Лекция №5. Биоэнергетика двигательных действий

1. Преобразование энергии в двигательных действиях.

2. Расход и накопление энергии в биомеханической системе.

3. Энергетика возвратных движений.

4. Режим колебательных движений.

5. Биомеханические функции мышц.

Биоэнергетика двигательных действий

В двигательных действиях происходит превращение одних видов энергии в другие (химической в механическую и тепловую) и преобразование механической энергии (кинетической в потенциальную и наоборот).

Подвод энергии в биомеханическую систему совершается в результате:

а) превращения химической энергии в потенциальную механическую энергию напряженной мышцы,

б) перехода работы внешних сил в кинетическую энергию биомеханической системы и потенциальную энергию деформированных мышц и перемещаемого тела.

Энергия расходуется на:

а) производительную работу;

б) непроизводительные затраты, связанные с ее превращением и рассеянием энергии;

в) преобразование ее при накоплении в растянутой мышце.

Величина и характер расхода энергии при движениях зависят от особенностей движений. Коль скоро происходит расход энергии, необходим и подвод энергии.

Существует, по меньшей мере, четыре источника энергии, используемой в движениях:

Первый источник энергии движений – деятельность желез внутренней секреции. Например, адреналин увеличивает силу сокращений мышц и функциональную активность кардиореспираторной системы. Эндорфины изменяют деятельность ЦНС, которая влияет на характер движений.

Второй источник энергии движений – биоэлектрический потенциал нервных центров. При сложении нескольких источников импульсации образуется доминанта, поэтому величина конечного биоэлектрического импульса идущего по нервным волокнам к мышцам увеличивается.

Третий (непосредственный) источник энергии движений - запасы химической энергии АТФ в митохондриях клеток. Этот источник находится в мышцах, других органах и крови. В мышцах происходят химические реакции и возникает напряжение в сократительных элементах: химическая энергия превращается в механическую — потенциальную энергию упруго деформированных элементов мышц. Все активные движения совершаются благодаря преобразованию потенциальной энергии напряженных мышц в кинетическую энергию звеньев тела и всего тела в целом. Силы тяги мышц совершают работу. Работа силы — процесс изменения энергии (состояния). Всегда, когда изменяется количество или форма энергии, это следствие работы сил.

Четвертый (непосредственный) источник энергии движений — это механическая энергия внешнего окружения (внешних тел, среды, партнеров и противников). Она передается телу посредством работы внешних сил: а) кинетическая энергия движущихся объектов (например, бросок, выполненный противником в борьбе) и б) потенциальная энергия положения (например, движение вниз при соскоке с перекладины в поле земного тяготения). В этих случаях спортсмен движется пассивно.

Неизрасходованная энергия может накапливаться:

1.Энергия эндокринной системы накапливается в виде повышения концентрации и возможности усиленной секреции активизирующих организм гормонов.

2.Энергия нервных центров запасается благодаря согласованности в работе нервных центров и усилением роста корковых нейронов, обеспечивающих функциональные связи между нейронными ансамблями различных корковых областей.

3.Химическая энергия «запасается» благодаря питанию и дыханию человека. Она превращается в механическую энергию напряженных мышц. Накопление энергии в мышцах происходит и другим путем: когда мышцы растягиваются в уступающей работе, тормозя движение звеньев тела. Кинетическая энергия последних преобразуется в потенциальную энергию упруго деформированных мышц.

4.Механическая энергия может накапливаться в виде потенциальной энергии тела человека, когда он поднимает себя против сил тяжести или использует силу встречного или попутного движения. А также, когда человек использует разнообразные биомеханические способы увеличения силы производимого действия (используя формулу F=ma или F=mV/t).

При всех изменениях энергии значительная часть ее превращается в тепловую и рассеивается. По закону сохранения энергии она не исчезает; но механическая энергия, превращаясь в тепловую, теряется в процессе механической работы. Из затрат механической энергии не более 1/4 идет на механическую работу (к.п.д. 20—25%). Такова несколько упрощенная схема превращения и преобразования энергии при движениях человека.

Энергетика возвратных движений

Возвратные движения включают фазу прямого движения (с торможением) — подготовительную и фазу обратного движения (с разгоном) — рабочую, которые разделены критической точкой на траектории.

Эффективность рабочей фазы зависит от исходного положения звеньев в критической точке и состояния деформации и напряжения ведущих антагонистических групп мышц.

Возвратные движения характеризуются сменой направления движения на противоположное (туда — обратно). Обычно и прямое, и обратное движения состоят каждое из двух фаз:

а) прямое — разгона и торможения,

б) возвратное — вновь разгона и торможения.

Из названных четырех фаз первая и последняя могут значительно изменяться и не составляют типичной картины возвратного движения. Зато торможение прямого и разгон возвратного движений — характерные фазы возвратного движения. Между ними имеется критическая точка — положение, из которого происходит смена направления скорости. Это положение может быть мгновенным (промежуточным в движении); возможна также остановка в этом положении.

Движение получается намного слабее если возвратное движение происходит с паузой в критически точке, за время паузы не сохраняется полностью потенциальна; упругая энергия, мышцы может рассеяться – мышца расслабляется (релаксация).

Возможность рационально делать возвратное движение появляется при использовании криволинейной траектории. Замах тогда переходит в удар (например, в теннисе) без остановки в движении по кривой, с постепенным переключением активности с одних мышц на другие.

Режим колебательных движений

Рациональный режим колебательных движений включает упругую отдачу мышц в сочетании с сохранением и резонансным накоплением энергии в мышцах путем совершенствования управления энергетикой.

В так называемых циклических движениях, где многократно повторяется одинаковый ряд движений, часто используется колебательный режим. Для него характерна многократная смена повторяющихся возвратных движений (например, движения ног при беге).

В каждом цикле колебательных движений имеются потери энергии. Если их не восполнять, то колебания становятся затухающими. Если потери восполнять полностью, то колебания становятся постоянными, устанавливается стабильный колебательный режим. И, наконец, если в каждом цикле своевременно подводить энергии больше, чем ее теряется, возникает резонансный режим. Мышца, работающая в резонансном режиме, с каждым циклом получает добавочную энергию и таким образом накапливает ее. Подвод энергии совершают сократительные элементы мышцы в критических точках траектории. Тогда каждый новый цикл происходит на более высоком уровне энергии; увеличение кинетической энергии означает повышение скорости. На цикл затрачивается меньше времени, растет темп. Таким образом, например, в беге становится больше скорость продвижения по дорожке. В разбеге благодаря резонансному накоплению энергии повышается мощность.

Механизм упругой отдачи мышцы в возвратных движениях дополняется в колебательном режиме резонансным накоплением энергии. Автоматическое включение сократительных элементов в критической точке (автоколебания) повышает эффективность резонанса.

Итак, для лучшего использования мышечной энергии в скоростно-силовых движениях целесообразно:

1)волокна мышцы в подготовительной фазе значительно растянуть (зона больших деформаций в косоволокнистых мышцах);

2)при растягивании волокон передать им больше кинетической энергии (разогнать звено до большой скорости и резко остановить);

3)в обратном движении в критической точке своевременно совершить активное сокращение мышцы по принципу автоколебаний, наиболее акцентированное с самого начала («взрывная» сила).

Совершенствование скоростно-силовых движений, характерных для спортивной техники в одиночных возвратных движениях и в циклических колебательных движениях, имеет много общего. В основе его лежит перестройка биоэнергетики: изменение вклада энергии из разных источников, изменение организации управления энергетикой. Это одно из самых характерных отличий совершенствования биосистем от совершенствования технических механизмов.

Мышца в этом отношении имеет много функций:

1) генератор механической энергии из химической;

2) трансформатор механической энергии (из потенциальной в кинетическую и обратно);

3) аккумулятор упругой энергии в мышце (в резонансном режиме);

4) движитель, передающий механические усилия звеньям тела;

5) фиксатор звеньев в суставах (при опорных тягах);

6) регулятор величины и направления скорости (в биодинамически полносвязном механизме);

7) демпфер, поглощающий и рассеивающий энергию (при погашающей амортизации);

8) упругий амортизатор (создающий обратное движение в возвратном и колебательном режиме).

9) рецептор — она сигнализирует своими органами чувств (проприорецепторами) о положениях и движениях, без чего невозможно полноценное управление ими.

10) терморегулятор - превращая биоэлектрическую, химическую и механическую энергию в тепловую (и рассеивая ее). Непроизвольный тремор (дрожание) мышц на холоде. От температуры мышц зависят её свойства.