Анализ движения общего центра масс легкоатлетов-спринтеров при старте

 

Ципин Л.Л., Самсонов М.А. Анализ движения общего центра масс легкоатлетов-спринтеров при старте // Российский журнал биомеханики. – 2013. – Т. 17. – №3 (61). – С. 122-130.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

УДК 796.422.12:612.76

 

АНАЛИЗ ДВИЖЕНИЯ ОБЩЕГО ЦЕНТРА МАСС ЛЕГКОАТЛЕТОВ-СПРИНТЕРОВ ПРИ СТАРТЕ

 

Л.Л. Ципин, М.А. Самсонов

 

Национальный государственный университет физической культуры, спорта и здоровья имени П.Ф. Лесгафта, Санкт-Петербург, Россия, 190121, Санкт-Петербург, ул. Декабристов, 35, e-mail: spb_biomechanics@rambler.ru

Ципин Леонид Львович, к.п.н., профессор кафедры биомеханики, Санкт-Петербург

Самсонов Михаил Александрович, аспирант кафедры биомеханики, Санкт-Петербург

 

Аннотация. Работа относится к области биомеханики спорта и посвящена изучению кинематических характеристик движения общего центра масс (ОЦМ) спортсменов старших разрядов при выполнении старта в спринтерском беге. Рассмотрены три варианта низкого старта, отличающиеся расположением упоров стартовой колодки: сближенный, средний и растянутый. В каждом из вариантов варьировалось расстояние от переднего упора колодки до стартовой линии. Определены начальное положение, длина траектории, время движения и горизонтальная скорость ОЦМ при выходе со старта. Показана взаимосвязь между общим временем выхода со старта и временем движения ОЦМ, которое обусловлено длиной траектории ОЦМ и скоростью ОЦМ. Обнаружено, что в сближенном варианте старта при расстоянии от линии старта до переднего упора колодки в интервале от 0,50±0,01 до 0,55±0,01 м (1,7-1,9 стопы), а между упорами – 0,29 м (1 стопа) имеет место относительно небольшая длина траектории ОЦМ и достигается высокая горизонтальная скорость ОЦМ. В этом случае происходит наиболее быстрый выход со старта и стартовый разгон на первых 10 м дистанции, что делает данный вариант старта наиболее предпочтительным.

Ключевые слова: спринтерский бег, варианты старта, общий центр масс, кинематические характеристики.

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Результат в спринтерском беге во многом обусловлен действием спринтера на старте. Как отмечают многие исследователи, а также практикующие тренеры, быстрый старт существенно влияет на достижение высокой скорости в беге на 60 и 100 м [1, 3, 6, 11, 14, 15]. Эффективный выход со старта зависит от вариантов старта, которые подбираются спортсменом индивидуально с учетом антропометрических особенностей и скоростно-силовой подготовленности [5, 12, 13]. В настоящее время применяются сближенный, средний (обычный) и растянутый варианты низкого старта. Они отличаются расстоянием между упорами стартовой колодки и между линией старта и передним упором колодки.

Изучая действия спринтеров на старте, большинство специалистов рассматривают кинематические характеристики движения отдельных звеньев тела спортсмена, а также усилия, развиваемые при отталкивании от упоров стартовой колодки. Вместе с тем, представляет интерес анализ движения общего центра масс (ОЦМ) спортсмена при выходе со старта, позволяющий оценить движение его тела в целом. Сведения о таких исследованиях в отечественной специальной литературе отсутствуют, а в зарубежной представлены в ограниченном числе работ [10, 16, 17]. Одна из последних таких работ, в которой на основе высокоточной оптоэлектронной аппаратуры определялись наряду с другими характеристиками положение, скорость и кинетическая энергия ОЦМ девяти высококвалифицированных спринтеров уровня национальной сборной, была проведена французскими и швейцарскими учеными в 2012 г. [18]. Было, в частности, показано, что скорость ОЦМ при выходе со старта принимает наибольшее значение в растянутом варианте старта, однако при стартовом разгоне время на отрезке 10 м оказалось меньше для среднего и сближенного вариантов старта. Авторы отмечают, что полученные результаты могут объясняться тем, что тестируемые спортсмены применяют средний вариант старта постоянно, и он для них является привычным. В этой связи уместно предположить, что спортсмены более низкого уровня, у которых двигательный навык выполнения стартовых действий сформирован не столь прочно, смогут быстрее адаптироваться к различным вариантам старта и реализовать свои возможности в наиболее оптимальном из них. Кроме того, в каждом варианте старта существует некоторая вариация расстояния от линии старта до переднего упора и между упорами стартовой колодки, что необходимо учитывать при проведении экспериментов.

 

Целью данной работы является определение кинематических характеристик движения ОЦМ легкоатлетов-спринтеров при выходе со старта и выявление на этой основе оптимального варианта низкого старта.

 

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

 

В исследовании участвовали 10 спортсменов, студенты НГУ им. П.Ф. Лесгафта, Санкт-Петербург, специализирующиеся в спринтерском беге. Квалификация спортсменов – I разряд и кандидаты в мастера спорта. Возраст – 17-20 лет, рост – 1,70-1,85 м, масса тела – 58-89 кг. Эксперимент проводился на специально-подготовительном этапе тренировки. Изучались три варианта низкого старта, отличающиеся расположением упоров стартовой колодки: сближенный, средний и растянутый. В каждом варианте старта кроме того варьировалось расстояние от переднего упора колодки до стартовой линии. Оно менялось в большую и меньшую сторону на 0,05 и 0,010 м (рис. 1). Таким образом, в каждом варианте старта изучалось 5 расстановок упоров и, соответственно, 5 стартовых поз. Расстояние при установке упоров измерялось стопами, а также рулеткой. Длина стопы в спортивной обуви составляла в среднем 0,29 м. Измерение расстояния в стопах является традиционным в легкой атлетике и позволяет учесть индивидуальные антропометрические особенности спортсменов. Между длиной стопы и ростом, массой тела, длиной нижней конечности и длиной бедра существует положительная корреляция (r = 0,40-0.65) [4].

 

 

 

 

Рис. 1. Расположение упоров стартовой колодки при различных вариантах низкого старта

 

 

Каждому спортсмену давалась установка на максимально быстрый уход со стартовой колодки и последующее пробегание с максимальной скоростью 10 м. Определялись кинематические характеристики движения ОЦМ спринтеров при выходе со старта, а также время пробегания 10 м. Выход со старта начинался со стартового сигнала и заканчивался отрывом впереди стоящей ноги от опоры (рис. 2). Для адаптации спортсменов к различным вариантам старта с ними были проведены две предварительные тренировки.

Положение ОЦМ спринтеров определялось с использованием скоростной серийной фотосъемки цифровой камерой CASIO EXILIM Pro EX-F1 с разрешением 2816 на 2112. Частота съемки – 60 кадр/с, расстояние от камеры до спортсмена – 4 м. Камера располагалась на высоте 0,5 м, оптическая ось объектива была перпендикулярна сагиттальной плоскости тела спортсмена. В непосредственной близости за спортсменом располагался калибровочный экран. Проекции осей суставов на теле отмечались контрастными маркерами диаметром 0,003 м. Обработка фотоизображения производилась с использованием программы Photoshop CS 2. Кадрирование и регистрация координат выполнялись в масштабе 1:1.

 

 

Рис. 2. Граничные позы спортсмена при выходе со старта

 

 

Расчет координат ОЦМ производился на основе 16-и звенной модели тела человека, включающей следующие звенья: голову, верхний, средний и нижний отделы туловища; плечо, предплечье и кисть левой и правой руки; бедро, голень и стопу левой и правой ноги. Для нахождения массы звеньев и положения их центров масс применялись регрессионные уравнения, приведенные в работах Селуянова и Зациорского, которые получены на основе радиоизотопного метода определения масс-инерционных характеристик звеньев тела человека [2, 7, 19]. Расчет производился по наиболее прогностическим антропометрическим признакам спортсменов. Скорость ОЦМ (горизонтальная составляющая) определялась посредством численного дифференцирования с вычислением центральных разностных производных. Точность определения координат ОЦМ составляла не менее 0,018 м, скорости ОЦМ – 0,12 м/с [8, 9]. Время движения ОЦМ рассчитывалось как общее время выхода со старта за вычетом латентного времени стартовой реакции. Общее время выхода со старта, а также время пробегания 10 м регистрировалось с использованием комплекса аппаратуры, который включал: стартовую колодку с контактными датчиками, фиксирующими моменты отрыва от колодки впереди и сзади стоящей ноги; фотоствор с инфракрасными излучателями и датчиками, установленными на стойках высотой 1 м; 5-ти канальный электронный миллисекундомер и стартовый пистолет. Латентное время стартовой реакции определялось от стартового сигнала до начала электрической активности мышц, обеспечивающих выход со старта: большой ягодичной, двуглавой, икроножной, прямой мышц левой и правой ноги. Регистрация электрической активности мышц осуществлялась с использованием 8-и канального аппаратно-программного комплекса «Миотон» (ОКБ «РИТМ» г. Таганрог). Точность определения времени составляла не менее 0,001 с. Статистическая обработка экспериментальных данных производилась с использованием прикладного пакета STATGRAPHICS Plus for Windows.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

 

В таблице представлены кинематические характеристики движения ОЦМ спринтеров при выходе со старта с использованием сближенного, среднего и растянутого вариантов старта. Приведены как средние по 10-и спортсменам характеристики для каждой из расстановок упоров, так и средние значения по всем расстановкам для каждого варианта старта.

Начальное положение ОЦМ характеризуется расстоянием от проекции ОЦМ на опору до линии старта по команде «Внимание!». Как видно из таблицы это расстояние, на преодоление которого в начале бега затрачивается определенное время, достоверно растет при переходе от сближенного к растянутому варианту старта (p<0,001). В каждом из вариантов старта это расстояние равномерно увеличивается с удалением переднего упора от линии старта. При этом самое большое его значение в сближенном варианте старта 0,28±0,02 м соответствует самым малым значениям в среднем и растянутом вариантах старта.

 

Кинематические характеристики движения ОЦМ спринтеров при выходе со старта, М±m (n=10)

 

Вариант старта

Расстояние от линии старта до переднего упора колодки, м

Расстояние между упорами

колодки, м

Расстояние от проекции ОЦМ на опору до линии старта по команде «Внимание!», м

Длина траектории ОЦМ, м

Время движения ОЦМ, с

Общее время выхода со

старта, с

Горизонтальная скорость ОЦМ при выходе со старта, м/с

Сближенный

0,35±0,01

0,29±0,01

0,18±0,03

0,71±0,02

0,433±0,016

0,561±0,009

3,23±0,07

0,40±0,01

0,20±0,02

0,70±0,02

0,416±0,010

0,561±0,007

3,15±0,06

0,45±0,01

0,23±0,02

0,67±0,02

0,420±0,009

0,566±0,010

3,18±0,07

0,50±0,01

0,25±0,01

0,65±0,02

0,402±0,010

0,529±0,010

3,16±0,07

0,55±0,01

0,28±0,02

0,64±0,02

0,388±0,009

0,529±0,009

3,15±0,07

Средние значения

0,45±0,01

0,29±0,01

0,23±0,01

0,68±0,01

0,412±0,005

0,549±0,004

3,17±0,03

Средний

0,47±0,01

0,29±0,01

0,25±0,02

0,70±0,02

0,377±0,02

0,527±0,013

3,24±0,05

0,52±0,01

0,28±0,02

0,66±0,01

0,392±0,012

0,526±0,007

3,11±0,06

0,57±0,01

0,29±0,01

0,63±0,02

0,403±0,012

0,536±0,011

3,10±0,09

0,62±0,01

0,31±0,01

0,60±0,02

0,396±0,016

0,545±0,009

3,03±0,08

0,67±0,01

0,34±0,02

0,60±0,02

0,408±0,016

0,542±0,013

3,02±0,10

Средние значения

0,57±0,01

0,29±0,01

0,30±0,01

0,64±0,01

0,395±0,007

0,535±0,005

3,10±0,04

Растянутый

0,47±0,01

0,49±0,01

0,28±0,02

0,70±0,01

0,416±0,011

0,539±0,009

3,25±0,06

0,52±0,01

0,30±0,02

0,69±0,02

0,419±0,015

0,539±0,010

3,22±0,06

0,57±0,01

0,34±0,01

0,67±0,02

0,414±0,013

0,539±0,009

3,14±0,06

0,62±0,01

0,35±0,02

0,63±0,02

0,403±0,011

0,543±0,010

3,08±0,09

0,67±0,01

0,38±0,02

0,62±0,02

0,398±0,013

0,537±0,011

3,11±0,04

Средние значения

0,57±0,01

0,49±0,01

0,33±0,01

0,66±0,01

0,410±0,006

0,539±0,004

3,16±0,03

Примечание:  M – среднее значение, m – ошибка среднего

 

Основным критерием эффективности действий спринтера на старте служит минимальное время выхода со старта при достаточно высокой горизонтальной скорости выхода, создающей предпосылки для быстрого продолжения бега при стартовом разгоне. Из таблицы следует, что имеется значительный разброс значений общего времени выхода со старта. Средние значения этого времени достоверно различаются в сближенном и среднем, а также в сближенном и растянутом вариантах старта (p<0,05) и наименьшее из них 0,535±0,005 с наблюдается в среднем варианте.

Хотя общее время выхода со старта самое короткое в среднем варианте старта, сравнение всех его значений показывает, что ряд из них, соответствующих расстоянию от линии старта до переднего упора колодки при сближенном и среднем вариантах старта в интервале от 0,47±0,01 до 0,55±0,01 м явно меньше всех остальных и находятся в пределах от 0,526±0,007 до 0,529±0,010 с. Они достоверно отличаются от других аналогичных значений в сближенном варианте старта (p<0,01-0,05), а статистическая значимость их различий с большинством остальных составляет p=0,05-0,27, то есть достаточно высока.

Время движения ОЦМ, как следует из таблицы, имеет те же тенденции изменения, что и общее время выхода со старта. Коэффициент корреляции между ними составляет 0,73-0,92, что свидетельствует об их тесной взаимосвязи. Таким образом, именно время движения ОЦМ в основном влияет на общее время выхода со старта. В свою очередь время движения ОЦМ обусловлено длиной траектории и скоростью ОЦМ. Обнаружено, что траектории движения ОЦМ разных спортсменов имеют сходный вид. Типичные траектории ОЦМ одного из них показаны на рис. 3. Видно, что форма траекторий и кривизна их отдельных участков мало отличается. Основное различие касается длины траекторий, которая во всех вариантах старта заметно снижается при увеличении расстояния от линии старта до переднего упора колодки. Средние значения длины траектории ОЦМ достоверно различаются в сближенном и среднем, а также в среднем и растянутом вариантах старта (p<0,001). Существенно, что в сближенном варианте старта при расстоянии от линии старта до переднего упора колодки в интервале от 0,50±0,01 до 0,55±0,01 м имеет место самая малая длина траектории ОЦМ – от 0,64±0,02 до 0,65±0,02 м при наименьшем времени движения ОЦМ. Ей соответствует не самая большая, но достаточно высокая средняя скорость ОЦМ и горизонтальная скорость ОЦМ при выходе со старта – от 3,15±0,07 до 3,16±0,07 м/с. Можно предположить, что это достигается развитием спринтером необходимого импульса силы при отталкивании от упоров в течение короткого времени и указанные варианты старта являются предпочтительными.

 

 

 

Рис. 3. Траектории движения ОЦМ спринтера при выходе со старта:

I – сближенный, II – средний, III –растянутый варианты старта. A – расстояние от

линии старта до переднего упора колодки, B – расстояние между упорами колодки.

Траектории сдвинуты по оси Y одна по отношению к другой на 0,05 м

 

 

Анализ времени пробегания 10 м показал, что самый быстрый стартовый разгон – 2,18±0,020 с происходит при использовании сближенного варианта старта при тех же расстановках упоров стартовой колодки, при которых было достигнуто наименьшее время движения ОЦМ и, соответственно, общее время выхода со старта. Это подтверждает предположение об эффективности данных вариантов старта и позволяет рекомендовать их для применения в тренировочной и соревновательной деятельности.

Результаты, полученные в представленном исследовании, имеют некоторые отличия от результатов, полученных J. Slawinski et al. (2012). Во-первых, абсолютные значения кинематических характеристик движения спринтеров заметно различаются, что связано с разницей в квалификации спортсменов. Вместе с тем, положение ОЦМ спринтеров по команде «Внимание!» в обоих исследованиях совпадают. Во-вторых, время выхода со старта и скорость ОЦМ при выходе оказались выше не в растянутом, а в сближенном варианте старта. При использовании этого же варианта отмечается и наименьшее время пробегания 10 м. Такую разницу можно объяснить тем, что в работе J. Slawinski et al. (2012) при переходе от одного варианта старта к другому менялось лишь расстояние между упорами стартовой колодки, а расстояние от переднего упора до линии старта оставалось постоянным. Варьирование этого расстояния, которое имеет место на практике и учтено в настоящем исследовании, приводит к тому, что при некоторых расстановках упоров сближенный и средний варианты старта становятся близки между собой. При этом изменение расстановки упоров в каждом варианте старта существенно влияет на кинематические характеристики движения ОЦМ спринтеров. Кроме того, по видимому сказалась более быстрая адаптация относительно менее квалифицированных спортсменов к непривычному для некоторых из них варианту старта.

 

ВЫВОДЫ

 

  1. К кинематическим характеристикам движения ОЦМ спринтеров при старте, от которых зависит его эффективность, относятся время движения ОЦМ и горизонтальная скорость ОЦМ при выходе со старта.
  2. Время движения ОЦМ тесно связано с общим временем выхода со старта и принимает наименьшие значения в сближенном и среднем вариантах старта при расстоянии от линии старта до переднего упора колодки в диапазоне от 0,47±0,01 до 0,55±0.01 м (1,6-1,9 стопы), а между упорами – 0,29 м (1 стопа). В случае сближенного варианта старта при относительно небольшой длине траектории ОЦМ достигается достаточно высокая горизонтальная скорость ОЦМ.
  3. Самое быстрое пробегание отрезка 10 м происходит при использовании сближенного варианта старта при расстоянии от линии старта до переднего упора колодки в диапазоне от 0,50±0,01 до 0,55±0,01 м (1,7-1,9 стопы), а между упорами – 0,29 м (1 стопа). Данный вариант старта является наиболее предпочтительным.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

  1. Аракелян Е.Е., Филин В.П., Коробов А.В., Левченко А.В. Бег на короткие дистанции (спринт). – М.: Инфра-М., 2002. – 134 с.
  2. Зациорский В.М., Аруин А.С., Селуянов В.Н. Биомеханика двигательного аппарата человека. – М.: Физкультура и спорт, 1981. – 143 с.
  3. Книга тренера по легкой атлетике / под ред. Л.С. Хоменкова. – М.: Физкультура и спорт, 1987. – 399 с.
  4. Коннова О.В., Николенко В.Н., Сырова О.В. Корреляционные взаимоотношения размерных характеристик стопы // Успехи современного естествознания. – 2009. – № 5. – С. 122-124.
  5. Легкая атлетика / под ред. Н.Г. Озолина, В.И. Воронкина. – М.: Физкультура и спорт, 1979. – 597 с.
  6. Озолин Э.С. Спринтерский бег. – М.: Олимпия-Человек, 2010. – 176 с.
  7. Селуянов В.Н., Чугунова Л.Г. Масс-инерционные характеристики сегментов тела человека // Современные проблемы биомеханики. Сб. № 7. Биомеханика мышц и структура движений. – Н. Новгород, 1993. – С. 124-143.
  8. Ципин Л.Л., Мартынов А.С. Оценка точности кинематических характеристик бега спортсмена, полученных с помощью киносъемки // Материалы вузовской науч. конф. молодых ученых за 1988 год. – Л.: Изд-во ГДОИФК им. П.Ф. Лесгафта, 1989. – С. 66-67.
  9. Ципин Л.Л., Самсонов М.А. О точности определения положения общего центра масс тела спортсмена // Российский журнал биомеханики. – 2011. – Т. 15, №2 (52). – С. 60-68.
  10. Bezodis N., Salo A., Trewartha G. Choice of sprint start performance measure affects the performance-based ranking within a group of sprinters: which is the most appropriate measure? // Sports Biomech. – 2010. – Vol. 9. – P. 258 – 269.
  11. Coh M., Tomazin K., Stuhec S. The biomechanical model of the sprint start and block acceleration. Facta Universitatis // Physical Education and Sport. – 2006. – Vol. 4. – P. 103-114.
  12. Guissard N., Duchateau J., Hainaut K. EMG and mechanical changes during sprint starts at different front block obliquities // Med. Sci. Sports Exerc. – 1992. – Vol. 24. – P. 1257-1263.
  13. Harland M.J., Steele J.R. Biomechanics of the sprint start // Sports Med. – 1997. – Vol. 23. – P. 11-20.
  14. Korchemny R. A new concept for sprint start and acceleration training // New Studies in Athletics. – 1992. – Vol. 7. – P. 65-72.
  15. Mero A., Kuitunen S., Harland M., Kyrolainen H., Komi P.V. Effects of muscle-tendon length on joint moment and power during sprint starts // J. Sports Sci. – 2006. – Vol. 24 – P. 165-173.
  16. Schot P.K., Knutzen K.M. A biomechanical analysis of four sprint start positions // Res. Q. Exerc. Sport. – 1992. – Vol. 63. – P. 137-147.
  17. Slawinski J., Bonnefoy A., Ontanon G., Leveque J.M., Miller C., Riquet A., Cheze L., Dumas R. Segment-interaction in sprint start: Analysis of 3D angular velocity and kinetic energy in elite sprinters // J. Biomech. – 2010. – Vol. 43. – P. 1494-1502.
  18. Slawinski J., Dumas R., Cheze L., Ontanon G., Miller C., Mazure-Bonnefoy A. 3D kinematic of bunched, medium and elongated sprint start // J. Sports Med. – 2012. – Vol. 33. – P. 555–560.
  19. Zatsiorsky V.M., Seluyanov V.N., Ychugunova L.G. Methods of determining mass-inertial characteristics of human body segments // Contemporary problems of Biomechanics / ed. por G.G. Chernyi, S.A. Regirer. – Boca Raton, MA: CRC Press, 1990. – P. 272-291.

 

THE ANALYSIS OF THE TRACK AND FIELD SPRINTER’S CENTER OF MASS MOTION DURING START

 

L.L. Tsipin, M.A. Samsonov (St. Petersburg, Russia)

 

This article belongs to the area of sports biomechanics and is dedicated to the study in kinematic characteristics of the motion of the centre of mass (CM) of higher rank athletes when performing a sprint start. We have considered three crouched start position types, characterized by different positioning of pads of the starting blocks: bunch, medium and elongated. In each position, the distance from the front pad of the blocks to the starting line varied. The initial position, trajectory length, time of the movement and horizontal velocity of the CM on leaving the blocks has been evaluated. The relationship between the total time of taking off from the blocks and the time of the movement of the CM is shown to depend on the length of the CM trajectory and velocity. It has been established that, in the case of the bunch start, when the distance from the starting line to the front pad of the blocks is within the range of 0.50 ± 0.01 to 0.55 ± 0.01 m (1.7 – 1.9 feet) and the distance between the pads is 0.29 m (1 foot), the CM trajectory length is relatively small, and a high horizontal velocity of the CM is achieved. In this case, we observe the fastest leaving the blocks and start acceleration during the first 10 m of the distance, making this start type the most preferred option.

 

Key words: sprinting, start types, center of mass, kinematic characteristics.