Движущие и тормозящие силы. Как было показано раньше, перемещение тела не бывает ни без движущих, ни без тормозящих сил. Для переместительных движений характерна активная работа мышц, которые вызывают и используют внешние силы для перемещения тела в пространстве.
Увеличение мышечных сил при отталкивании и притягивании вызывает увеличение внешних сил. При наземных естественных локомоциях основная движущая сила отталкивания создается в результате так называемого заднего толчка. Поскольку при таких перемещениях тело всегда распологается над опорой, то её реакция направлена под углом вперед и вверх относительно опоры.
Принимая различные исходные положения, можно изменять угол отталкивания. В этом важную роль играют как исходное положение в суставах, так и напряжение групп мышц. Напряжение мышц-разгибателей тазобедренного сустава в случае опоры стопы может вызвать целый ряд передаточных действий, перемещающих тело вперед.
Это движение может происходить еще до завершения переката, т. е. до выхода тела вперед относительно точки опоры. В этом случае перекат выполняется активно. Общая опорная реакция (Rобщ) образуется в результате сложения реакции опоры (Rоп) от действия силы тяжести (PF) и реакции отталкивания (Rот) от действия силы отталкивания.
Угол между горизонтом и линией действия силы отталкивания называют углом отталкивания (γ). Угол между горизонтом и линией общей реакции опоры называют углом реакции опоры (β). В зависимости от угла и силы отталкивания изменяется и угол опорной реакции.
Для силы отталкивания важна подготовительная его часть, которая реализуется путем подседа на толчковой ноге. К огда скорость опускания тела при подседе большая, тогда возникают значительные тормозящие ускорения за счет напряжения мышц и силы инерции. Следовательно, при быстром подседе сильно напрягаются мышцы, которые преодолевающей работой произведут вслед за ним отталкивание, при этом еще больше увеличивается опорная реакция и давление в конце подседа. Большая опорная реакция, увеличенная в результате торможения подседания, необходима для эффективного отталкивания.
Мышцы, выпремляющие ногу, во время отталкивания передают на опору и на туловище давление, а также равные по величине и противоположные по направлению силы (Fm1 и Fm2). Давление на опору (Fm2) уравновешиваеся опорной реакцией (Rоп), а сила действия на туловище (Fm1) вызывает его соответствующее ускорение (+а), порождает движение отталкивания туловища и увеличивает скорость его движения.
Сила отталкивания может быть увеличена, если все тело человека падает на опору с известной скоростью. Кинетическая энергия падающего тела затрачивается на работу по растягиванию мышц и деформации опоры. Если опора обладает упругими свойствами, то возникающие упругие силы как опорные динамические реакции, увеличиваясь до максимума, обусловят большую силу отталкивания.
Так, чтобы увеличить опорную реакцию мостика или трамплина, гимнаст или прыгун в воду напрыгивает на упругую опору. Таков же механизм использования упругих сил шеста при прыжке в высоту с шестом. В этом случае центробежная сила тела прыгуна и сила тяжести его тела сначала сгибают шест, который, затем выпрямляясь, придает телу прыгуна необходимое ускорение.
К числу движущих сил для отдельных частей тела следует отнести и реактивную силу маха. Во время махового движения увеличиваются давление всего тела на опору и её реакция, которая нарастает лишь при ускоренном движении. Во время торможения махового движения силы инерции масс уменьшают давление на опору и саму реакцию. Необходимым условием для создания ускорения частей тела служит наличие внешних сил – реакции опоры. Маховые движения без опоры будут иметь характер встречных движений и никакого ускорения общего центра тяжести тела не вызовут.
Чтобы ОЦТ изменил движение, необходимо наличие внешней силы, приложенной к системе. Реакция опоры и является такой внешней силой, возникающей в результате действия силы тяги мышц. Из закона сохранения кинетической энергии следует, что «если сумма всех внешних и внутренних сил, приложенных к системе тел, равна нулю, то кинетическая энергия системы сохраняется неизменной».
Если учесть, что точка приложения реакции опоры при отталкивании не отрывается от опоры и путь ее равен нулю, то работа реакции опоры также будет равна нулю. Ни реакция опоры, ни ее составляющие (сила трения) сами по себе движения не вызывают. Следовательно, именно мышцы изменяют кинетическую энергию тела человека при отталкивании.
К числу тормозящих сил следует отнести силы тяжести, в результате которых тело, продвигающееся с ускорением вперед и вверх после толчка, раньше или позже опустится на землю в направлении вперед и вниз. После момента соприкосновения тела с опорой наступит фаза амортизации, в результате которой уступающая работа мышц поглощает энергию движения тела вниз и отчасти вперед, прекращая его дальнейшее опускание.
Направлением опорной реакции при переднем толчке всегда определяется тормозящее действие опоры. Чем ближе к проекции общего центра тяжести тела на опору располагается точка приземления, тем меньше горизонтальная составляющая опорной реакции. Если точка приземления лежит на линии движения ОЦТ в момент приземления, то сила инерции тела и силы реакции опоры расположены на одной линии; опорная реакция здесь проходит через ОЦТ. Когда точка приземления лежит не на направлении движения ОЦТ и опорная реакция не проходит через него, то возникают силы, вызывающие вращающий момент.
В зависимости от активных движений приземляющейся ноги опорная реакция может пройти дальше или ближе позади общего центра тяжести. Тогда возникает соответствующий вращающий момент, опрокидывающий вперед. Приземление со «стопорящим» передним толчком сразу отклоняет опорную реакцию назад.
Во всех случаях, даже при «подгребающем» движении ноги, опорная реакция вначале наклонена больше вперед, в фазе амортизации опора тормозит продвижение тела вперед. Иначе говоря, всегда, за исключением стартового разгона, имеет место передний толчок. Если было бы возможно приземление без переднего толчка, то ряд задних толчков в последовательных шагах позволил бы наращивать скорость беспредельно.
Однако даже в самых выгодных условиях наращивания скорости с низкого старта она перестает увеличиваться после определенного отрезка разгона, когда тело бегуна перестает выпрямляться. Это значит, что сумма горизонтальных составляющих ряда задних толчков (движущие силы) стала равна сумме горизонтальных составляющих передних толчков в этих же циклах шагов и силы сопротивления среды (тормозящие силы).
Предположение, что реакция опоры всегда проходит через ОЦТ, породило неверное представление о том, что при приземлении строго в точку опоры под ОЦТ никогда не возникает горизонтальной составляющей реакции опоры. Отсюда возникло и неверное предположение о возможности бега без тормозящего эффекта передних толчков.
