Биомеханика ударных действий

 

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

 

КАЛУЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. К.Э.ЦИОЛКОВСКОГО

 

 

 

Институт социальных отношений

 

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

 

по дисциплине «Биомеханника» на тему:

                     «Биомеханика ударных действий».

 

 

 

                                                            Выполнил:

                                                            студент 1 курса заочного 

                                                                       отделения

                                                           группы СОФ - 11

                                                Николаев Владимир Иванович.

                Проверил:

                                                 Арсланов

                                                           

 

 

 

 

Калуга 2013

 

Содержание

 

           Введение

1. Ударные действия в разных видах спорта.

2.    Причины, влияющие  на силу удара.

         Заключение

        Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

Введение

   Биомеханика – наука о законах механического движения в живых системах. Она изучает движения с точки зрения законов механики, свойственных всем без исключения механическим движениям материальных тел. Объект познания биомеханики – двигательные действия человека как системы взаимно связанных активных движений и положений его тела. Область изучения биомеханики – механические и биологические причины возникновения движений, особенности их выполнения в различных условиях. Общая задача изучения движений состоит в оценке эффективности приложения сил для достижения поставленной цели.

   Ударом в механике называется кратковременное взаимодействие тел, в результате которого резко изменяются их скорости. При таких взаимодействиях возникают столь большие силы, что действием всех остальных сил можно пренебречь. Обычно время соударения много меньше по сравнению со временем наблюдения.

  Задачей этой работы  является рассмотрение ударных  действий в разных видах спорта  и причин, влияющих на силу  удара.

1. Ударные действия в разных видах спорта.

Примерами ударов являются:

· Удары по мячу, шайбе. При этом происходит быстрое изменение скорости по величине и направлению.

· Приземление после прыжков и соскоков. При этом скорость тела спортсмена резко снижается до нуля.

   В физической культуре и спорте ударные действия встречаются в основном в спортивных играх: футбол, хоккей, хоккей на траве, теннис, настольный теннис, волейбол и т. д. Хотя существуют удары в боксе и восточных единоборствах. Цель ударного действия состоит в том, чтобы сообщить снаряду (мячу, шайбе) определённую скорость, направление и вращение. В целом ряде видов спорта (хоккее, теннисе и др.) для этого используют

4

клюшку, ракетку.

                              2.  Зависимость силы удара.

   Основной мерой ударного взаимодействия является ударный импульс. За время удара скорость тела, например, мяча изменяется на определённую величину. Это изменение прямо пропорционально ударному импульсу и обратно пропорционально массе тела. Другими словами, ударный импульс равен изменению количества движения тела.

В ударных действиях различают:

1. Замах – движение, предшествующее  ударному движению и приводящее  к увеличению расстояния между  ударным звеном тела и предметом, по которому наносится удар. Эта  фаза наиболее вариативна.

2. Ударное движение – от конца замаха до начала удара.

3. Ударное взаимодействие (или собственно удар) – столкновение  ударяющихся тел.

4. Послеударное движение  – движение ударного звена  тела после 

прекращения контакта с предметом, по которому наносился удар.

При механическом ударе скорость тела (например, мяча) после удара тем выше, чем больше скорость ударяющего звена непосредственно перед ударом. При ударах в спорте такая зависимость не обязательна. Например, при подаче в теннисе увеличение скорости движения ракетки может привести к снижению скорости вылета мяча, так как ударная масса при ударах, выполняемых спортсменом непостоянна: она зависит от координации его движений.

   Если, например, выполнять удар за счёт сгибания кисти или с расслабленной кистью, то с мячом будет взаимодействовать только масса ракетки и кисти и скорость вылета мяча будет невысокой. Если же в момент удара ударяющее звено закреплено активностью мышц- антагонистов и представляет собой как бы твёрдое тело, то в ударном взаимодействии будет принимать участие масса всего этого ударного звена.

5

   Иногда спортсмен наносит два удара с одной и той же скоростью, а скорость вылета мяча или сила удара оказывается различной. Это происходит от того, что ударная масса неодинакова. При изучении баллистического движения спортсменов, выполняющих удары, было обнаружено, что, если в начале выполнения такого движения все усилия, приложенные к центрам тяжести звеньев кинематической цепи (нога), направлены по ходу движения, то перед самым соприкосновением с ударяемым предметом эти усилия меняют своё направление на обратное. На рисунке 2 показано ударное движение спортсмена, выполнившего удар ногой по мячу, после которого скорость вылета мяча составляла одну из самых высоких (около 36 м/с).

 

 

   Описываемое явление имеет под собой совершенно определённые физические причины. При нанесении любого удара весьма важно превратить мягкую кинематическую цепь ноги в «единый жёсткий рычаг» - (сделать её стержнем). В этом случае в ударе примет участие не только масса конечного звена цепи, но и массы всех остальных звеньев (ударяющей по мячу ноги) – это заметно повышает массу всего ударного звена. Превратившись в жёсткую систему, кинематическая цепь конечности не будет в момент удара амортизировать и, следовательно, передаст ударяемому предмету максимально возможное количество кинетической энергии.

   Таким образом, координация движений при максимально сильных ударах подчиняется двум требованиям:

 

6

1) сообщение наибольшей  скорости ударяющему звену в  момент соприкосновения с ударным телом;

2) увеличение ударной  массы в момент удара.

Это достигается «закреплением» отдельных звеньев ударяющего звена в момент удара, путём одновременного включения мышц-антагонистов, а также увеличением радиуса вращения ударного звена. Например, в боксе сила удара правой рукой увеличивается, если ось вращения ударного звена правой руки проходит вблизи левого плечевого сустава.

   Ударная сила зависит, согласно закону Ньютона, от эффективной массы ударяющего тела и его ускорения:

Рис. 1 - Кривая развития силы удара во времени.

 

F = ma (1)

 где

 F - сила,

 m - масса,

 a - ускорение.

 

 Если рассматривать  удар во времени, то взаимодействие  длится очень короткое время  – от десятитысячных (мгновенные  квазиупругие удары), до десятых  долей секунды (неупругие удары). Ударная сила в начале удара быстро возрастает до наибольшего значения, а затем падает до нуля (рис. 1). Максимальное ее значение может быть очень большим. Однако основной мерой ударного взаимодействия является не сила, а ударный импульс, численно равный площади под кривой F(t). Он может быть вычислен как интеграл:

       t2

S=  i F(t) dt    

      t1

7

                                                                          

 

 где S – ударный импульс, t1 и t2 – время начала и

конца удара, F(t) – зависимость ударной силы F от времени t.

Так как процесс соударения длится очень короткое время, то в нашем случае его можно рассматривать как мгновенное изменение скоростей соударяющихся тел.

 В процессе удара, как  и в любых явлениях природы  должен соблюдаться закон сохранения энергии. Поэтому закономерно записать следующее уравнение:

E1 + E2 = E'1 + E'2 + E1п + E2п (3)

 где

 E1 и E2 – кинетические энергии первого и второго тела до удара,

 E'1 и E'2 – кинетические энергии после удара,

 E1п и E2п – энергии потерь при ударе в первом и во втором теле.

    Соотношение между кинетической энергией после удара и энергией потерь составляет одну из основных проблем теории удара.

 Последовательность механических явлений при ударе такова, что сначала происходит деформация тел, во время которой кинетическая энергия движения переходит в потенциальную энергию упругой деформации. Затем потенциальная энергия переходит обратно в кинетическую. В зависимости от того, какая часть потенциальной энергии переходит в кинетическую, а какая теряется, рассеиваясь на нагрев и деформацию, различают три вида удара:

Абсолютно упругий удар – вся механическая энергия сохраняется. Это

8

идеализированная модель соударения, однако, в некоторых случаях, например в случае ударов бильярдных шаров, картина соударения близка к абсолютно упругому удару.

Абсолютно неупругий удар – энергия деформации полностью переходит в тепло. Пример: приземление в прыжках и соскоках, удар шарика из пластилина в стену и т. п. При абсолютно неупругом ударе скорости взаимодействующих тел после удара равны (тела слипаются).

Частично неупругий удар — часть энергии упругой деформации переходит в кинетическую энергию движения.

  В реальности все удары являются либо абсолютно, либо частично неупругими. Ньютон предложил характеризовать неупругий удар так называемым коэффициентом восстановления. Он равен отношению скоростей взаимодействующих тел после и до удара. Чем этот коэффициент меньше, тем больше энергии расходуется на некинетические составляющие E1п и E2п (нагрев, деформация). Теоретически этот коэффициент получить нельзя, он определяется опытным путем и может быть рассчитан по следующей формуле:

(4)

 

 где

 v1 , v2 – скорости тел до удара,

 v'1 , v'2 – после удара.

   При k = 0 удар будет абсолютно неупругим, а при k = 1 – абсолютно упругим. Коэффициент восстановления зависит от упругих свойств соударяемых тел. Например, он будет различен при ударе теннисного мяча о разные грунты и ракетки разных типов и качества. Коэффициент восстановления не является просто характеристикой материала, так как зависит еще и от скорости ударного взаимодействия - с увеличением

9

скорости он уменьшается.

Ударными в биомеханике называются действия, результат которых достигается механическим ударом. В ударных действиях различают:

Замах – движение, предшествующее ударному движению и приводящее к увеличению расстояния между ударным звеном тела и предметом, по которому наносится удар. Эта фаза наиболее вариативна.

Ударное движение – от конца замаха до начала удара.

Ударное взаимодействие (или собственно удар) – столкновение ударяющихся тел.

Послеударное движение – движение ударного звена тела после прекращения контакта с предметом, по которому наносится удар.

   При механическом ударе скорость тела (например, мяча) после удара тем выше, чем больше скорость ударяющего звена непосредственно перед ударом. При ударах в спорте такая зависимость необязательна. Например, при подаче в теннисе увеличение скорости движения ракетки может привести к снижению скорости вылета мяча, так как ударная масса при ударах, выполняемых спортсменом, непостоянна: она зависит от координации его движений. Если, например, выполнять удар за счет сгибания кисти или с расслабленной кистью, то с мячом будет взаимодействовать только масса ракетки и кисти. Если же в момент удара ударяющее звено закреплено активностью мышц-антагонистов и представляет собой как бы единое твердое тело, то в ударном взаимодействии будет принимать участие масса всего этого звена.

   Иногда спортсмен наносит два удара с одной и той же скоростью, а скорость вылета мяча или сила удара оказывается различной. Это происходит из-за того, что ударная масса неодинакова. Величина ударной массы может использоваться как критерий эффективности техники ударов. Поскольку рассчитать ударную массу довольно сложно, то эффективность ударного взаимодействия оценивают как отношение скорости снаряда после удара и

10

скорости ударного элемента до удара. Этот показатель различен в ударах разных типов. Например, в футболе он изменяется от 1,20 до 1,65. Зависит, он и от веса спортсмена.

   Некоторые спортсмены, владеющие очень сильным ударом (в боксе, волейболе, футболе и др.), большой мышечной силой не отличаются. Но они умеют сообщать большую скорость ударяющему сегменту и в момент удара взаимодействовать с ударяемым телом большой ударной массой.

   Многие ударные спортивные действия нельзя рассматривать как «чистый»

удар, основа теории которого изложена выше. В теории удара в механике предполагается, что удар происходит настолько быстро и ударные силы настолько велики, что всеми остальными силами можно пренебречь. Во многих ударных действиях в спорте эти допущения не оправданы. Время удара в них хотя и мало, но все-таки пренебрегать им нельзя; путь ударного взаимодействия, по которому во время удара движутся вместе соударяющиеся тела, может достигать 20-30 см.

  Поэтому в спортивных ударных действиях, в принципе, можно изменить количество движения во время соударения за счет действия сил, не связанных с самим ударом.

               3. Биомеханика ударных действий в единоборствах.

Итак - СИЛА. А конкретно - сила удара. О ней много говорят и к ней, к силе удара, к ее увеличению, многие стремятся и пропадают в спортивных залах с утра до ночи. Что же такое сила удара?

 

Сила состоит из трех компонентов:

1. Динамическая сила;

2. Статическая сила;

3. Силовая выносливость.

 

 

11

В боевых искусствах самой важной является динамическая (взрывная) сила. Именно она играет важную роль при нанесении быстрого и сильного удара. Поэтому этому разделу мы и уделим особое внимание.

   Удар - это воздействие на противника с целью нанесения травмы. Удар наносится с некоторой дистанции.

Нет дистанции - нет удара.

Удар нанесенный с маленькой дистанции называется тычком. Для достижения результата тычок должен

наноситься в болевые точки тела и быть достаточно резким.

Если ударная поверхность не развивает достаточной скорости то удар переходит в толчок, при условии,что в удар вложена масса.

   Если в удар не загружена масса, он переходит в тычок. Для нанесения сильного жесткого удара следует

учесть:

То есть для увеличения силы удара необходимо увеличить массу, вложенную в удар, и скорость удара, иуменьшать время действия удара.

1. В удар должна  быть вложена масса.

 

Для увеличения этой составляющей удара можно, перенося тяжесть

тела на переднюю ногу, нанести удар до постановки ноги на землю. Однако, следует учитывать возможность

"провала" вперед, поэтому  вектор силы тяжести не должен  выходить

за площадь опоры после постановки ноги. Это достигается за счет

удлинения шага и понижения центра тяжести (подседа).

2.Удар должен  быть быстрым. То есть сила удара зависит от

12

скорости ударной поверхности до контакта.

Числитель дроби (1) можно представить как разность начальной и

конечной скоростей за время действия удара. Конечная скорость не

всегда равна нулю, так как противник может, смягчая удар, отступать

назад, и скорость ударной поверхности в конце контакта будет равна скорости противника.

Скорость достигается за счет расслабления до удара. Это необходимо, чтобы мышцы-антогонисты не препятствовали атакующему действию, так как время расслабления мышцы приблизительно в 1,5...2 раза

больше, чем время напряжения. Кроме того увеличению скорости способствует "волна", т.е.последовательное включение в работу разных групп мышц.

3. Удар должен  быть коротким.

 

Удар должен быть нанесен "рамой", т.е. тело должно превратиться в

жесткую распорку между землей и противником. Для этого необходимо убрать люфт из суставов,

задействованных в ударе.

   Например, при прямом ударе кулаком - это лучезапястный, локтевой, плечевой суставы, суставы позвоночника, тазобедренный, коленный и голеностопный суставы.

13

   В каратэ жесткость достигается скручиванием руки в продольном направлении, опусканием локтя, реверсом другой руки, вращением таза в прямом направлении, выпрямлением "задней" ноги и жесткой

опорой на пятку.

   В боксе удар наноситься таким образом, что рука составляет

единое целое с плечевым поясом, для чего плечо выдвигается

вперед (в отличие от классических стилей каратэ); кроме того

удар наноситься немного сверху, так чтобы линия силы совпала с

линией расположения костей.

   Удар типа боксерского как правило слабее удара каратэ, но

вследствие того что он делается с большим "проносом" в глубину

вероятность "зацепить" им противника выше, кроме того он

более "дальнобойный" из-за выдвигаемого вперед плеча и легче

включается в серию.

   Некоторая "размазанность" во времени хотя и уменьшает силу

удара, но делает воздействие на противника полнее.

   На рисунке синим цветом показан удар каратэ, а красным удар боксера. Рассмотрен “идеальный” случай,когда удар не попадает в цель. В случае попадания в цель изменение скорости происходит почти мгновенно.

Необходимо, чтобы попадание произошло если не в точке максимума скорости, то хотя бы в некоторойзоне эффективности, иначе удар "замнется" или бьющая конечность сама замедлит свое движение.

Как видно из графика зона эффективности боксерского удара несколько больше.

ПРИМЕР. Автомобиль, едущий со скоростью 30 км/час, ударяется о подвижное препятствие. При этом

возможны три ситуации:

1. Автомобиль едет с неработающим двигателем и невключенными тормозами. В системе «автомобиль –

14

препятствие» действуют только ударные силы.

2. Двигатель включен, более  того – автомобиль двигается ускоренно. Тогда в конце удара его скорость будет

больше, чем в начале, количество движения (импульс) системы возрастет, а на ударяемое тело подействует

еще дополнительная сила, вызванная действием двигателя автомобиля.

3. Двигатель выключен, а  тормозная система включена. Скорость и   количество движения автомобиля уменьшатся из-за включенных тормозов.

   Описанное можно сравнить с действием мышц человека при ударах. Если ударное звено во время удара дополнительно ускоряется за счет активности мышц, ударный импульс и соответственно скорость вылета снаряда увеличиваются; если оно произвольно тормозится, ударный импульс и скорость вылета уменьшаются (это бывает нужно при точных укороченных ударах, например при передачах мяча партнеру).

Некоторые ударные движения, в которых дополнительный прирост количества движения во время соударения очень велик, вообще являются чем-то средним между метаниями и ударами .

Координация движений при максимально сильных ударах подчиняется двум требованиям:

1) сообщение наибольшей  скорости ударяющему звену к моменту соприкосновения с ударяемым телом. В этой фазе движения используются те же способы увеличения скорости, что и в других перемещающих

действиях;

2) увеличение ударной  массы в момент удара. Это достигается  «закреплением» отдельных звеньев

ударяющего сегмента путем одновременного включения мышц-антагонистов и увеличения радиуса вращения. Например, в боксе и карате сила удара правой рукой увеличивается примерно вдвое, если ось

 

15

вращения проходит вблизи левого плечевого сустава, по сравнению с ударами, при которых ось вращения

совпадает с центральной продольной осью тела.

Время удара настолько кратковременно, что исправить допущенные ошибки уже невозможно. Поэтому точность удара в решающей мере обеспечивается правильными действиями при замахе и ударном движении.

Тактика ведения поединка нередко требует неожиданных для противника ударов («скрытых»). Это достигается выполнением ударов без подготовки (иногда даже без замаха), после обманных движений (финтов) и т. п. Биомеханические характеристики ударов при этом меняются, так как они выполняются в таких случаях обычно за счет действия лишь дистальных сегментов (кистевые удары).

   Скорость и сила удара зависят от рационального последовательного импульсного включения в ударное движение элементов тела, а именно: движение последующей части тела вызывается импульсом, созданным

движением предыдущей части тела и, таким образом, каждая последующая часть тела начинает свое движение не с нулевой скорости, а с конечной скорости движения предыдущей части тела, которая как бы

выполняет роль последней ступени в многоступенчатой ракете - создается впечатление пробегания по телу "волны". Таким образом, техническая составляющая силы удара является результатом последовательного

разгона (последовательного увеличения скоростей) отдельных частей тела снизу вверх: ноги, бедра, руки.

Методы разгона в различных видах единоборств могут быть различны.

Заключение

   В данной работе  рассматривалась биодинамика ударных  действий.

Анализируя литературу, посвященную этой теме, необходимо отметить, что изучение и совершенствование ударных действий в физкультуре и спорте должно опираться на законы биодинамики. Зная все составляющие,

16

определяющие силу удара можно совершенствовать тренировочный процесс.    Координация движений при максимально сильных ударах подчиняется двум требованиям:

1) сообщение наибольшей  скорости ударяющему звену к  моменту соприкосновения с ударяемым  телом. В этой фазе движения  используются те же способы  увеличения скорости, что и в  других перемещающих действиях;

2) увеличение ударной  массы в момент удара. Это достигается  «закреплением» отдельных звеньев  ударяющего сегмента путем одновременного  включения мышц-антагонистов и  увеличения радиуса вращения.

   Использование теории биодинамики наиболее эффективный путь к достижению тренировочного результата.

Литература

1. Бартониетц К. Биомеханический  анализ ударных действий внекоторых  видах спорта: автореф. дисс. . канд. пед. наук: 13.00.04 / Барfтониец Клаус; Гос. центр, о. Ленина ин-т физ. культ.. М., 1975. - 23 с.

1. Бернштейн Н.А. О ловкости и ее развитии / Н.А. Бернштейн. -М.: Физкультура и спорт, 1991. 288 с.

3. Дубровский В.И., Федорова В.Н. Биомеханика: Учебник для средних и высших учебных заведений. - М.: ВЛАДОС-ПРЕСС, 2003.

4. Ламаш Б.Е. Лекции по биомеханике.     http://www.dvgu.ru/meteo/book/BioMechan.htm

5. Уткин В.А. Биомеханика физических упражнений: Учебное пособие для ф-тов физического воспитания. – М.: Просвещение, 1989. – 205 с.

6.  Smith PK, Hamill J. The effect of punching glove type and skill level on momentum transfer. 1986, J. Hum. Mov. Stud. vol.12, pp. 153-161.