Биомеханические принципы конструирования спортивного инвентаря и оборудования

Под спортивной экипировкой подразумевают инвентарь, снаряды, защитные средства, любые мячи или инженерно-технические средства передвижения, используемые в спорте. Для того, чтобы создать участникам соревнований равные условия во всех видах спорта, установлены правила, определяющие различные характеристики спортивной экипировки, и в частности, такие, как масса, размеры и конструкция. Например, в шоссейных гонках разрешается использовать велосипеды любой конструкции, которые могут быть снабжены переключателями соотношения скоростей, тормозами и другими приспособлениями, но при условии, что велосипеды приводятся в движение только мышечной силой и не имеют приспособлений для уменьшения сопротивления воздуха.

Техническим регламентом Международного союза велосипедистов (UCI) установлены следующие основные ограничения:

• * длина велосипеда (EF) не должна превышать 200 см, а ширина — 50 см;
• * расстояние между осью каретки и поверхностью земли (DA) — не менее 24 см и не должно превышать 30 см;
• * расстояние между вертикалями, проведенными через ось каретки и оси переднего колеса (АВ), — не менее 54 см и не более 75 см;
• * расстояние между вертикалями, проведенными через крайнюю точку передней части седла и через ось каретки, не должно превышать 135 см;
• * расстояние (АС) между вертикалями, проведенными через ось каретки и ось заднего колеса, не должно быть менее 350 мм и не более 550 мм;
• * разрешается использование колес разного диаметра (550— 700 мм), компактных (дисковых) и со спицами. Количество спиц не регламентируется;
• * в определенных видах гонок разрешается использование руля в виде «рогов быка» и дополнительного прикрепленного выступающего вперед дугообразного упора, который называется «Триатлет». Одним из важных решений руководящего комитета UCI является разрешение вносить и утверждать какие-либо изменения в конструкцию велосипеда через каждые два года. Специалисты практически ничего не могут сделать для улучшения некоторых видов экипировки, например, восьмикилограммового ядра, которое не отличается высокой аэродинамичностью, а в другие виды они могут внести много усовершенствований, способных улучшить спортивную работоспособность. Так, старые правила в метании копья оговаривали массу и размеры снаряда, однако в них почти ничего не было сказано о его конструкции.

Впоследствии конструкторы создали копье с такими аэродинамическими свойствами, что его можно было послать за 90 м, и в некоторых местах проведения соревнований оно могло залететь даже в сектор со зрителями. Позднее правила в этом виде спорта были изменены, и в частности, в них было внесено ограничение, касающееся конструкции копья. Спортивная экипировка создается как для обеспечения комфорта и безопасности, так и для повышения спортивной работоспособности. Изменения в дизайне зависят от потребностей спортсмена.

Так, манипулируя размерами и эластическими свойствами мячей, можно изменять скорость их полета после нанесения удара. Например, в бейсболе нападающие игроки предпочитают упругий, быстро отскакивающий мяч, тогда как принимающие игроки — менее упругий. В настоящее время, рассматривая вопросы повышения работоспособности спортсменов с использованием спортивной экипировки, можно выделить несколько направлений. Спортивные снаряды. Если в каком-то определенном виде спорта целью является увеличение дальности или точности полета спортивного снаряда, то для достижения этой цели модифицируются снаряды. Так, дальность полета копья может быть заметно увеличена за счет сглаживания его хвостовой части, в результате чего улучшаются аэродинамические свойства, обеспечивающие более выраженный аэродинамический эффект.

К выраженному росту спортивного мастерства копьеметателей привело использование планирующих копий. Изменение конструкций копий повлекло за собой изменение техники, методики тренировки и способствовало росту спортивных результатов. За счет изменения количества и конфигурации углублений на поверхности мяча для игры в гольф появилась возможность существенно влиять на сопротивление воздуха и тем самым увеличивать дальность полета мяча. Один из образцов такого мяча имеет даже встроенный гироскоп, способствующий снижению кривизны движения мяча и повышению точности его посыла.

Однако использование мячей такого типа в условиях спортивных соревнований запрещено. Аналогичный дизайн применяется и в американском футболе, что позволяет мячу лететь по спирали (Уильяме, 1997). В спортивной гимнастике прогресс во многом определяют изменение конструкций гимнастических снарядов; применение дополнительных приспособлений, способствующих появлению большого количества сложных, оригинальных элементов, связок и соединений, которые высоко оцениваются судьями. Модификация конструкции коня для махов — укорочение крупа, изменение конфигурации ручек и др. привели к тому, что весь снаряд в целом стал биомеханически целесообразной, удобной конструкцией. Это расширило творческие возможности тренеров и спортсменов в отношении разработки и разучивания новых элементов, позволило более эффективно совершенствовать технику, полней использовать анатомо-морфологические и конституционные возможности тела гимнастов.

Укорочение коня для прыжков, изменение его конфигурации, устранение ограничений для постановки рук на коне, модернизация гимнастического мостика, внедрение эластичных дорожек для разбега значительно расширили возможности гимнастов в опорных прыжках. Благодаря этому повысилась зрелищность соревнований, уменьшилось количество травм. Увеличение эластичности и изменение конфигурации жердей гимнастических брусьев привели к появлению элементов и упражнений, выполняемых с большим махом. Модификация тросовой конструкции, жердей, подвижность стоек брусьев позволили тренерам и спортсменам значительно повысить сложность спортивной техники. Применение новых конструкций гимнастических накладок (с валиком) при выполнении упражнений на перекладине дало возможность тренерам и спортсменам разработать большое количество сложных и оригинальных элементов, связок и соединений.

Это — элементы, выполняемые большим махом, перелеты через перекладину, различные варианты больших оборотов на одной руке и др. На совершенствование техники спортивной гимнастики существенно повлияли изменения бревна (добавилось мягкое, эластичное покрытие), ковра для выполнения вольных упражнений (синтетическое покрытие, резко увеличившее амортизационные свойства и позволившее разработать и внедрить сложнейшие элементы — двойное сальто, тройное сальто, сальто с пируэтами и др.), различных вспомогательных конструкций и инвентаря — гимнастических матов, ям для приземления.

При разработке инвентаря и оборудования для видов спорта, в которых на спортивный результат очень влияют условия взаимодействия спортсмена со спортивным снарядом (прыжки с шестом, стрельба из лука, теннис, настольный теннис, метание копья, спортивная гимнастика, тяжелая атлетика, хоккей на льду, хоккей на траве), следует придерживаться ряда биомеханических требований:

• * обеспечение соответствия или, по крайней мере, пересечения частотных диапазонов колебаний биомеханической системы или биокинематической цепи спортсмена, контактирующей со спортивным снарядом, и самого снаряда;
• * амплитудные параметры механических величин при взаимодействии не должны превышать физиологический и биомеханический диапазоны (адаптацию биологической системы), при которых возможны необратимые изменения (условие механической толерантности тела спортсмена);
• * в процессе взаимодействия со спортивным снарядом должно сформироваться движение, биомеханические параметры которого для планируемого спортивного результата соответствуют или превышают выявленные для данного вида спорта тенденции изменения параметров движения с ростом результативности выполнения соревновательных упражнений;
• * в игровых видах спорта упруговязкие характеристики спортивного инвентаря должны обеспечивать максимально возможную скорость полета мяча, волана или шайбы при данном уровне технической и физической подготовки спортсменов (Попов, 1992).

Используемый спортивный инвентарь также представляет значительный интерес для исследователей. Размеры и композиция такого инвентаря могут влиять на его ударные характеристики. Экспериментально установлено, что алюминиевая бита может придать бейсбольному мячу большую скорость, чем деревянная. По сути, однородный состав биты обеспечивает более эффективный центр нанесения удара, в результате чего в меньшей степени возникает вибрация и затрачивается энергия на удар, а следовательно, мяч летит гораздо быстрее. Этот центр удара иначе еще называют «сладким пятном» (Уильяме, 1997). Клюшки для игры в гольф и другой ударный спортивный инвентарь могут быть также изменены в конструкции согласно этому принципу. В велосипедном спорте постоянный поиск оптимальных, легких и надежных вариантов конструкций велосипеда направлен на его узловые части: передний кареточный узел (переключатель, шатун, педали, ведущие шестерни и др.). «Педаль-велотуфля» представляет собой принципиально новую конструкцию, составляющую единое целое. Замок педали закрепляет велотуфлю по принципу, используемому в горных лыжах. Велотуфля надежно сцепляется с педалью, но в случае падения нога легко освобождается.

В легкой атлетике на рубеже 1950;х годов в прыжках с шестом начали использоваться металлические шесты, которые в сравнении с бамбуковыми отличались повышенной жесткостью. Это привело к значительному изменению техники: прыжок приобрел выраженный маховый характер, изменились требования к уровню специальной подготовленности спортсменов, их конституциональным особенностям. Успеха в этом виде спорта стали добиваться атлеты высокого роста. Использование металлических шестов привело к росту мировых и национальных рекордов. Однако пятиметровый рубеж в прыжках с шестом был превзойден с использованием уже синтетических шестов. Эти шесты по своим качествам существенно отличаются от металлических эластическими характеристиками — большим изгибом и высокими катапультирующими свойствами. Особенности шеста предъявили новые требования к спортивной технике, уровню специальной подготовленности спортсменов, повлияли на методику тренировки, что привело к новому скачку результатов от пятиметровой к шестиметровой высоте. Убедиться в огромном влиянии спортивного инвентаря на спортивную технику и результат в этом виде соревнований.