Введение

В далеком 1969 году в одиннадцатом номере журнала «Легкая атлетика» была опубликована статья Евгения Кузнецова «На дистанции мировые рекордсмены Томми Смит и Ли Эванс». По сути - это комментарий техники бега, основанный на визуальном анализе кинограмм двух выдающихся спринтеров (рис. 1). Кинограмма Смита сняла в полуфинале Олимпийских игр в Мексике в 1968 году, где он показал в беге на 200 метров результат 20.1. К слову сказать, в финале он победил с мировым рекордом 19.8, став первым бегуном, кто вышел из 20 секунд. Кинограмма бега Ли Эванса была получена в результате съемки на четвёртом этапе эстафеты 4х400м, который принёс ему и команде США звание олимпийских чемпионов заодно с таким призом, как мировой рекорд, равный 2:56.1.

Автор статьи отмечает «отличное владение современной техникой» этих спринтеров, акцентируя внимание на свободных, с большой амплитудой движениях рук и ног, а также упругой и активной работе «стоп во время отталкивания». Вместе с тем он обращает внимание на различия в технике бега этих спринтеров. Так, у Смита, в отличие от Эванса, практически вертикальное положение туловища и более высокий подъем бедра маховой ноги (рис. 1, кадр 4).

Эти различия в технике бега обоих выдающихся спринтеров привлекли наше внимание и стали причиной появления данной статьи. Ее задача - определить, какой из стилей бега более эффективен.

Рис. 1.

Методика

Применялся анализ угловых характеристик, а также измерения длины двусуставных мышц опорной ноги. Вторая характеристика должна была показать вероятность степени проявления работы этих мышц. Расчёт обоих видов характеристик примерялся в ряде статей, опубликованных в журнале «Легкая атлетика», например, при анализе биомеханики стартового разбега (2018г., № 3-4).

Для тех читателей журнала, кто не ознакомился с механизмом работы двусуставных мышц и методикой измерения их длины, отраженной в наших предыдущих статьях, кратко объясним следующее. Этот механизм помогает увеличить силу отталкивания ноги от опоры. Напомним, что двусуставные мышцы крепятся не на двух соседних костях, звеньев ноги, как их односуставные собратья. Между обеими точками крепления сухожилий мышц располагается ещё одна кость. Например, прямая мышца бедра, входящая в состав четырёхглавой мышцы бедра, крепится на тазу спереди и под коленной чашечкой на большеберцовой кости голени (рис. 2). Таким образом, она обслуживает два сустава - тазобедренный и коленный. Изменение её длины зависит от соотношения изменения углов в этих суставах. Она не изменяет длину, если углы в этих суставах изменяются однонаправленно, то есть или одновременно увеличиваются или уменьшаются. В чем суть усиления отталкивания? Дело в том, что разгибание тазобедренного сустава приводит к тяге за напряжённую прямую мышцу бедра, как за трос, поскольку она работает в изометрическом режиме сокращения, обычно удлиняясь в пределах лишь 1-1.5 см. Эта тяга приводит к разгибанию коленного сустава, помогая остальным трём односуставным головкам четырехглавой мышцы. В свою очередь разгибание коленного сустава приводит к тяге за двусуставную икроножную мышцу, которая крепится одним сухожилием к нижней задней части бедренной кости, а другим сухожилием входит в ахиллово сухожилие. Таким образом, это движение помогает односуставной камбаловидной мышце увеличивать угол в голеностопном суставе. Другими словами, мышцы - разгибатели тазобедренного сустава являются «донорами» при разгибании опорной ноги, помогая более слабым мышцам голеностопного сустава.

Механизм работы двусуставных мышц в полной мере проявляется в позах, где суставные углы ног близки к 90-100^°(M.G.Pandy a. F.G.Zajaz, 1991), как при старте в начале стартового разбега, так и при выпрыгиваниях с положения полуприседа. И наоборот, чем больше суставные углы опорной ноги, тем меньше проявляется этот механизм. И если угол в коленном суставе равен 165-175^°, то передача усилия от тазобедренного к голеностопному суставу практически пресекается, поскольку дальнейшее разгибание ноги в коленном суставе малоэффективно при тяге за икроножную мышцу. Почему так? Дело в том, что экспериментально установлено - дальнейшее разгибание в этом суставе ноги не приводит к ее удлинению из-за особенностей его строения (В.В. Степанов. 1977). Кроме того, абсолютное пресечение передачи энергии от тазобедренного к голеностопному суставу проявляется в вертикальном прыжке, изначально выполняемом с полностью выпрямленным  коленом (J.B.de Graaf a. o., 1987). Как результат, в этих обоих упражнениях увеличение угла в голеностопном суставе производится без помощи тяги за икроножную мышцу. В спринтерском беге мощное тыльное сгибание стопы обеспечивается преимущественно собственным сокращением трехглавой мышцы голени за счет стреч-рефлекса при использовании ее упругих свойств. Условие для этого - тупые углы в коленном суставе опорной ноги. Но читателям наверняка хотелось бы знать - какую величину усиления отталкивания за счет тяги тазобедренного сустава теряют спринтеры при беге по дистанции на высокой скорости? Мы не смогли найти прямого ответа в литературных источниках, однако косвенное представление можно получить из данных по стартовому разбегу на втором шаге. Так, разгибание в коленном суставе усиливается на 31%, а увеличение угла в голеностопном суставе на 28% (R. Jacobs a. o., 1996). И это все благодаря намного более острым углам в суставах опорной ноги на этом отрезке спринтерского бега.

Измерение динамики длины двусутавных мышц производилось на макете ноги. На нем последовательно задавались суставные углы ноги соответственно каждой позе бегуна на кинограмме. Длина мышц измерялась между точками их крепления относительно центров суставов, согласно среднестатистическим данным, взятых нами из литературных источников.

Рис. 2.

Результаты и их обсуждение

Сразу отметим, что, несмотря на довольно хорошее качество кинограмм, при их обработке мы были поставлены в довольно трудное положение. Причина в том, что, согласно Евгению Кузнецову, съемка бега производилась с частотой всего 32 кадра в секунду. Эта частота слишком низкая, так как ряд поз бегуна может вообще не фиксироваться. Например, отсутствует момент постановки ноги у Эванса, который должен быть между позами 8 и 9 (рис. 1). Поэтому при построении кривых суставных углов Эванса нам не оставалось ничего, кроме как интерполировать недостающую часть этих кривых. Естественно, при этом ошибка измерения углов возрастает. Возникает риск того, что в ошибках измерения «утонут» различия между показателями техники бега обоих спринтеров. Кроме того, слишком низкая частота съемки делает невозможным точно выбрать ряд поз, которые совершенно необходимы при анализе, например, момент постановки ноги, момент вертикали, момент отрыва от опоры и другие. Кроме этого, трудность обработки кинограмм заключалась и в том, что изображения бегунов были не в одном периоде опоры, а в двух его половинах. Поэтому нам пришлось в буквальном смысле коструировать этот период, «собирая» позы бегунов.

Еще раз напомним - из последней части материала о механизме работы двусуставных мышц следует, что величина углов опорной ноги связана со степенью проявления этого механизма. Напомним также, что мышцы сокращаются не только согласно этому механизму, но и благодаря проявлению их упругих свойств, при этом химическая энергия сокращения мышц не тратится.

В ряде исследований установлено - чем короче время растяжения мышц, тем мощнее их последующее сокращение (В.М. Зациорский, А.С. Аруин,1978; T. J. Roberts a. E.Azizi, 2011). Кроме того, есть и еще один механизм, согласно которому мышцы сокращаются - это стреч-рефлекс, то есть рефлекс на растяжение. Если мышцу растянуть в интервале времени 20 - 50мс, то она немедленно сократится (K. Matsushita, 1974). И если при реализации упругих свойств мышц используется «даровая» энергия, то реализация стреч-рефлекса уже требует расхода химической энергии сокращения мышц, что вырастает в проблему, особенно в «длинном» спринте и при беге на выносливость. Все эти выкладки об основных механизмах  сокращения мышц необходимы, чтобы свободнее ориентироваться при сравнительном анализе характеристик бега обоих экс-рекордсменов мира. Итак, рассмотрим эти показатели.

Фаза амортизации

Из анализа суставных углов очевидно, что у Томми Смита опорная нога более выпрямлена, то есть его беговая посадка выше, что видно на рисунке 1, поза 9. Сравним показатели обоих спринтеров. Так, в момент постановки ноги у Смита углы в тазобедренном, голеностопном и коленном суставах равны 150, 159 и 125°, у Ли Эванса - 131, 150 и 119° соответственно. Другими словами, у Эванса опорная нога более согнута. За все время периода опоры тазобедренный сутсав обоих спортсменов непрерывно разгибается, постоянно удерживая туловище Смита почти вертикально с наклоном вперед всего на 5°, а туловище Эванса - с большим наклоном вперед на 16° (система отсчета углов на рис. 3). Характерно, что амортизация опорной ноги Смита существенно меньше, чем у Эванса. У первого амортизационное уменьшение углов в коленном и голеностопном суставах равно 9 и 20°, у второго - 14 и 31° соответственно. Конечно же, амортизация тела бегуна не ограничивается опорной ногой. Она происходит и при амортизационном перекашивании таза во фронтальной плоскости с опусканием маховой ноги. Но, чтобы измерить эту характеристику, необходима съемка спринтеров спереди или стереосъемка с двух сторон. Понятно, что это нам было недоступно.

Итак, констатируем, что у Т. Смита суставные углы тупее, беговая посадка выше, амортизация опорной ноги короче, а туловище находится почти в вертикальном положении.

Рис. 3.

Фаза отталкивания

Разгибание опорной ноги в дистальных суставах обоих спринтеров пропорционально амортизации в них. У Смита прирост углов меньше, чем у Эванса. У первого эти величины для коленного и голеностопного суставов равны 13 и 47°, у второго - значительно больше и равны 34 и 65° соответственно. В момент отталкивания опорная нога Томми Смита выпрямлена несколько меньше. Так, углы в тазобедренном, коленном и голеностопном суставах у него равны 210, 163 и 152, в то время как у Ли Эванса - 214, 170 и 153° соответственно.

Опять констатируем - Эванс опорной ногой проталкивается больше. Его коленный сустав разгибается в 2,5 раза, а голеностопный сустав - почти в 1.5 раза амплитуднее, чем соответствующие суставы Смита. Очевидно, что такие большие различия в амортизации отталкивания обоих спринтеров на порядок превышают нашу возможную ошибку измерения суставных углов, которую мы оцениваем в 2 - 4°. Мы проверяли ее путем многократного измерения углов. Также следует добавить, что читателей не должны смущать величины углов в тазобедренном суставе в момент отталкивания, равные 210 и 214°. По сути, это не углы в самом тазобедренном суставе, а углы между продольными осями бедра и туловища, притом ось туловища проходит через центры таза и головы бегунов. На самом деле угол в тазобедренном суставе вряд ли может превышать 180°, так как при полном разгибании бедренная кость запирается в суставе, а дальнейшее разгибание бедра происходит при одновременном вращении таза, увеличивая поясничный прогиб (А.Б. Майский, 1967: В.С. Горожанин, 1973).

Кратко отметим, что резкое отличие начальных дистальных суставных углов опорной ноги и их изменение в фазах амортизации и отталкивания диктуется разными механизмами взаимодействия ноги с опорой. А точнее - разной величиной вклада всех трех вышеизложенных механизмов сокращения мышц. Это наша гипотеза, которую мы попытаемся обосновать вместе с читателями.

Начнем с положения туловища. У Томми Смита оно практически вертикально. Из практики известно, что такой малый наклон туловища часто сопровождается очень высоким выносом бедра маховой ноги. Сравним положения бедер у обоих спринтеров (рис. 1, поза 3). У Смита бедро не доходит до горизонтального положения всего на 4°, а угол разведения бедер очень большой и равен 117°. У Ли Эванса эти показатели существенно скромнее - 17 и 107°, хотя находятся в пределах среднестатистических величин для спринтерского бега при скоростях порядка 9-10.5 м/с.

Теперь обратим внимание на разительно отличие в сведении бедер. Смит делает это движение намного активнее, и оно зарождается уже в позе 6, резко проявляется в позе 8, доходя до своего апогея в позе 9 (рис 1.). Это момент постановки ноги на дорожку, на котором отчетливо видно, что колено маховой ноги уже опережает колено опорной ноги. У Эванса это движение не такое активное - опережение одним коленом другого достигается значительно позже, только в момент вертикали (рис. 1, поза 9). Именно благодаря своему более активному сведению бедер Смит успевает поднять бедро маховой ноги очень высоко, достигая большой амплитуды разведения бедер.

Что касается момента постановки ноги, то положение коленей напротив друг друга считается признаком правильной техники спринта (L. Seagrave a. o., 2009). Эта особенность свойственна таким выдающимся бегунам, как В. Борзов и Уолт.

Почему мы начинаем делать акцент на этой особенности? Дело в том, что при обычной технике спринта, как у Ли Эванса, когда в момент постановки ноги бедро маховой ноги находится сзади бедра опорной, максимум силы в центре масс маховой ноги приходится на момент вертикали. Это показано на рисунке 4, причем вклад маховой ноги в вертикальную реакцию у этого испытуемого равен 38%. Та же картина наблюдается на втором - третьем шаге стартового разбега Александра Корнелюка, у которого отставание махового бедра в момент постановки ноги равно 42°, а наклон туловища - 32° (В. Тюпа с соавт. 2018). На рисунке 6 в этой статье показано практическое совпадение пиков угловой скорости маховой ноги, силы в ее центре масс и вертикальной реакции опоры, которые приходятся на середину периода опоры. При этом вклад маховой ноги в опорную реакцию был равен 41%. Иными словами - при вертикальном положении маховой ноги достигается максимум ее угловой скорости и силы в ее центре масс.

Рис. 4.

Исходя из вышеизложенной логики, у Томми Смита пик силы в центре масс маховой ноги должен приходиться на начало опоры. Докажем это предположение. Итак, Смит отличается от Эванса большей амплитудой движения маховой ноги при более высокой активности сведения бедер, поэтому в момент постановки ноги колено маховой ноги опережает колено опорной ноги. Так вот, у Смита именно в этой позе центр масс маховой ноги достигает самой большой угловой скорости, а ее центробежная сила также максимальна. Поскольку она является частью силы в центре масс ноги, то пик этой силы сдвигается и приходится, если не на начало фазы амортизации, то где-то на ее середину. И в этом также отличие его техники бега по сравнению с техникой Эванса.

Другими словами, маховая нога Томми Смита загружает его опорную ногу значительно раньше, чем при обычной технике бега. Видимо, этим объясняется то, что он ставит ногу на опору, более выпрямленную в дистальных суставах, чтобы выдержать дополнительную силу загрузки маховой ногой. К тому же, кроме этой нагрузки, на опорную ногу действуют вес и сила инерции остальных сегментов и звеньев тела.

Ранняя загрузка опорной ноги маховой приводит к более быстрому растяжению мышц опорной ноги с начала фазы амортизации. Это положительный эффект для лучшего использования упругих свойств мышц, что одновременно гарантирует проявление стреч-рефлекса для их успешного сокращения в фазе отталкивания. Особенность маха Смита проявляется и в фазе отталкивания. Активный мах способствует разгрузке опорной ноги, так как вектор угловой скорости маховой ноги уже направлен не вниз, а вниз - вперед и далее вперед. Соответственно так же направлена и центробежная сила. В итоге мышцы опорой ноги разгружаются и «выстреливают», сокращаясь в фазе отталкивания быстрее, чем при обычной технике маха. Напомним, что при ней пик центробежной силы направлен вниз значительно позже, в момент вертикали, то есть в начале фазы отталкивания. В этом варианте разгрузка опорной ноги также начинается позже.

Более выпрямленная, то есть более жесткая опорная нога, позволяет такую «роскошь», как более скромное амортизационное уменьшение углов в коленном и голеностопном суставах. Жесткая нога позволяет с меньшими потерями передать механическую энергию, идущую сверху от туловища через тазобедренный сустав и дальше на опорную ногу (M.D. Johnson, 2001). При этом создаются более выгодные условия для использования упругих свойств мышц с их предварительным растяжением в фазе амортизации. При менее жесткой постановке ноги на дорожку, как у Эванса, растет рассеяние механической энергии в мышцах и костно-связочном аппарате опорной ноги, вследствие чего на растяжение мышц уходит меньше энергии.

Справедливости ради следует сказать, что Томми Смит бежит на дистанции 200м быстрее, чем Ли Эванс на своем этапе в 400 метров. Так, средняя скорость бега первого равна 9.95м/с. При этом мы не можем учесть потери скорости на старте, во время стартового разбега и на финишном отрезке. Поэтому дистанционная скорость Смита, естественно, выше 10м/с и примерно равна 10.2 - 10.3м/с. Хотя автор статьи не указывает, на каком отрезке дистанции снимался бег Смита, но, судя по технике бега, это было задолго до финишного отрезка, где сказывается утомление и техника бега искажается.

Кроме того, следует учесть и такой фактор, как весо-ростовой показатель. Так, вес Томми Смита тогда был равен 84 кг, а рост – 191см. У Ли Эванса вес и рост были существенно меньше - 78 кг и 180 см, несмотря на то, что внешне он кажется более мощным. Его средняя скорость на дистанции 400м была 9,07м/с, поскольку свой этап он преодолел за 44.1. Эстафету он принимал, уже набрав определенную скорость, поэтому у него скорость бега на снимаемом камерой отрезке была ближе к средней дистанционной, чем у Смита. Но с учетом разбега до принятия эстафетной палочки и фактора утомления на финише можем «дать» ему скорость примерно 9.2 м/с.

Сравнение этих скоростей показывает, что силы инерции, действовавшие на опорную ногу Смита, значительно больше, чем те силы, которые испытывал Эванс. Почему мы об этом говорим так уверенно? Дело в том, что рядом исследований установлено, что с ростом скорости бега неизбежно растут силы инерции, которые все больше и больше загружают опорную ногу. И это обстоятельство заставляет спринтеров ставить ногу на дорожку все более выпрямленную, то есть более жесткую, чтобы выдержать увеличение нагрузки на нее (E. Localetti, 1996; D.J. Stefanyshyn, B.M. Nigg, 1998; A. Arampatzis а.о., 1999). Кроме того, на опорную ногу Смита действует более значительная масса его тела, которая вносит свою лепту в загрузку этой ноги как в виде веса, так и в качестве более высоких сил инерции. В итоге этим и объясняется одна из особенностей его техники бега - постановка более выпрямленной ноги. Ли Эванс ставит ногу на опору мягче, менее выпрямленную, так как и скорость его бега и масса его тела существенно меньше.

Рис. 5 и 6.

Итак, частично мы уже обосновали поставленную гипотезу - начальное положение звеньев опорной ноги предопределяет степень вклада каждого из трех механизмов сокращения мышц. При более жесткой постановке ноги на опору, как у Томми Смита, создаются все условия для лучшей реализации упругих свойств мышц и запуска их сокращения благодаря стреч-рефлексу. Напомним, что для него необходимо время растяжения не более чем 50 м/с. И, хотя мы не знаем времени амортизации из-за условий киносъемки, можем рассчитать его по уравнению регрессии (В. Тюпа, 2018):

t_am = 0.126 – 0.009V (±0.009с), r = -0.83, 

где t_am – время амортизации, V – скорость бега (м/с), r – коэффициент корреляции.

Подставим в уравнение величину скорости бега Смита, равную 10.3м/с. Получим время амортизации, предположительно равное 0.0333с, или 33.5мс. Фактически это время растяжения мышц, которое очень комфортно укладывается в рамки требований реализации обоих механизмов их сокращения.

Теперь оценим условия для реализации этих механизмов при технике бега Ли Эванса. Рассчитаем его время амортизации и аналогично вышеизложенной процедуре подставим в формулу предполагаемую величину его скорости бега, равную 9.2 м/с. Это время равно 43.2мс, которое может  колебаться с учетом добавления или вычитания из этой величины среднеквадратического отклонения 9 мс. Другими словами, время растяжения мышц Эванса может даже не соответствовать условиям проявления стреч-рефлекса. Но, скорее всего, это, не так, поскольку трудно представить себе спринтерский бег без этого рефлекса. Однако в любом случае его время амортизации существенно больше, чем у Смита.  Таким образом, Ли Эванс проигрывает Томми Смиту в реализации механизма упругих свойств мышц. Забегая вперед, утешим читателей тем, что его техника бега с мягкой постановкой ноги и большой амортизацией в ее дистальных суставах создает более выгодные условия для реализации усиления отталкивания при тяге за двусуставные мышцы - прямую бедра и икроножную. Напомним, что благодаря этому механизму тазобедренный сустав, разгибаясь, помогает односуставным мышцам коленного и голеностопного суставов, а именно - трем головкам четырехглавой мышцы бедра и камбаловидной мышце. Напомним также, что у Эванса углы в конце амортизационного сгибания в коленном и голеностопном суставах равны 136 и 88°, что обеспечивает ему очень большой диапазон разгибания суставов опорной ноги. Это намного выгоднее, если сравнить с аналогичными характеристиками Смита - 150 и 105°.

Итак, большой наклон туловища предопределяет лучшее использование механизма двусуставных мышц. Точно такая же особенность была обнаружена нами при анализе техники бега Д. Кипкоеча, у которого, угол наклона туловища тоже был равен 16°, а углы в суставах опорной ноги в начале отталкивания были почти такой же величины, как у Ли Эванса.

Теперь перейдем к анализу изменения длины двусуставных мышц опорной ноги. Сразу скажем, что они работают практически в изометрическом режиме сокращения, полностью соответствуя требованиям передачи энергии тяги от тазобедренного сустава к дистальным. Из рисунков 5 и 6 видно, что это изменение длины мышц у обоих спринтеров мало различимо. Что касается прямой мышцы бедра, через которую начинается тяга от тазобедренного сустава, то она удлиняется в пределах 1.7 и 1.9 у Смита и Эванса соответственно. Удлинение икроножной мышцы в фазе амортизации равно 1.1 и 1.4см, однако у Смита растяжение происходит в течение более короткого интервала. Конечно же, это результат влияния его маховой ноги, загружающей опорную в начале, а не в конце фазы амортизации, как у Эванса. Укорочение этой мышцы в фазе отталкивания практически одинаковое - 2.7 см у Смита и 2.5 см у Эванса. К тому же у Эванса имеется очень выгодное преимущество - это более амплитудное сокращение двуглавой и полусухожильной мышц бедра (на рис. 5 и 6 обозначены ДП). У него они сокращаются на 6.4см, так как более острый начальный угол в тазобедренном суставе требует большего их укорочения, чтобы обеспечить разгибание с очень большой амплитудой в 83°. Напомним, что в периоде опоры эти мышцы работают как разгибатели тазобедренного сустава, сокращаясь почти до окончания периода. Этот факт многократно цитируется в литературных источниках. Понятно, что такое их длительное сокращение способствует более длительной тяге тазобедренного сустава за двусуставные мышцы бедра и голени, усиливая отталкивание от беговой дорожки.

У Томми Смита двуглавая и полусухожильная мышца сокращаются всего на 2.6 см из-за почти вертикального положения туловища и большего начального угла в тазобедренном суставе, а также меньшего диапазона разгибания в нем, равного 60°.

Итак, пора подвести итоги вышеизложенному анализу различий техники бега:

1. Почти вертикальное положение туловища и более жесткая постановка ноги на дорожку Томми Смита предопределяют лучшее использование упругих свойств как одно, так и двусуставных мышц.

2. Большой наклон туловища и меньшая скорость бега Ли Эванса приводят к более мягкой постановке ноги и создают менее выгодные условия для реализации упругих свойств мышц опорной ноги.

3. При технике бега Ли Эванса создаются условия для лучшего использования механизма усиления отталкивания от опоры за счет тяги тазобедренным суставом, передаваемой через двусуставные мышцы - прямую бедра и икроножную. У Томми Смита условия для реализации этого механизма значительно менее выгодные.

4. Время амортизации обоих спринтеров соответствует времени растяжения для запуска стреч-рефлекса.

5. Активное сведение бедер Томми Смита способствует более резкому растяжению мышц опорной ноги в фазе амортизации, а при выведении маховой ноги вперед - большей разгрузке мышц опорной ноги в фазе отталкивания.

6. Начальное положение звеньев ног в периоде опоры предопределяет степень использования механизмов сокращения мышц.

7. Оба анализируемых варианта техники примерно равноценны и соответствуют скорости бега. Менее выгодные условия одного механизма сокращения мышц компенсируются лучшими условиями для реализации другого механизма.

Источник: журнал "Легкая атлетика"

Авторы: Владимир Тюпа, Виктор Тураев