Динамическая электростимуляция экспериментальный метод построения модельных характеристик высококвалифицированных спортсменов Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ДИНАМИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯЦИЯ -ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫСОКОКВАЛИФИЦИРОВАННЫХ СПОРТСМЕНОВ

Аннотация

В статье рассмотрен метод, который может быть использован для определения модельных показателей спортсменов высокой квалификации непосредственно во время выполнения специальных двигательных действий. Смысл его заключается в создании такой двигательной «среды», при которой спортсмену может быть привнесена дополнительная энергия в моменты главных (синергитических) напряжений ведущих мышечных групп. Определены условия организации использования указанного подхода. На примере лыжных гонок показано применение предложенного метода при передвижении спортсменов на тредбане и в естественных условиях на лыжероллерах с использованием специального устройства дополнительной энергии - компактного электростимулятора. Обнаружены позитивные изменения физиологических и биомеханических параметров движения высококвалифицированных спортсменов, которые являются рекордными для данного спортсмена в настоящий момент времени и могут быть приняты за модельные. Уточнено понятие динамической электростимуляции

Abstract

In article describe the method which can be used for definition of modeling parameters of athletes of high qualification directly during performance of special impellent actions is considered. The sense of it consists in creation of such impellent «environment» at which to the sportsman additional energy can be introduced at the moment of main pressure of conducting muscular groups. Conditions of the organization of use of the specified approach are determined. By the example of ski races application of the suggested method is shown at movement of athlete on treadmill and in natural conditions. Positive changes of physiological and biomechanical parameters of movement of highly skilled athlete which are record for the given athlete at the moment time are found out and can be accepted for modeling. The concept of dynamic electrostimulation is specified

Ключевые слова: моделирование, модельные характеристики, динамическая электростимуляция

Спортивной педагогике впервые понятие динамической электростимуляции было введено профессором И.П. Ратовым [6, 5].

Слово «динамическая» определяет не характер электрического импульса, а методику применения уже известного в то время метода электростимуляционного воздействия на организм человека. Динамическая электростимуляция применяется непосредственно во время выполнения двигательного действия. Эффект, производимый при использовании электростимуляции при выполнении движения, значительно более выраженный по сравнению с применением в покое.

Показатели, определяющие основную цель двигательного действия, улучшались не только в процессе электростимуляционного воздействия, но и в значительный временной период последействия.

Эффекты последействия были настолько сильными, что применение метода «динамической электростимуляции» до начала соревнований существенно влияло на распреде-ние мест [4, 7] во время их проведения.

При использовании динамической электростимуляции необходимо выполнить несколько условий:

- должно быть определено «главное звено» движения, будь то циклическое или однократно выполняемое двигательное действие;

В.Л. РОСТОВЦЕВ, П.В. КВАШУК, ВНИИФК

- выявлена группа мышц, определяющая структуру и этого звена;

- электрический сигнал должен быть подан в начале движения, а именно его «главного звена», заполнить его от начала до завершения, быть достаточно мощным.

Следует заметить, что в некоторых инструкциях по применению того или иного прибора - электростимулятора -в последние годы можно встретить термин «динамическая электростимуляция». Однако речь, как правило, не идет

о методике применения, поскольку все методики по сжиганию жира, коррекции фигуры или исправлению ее недостатков и т.п. сводятся только лишь к выбору формы электрического импульса и проводятся в состоянии покоя. Авторы считают, что различная форма импульса по разному влияет на мышечно-жировые слои организма человека. Форма импульсов может быть прямоугольной, синусоидальной, меняться по другим тригонометрическим законам, запрограммировано нарастать, снижаться и т.п. Так как в этих случаях можно говорить о динамике изменения форм и характера электрического импульса.

Моделирование как раздел науки развивается в нашей стране еще с первой половины прошлого столетия. Одним из основоположников моделирования был академик М.В. Келдыш. Он же создал институт прикладной матема-

(ШИ

тики российской академии наук (РАН). Позже появляется институт математических проблем биологии РАН в Пущи-но. Как видно из названий, все это относится к математическому моделированию, которое распространяется практически на все процессы жизнидеятельности человечества. Безусловно, это относится и к естествознанию, в частности, спортивной физиологии и педагогике.

Под математической моделью понимают описание средствами математики исследуемого явления или устройства, т.е. построение математической модели и последующее ее изучение при помощи ЭВМ [1].

В практике спорта имеется своя специфика. Описать движения человека, особенно в спорте и, тем более, в спорте высших достижений средствами математики в настоящее время можно только приближенно и возникающие при этом погрешности не дают каких-либо преимуществ по сравнению с другими способами моделирования. Кроме того, педагогическая деятельность подразумевает влияние на организм спортсмена большого многообразия тренировочных воздействий в течение, порой, многих лет. Поэтому, как правило, математические модели в спорте имеют весьма упрощенный вид.

Нам представляется, что в области спорта есть следующие подходы к построению моделей подготовки и определению модельных показателей различных сторон подготовленности:

- экспериментальный;

- математический;

- эмпирический.

Экспериментальный поставлен нами на первое место потому, что мы не встретили никаких упоминаний о таком подходе и терминологии в литературе, хотя он являются более точным и индивидуальным. Он может быть применен только для определения модельных характеристик подготовленности конкретного спортсмена и только самим спортсменом. Если таким спортсменом является чемпион и какая-либо характеристика, полученная в ходе эксперимента, соответствует наивысшему спортивному результату, она может быть принята в качестве модельной не только для него, но и для группы спортсменов близкой квалификации. К недостатку этого метода можно отнести необходимость использования дополнительного оборудования.

Основным принципом экспериментального моделирования, является создание условий для достижения рекордного результата в структуре специальных двигательных действий.

Основоположником такого подхода в области спортивной тренировки является И.П. Ратов. При этом спортсмен должен реализовать рекордный интегральный (основной соревновательный) показатель (например, скорость в беге, дальность полета снаряда в метаниях или количество оборотов в сальто) за счет превышения напряжения лимитирующих (ключевых) групп мышц по сравнению с достижением в обычных условиях.

Такие эксперименты могут быть организованы на основе использования устройств, привносящих в двигательный

процесс дополнительную энергию или снижающих действие препятствующих сил (например, силы гравитации), или дающих дополнительную информацию. Такими устройствами, например, могут быть облегчающая подвеска, рекуператоры энергии, динамическая электростимуляция, устройства дополнительных обратных связей и др.

Например, если бегуну искусственно с помощью облегчающей подвески уменьшить силу гравитации при передвижении на тредбане, установив при этом рекордную скорость движения ленты (бега), он будет вынужден перемещать свои конечности с большими скоростями и ускорениями, что является лимитирующим фактором достижения наивысшего результата в беге. Исследователю в таком экспериментальном моделировании наглядно представлена не только биомеханическая структура рекордного результата, но и сопутствующая ей динамика биохимических, физиологических изменений в работе лимитирующих звеньев.

В других циклических видах спорта, например, в лыжных гонках, велосипеде, гребле и др., где лимитирующей фазой является фаза отталкивания, целесообразней применение динамической электростимуляции. При этом в работу основных групп мышц вовлекаются дополнительные резервы и в результате добавки импульса силы ^(), где F - сила отталкивания, 1 - время отталкивания, получаем прибавку в скорости ^ ( = т XV, где т - масса тела спортсмена (в данном случае она неизменна), V - скорость движения. Теперь мы можем оценить модельные (рекордные) изменения в лимитирующих звеньях.

При этом электрическая активность работающих мышц увеличивается при максимальных усилиях после проведения электростимуляции, в работу включается большее количество двигательных единиц, уменьшается время проявления усилия, увеличивается скорость нарастания усилия (градиент силы, рис. 1). Подобный подход применим и в скоростно-силовых, сложно-координационных, игровых видах спорта и единоборствах.

Математические методы менее точны, так как при их использовании приходится применять инструменты приближения, сглаживания, усреднения и т.п. Однако они не требуют применения дорогостоящего оборудования и привлечения других экспериментальных атрибутов, кроме того, могут быть использованы гораздо шире. Что касается человеческого организма, особенно при выполнении им рекордного спортивного упражнения, получение точной математической модели, описывающей этот процесс, представляется очень сложным, однако в спортивной педагогике использование математического моделирования необходимо.

Третьим подходом к построению моделей является эмпирический, т.е. основанный на практическом опыте ранее полученных результатов. Он наиболее распространен в спортивной педагогике по следующим причинам. Тренер, зная в той или иной степени своего спортсмена (т.е. исходя из опыта использования объемов и структуры подготовки), постепенно повышает нагрузку, соблюдая при этом основ-

Рис. 1. Электромиограммы 4-главой мышцы бедра (I, III) и 3-главой мышцы плеча (II, 1У) до (I, II) и после электростимуляции (III, ТТ) в фазе отталкивания при передвижении на лыжероллерах в подъем 8 градусов

ные принципы тренировки [2, 3, 8], стремится оказать такое воздействие на организм спортсмена, которое позволит достичь наибольшего сдвига в уровне подготовленности, избежав переутомления. Такой подход, хотя и имеет, как правило, в своем арсенале математические (арифметические) методы, нельзя отнести к математическому моделированию. Представляется, что те направления моделирования, которые несут в себе хоть некоторые черты эмпирического, правильней отнести к последней группе.

Экспериментальный метод моделирования на основе использования динамической электростимуляции можно продемонстрировать на примере лыжных гонок.

Исследование проведено на группе квалифицированных лыжниках-гонщиках (14 спортсменов квалификации

I разряда, КМС и МС). Эксперименты проведились при передвижении на лыжах и лыжероллерах в естественных условиях. Был использован портативный автономный электростимулятор, разработанный инженером ВНИИФКа В.А. Артамоновым.

Главным звеном передвижения на лыжах были определены двигательные действия, выполняемые спортсменом во время фазы отталкивания. Ведущей группой мышц здесь является 4-главая мышца бедра. Далее необходимо было осуществить устойчивую и надежную подачу электрического импульса на эти мышцы точно в начале отталкивания левой и правой ногами при передвижении классическим и коньковым ходами. Эта задача была решена следующим образом. Было обнаружено, что момент начала отталкивания ногой совпадает с моментом соприкосновения с опо-

рой при перемещении вперед (элемент маха вперед) другой ноги. Таким образом, синхронизация периодичности подачи электрического сигнала на 4-главую мышцу бедра в начале отталкивания при передвижении классическим ходом была реализована с помощью контактных датчиков, закрепленных на ботинках и лыжах испытуемых. Запуск производился поочередно на каждую ногу в момент «отталкивания».

Синхронизация подачи электрического импульса при передвижении коньковым ходом была организована аналогично. Отличия заключались в увеличение времени задержки между моментами постановки одной ноги и началом отталкивания другой и длительности самого импульса.

Оказалось, что все спортсмены реализовали свои скоростно-силовые возможности в процессе отталкивания.

Увеличилась электроактивность 4-главой мышцы бедра (Р<0,01) - измерения сделаны в перекрестном эксперименте после проведения динамической электростимуляции при передвижении естественным способом), уменьшилась электроактивность 4-главой мышцы бедра во время скольжения (Р<0,05), что указывает на лучшее расслабление ее во время пассивной фазы. Уменьшилась электроактивность 2-главой мышцы бедра в фазе отталкивания (Р<0,05), которая в этой фазе является мышцей-антагонистом. Такая структура электроактивности характерна для более высокого класса лыжников-гонщиков, таким образом, испытуемые показали более рациональную работу нервно-мышечного аппарата. В этом случае параметры электроактивности могут быть приняты за модельные.

Характер изменений биомеханических показателей после применения динамической электростимуляции был аналогичен. При передвижении классическим ходом с применением электростимуляции достоверно (Р<0,05) возрастает длина шага на 6,5%, уменьшается время отталкивания на 19,2% и повышается скорость на 0,3%, частота шагов и время скольжения увеличиваются недостоверно.

При передвижении одновременным двухшажным коньковым ходом в подъем 8 градусов динамическая электростимуляция «превращала» структуру движений спортсмена I разряда в структуру движений, свойственную мастерам спорта (рис. 2).

По сравнению с естественным передвижением при электростимуляции вторая двухопорная фаза исчезает, а пер-

Рис. 2. Скорость ОЦМТ по горизонтали без применения динамической электростимуляции (а)

и со стимуляцией (б)

вая сокращается. Время цикла при передвижении со стимуляцией на 80 мс меньше, частота на 3 движения в минуту больше.

Вариация горизонтальной скорости точки, приближенной к общему центру масс тела - ОЦМТ (верхняя часть таза), до момента отталкивания стимулируемой ногой меньше на 2,8%, а во время отталкивания больше на 3,7%.

Это указывает на существенное повышение скорости во время отталкивания стимулируемой ногой, тогда как в проходе без использования электростимуляции вариация скорости ОЦМТ до момента отталкивания ногой и во время отталкивания практически неизменна.

Время отталкивания палками сокращается при электростимуляции на 183 мс, руки быстрее включаются в работу, скорость движения рук по горизонтали в 1,28 раз выше. Продолжительность отталкивания руками меньше, спортсмен больше использует ноги.

Угол в коленном суставе на 2 градуса меньше (138 градуса и 136 соответственно) при передвижении со стимуляцией, а выпрямление ноги на 1 градус больше (161 и 162 градусов). Угловая скорость в естественном передвижении -178,2 град./с, а при стимуляции - 195,3 град./с (рис. 3).

Положительные изменения при передвижении со стимуляцией были также обнаружены в абсолютном, горизонтальных и вертикальных перемещениях при отталкива-

нии. Наклон туловища был больше при применении электростимуляции.

Таким образом, все зарегистрированные параметры, а также показатели энерготрат, не только при непосредственном использовании динамической электростимуляции явились рекордными для всех испытуемых.

Данные о длительности удержания эффекта стимуляции и энерготратах будут опубликованы в следующих работах.

Заключение

Полученные данные свидетельствуют о том, что существует возможность определения модельных характеристик непосредственно при выполнении специального двигательного действия. Подтверждением этого тезиса служат физиологические и биомеханические показатели более высокого (рекордного) уровня, обнаруженные у спортсменов при применении прибора, «поставляющего» дополнительную энергию на ведущие группы мышц в моменты ключевых двигательных действий. При этом точность определения модельных показателей наиболее высока, так как они достигнуты самим спортсменом, а не скопированы с другого более опытного рекордсмена. Это также относится к другим параметрам, характеризующим специальную двигательную деятельность конкретного человека.

|Ц||

Угол в коленном суставе

Рис. 3. Изменения угла в коленном суставе (а) и механическая работа (б) левой ноги испытуемого при обычном передвижении (сплошная линия) и при динамической электростимуляции (пунктир). Вертикальными линиями обозначены фазы отталкивания при обычном передвижении (сплошная) и при электростимуляции (пунктир)

Литература

1. Зарубин В.П. Математическое моделирование в технике и естествознании. Курс лекций МГТУ им. Баумана, 2003.

2. МатвеевЛ.П. Модельно-целевой подход к построению спортивной подготовки // Теор. и практ. физ. культ.

3. Матвеев Л.П. Основы спортивной подготовки. - М.: ФИС, 1977.

4. Меркулов В.Е., Ткачук А.П. Исследование возможностей применения метода электростимуляционной активизации мышц при выполнении циклических упражнений (на примере академической гребли). Электростимуляция мышц во время выполнения спортивных упражнений. Метод. письмо под ред. И.П. Ратова. - М., 1979.

5. Ратов И.П. Исследование спортивных движений и возможностей управления изменениями их характеристик

с использованием технических средств: Автореф. дис. ... д-ра пед. наук. - М., 1972.

6. Ратов И.П. О критериях отбора информативных характеристик при использовании технических средств. Науч. тр. ВНИИФК за 1969 г., 1970.

7. Шмонин В.В. Методические приемы реализации целевых двигательных заданий с использованием велотренажера адаптивного типа: Автореф. дис. ... канд. пед. наук. -М., 1986.

8. Шустин Б.Н. Модельные характеристики соревновательной деятельности; В кн. «Современная система спортивной подготовки». - М., 1995.