Признаки вращательного упражнения. Оси вращения, их виды. Механизм создания вращательного движения

Вращательные упражнения производятся вокруг осей. Если тело человека имеет прямой контакт с перекладиной, кольцами, то есть ось вращения представляет внешнее для человека материальное тело, то ось является внешней закрепленной (материальной) осью. При вращении звеньев тела в суставах ось вращение проходит внутри тела, что является внутренней закрепленной (материальной) осью. При вращении тела спортсмена в полете ось вращения проходит через ОЦТ тела и ни с каким внешним телом не связана, то ось называется свободной (абстрактной). При вращениях в фигурном катании ось проходит через место контакта лезвия конька со льдом и через общий центр тяжести. Такая ось называется комбинированной.

На тело, совершающее вращательное движение, действуют центростремительная и центробежная силы. Центростремительная сила направлена перпендикулярно движению ОЦТ и является действием удерживающего тела на вращающееся, вызывает искривление траектории в зависимости от массы, скорости и радиуса вращения точки тела. Она равна произведению массы тела на его центростремительное ускорение . Для каждой частицы вращающегося тела ее центростремительное ускорение прямо пропорционально квадрату ее линейной скорости и обратно пропорционально расстоянию до оси вращения: , следовательно, величина центростремительной силы равна: .

Есть еще одна действующая сила – центробежная (сила инерции) – мера воздействия вращающегося тела на удерживающее, и она противодействующая искривлению траектории.

Создание вращения может быть осуществлено тремя способами: опорным, безопорным и комбинированным. Обязательным условием для создания вращения являются действующие моменты сил.

Опорный (инерционный) способ основан на создании момента сил при взаимодействии спортсмена с опорой путем целенаправленных поворотных действий при отталкивании. В этом случае, туловище и руки как свободные части тела, скручиваются вокруг продольной оси относительно ног. После прекращения контакта с опорой скорость туловища и ног уравниваются и тело движется по инерции. При опорном способе вращения создается момент вращения, равный - это основной закон динамики для вращательного движения.

Безопорный (безынерционный) способ является более распространенным. Такой способ может быть осуществлен, если тело имело начальное опорное вращение. Изменение кинетического момента достигается путем сгибательно-разгибательных движений в переднее-задне-боковых направлениях. Туловище, приближаясь к ногам, вызывает встречное приближение ног и приближение звеньев к ОЦТ.

Для создания вращений в безопорном полете используются внутренние силы и в литературе рассматривается как следствие закона сохранения величины вращательного импульса и основывается на формально допустимой возможности разложения одного вращения на несколько.

Создание вращения вокруг только продольной оси в безопорном полете, если тело не имеет никакого вращения, осуществляется на основе закона сохранения вращательного импульса путем последовательного сгибания в двух плоскостях, расположенных под углом, например, в начале сгиба или прогиба, а затем скручивание туловища.

Создание вращение вокруг продольной оси, когда тело имеет уже вращение вокруг поперечной оси, осуществляется в полете работой внутренних сил, асимметричных изменений моментов инерции правой и левой частей тела, вращающегося относительно поперечной оси.

Комбинированный способ представляет собой синтез опорного и безопорного способов.

Движения в суставе являются возвратно-вращательными. Известно, что вращательное движение вызывают моменты внешних сил, которыми при движении в суставе являются сила сокращений мышцы или мышечной группы. Уравнение динамики вращательного движения вокруг сустава имеет вид: М = J ε, где М – момент действующей силы, J – момент инерции звена, ε – угловое ускорение. Для звена момент инерции – величина постоянная, поэтому угловое ускорение определяется моментами действующих сил.

Вращательные движения тела при опоре. При взаимодействии тела спортсмена с верхней или нижней опорой, основным уравнением динамики будет: М = L / t, где L – кинетический момент (L = J ω) относительно оси вращения.

Простейший пример – вращение гимнаста вокруг перекладины из стойки на руках без изменения позы. Если пренебречь силами трения и сопротивления среды, то на тело спортсмена действует только сила тяжести, равная весу спортсмена, приложенному к ОЦТ. Плечом силы тяжести является расстояние (радиус) от ОЦТ до вертикали, проходящей через точку опоры, расположенной на продольной оси грифа перекладины. Плечо силы тяжести в этом случае равно нулю. При выходе из положения равновесия оно становится отличным от нуля, d = r sin ά и относительно точки опоры возникает момент силы тяжести. Тело гимнаста начинает двигаться с угловым ускорением, обратно пропорциональным величине его момента инерции относительно оси вращения. В процессе вращения плечо действия силы тяжести начинает увеличиваться, соответственно увеличивается момент силы и угловое ускорение. Плечо силы достигает максимума в горизонтальном положении. В крайнем верхнем и нижнем положении плечо силы тяжести равно нулю.

С началом вращения вверх момент силы меняет свой знак на противоположный. Отрицательное ускорение растет, достигая максимума также в горизонтальном положении – вращение тормозиться.

Без изменения позы в результате действия силы трения и сопротивления среды спортсмен полный оборот не совершит. Общее сгибание или прогибание приближает ОЦТ к оси вращения, в результате уменьшается момент инерции и тормозящее влияние силы тяжести, увеличивается кинетический момент.

Для эффективной работы мышц, производящей сгибание, их необходимо предварительно растянуть до оптимального состояния. С этой целью выполняется замах – активное прогибание (сгибание) тела перед началом движения вверх.

Вращение вокруг поперечной оси (в гимнастике, акробатике, прыжках в воду) создается путем отталкивания от опоры под углом к поверхности. Ось вращения в безопорных движениях проходит через ОЦТ.

Управление вращением относительно поперечной оси осуществляется изменением позы в полете, приводящей к изменению момента инерции тела относительно оси и изменению скорости вращения. Скорость движения увеличивается при условии приближения звеньев тела к оси вращения. Разгруппирование как обратное управляющее движение уменьшает угловую скорость.

Изменение характеристик вращательного движения биомеханической системы происходи намного сложнее, чем для твердого тела.

Для изменения характеристик вращательного движения можно изменять кинетический момент следующими способами:

1) приложением момента внешней силы, вызывающей угловое ускорение (положительное или отрицательное в зависимости от направления действия силы). При этом поза не изменяется, т.е. остается неизменным момент инерции;

2) изменением тормозящего действия момента силы тяжести путем приближения ОЦТ к оси вращения (уменьшения плеча действия силы тяжести);

3) активным созданием момента внешней силы, т.е. выполнение отталкивания, притягивания и т.д.

Без изменения кинетического момента системы изменить характеристики вращательного движения можно за счет:

1) изменения позы – приближая (группирование) или удаляя (разгруппирование) звенья от оси вращения;

2) скручиванием и раскручиванием тела. Если тягой мышц вызвать вращение одной части системы в одну сторону, то остальная часть системы начнет вращаться в противоположную сторону;

3) круговыми движениями звеньями тела, которые приводят к изменению ориентации тела в пространстве.

Таким образом, в основе управления вращательными движениями вокруг поперечной оси лежат сгибательно-разгибательные движения, группирование и разгруппирование, прогибание и выпрямление.

Вращение свободного тела в полете (прыжки в воду с трамплина или вышки) происходит вокруг трех осей. Во-первых, вращение вокруг собственной оси (собственное вращение). Во-вторых, описание окружности вокруг оси вращения (прецессия). В-третьих – изменение угла между двумя осями (нутация) (рис. 13).

Рис. 13. Направления вращений