Система «тяжелоатлет — штанга» как система автоматического управления

Системой называется совокупность элементов, взаимосвязанные функции которых координированы для выполнения определенной общей задачи. Для успешного выполнения двигательной задачи тяжелоатлет, взаимодействующий с механическим устройством — штангой, должен учитывать ее динамические свойства и соответственно координировать свои движения. Согласно приведенному выше определению, движение тяжелоатлета и штанги есть движение системы. В этой системе тяжелоатлет выступает как источник энергии, приводящий в движение штангу, и вместе с тем как регулятор, дозирующий эту энергию. Система «тяжелоатлет — штанга» является системой автоматического управления с внутренними и внешними обратными связями.

Управление движением системы «тяжелоатлет — штанга» осуществляется по принципу программного управления (внутренняя модель, по Н. А. Бернштейну). Любая точка штанги перемещается в основном в сагиттальной плоскости. Для анализа движений спортсмена важно знать две составляющие этого движения — вертикальную и горизонтальную. Задача управления движением в вертикальном направлении заключается в том, чтобы поднять штангу на нужную высоту с требуемой скоростью. Задача управления движением в горизонтальном направлении состоит в создании наиболее выгодных угловых соотношений в работающей кинематической цепи тяжелоатлета, обеспечивающих выполнение упражнения с наименьшим расходом энергии, а также в удержании вертикальной проекции центра тяжести системы в пределах имеющейся эффективной площади опоры (точнее — в пределах поля устойчивости) для сохранения равновесия.

По Н. М. Амосову, программа обусловливает закономерность изменения системы в пространстве и времени. Программа заложена в структуре самой системы и реализуется при определенных внешних воздействиях. Человек обладает множеством программ, которые создаются в процессе развития его организма под влиянием внешних воздействий. Двигательные программы непрерывно качественно видоизменяются и совершенствуются в ходе тренировки.

Необходимым условием формирования программ является наличие определенного объема информации.

Система «тяжелоатлет — штанга» характеризуется способностью к самонастройке. Такие системы называются в кибернетике самоорганизующимися. В процессе работы этих систем возможны различные включения, переключения, выключения отдельных элементов, а также изменение их взаимодействия и самой структуры (Э. Мишкин, Д. Бреун).

Самоорганизация, или самонастройка, в самой системе «тяжелоатлет — штанга» может происходить в основном за счет совершенствования движений тяжелоатлета в результате поиска лучшего варианта. Мотивом такой самоорганизации является необходимость достижения цели с наибольшей экономичностью в расходовании энергии и наилучшим качеством регулирования движений. Процесс овладения спортивной техникой — пример работы такой системы. Совершенно очевидно, что длительность освоения спортивной техники во многом зависит как от индивидуальных качеств тяжелоатлета, так и от знаний и опыта тренера, который должен подсказывать спортсмену пути быстрейшего становления мастерства.

Система автоматического управления действует всегда так, чтобы свести к нулю разность между величиной требуемой и величиной действительной. В самоорганизующейся системе, как уже отмечено выше, происходит непрерывная «подстройка» параметров. Например, тяжелоатлет при недостаточной скорости штанги может выполнить упражнение за счет более глубокого подседа, при выжимании штанги отклонить туловище и др. Во многих случаях такие действия могут быть и не предусмотрены двигательной программой.

Одна из важнейших характеристик системы автоматического управления — частотная ее характеристика.

Она определяет возможности системы отрабатывать без искажений входные сигналы нужной частоты. Чем выше частота, которую должна воспроизвести система, тем более высоким быстродействием она должна обладать. Это в полной мере относится и к системе «тяжелоатлет — штанга». Давно замечено, что чем выше скоростные способности спортсмена, тем лучше у него спортивный результат (при прочих равных условиях).

Стальной гриф штанги, на концах которого устанавливаются диски, прогибается во время упражнения и приводит диски в колебательное движение. В настоящее время установлено, что выполнение упражнения тяжелоатлетом более эффективно, если он правильно использует упругие свойства грифа, т. е. учитывает колебательные движения дисков штанги. Следовательно, тяжелоатлет должен иметь соответствующие скоростные способности, чтобы реагировать в нужный момент на такие движения дисков штанги. Излишне говорить о том, насколько важно развивать эти способности. Частотная характеристика тяжелоатлета определяется во многом типом его высшей нервной деятельности и физическим развитием.

Движения тяжелоатлета есть результат действия внешних и внутренних сил. Одни внешние силы действуют постоянно, например, сила тяжести спортсмена, другие — временно, только при выполнении упражнения, например вес штанги, ее сила инерции, некоторые составляющие реакции опоры.

К внутренним силам относятся силы тяги мышц, которые перемещают отдельные звенья кинематической цепи тяжелоатлета. Управление этими перемещениями осуществляется центральной нервной системой на основе информации, получаемой от специальных датчиков — мышечных, сухожильных и суставных рецепторов.

Мышцы могут работать в различных режимах. Основные из них три, при которых проявление силы происходит: 1) без изменения длины мышц (статический, или изометрический, режим), 2) при уменьшении длины мышц (преодолевающий, или миометрический, режим), 3) при удлинении мышц (уступающий, или плиометрический, режим).

Предельная величина силы, проявляемой в очень медленных движениях, сравнительно мало отличается от предельной величины силы, проявляемой в изометрических условиях. При быстрых движениях предельная сила значительно уменьшается с повышением скорости. При уступающем режиме проявляемая сила может превосходить по величине силу, проявляемую при статическом режиме, в 2 раза (В. Коренберг).

При выполнении тяжелоатлетических упражнений имеют место все режимы работы мышц. В соответствии с определенным режимом мышечной работы различают статические и динамические силовые способности тяжелоатлета. От первых зависит способность его развивать силу в тех или иных позах, от вторых — способность сообщать штанге ускорение при подъеме. Статическая сила измеряется обычно динамометрами, динамическая может быть определена, например, с помощью аксельрометров (датчиков ускорения) или расчетным путем.

Статическая сила тяжелоатлета, измеренная в ряде поз, которые он проходит при распрямлении из стартового положения до полного выпрямления, непрерывно увеличивается (Л. Н. Соколов). Объясняется это тем, что рычаги кинематической цепи тяжелоатлета (голень, бедро, туловище) при каждой очередной позе все больше приближаются к вертикальному положению, динамическая же сила при том же распрямлении из стартового положения уменьшается. Подробнее об этом будет сказано в последующих главах.

Управление мышцами, как уже говорилось ранее, осуществляется центральной нервной системой.

С точки зрения биокибернетики, управление представляет собой организацию целенаправленных воздействий, результатом которых является переход системы из одного состояния в другое (Р. Гранит). Изменение состояния системы может выразиться как в механических перемещениях, так и в сложнейших психофизиологических процессах, связанных с изменением активности нервных клеток мозга вследствие восприятия управляющего воздействия. Изменение состояния объекта является целью и, следовательно, конечным результатом процесса управления.

Любой процесс управления включает в себя ряд преобразований информации, циркулирующей от одной подсистемы к другой по контуру управления. Время цикла управления, точность и надежность работы всей системы определяются особенностями тяжелоатлета как подсистемы управления. Он принимает информацию, анализирует ее, вырабатывает управляющие командные воздействия и координирует работу всех элементов системы, связывая ее в единое целое. Пластичность «сенсорного входа» позволяет спортсмену принимать информацию как непосредственно от технического объекта (штанги), так и косвенно, например с помощью приборов. Поэтому процесс управления он может оценивать по тем или иным признакам в широких пределах и достаточно точно. Как элемент системы управления тяжелоатлет может объединять отдельные сигналы в целостную структуру, что позволяет находить наиболее экономные способы получения и использования информации.

Главные элементы координации движений должны обеспечивать следующее (В. М. Дьячков):

• а) придавать движению специфические форму и характер, а также определять особенности структуры движений;
• б) предопределять желаемое развитие и использование активных и реактивных сил, т. е. обусловливать внутризвеньевое развитие заданной динамики движений;
• в) служить в фазе развития максимального усилия средством оптимального увеличения быстроты наращивания мышечных напряжений и повышения их реактивности.

Реализация перечисленных требований дает возможность определить оптимальную структуру движений.

Взаимодействие тяжелоатлета со штангой с позиций кибернетики можно рассматривать как взаимодействие психофизиологического контура управления с техническим контуром. Качество управления движением зависит от психофизиологического контура, основными показателями которого являются так называемая полоса пропускания, диапазон чувствительности, различающая и пропускная способность.

Полоса пропускания — это частотный диапазон сигналов, адекватно воспринимаемых анализаторами (зрительными, слуховыми, тактильными и др.).

Не всякий раздражитель, воздействующий на анализатор, вызывает ощущение. Чтобы оно возникло, раздражитель должен обладать определенными свойствами и иметь определенную интенсивность воздействия. С другой стороны, воздействие, превышающее известный предел по интенсивности, нарушает деятельность анализатора. Интервал от минимальной до максимальной адекватно ощущаемой величины определяет диапазон его чувствительности.

Различающая способность — это способность тяжелоатлета воспринимать отдельные сигналы в пределах полосы пропускания, т. е. различать их, отличать друг от друга, позволяя судить о том, какая информация будет восприниматься ею как отдельный сигнал. Таким образом, если полоса пропускания характеризует общую длину «шкалы» воспринимаемых подсистемой сигналов, то различающая способность — величину «делений» этой «шкалы».

Под пропускной способностью понимается максимальный объем информации, без искажения принимаемый, перерабатываемый и передаваемый подсистемой в единицу времени.

На основании многочисленных экспериментов установлено, что для человека максимальная скорость приема информации относительно постоянна. Поэтому эта скорость служит показателем пропускной способности человека.

Таковы основные характеристики тяжелоатлета как одной из подсистем регулирования.

Рассмотрим теперь некоторые свойства другой подсистемы регулирования — штанги, состоящей из упругого грифа, на концах которого укреплены тяжелые диски.

Из теории колебаний известно, что устройства, обладающие массой и упругостью, способны совершать механические колебательные движения. Такие движения штанги могут быть с успехом использованы для повышения спортивного результата. Но прежде чем говорить об этом, напомним основные закономерности данных движений.

Представим себе стальную балку, один конец которой жестко закреплен в стене. Такая балка называется консолью. Если на ее свободный конец положить груз, он опустится, балка изогнется. Опускание конца балки увеличивается пропорционально весу груза. Прогиб балки, остающийся после того, как она уравновесится, называется статическим прогибом, а вес груза, необходимый для получения так называемой стрелы прогиба в 1 см, — коэффициентом жесткости. Если теперь подтолкнуть груз, например, книзу, то он придет в движение. Опускаясь вниз, груз будет изгибать балку до тех пор, пока его скорость не станет равной нулю (крайнее нижнее положение). С этого момента груз начнет двигаться вверх с возрастающей скоростью. Исходного положения (равновесия) он достигнет при скорости, которая была сообщена ему в начальный момент. Пройдя положение равновесия, груз будет подниматься вверх уже с уменьшающейся скоростью, которая станет равной нулю в крайнем верхнем положении. Рассмотренные колебания груза называются свободными колебаниями.

Существуют еще вынужденные колебания системы, которые возникают под действием внешней силы. В этом случае параметры движения системы зависят от параметров внешней периодической силы, которая заставляет систему совершать вынужденные колебания. Эта периодическая сила называется возмущающей силой.

Для выяснения некоторых закономерностей вынужденных колебаний рассмотрим простую систему «пружина — груз». Если совершать качательные движения рукой, которая держит свободный конец пружины, то груз, прикрепленный к другому ее концу, будет совершать вынужденные колебания вверх и вниз. Меняя частоту раскачивания, можно увеличивать или уменьшать амплитуду колебаний. Пока частота движений руки мала (медленные движения), груз перемещается практически так же, как и рука, не деформируя пружину. По мере увеличения частоты движений руки амплитуда колебаний груза значительно возрастает. В некоторый момент она становится максимальной (резонанс), после чего начинает уменьшаться. Резонанс наступает тогда, когда частота колебаний возмущающей силы равна частоте собственных колебаний системы. При очень высокой частоте колебаний руки (быстрые движения) груз практически будет неподвижен.

Следовательно, характер колебания груза зависит от движений руки, и, изменяя эти движения, можно управлять колебаниями груза. Таким образом, целенаправленно воздействуя на гриф штанги, можно получить нужные колебания ее дисков.

С увеличением частоты период колебаний уменьшается.

Период колебаний штанги зависит от ее веса, расстояния между центрами тяжести левой и правой групп дисков (рабочая длина грифа), от диаметра грифа, его материала, а также качества изготовления. Наибольшее влияние на колебания штанги оказывает рабочая длина грифа и его диаметр (при прочих равных условиях). Анализ колебаний штанг различных конструкций показал, что период колебаний их при одном и том же весе неодинаков. Штанги «Berg» и «Schnell» имеют период колебаний на 25—30% больший, чем штанга «Ленинград». Объясняется это тем, что рабочая длина грифа штанги «Ленинград» меньше, а диаметр больше, чем у зарубежных штанг. Такое несоответствие создает значительные трудности для тяжелоатлета, поскольку требует существенной перестройки ритма движения при выполнении упражнений с непривычной штангой. Это может привести к срывам на соревнованиях, если тяжелоатлет раньше с такой штангой не тренировался или тренировался недостаточно.

Можно ли успешно соревноваться, применяя штангу «Berg» или «Schnell», если тренировки ведутся с использованием штанг «Ленинград»? Безусловно, можно, но надо сделать так, чтобы периоды колебаний снарядов были примерно одинаковыми. Для этого на втулку грифа нужно надеть кольца толщиной 6—8 см, что увеличит его рабочую длину, а уже затем — диски.

В чем преимущество штанг с большим периодом колебаний дисков? Во-первых, такой период дает возможность тяжелоатлету достаточно точно ощущать эти колебания и исходя из этого производить свои движения. При малом периоде колебаний такую дифференцировку осуществить трудно. Во-вторых, значительная амплитуда колебаний дисков, имеющих благодаря упругим свойствам грифа большую скорость движения, существенно облегчает выполнение упражнения.

И, в-третьих, чем больше период колебаний, тем выше динамичность воздействия тяжелоатлета на снаряд (И. П. Жеков). При одинаковом характере движений тяжелоатлета со штангой одного и того же веса динамичность его воздействия на снаряд будет значительнее при использовании штанги, имеющей больший период колебаний. Наилучший эффект будет достигнут при условии, если период движения атлета равен периоду колебаний штанги, т. е. в случае резонанса.