мышечных волокон.

Положения отдельного работающего волокна в начале и в конце сокращения мышцы обозначены буквами А и Б на рис.8. Эти замечательные свойства косоугольных перистых мышц определяют целесообразность их использования в движениях скоростно-силового характера.

Однако, механический эффект скоростных движений в значительно большей мере определяется геометрическими соотношениями углов приложения сил в суставах, меняющимися в процессе движения. Характер этих изменений зависит от мест прикрепления мышц относительно суставов, определяющих схемы действия сил (см. рис. 10 (по Н. С. Северцову).

Рис. 10

В процессе движения, в зависимости от расположения мышц в системе суставного сочленения, степень непропорциональности изменения плеча приложения силы при одинаковом угле отклонения маятника оказывается различной.

Так, для маятника с креплением мышц по «жесткой» схеме связи (с прогрессирующей жесткостью) увеличение амплитуды на одинаковую величину в процессе движения маятника вызовет непропорциональный относительно удлинения рост плеча приложения силы. Это обеспечивает быстрый разгон ударника из крайнего положения и возможность поддерживать высокую разность скоростей взаимодействующих элементов. Соответственно увеличится количество передаваемой энергии от мышц к маятнику.

В самом деле, если учесть ограниченную способность мышцы развивать «быструю силу» (она, как всякий двигатель, имеет свои предельные Vmax и Fmax), то решающим для эффективного разгона тела является целесообразное изменение плеча приложения силы. Так, в крайней точке движения М плечо приложения силы Lm наибольшее, текущая скорость маятника равна нулю (Vx = 0). Вследствие возросшей разности скоростей (Vmax – Vx) появляются условия для приложения большей силы к разгоняемому маятнику.

С другой стороны, по мере разгона одинаковое укорочение мышцы обеспечивает все возрастающее угловое перемещение маятника, что вызывает непропорциональное увеличение его угловой скорости движения. Это означает повышение максимальной скорости действия двигателя, что, как следствие, увеличивает разность скоростей взаимодействующих систем, повышая, тем самым, степень «усвоения» вырабатываемого потока энергии.

В «мягкой» схеме (с регрессирующей жесткостью) зависимость обратная. В крайней точке амплитуды углового перемещения маятника плечо приложения силы, наоборот, наименьшее. Оно увеличивается по мере движения маятника к положению равновесия О. Такая обратная и непропорциональная зависимость, выражающаяся в том, что при одинаковом укорочении мышцы маятник из крайнего положения М преодолевает все меньшее угловое перемещение, характеризует «мягкую» схему приложения сил как невыгодную при разгоне маятника. В крайней точке амплитуды у мышцы не хватает силы придать большое ускорение маятнику вследствие уменьшения плеча приложения силы. По мере смещения в обратном направлении – к исходному положению маятника – плечо приложения силы увеличивается, но падает разность скоростей вследствие повышения Vx, а потому, и действующая сила. С точки зрения внесения энергии такая схема связи чрезвычайно невыгодна. Это, по сути дела, вытекает из «золотого правила механики»: там, где плечо силы оказывается наибольшим, перемещение, значит, и величина скорости, наименьшие, и наоборот.

Однако «мягкая» схема приложения сил очень выгодна для точностных движений. Уменьшение пути конечности при одинаковом укорочении мышцы создает условия для более тонкой дифференцировки движений. Величина и вероятность ошибки снижается.

Таким образом, «мягкая» модель является системой, в которой при движении маятника из крайней точки амплитуды углового смещения к положению равновесия, отношение передачи движения изменяется в сторону уменьшения, а в «жесткой» модели – в сторону увеличения.

Образно говоря, в «коробке передач» модели с «мягкой» схемой связи скорости переключаются от высокой к низкой, а в «жесткой», наоборот, – от низкой к высокой.

Естественно, при сообщении объекту возможно большей скорости выгоднее второй способ, то есть «жесткая» схема приложения сил. В начале разгона маятника по «жесткой» схеме связи, когда его скорость мала (это определяет большую разность скоростей: Vmax–Vx), для получения максимального эффекта выгоднее мышечную силу прикладывать через большое плечо.

По мере разгона плечо приложения силы уменьшается. Но при этом увеличивается максимальная скорость (Vmax) за счет эффекта переменного передаточного отношения. Это дает возможность поддерживать разность скоростей взаимодействующих систем и не снижать коэффициент утилизации вносимой энергии.

Обратная картина наблюдается в модели с «мягкой» схемой связи. В начале разгона из крайней точки амплитуды, вследствие малого плеча приложения силы невозможно сообщить значительного ускорения маятнику; когда же он достигнет определенной скорости, силу нельзя будет приложить через увеличившееся плечо вследствие того, что Vmax, определяемая этим плечом, станет меньше скорости маятника Vx из-за уменьшения передаточного отношения. Зато мышцы «мягкой» схемы связи способны легко выводить маятник из состояния равновесия, прикладывая при необходимости значительно больший момент силы, чем мышцы «жест-кой» схемы, которые либо вовсе не могут оказывать воздействия на маятник (ведь плечо приложения силы равно нулю), либо с большим трудом выполняют эту задачу. «Мягкая» схема приложения сил мышц выгодна при точностных движениях, ведь перемещения звеньев тела обеспечиваются за счет большего пути сокращения мышц, нежели это возможно в других схемах связи.

Чтобы иметь полное представление о возможных схемах связи, упомянем еще «адекватную» (с постоянной жесткостью). В ней сухожилия мышц перекинуты через своеобразный блок и поэтому имеют постоянное плечо приложения сил.

В опорно-двигательном аппарате человека имеются все необходимые элементы для построения рабочих механизмов кинематического преобразования потока энергии, вырабатываемого мышцами, за счет эффекта переменного передаточного отношения. Многие мышцы, особенно глубоких слоев, имеют перистое строение. Уже само по себе их близкое крепление к осям вращения суставов выгодно для выполнения скоростной работы.

Итак, для использования эффекта переменного передаточного отношения необходимо плоскость и направление движения звеньев тела выбирать так, чтобы схемы приложения сил относительно суставов имели характеристику с прогрессирующей жесткостью, то есть попадали в «жесткую» схему связи. При этом реализуется четвертый принцип оптимальной машины.

У игроков при выполнении атакующих действий это можно осуществить сразу в нескольких суставах. Рассмотрим сначала возможности организации движений в плечевом суставе.

Если отводить бьющую руку в замах так, чтобы предплечье было обращено вверх, а плечо – в сторону и вверх от горизонтали, то при движении вокруг продольной оси плечевой кости мышцы и суставная сумка плечевого сустава попадают в режим «жесткой» связи. Схематично действие сил сократительных волокон мышц плеча и суставной сумки представлено на рис. 11 (положение А и Б). Здесь можно видеть почти полную аналогию с разгоном тела по рельсе двигателем, расположенным вне рельсы. Этот случай был рассмотрен на рис. 8 для демонстрации  «жесткой» схемы связи.

Напротив, если замах выполнять строго в саггитальной плоскости, поднимая руку вверх и сгибая локтем вперед, звенья конечности попадают в неэффективную «мягкую» схему связи, – так час-то удар выполняют волейболистки.

Рис. 12

Обратимся к мышцам туловища. На рис. 12 приведены способы крепления некоторых мышц позвоночного столба. Межостистые мышцы крепятся своими сухожилиями к задним остистым отросткам двух смежных позвоночных дисков. Мышцы-ротаторы соединяют боковые отростки верхнего диска с задним остистым отростком нижнего соседнего диска. При скручивании позвоночного столба в процессе поворота туловища упомянутые мышцы работают по «жесткой»  схеме связи.  В такой же режим работы попадают прямые и косые мышцы живота, широчайшая мышца спины, а также все пучки мышц, расположенных вдоль позвоночника.

Таким образом, движения туловища тоже можно выполнять в двух рассмотренных схемах связи. Если замах и удар выполняется с возвратным поворотом туловища, схема связи – «жесткая», выгодная для повышения скорости удара. Если движения туловищем выполняются за счет наклонов назад и вперед, то работает «мягкая» схема приложения сил – с регрессирующей жесткостью.

Существует и другой путь кинематического преобразования величины входного воздействия с целью повышения максимальной скорости сокращения мышц – за счет последовательно сочлененного привода.

2.Эффект последовательно сочлененного привода. Его использование является одним из способов реализации четвертого принципа оптимальной машины – принципа обеспечения высокой разности скоростей взаимодействующих систем в процессе передачи энергии.

Конечности человека представляют собой систему многозвенных маятников, параллельно и последовательно сочлененных между собой. В случае одновременного и однонаправленного движения в нескольких последовательных сочленениях происходит галлилеево сложение скоростей. Скорость многозвенника на выходе будет равна сумме скоростей звеньев в каждом сочленении в каждый момент времени.

В реальных скоростных движениях в любом суставе изменение скорости носит характер кривой, имеющей восходящую, пик и нисходящую до нулевого значения части, что обусловлено особенностями анатомического строения опорно-двигательного аппарата человека – колебания звеньев имеют ограниченную амплитуду движения. Эту особенность необходимо учитывать при организации движений: «пики» скоростей звеньев каждого сустава должны совпадать во времени для получения наивысшего баллистического эффекта.

В среде специалистов по волейболу распространено заблуждение, состоящее в том, что разгон бьющих звеньев тела должен проводиться последовательно: от проксимальных к дистальным (как многоступенчатая ракета). Рекомендуется в соответствии с этим и мышцы сокращать последовательно при организации баллистических движений. Однако сложения скоростей при таком способе движений не будет по вышеизложенным причинам.

Другое заблуждение касается рекомендаций специалистов выполнять удары «как кнутом». Если имеется в виду «хлесткость» удара, подобная движению кнута, то проводимая аналогия выглядит вполне оправданной. Если же аналогия используется на основе предполагаемой общности действующих механизмов действия, то она неправомерна. Эффект пастушьего кнута, выражающегося в громком хлопке при прогрессивно возрастающей скорости конечных участков кнута, обусловлен передачей упругой волны от рукоятки к тонкому концу кнута. Она создается возвратным движением рукоятки кнута.

При одинаковой длине распространяющейся волны возрастает скорость поперечного перемещения уменьшающейся массы участков кнута, что обусловлено законом сохранения энергии.

Заметим, что передача волны возможна только в упругой среде. Ненапряженная рука нападающего упругостью не обладает; напряженная имеет несовершенную упругость – энергия рассеивается при распространении волны. Поэтому сколько-нибудь заметный эффект кнута вряд ли может быть получен в реальной биомеханической цепи конечности атакующего игрока.

Скорее всего, происходит обман зрения. Быстрое ударное движение руки мастера, определяемое сложением скоростей преимущественно в плечевом и лучезапястном суставах, внешне очень похоже на хлесткое движение кнута, и принимается как искомое.

Замедление скорости (вплоть до отрицательного ее значения) проксимальных звеньев ударника (как некая аналогия с приданием волны кнуту за счет возвратного движения) может привести к увеличению скорости дистальных звеньев. Это происходит, однако, за счет действия механизма возникновения реактивных сил.

И хотя итоговая скорость движения кисти в ударном движении будет меньше, чем в случае отсутствия торможения проксимальных звеньев ударника, такой вид удара бывает полезным в ряде ситуаций, например, когда передача для атаки выполнена близко к сетке. Такой «кистевой» удар расширяет тактический арсенал нападающего. Это во многих ситуациях приобретает решающее значение для выигрыша очка.

Необходимо, однако, понимать, что при ударах с остановкой руки нападающий может придать мячу меньшую скорость, в силу того, что уменьшается масса ударника и не получается сложения скоростей звеньев кинематической цепи – ведь проксимальные звенья ударника останавливаются.

Исходя из вышеизложенного, заключаем: для достижения наивысшей скорости в процессе разгона ударника надо стремиться увеличивать количество звеньев ударника и разгон каждого звена по времени ориентировать так, чтобы в момент удара скорость во всех сочленениях была максимальной.

Наконец, повышению скорости ударника содействует также прыжок с «пролетом» вперед – скорость перемещения игрока суммируется со скоростью ударника, что повышает его энергию.

Энергетическое преобразование величины потока вносимой энергии с целью повышения максимальной скорости (Vmax) потока энергии, вырабатываемого источником.

Разгон маятника в колебательной системе (у нас – ударника) – довольно трудоемкое дело. Угловая скорость, набранная маятником за время разгона, связана с работой квадратичной зависимостью:

                 1                                                        

          w =  —√2A,        ( 5 ),    где  J –  момент инерции, А – работа,

                 J                                    w  – угловая скорость.                        

Для того чтобы в два раза повысить скорость, необходимо увеличить работу по его разгону в четыре раза.

Дело усугубляется тем, что в колебательной системе работа в каждой фазе движения маятника меняет знак на обратный, уничтожая работу предыдущей фазы; суммарный же эффект при полном цикле колебаний равен нулю. Исключить столь непроизводительные затраты энергии при разгоне маятника в колебательной системе можно при использовании ее упругих элементов. К ним относятся суставные сумки, связки, но в главную очередь – упругие элементы мышц. По сути дела это требование реализации принципа сохранения циркулирующей энергии в полуциклах колебаний: разгон – торможение маятника.

В опорно-двигательном аппарате человека роль аккумулятора (в фазе торможения ударника в замахе за счет упругих элементов) и генератора энергии при ударном разгоне могут играть, при определенных условиях, скелетные мышцы.

При работе по разгону тела с точки зрения законов внесения энергии упругие элементы мышц можно трактовать как вторичный двигатель с более высокой предельной скоростью (Vmax). В технике эта задача может решаться путем преобразования механической энергии (например, водяного колеса) при помощи генератора в электрическую, используя которую, работает электродвигатель. Максимальная скорость электродвигателя в условиях отсутствия сопротивления может быть бесконечно велика.

В скелетной мышце человека упругие элементы сочленяются параллельно и последовательно сократительным волокнам. Несколько упрощенная схема физической модели мышцы представлена на рис. 13 (по Н. С. Северцову).

Последовательно сочлененный упругий элемент с сократительным элементом мышцы – это коллагеновые волокна сухожилий мышцы. Параллельно сочлененный упругий элемент мышцы состоит из элементов, расположенных внутри волокна (пузырьки саркоплазматического ретикулума), тонких волокон соединительной сарколеммы и толстой соединительной ткани, окружающей мышечные пулы – своеобразной мышечной оплетки.

Рис. 13

Чтобы понять эффект аккумулирования кинетической энергии движущейся в замах конечности упругими элементами мышц с последующим ее освобождением в процессе релаксации «пружины» при ударном разгоне, рассмотрим ряд простейших примеров.

В первом примере представим, что в физической модели мышцы, схема которой представлена на рисунке 13, отсутствует параллельно сопряженный упругий элемент. В задачу модели входит разгон тела с массой М до возможно большей скорости. Сократительный элемент модели имеет конечную максимальную скорость сокращения (Vмах).

При активизации сократительного элемента модели усилие передается через растягивающуюся пружину к телу, придавая ему ускорение. Растягивание пружины будет происходить до тех пор, пока текущее значение скорости тела не достигнет максимальной скорости сократительного элемента модели. Далее пружина будет освобождаться от деформации, совершая работу по дополнительному разгону тела, определяемую величиной энергии, затраченной на растягивание пружины.

При идеальных условиях (отсутствие сил сопротивления, мгновенный набор максимальной мощности сократительным элементом, оптимальный коэффициент упругости идеальной пружины и др.) тело может быть разогнано до скорости, двукратно превышающей максимальную скорость сократительного элемента (Vмах). Характер изменения текущих значений скорости ускоряемого тела и действующей на него силы приведен на совмещенном графике рисунка 14.  

Во втором примере условия те же, но разгоняемая масса имеет некоторую предварительную скорость движения в обратном направлении (случай замаха). В процессе разгона упругий элемент модели аккумулирует дополнительную кинетическую энергию тела, имеющего отрицательную скорость движения в процессе его остановки, и освобождает ее при разгоне в обратном направлении, «помогая» сократительным волокнам мышцы. В идеальных условиях скорость разогнанного тела будет превышать уровень 2Vмах на величину его предварительной отрицательной скорости (см. рис. 15). Однако в таком виде происходит течение процесса только при условии, что у сократительного элемента будет достаточно сил сокращаться без фазы работы в «уступающем» режиме.

Если условия второго примера выполняет полная модель, представленная на рисунке 13, то оптимальным поведение системы может быть следующим. Остановка тела, имеющего отрицательную скорость, должна осуществляться обоими упругими элементами, сочлененными друг с другом последовательно. Кинетическая энергия движущегося тела аккумулируется упругими элементами в процессе его остановки без участия сократительного элемента.

Если в торможении и остановке тела примет участие сократительный элемент, он рассеет часть энергии движущегося тела за счет отрицательной (уступающей) работы. Его участие принесет максимальный эффект при том условии, когда активное сокращение начинается в момент остановки тела, когда упругими элементами мышцы аккумулирована вся его кинетическая энергия.

Начало разгона тела в обратном направлении после его остановки в крайней точке амплитуды осуществляется сократительным элементом мышцы вместе с параллельно сочлененным упругим                                                        элементом. Последовательно сочлененный элемент, как мы уже отмечали, сначала дополнительно растягивается, а потом сокращается, разгоняя тело. Здесь важно отметить одно условие эффективности. В реальных условиях выполнения нападающего удара звенья ударника в замах должны перемещаться силой их инерции движения, созданной коротким по времени импульсом активности мышц-антагонистов. Они должны своевременно расслабиться, чтобы не создать ненужного сопротивления мышцам-синергистам, осуществляющим разгон конечности в обратном направлении, и не «блокировать» работу упругих элементов костно-мышечного сопряжения.

Однако остановить конечность в замахе с минимальными потерями энергии мышцы могут только с участием параллельно сочлененного упругого элемента. Чтобы параллельно сочлененные упругие элементы мышцы могли включаться в работу по остановке конечностей в замахе, мышечные волокна необходимо в расслабленном состоянии растянуть более чем на 35% от длины их покоя. При этом резко падает вязкое трение мышцы, и ее упругая характеристика становится близкой к идеальной.

Но далеко не каждая мышца человека может использоваться в процессе движений как пружина. В веретенообразной мышце относительное удлинение ее волокон и всей мышцы в целом совпадают. И реальные амплитуды движений в суставах не позволяют растянуть волокна веретенообразных мышц до величин более 35% от длины покоя.

Совсем другое дело – перистые мышцы. При максимально возможных амплитудах спортивных движений волокна только перистых мышц могут растягиваться до необходимой длины, когда могут «работать» оба упругих элемента. Эта особенность перистых мышц обусловлена геометрическими особенностями ее строения (рис. 16).

Поскольку сократительные волокна в таких мышцах соединены параллельно, то величины растягивания всей мышцы в целом и отдельных ее волокон существенно не отличаются. Относительная же деформация различна – при небольшом растягивании перистой мышцы ее волокна растягиваются на большую величину и достигают диапазона деформации в 35 – 65% от длины покоя, превращаясь в эластомер с жесткой упругой характеристикой [60].

«Бросок» руки нападающего в замах (обязательно по «жест-кой» схеме связи!) и рывковый характер ее ударного разгона внешне должен осуществляться без видимой задержки и выглядеть как «отстрел» из крайней точки амплитуды замаха.

Во избежание непроизводительных потерь энергии необходимо соблюдать правило: скорость ударника в замахе гасится упругими элементами сустава, а ударный разгон выполняется этими же упругими элементами совместно с работой сокращающихся волокон мышц.

Накопление энергии замаха упругими элементами костно-мышечного сопряжения в процессе возвратного движения ударника с последующим ее использованием для разгона совместно с энергией, вырабатываемой мышцами, можно трактовать как резонанс. Резонансное поведение системы становится совершенно очевидным, если колебательные движения продолжаются, становясь полноциклическими (как, например, при беге).

Однако, резонанс в колебательной системе возможен только при условии синхронизации мышечных усилий с фазой разгона в каждом цикле колебаний.

В опорно-двигательном аппарате человека есть механизм автоматической синхронизации импульсов мышечной активности с фазами разгона, который можно наладить в процессе специальной тренировки. Соответствующий рефлекс (рефлекс «автогенного торможения») реализует этот механизм на уровне спинного мозга, что обеспечивает его быстродейственность. Подробнее о механизме резонансного накопления энергии в колебательных системах с различными схемами связи будет идти речь в разделе «Стойки, перемещения, бег».

Вторая задача нападающего – обеспечить передачу возможно бóльшего количества кинетической энергии ударника мячу (уменьшить меру диссипации энергии за время удара)

При передаче энергии в процессе соударения имеет значение соотношение масс тел, участвующих в ударе. Примерная схема на качественном уровне зависимости скорости ударяемого тела, имеющего постоянную массу, от массы ударяющего (М уд.), движущегося с постоянной скоростью перед ударом, приведена на  рис. 17.

При идеальных условиях скорость ударяемого тела будет возрастать при увеличении массы ударника до определенных величин (точка Х). Дальнейшее увеличение массы ударяющего тела не будет иметь практически никакого значения – определяющим для разгона меньшего тела становится величина скорости ударника.

Ранее уже был приведен пример разгона трехколесного велосипеда многотонным танком. Нет особой разницы в том, разгоняется велосипед танком или, к примеру, заботливой мамой. Для итоговой скорости имеет значение то, с какой скоростью может двигаться танк, или рука мамы малыша, сидящего на велосипеде. Еще раз подтверждается вывод о том, что для возрастания энергии увеличение скорости ударника важнее, чем повышение его массы.

Итак, с большой долей вероятности можно предположить, что если в ударном движении активно участвует хотя бы туловище, масса ударника будет значительно больше массы мяча. И увеличение массовой характеристики ударника не окажет сколько-нибудь  заметного влияния на удар в смысле передачи возможного большего количества энергии мячу.

Исходя из математического определения кинетической энергии мяча и принимая во внимание то, что его масса постоянна, можно заключить следующее. Задача увеличения кинетической энергии мяча при ударе сводится к повышению его скорости послеударного полета. Что, собственно, и является основной задачей игрока, выполняющего атакующий удар.

Это можно обеспечить за счет увеличения скорости вращательного движения ударника (чему мы уделили так много внимания выше, решая первую задачу) и реализации условий эффективной передачи энергии мячу в процессе соударения. Их и попробуем определить.

При ударе часть энергии ударника неизбежно теряется. Величина потерь энергии при соударении в нашем случае определяется как разность сумм энергий мяча и ударника до и после удара.

      Е потерь = (Е уд. до + Е м. до) – (Е уд. после + Е м. после)   (6)

Энергия потерь имеет несколько составляющих:

         Е потерь = Е дм. + Е тр. + Е ду. + Е пр.,   где                     (7)

Е дм.  – энергия потерь при деформации мяча,

Е тр.  – энергия потерь на трение при соударении,

Е ду. – энергия потерь при деформации ударника,

Е пр. – энергия прочих потерь.

Уровень потерь энергии при деформации мяча зависит от его свойств, изменить которые игрок не может. Энергия прочих потерь и потерь на трение при соударении незначительна и также не поддается коррекции.

Таким образом, уменьшить потери энергии при ударе по мячу нападающий может только за счет снижения величины ее рассеяния при деформации ударника.

Потери энергии при деформации физических тел определяются их способностью к восстановлению, т.е. жесткостью. Чем выше жесткостная характеристика тел, тем меньше потери энергии при соударении, тем полнее она передается от ударника мячу.

Другими словами, более жесткая система (ударник) полнее передает кинетическую энергию другому телу при соударении.

Итак, нападающий должен стремиться выполнить удар по мячу как можно более жестким ударником.

В реальных условиях реализации атак удар по мячу наносится многозвенным ударником. Это влечет за собой проблему обеспечения жесткости многозвенника.

В среде специалистов и ученых широко распространено убеждение в том, что единственный путь увеличения жесткости – напряжение мышц-антагонистов ударника перед самым ударом. Полагаем, что это заблуждение: ведь напряжение противодействую- щих разгону мышц-антагонистов приводит к снижению ускоряющей звенья ударника силы, поскольку она является результирующей действующих разнонаправлено обеих групп мышц.

Чтобы облегчить понимание этого процесса, рассмотрим упрощающие механические модели системы ударника, начав с простейшей – однозвенной. На рисунке 18 приведена схема действия сил при ударе по мячу однозвенным ударником.

Если результирующая сил мышц-агонистов (М аг.) и мышц-антагонистов (М ант.) будет в момент удара равна нулю, то ускорение мячу обеспечит только сила инерции движущегося ударника. Отсюда следует, что как бы сильно не напрягал обе группы мышц нападающий, в случае их равенства это не окажет никакого влияния на процесс удара. В случае удара с «работающей» мышцей-агонистом, когда развиваемая ею сила больше тормозящей, мяч получит ускорение, пропорциональное величине результирующей силы.

Если же большей окажется сила мышц-антагонистов, это приведет либо к уменьшению скорости массы движущегося ударника и, соответственно, к снижению силы удара (мяч в результате получит меньшее ускорение), либо к перемещению ударника в обратном направлении, если его масса незначительна (или ударник находится в состоянии покоя).

Таким образом, имеют значение не абсолютные значения развиваемых мышцами сил, а только их разность, т. е. результирующая. Она может оказывать либо тормозящее, либо ускоряющее воз-действие на движущийся ударник – все зависит от ее направления.

Наибольшее значение результирующая имеет при нулевом значении силы мышц-антагонистов в процессе разгона ударника. Отсюда становится ясно, что активность мышц-антагонистов снижает эффективность удара по мячу. Но может повысить его точность. Так что, если нападающие и напрягают мышцы-антагонисты перед ударом, то это делается не для повышения послеударной скорости полета мяча.

Стремление увеличивать предударную скорость бьющих звеньев тела за счет стимуляции активности мышц-агонистов приводит к повышению «динамической» вращательной жесткости ударника, что и обеспечит передачу большего количества его кинетической энергии мячу в процессе ударного взаимодействия.

Таким образом, наибольшего повышения жесткости многозвенника в ударном движении можно добиться за счет одновременного напряжения мышц-синергистов в каждом суставе. Это приводит к сложению скоростей в каждом сочленении многозвенника. В реальных условиях обычно разгон ударника осуществляется за счет нарушения равновесия сил противодействующих мышц в пользу синергистов (иногда при нулевом значении сил мышц-антагонистов).

При ударе многозвенником, с чем реально мы всегда имеем дело, важно учитывать, что активизация разгоняющих ударник мышц должна быть обеспечена одновременно в каждом суставе кинематической цепи ударника. Ведь жесткость всей системы на выходе при последовательном соединении звеньев, ее составляющих, будет не более уровня жесткости самого слабого элемента (сочленения). Отсутствие жесткости в одном из сочленений ударника будет аналогично случаю удара по мячу сломанной палкой.

Третья задача – подвести взаимодействующим телам  возможно  бóльшее  количество  энергии за время соударения

Спортивные удары являются незамкнутой системой – там происходит подвод и рассеивание энергии за время ударного взаимодействия. В процессе удара мяч деформируется и проходит в контакте с бьющим звеном до 30 см (Иванова, 1975). Сила, с которой ударник воздействует на мяч, равна произведению его массы на ускорение (сделаем допущение, что масса ударника – приведенная масса М) и на пути совместного перемещения Х совершает работу:

     Хк

 А  =  ∫  Fdx                       ( 8 )

      Хо

Рассмотрим подробнее качественную сторону ударного взаимодействия на простом примере. Предположим, что удар выполняется по неподвижному мячу однозвенным ударником, приводимым в действие двигателем. Физические свойства мяча можно смоделировать системой «пружина (Пр.) – приведенная масса абсолютно жесткого тела (М)» (см. рис. 19).

Набрав пусть максимальную скорость под действием силы тяги двигателя, ударник деформирует (сжимает) пружину (положение В на рис. 19). Масса тела при этом начинает набирать скорость и в некоторый момент времени достигнет максимальной скорости двигателя. Это соответствует состоянию пружины, когда ее деформация начинает уменьшаться – пружина распрямляется.

В процессе освобождения от деформации пружина выполняет работу по дополнительному разгону массы, затрачивая для этого аккумулированную при ее сжимании энергию. Двигатель при этом продолжает «продавливание» ударника с максимально возможной скоростью. В момент, когда пружина (мяч) примет свое первоначальное положение, оттолкнувшись от ударника, (полностью освободится от деформации), сила действия ударника на мяч станет равной нулю (положение С на рис.19). Послеударная скорость модели мяча при этом превысит скорость холостого хода двигателя (ударника). Эта «ударная добавка», полученная за счет свойств упругой деформации пружины, будет тем больше, чем выше максимальная скорость двигателя и чем совершеннее жесткостные характеристики взаимодействующих тел при заданной массе.

Имеет значение также предударная скорость мяча:  послеударная скорость полета увеличивается при ударе по мячу, движущемуся навстречу ударнику и, наоборот, снижается при ударе по «убегающему» мячу.

Таким образом, мы видим полную аналогию процесса разгона тела через упругую связь, в другой модели, представленной на  рисунке 13. С одной лишь разницей: там пружина работала на растягивание, здесь – на сжатие, что не меняет сути дела. Реализуется принцип повышения максимальной скорости холостого хода двигателя за счет упругой связи.

Удар с остановкой руки в момент удара в значительной мере исключит условия для дополнительного подвода энергии взаимодействующим телам, однако в тактическом отношении этот технический элемент может иметь большое преимущество в определенных игровых ситуациях. Движение бьющей кисти в лучезапястном суставе, напротив, нужно акцентировать (обычно условия это позволяют), что энергетически выгодно для удара.

Особенности  структуры  движений   при обеспечении  тактической  целесообразности  атакующих действий нападающих

Выявление условий эффективного решения двигательных задач нападающих проводилось по критерию скорости полета мяча после ударного взаимодействия. Выбор именно такого критерия оптимальности вполне оправдан, поскольку послеударная скорость полета мяча часто имеет решающее значение для выигрыша очка. Это относится не только к сугубо силовым, но и ко многим видам ударов: с остановкой руки и с переводами мяча, без использования которых не обходится в игре ни один более-менее квалифицированный волейболист. Поэтому при решении задач обеспечения целесообразности действий реализация условий эффективности движений имеет также огромное значение. Исключение составляют лишь обманные и точностные удары, при которых снижается послеударная скорость полета мяча для повышения точности и усложнения траектории его перемещения.

Атакующие удары с остановкой руки применяются обычно в двух случаях: при ударах по мячу, находящемуся близко к сетке и иногда в ситуациях «пробегания» мяча игроком (когда мяч оказывается далеко за головой нападающего). И неважно, прыгает нападающий игрок толчком одной или двух ног. Иной раз такой вид удара применяется исходя из чисто тактических соображений. Структура движений, все динамические механизмы такие же, как и при силовом ударе, за исключением одного – рука останавливается после удара. Ее остановке способствует также активное ударное движение кисти – рука отталкивается от мяча.

Атакующие удары с переводами – чрезвычайно важные игровые приемы технико-тактического арсенала волейболистов. Различают удары с переводом мяча (т. е. удары вправо и влево от линии разбега нападающего)  кистевые, всей рукой без поворота туловища и переводы с поворотом туловища. С их помощью нападающие могут не только обходить блок, но и уводить мяч от защитников, направляя его в незащищенную часть площадки.

Эффект ударов с переводами определяется не только верно принятым решением, артистичностью нападающего, но и реализацией максимально возможного количества условий эффективности решения двигательных задач, выявленных по критерию скорости полета мяча после удара. Удары же с переводами всей рукой без поворота туловища и, тем более, кистевые, исключают реализацию некоторой части условий эффективности движений нападающего, но и усложняют сопернику задачу предугадывания развития игровой ситуации. Однако для обеспечения высокой скорости полета мяча в этих условиях игроку необходимо реализовать в полной мере все оставшиеся условия эффективности, сформулированные выше. В этом заключается мастерство игрока.

В стандартных же ситуациях (без задачи тактического переигрывания соперника) без активных движений туловища и руки максимально возможную скорость мячу нападающий придать не сможет. Это снижает агрессивность нападения, упрощая задачи блокирующих и защитников соперника.

Точностные удары в игре применяются довольно часто.  Они отличаются от силовых тем, что основной задачей нападающего является точность направления мяча, главным образом, в незащищенную часть площадки. Точность обеспечивается за счет снижения силы удара. Разновидностями точностных ударов можно считать удары по блоку с целью получения требуемого отскока мяча, обманные удары и удары с сильным вращением.

Обманными ударами и скидками мяч направляется, как правило, по крутой траектории также в свободную часть площадки соперника. Скорость полета мяча при этом не может быть высокой. Успех здесь во многом определяется фактором неожиданности, чему способствует маскировка истинного направления и способа удара до последнего момента. Мяч может переправляться несильными ударами, часто с приданием ему вращения (чтобы мяч падал за блок), либо упругим касанием пальцами по принципу выполнения верхней передачи мяча одной рукой, как снизу-вверх за блок в свободную зону, так и сверху-вниз мимо блока и защитников.

Атакующие удары по блоку применяются для выигрыша очка за счет отскока мяча в аут или резкого изменения траектории его полета – такой мяч трудно принять защитникам. Используются удары, как в края блока (верхний, левый или правый), так и в блок с расчетом добиться нужного угла отскока мяча. Скоростные игроки могут применять и удары на опережение блока, направляя мяч между блокирующими игроками и сеткой, пока они не успели перенести руки на сторону нападающих. В этом случае они блоком отражают мяч на свою сторону площадки, проигрывая эпизод. Эффективны также удары в брешь неплотного блока – защитники не рассчитывают на такую ошибку блокирующих игроков. Опытные нападающие иногда «отыгрывают» мяч ударом в верхний край блока с целью получения контролируемого защитниками отскока для повтора атаки в более хороших условиях.

В общем случае, невыполнение каких-либо условий эффективного решения задач по критерию скорости полета мяча должна компенсироваться целесообразностью действий. С точки зрения главного игрового критерия (выигрыша очка) целесообразное изменение структуры движений может быть выгодным, даже если это реализуется в ущерб условиям эффективности по критерию скорости полета мяча после удара.

Другими словами, эффективность движений игрока осознанно можно принести в жертву обеспечению целесообразности его действий, если это приводит к выигрышу очка, игрового эпизода, партии, матча. Или оставлению мяча в игре в трудной, невыигрышной ситуации.

Резюме

Чтобы придать максимально возможную скорость мячу при выполнении атакующего удара, необходимо решить три задачи:

сообщить бьющим звеньям тела возможно большее количество кинетической энергии, обеспечить его передачу мячу с меньшими потерями, а также подвести взаимодействующим телам за время соударения максимальную энергетическую «добавку».

Первая задача решается в рамках использования законов внесения и преобразования потока вырабатываемой мышцами энергии, что означает следующее.

1 – Сохранение высокой разности скоростей (Vmax – Vx) в процессе внесения энергии.

2 – Использование способов кинематического преобразования величины входного воздействия, а именно:

а) эффекта переменного передаточного отношения, в  частности, «жесткой» схемы связи;

б) эффекта последовательно сочлененного привода.

3 – Использование способов энергетического преобразования величины входного воздействия: упругих элементов системы в качестве аккумулятора и вторичного двигателя с более высокой скоростью холостого хода.

 Для решения второй и третьей задач необходимо организовать «давящую жесткость» многозвенного ударника в каждом суставе одновременно.

Этому способствуют реализация следующих требований   в организации ударного движения.

• Удар по мячу должен наноситься многозвенником при совпадении во времени «пиков» значений угловых скорос-тей в каждом суставе ударника.
• Ударное движение должно выполняться по «жесткой» схеме связи.
• Замах должен переходить в удар в виде «отстрела».
• Необходимо обеспечить точное взаимодействие игрока с летящим на удар мячом в пространстве и во времени (т. е., своевременность и точность выхода нападающего под мяч для удара).

Обеспечивая целесообразность действий (по критерию выигрыша очка и достижения победы) нападающему игроку необходимо перестраивать структуру движений так, чтобы иметь меньшие потери в эффективности движений (по критерию скорости полета мяча).

[1] Имеется в виду линейная непрямая зависимость.

[2] Подробнее поток вносимой энергии будет рассмотрен в разделе «Физические качества»

игровая деятельность — техника игры