Парадоксальное торможение конечностей человека при выполнении ударных баллистических движений. Л.В. Чхаидзе, Москва

Изучая в 1939-1940 гг. с помощью циклографической методики [1] биомеханику удара футболиста по мячу серединой подъема стопы, автор столкнулся с совершенно неожиданным и на первый взгляд парадоксальным явлением: перед соприкосновением с мячом стопа (и все другие звенья ноги) не разгоняется, а наоборот, испытывает торможение [7]. Это проявляется в том, что векторы усилий в центрах масс всех звеньев и соответственно в общем центре массы всей бьющей ноги резко меняют свое направление. Будучи направленными в фазе замаха точно к мячу, что вполне логично, затем они постепенно меняют направление на обратное. Это явление начинается после завершения замаха и охватывает сначала бедро, затем голень и заканчивается в стопе, достигая максимума примерно за 0,05 с до соприкосновения стопы с мячом. Перемена направления векторов усилий (которые подсчитаны как произведение массы звена на его ускорение) означает лишь одно -предударное торможение всех звеньев бьющей конечности (в данном случае ноги). Но это, как ни парадоксально, не вызывает замедления движения, наоборот, немедленно после этого кончик стопы достигает максимальной скорости своего движения (около 25,0 м/с). Объяснить это явление оказалось делом довольно трудным. Во-первых, оно наблюдается всегда, даже при простом анализе удара ногой на материале, полученном обычной киносъемкой, во-вторых, оно оказалось настолько нелогичным, что позволило Д.Д. Донскому в 1971 г. в учебнике «Биомеханика спортивной техники» назвать его «парадоксом Чхаидзе» [4, с. 256]. Интересно, что никто из футболистов, да и вообще лиц, выполняющих удары любой (верхней или нижней) конечностью, и не подозревает о нем.

Объяснить это явление удалось лишь тогда, когда автор столкнулся с тренировкой боксеров: он обратил внимание на то, что тренер требовал от спортсменов «сковывать» руку перед соприкосновением с ударяемым предметом. Простой логический расчет легко объяснял это требование: ударяющему с целью усиления удара необходимо было каким-либо образом увеличить массу кисти (и перчатки). Достигнуть этого, не нарушая правил, можно было только одним путем: сковать руку в локтевом и лучезапястном (даже в плечевом) суставах. Тогда к массе кисти добавлялась масса предплечья, плеча и даже корпуса, т.е. происходило то, что боксеры называют «вложить в удар вес тела», и, что не менее важно, конечности придавалась необходимая жесткость. Но это требовало включения антагонистов. Это подтвердили исследования С. Нарикашвили и др., выполненные под руководством автора, в которых показано, что перед соприкосновением кисти боксера с ударяемым предметом включается двуглавая мышца плеча (прямой антагонист остальных мышц, выполняющих удар) [7]. Оставалось изучить деятельность мышц ноги футболиста при ударах стопой. Это было выполнено автором в 1975 г. на испытуемых самого высокого класса. В момент соприкосновения стопы с мячом активны все мышцы – синергисты и антагонисты, воздействующие на коленный и голеностопный суставы. Этим решается главная биомеханическая задача: к массе стопы добавляется (в той или иной мере) масса бедра и голени, и система становится достаточно жесткой, что заметно повышает силу удара, а значит, и скорость вылета мяча (это весьма важно для игрока, выполняющего удар²).

Рис. 1. Циклограмма перемещения звеньев руки и молотка от начала замаха до завершения удара (слева – ориг., справа – по Н.А. Бернштенну, 1923). На циклограмме Н.А. Бериштейна приведены рассчитанные нами векторы ускорений ц.м. молотка. На циклограмме слева – отражение лучей: от плечевого сустава – 1, от локтевого – 2, от лучезапястного – 3, от центра массы кисти – 4, от центра массы молотка – 5, от кончика молотка-6

Описанное явление было в основном изучено на ударах ногами, но, учитывая его практическое значение в протезировании, оказалось не менее важным изучить его и на ударах руками, тем более что ранее исследование выполнялось с помощью методик 20-х гг. Одновременно не менее существенным было выполнить подобное исследование, использовав современные методики, позволяющие получать результаты более точно и быстро, а также проверить все ранее полученные результаты. С этой целью мы остановились на ударе молотком по гладкой поверхности и провели исследование самыми современными методами.

Для исследования была использована новейшая аппаратура – биомеханическая система Elite (Италия), которая действовала по принципу отражения инфракрасного луча от известной точки, соответствующей центру массы (ц.м.) головки молотка или определенным суставам руки испытуемого, на которых устанавливался отражатель этого луча. Отраженный луч возвращался в объектив излучателя и поступал в компьютер, где происходила обработка данных по временным параметрам. Частота импульсов – 100 мс, между каждым импульсом отражение, как легко видеть, зависит от скорости перемещения молотка или сустава. При быстром движении отражалось меньше лучей, чем при медленном. Поскольку частота испускания импульсов была величиной постоянной, то и изменение временных интервалов между отраженными лучами давало скорость перемещения соответствующей точки (на которой был помещен отражатель), а разница в значении скоростей – ускорение.

Отражатели были установлены нами в следующих точках: на суставах -плечевом, локтевом, лучезапястном и на первой фаланге среднего пальца кисти;

на молотке: в центре массы головки и на ее бьющем кончике (в месте соприкосновения молотка с ударяемой поверхностью), где дополнительно устанавливался резиновый кружок, игравший роль предохранителя. Компьютер производил расчеты по ходу движения и выдавал на экран телевизионной установки все результаты в виде кривых, из которых мы выбрали наиболее существенные и печатали их на дополнительном печатающем устройстве: вертикальные и продольные составляющие траектории перемещения центра массы головки молотка и слагающие скоростей и ускорений его перемещения относительно ударяемой поверхности, углы между звеньями, в плечевом, локтевом и лучезапястном суставах. Эти кривые послужили основой для всего анализа.

Испытуемый – взрослый здоровый мужчина среднего возраста, не владеющий специальными навыками слесарной профессии, но достаточно знакомый с работой молотком, – произвел шесть ударов средней силы, стремясь попасть в определенное место ударяемой поверхности.

Прежде чем приступить к анализу полученных нами материалов, считаем необходимым оговорить, что удар молотком по цели (зубилу) изучался во всех подробностях Н.А. Бернштейном и Н.П. Тихоновым еще в 1923 г. Именно эти исследования явились основополагающими для всех дальнейших работ Н.А. Бер-нштейна. Разработанная тогда циклографическая методика [1], использованная им в дальнейшем для изучения ходьбы, бега и других видов движений (в том числе спортивных), была опробована именно на этих исследованиях. Результаты публиковались в материалах Центрального института труда в 1923 и 1924 гг. [1, 2] и имели большое практическое значение в рационализации трудового процесса. К сожалению, в этих разработках не были установлены те парадоксальные явления, которые составляют важнейшую часть структуры баллистических движений – торможения конечного звена кинематической цепи, чему посвящены данные исследования. Н.А. Бернштейн прямо пишет: «Ускорения направлены от ударной цели в первой половине замаха; в течение всей его половины и в течение всего ударного пути они направлены к ударной цели» [2, с. 91]. Более того, рассчитанные нами по циклограмме Н.А. Бернштейна [2, с. 51] векторы ускорения ц.м. молотка по направлению почти точно совпадают с нашими, т.е. направлены против хода движения. Сказанное Н.А. Бернштейном может относиться только к продольным составляющим. Все наши исследования показали, что перед соприкосновением с ударяемым предметом все ускорения всегда направлены против хода движения, и это наиболее ярко отражается на вертикальных составляющих и реже – на продольных. Что же касается усилий удара, то они подсчитаны Н.А. Бернштейном как «живая сила удара» (т.е. масса звена, умноженная на квадрат скорости). Поскольку вектор скорости направлен точно по ходу движения, то и векторы кинетической энергии будут иметь то же направление (к ударной цели). В этом отношении у нас нет расхождений с материалами Н.А. Бернштейна.

Рис. 2. Изменения величин вертикальных (верхний рис.) и продольных (нижний рис.) составляющих траектории движения ц.м. молотка (кривая и шкала Ш), скорости его движения (кривая и шкала I) и ускорения (кривая и шкала П). Вертикальной линией отмечен момент соприкосновения с ударяемой поверхностью (ориг. 1993 г.)

Рис. 3. Изменения углов между звеньями руки при ударе молотком: 1 – угол в локтевом суставе, 2 – в лучезапястном, 3 – в плечевом, 4 – вертикальная составляющая ускорения п.м. молотка (ориг. 1993 г.)

Обратимся, однако, к полученным нами материалам. На рис. 1 показаны фактические траектории перемещения всех опознавательных точек руки и головки молотка, принятых нами, а также тех точек, которые применял Н.А. Бернштейн. Очевидно, что каких-либо принципиальных различий установить нельзя. Единственное различие – испытуемые Н.А. Бернштейна заносили молоток несколько назад, что вполне естественно при рубке зубилом. Рисунки совершенно одинаковые. Но анализ векторов скоростей и особенно ускорений (а значит, и усилий) дает поразительные различия. Рассмотрим рис. 2, на котором показаны составляющие траекторий, скоростей и ускорений движения центра массы головки молотка, от максимума замаха до соприкосновения с ударяемым предметом. По вертикальным (наиболее важным) составляющим траекторий движения максимум замаха (по траектории III) составляет около 1,400 мм от ударяемой поверхности (шкала III помещена крайней слева), по ходу удара понижается и к моменту соприкосновения выравнивается, пройдя около 500 мм, что вполне естественно. Вертикальная составляющая скорости постепенно возрастает (от -0,3 м/с) и к моменту соприкосновения с ударяемой поверхностью переходит через 0. (При этом следует учесть, что отсчет системы координат ведется от ударяемой поверхности.)

Что же касается ускорений (или усилий), то они сначала немного снижаются, затем за -0,3 с до соприкосновения с ударяемой поверхностью начинают резко возрастать и к этому моменту составляют 142,0 м/с2, на 0,030 с обгоняя достижение максимума вертикальной составляющей скорости движения головки молотка. Иными словами, происходит то, что было обнаружено нами при изучении удара футболиста: торможение не снижает скорости перемещения ударяющего предмета, наоборот, повышение продолжается. По продольным составляющим картина тоже вполне закономерная: траектория продольной составляющей перемещения приближается к вертикальной (удар обозначен через 0 по шкале III), переходит через него к моменту соприкосновения, и это перемещение продолжается уже после удара и происходит за счет упругости предохранителя. Продольная составляющая скорости к началу замаха достигает максимума (полный замах), затем снижается и к моменту сорикосновения с ударяемой поверхностью она равна около 0,3 м/с и направлена против хода движения (обозначения в системе координат: вперед – плюс, назад – минус).

Ускорения, которые в начале удара направлены назад, к моменту соприкосновения постепенно перемещаются вперед и, перейдя через 0, еще более смещаются вперед, т.е. если суммировать обе составляющие, то за 0,003 с до соприкосновения с ударяемым предметом суммарный вектор начнет смещаться назад-вверх (т.е. тормозить движение), с тем чтобы достигнуть максимума за 0,015 с до этого мгновения. Однако это не снижает скорости движения головки молотка: она продолжает возрастать и достигнет максимума через 0,025 с после максимума торможения. Иными словами, воспроизводит то, о чем сказано выше.

Анализ изменений углов между звеньями (рис. 3) не обнаруживает особых различий с материалами Н.А. Бернштейна. Как и следовало ожидать, наиболее заметны изменения угла в локтевом суставе (траектория 1), но не менее существенным следует считать наибольший, но характерный выступ книзу (т.е. на разгибание) траектории угла в лучезапястном суставе (траектория 2), предшествующий моменту соприкосновения с ударяемой поверхностью или даже почти совпадающий с ним. Это заключительное движение кисти книзу (сам удар). Если наложить на него вертикальную составляющую ускорений, то легко увидеть, что ее максимум совпадает с этим выступом. Вот для чего нужно было торможение – чтобы обеспечить устойчивость (жесткость системы) этого заключительного движения.

Подведем некоторые итоги. Принципиальная биомеханическая картина структуры ударного баллистического движения верхними конечностями человека оказалась полностью совпадающей со структурой аналогичного движения нижними конечностями. Наблюдается такое же предударное торможение конечного звена кинематической цепи, выполняющего это движение, но не снижающего, однако, скорости ее движения. Все это нуждалось в физиологическом объяснении. В свое время это объявили необходимостью сковать суставы для превращения конечности в единый жесткий рычаг с целью увеличения массы звена последнего ударяющей конечности и показали это с помощью анализа биоэлектрических потенциалов соответствующих мышц конечности. Посмотрим, какие результаты получили при аналогичных исследованиях другие лица, рассматривавшие эту проблему. Наиболее исчерпывающие исследования в данной области провела Р.С. Персон [5], которая изучала биоэлектрическую активность мышц-синергистов и особенно антагонистов при рубящем ударе молотком. Результаты ее исследований свидетельствуют о том, что у испытуемого, специально не подготовленного к этому движению, еще задолго до момента соприкосновения с ударяемым предметом активны и синергисты, и антагонисты, а у специально подготовленного антагонист (biceps) включается только перед соприкосновением, а синергист (triceps) одновременно с ним. Иными словами, превращение руки в единый рычаг с описанной выше биомеханической целью происходит наиболее рационально и в результате тренировки. Но обязательно происходит.

Остается слегка коснуться вопроса о происхождении данного парадоксального на первый взгляд явления. Считать, что оно имеет врожденное происхождение, конечно, не приходится. Такие явления не могут иметь подобного происхождения. По всей видимости, оно вырабатывается как стойкий навык в ходе освоения человеком остальных повседневных навыков. Например, ходьбы или бега. Ведь известно, что эти навыки, как показал еще Н.А. Бернштейн [3], окончательно вырабатываются у человека к восьми-девяти годам жизни. По всей видимости, следует считать, что в этот период вырабатываются и навыки баллистических движений, в структуру которых важнейшим элементом входит и описанное нами явление.

Литература

1. Бернштейн Н.А. Биомеханическая нормаль удара. Исследования Центрального института труда. Вып. 2.М., 1924.

2. Бернштейн Н.А. Исследования по биомеханике удара с помощью световой записи. Исследования Центрального института труда. Вып. 1, М., 1923.

3. Бернштейн Н.А. Исследования по биодинамике бега, ходьбы и прыжка. Труды Центрального научно-исследовательского института физкультуры. – М.: ФиС, 1940.

4. Донской Д.Д. Биомеханика спортивной техники. -М.: ФиС, 1971.

5. Персон Р. С. Мышцы-антагонисты в движениях человека. – М.: Наука, 1965.

6. Попова Т.С., Могилянская З.П. Техника изучения движений /Под ред. и при участии Н.А. Бернштейна. – М.: Стандартизация и рационализация, 1935.

7. Чхаидзе Л.В. Об управлении движениями человека. -М.:ФиС, 1970.

² Однако это влечет за собой одно коварное явление:сковывание голеностопного сустава приводит к тому, что угол между стопой и голенью резко уменьшается. В результате футболист, стремясь выполнить удар наиболее сильно, направляет мяч выше цели (ворот противника), огорчая себя и зрителей. Но о причине этого никто не догадывается.

Поступила в редакцию 03.09.96