9880
правок
Изменения
Новая страница: «== Эволюция тренажерных устройств == {{Sportnauka}} ''А.И. Нетреба, О.Л. Виноградова, О. И. Орлов Гос…»
== Эволюция тренажерных устройств ==
{{Sportnauka}}
''А.И. Нетреба, О.Л. Виноградова, О. И. Орлов Государственный научный центр РФ Институт медико-биологических проблем Российской академии наук, Россия''
Процесс создания новых тренажеров и модификации существующих требует наличия двух исходных составляющих: научно-технического прогресса, открывающего новые технические возможности и направления, а также углубления теоретических знаний в области физиологии упражнений. В данной главе прослежен путь развития и видоизменения устройств, используемых человеком для тренировки различных двигательных качеств. Обсуждаются конструктивные особенности различных тренажерных устройств и функциональные характеристики различных силовых приводов, используемых для задания специфичной нагрузки.
Порой проследить эволюционный путь того или иного явления гораздо проще, чем исторический. В случае тренажерных устройств этот путь позволяет увидеть тренд развития в будущем. Изучение исторического пути для данной области человеческой деятельности представляется менее интересным. Действительно, какое значение, для теории и практики спорта, медицины или научных исследований, имеет время появления того или иного тренажера или особенности возникновения, слияния и исчезновения компаний по производству тренажерных устройств? Гораздо полезнее проследить, как эволюционировала изобретательская мысль, какие новинки научно-технического прогресса, а также теоретические знания из спортивной физиологии, спортивной или клинической практики проникали в область создания тренажеров. Так, например, совершенно не важно, а главное невозможно доподлинно установить, когда появилось первое тренажерное устройство, предназначенное для специальной тренировки определенного двигательного качества определенной мышечной группы. В то же время с эволюционной точки зрения совершенно очевидно, что наиболее простым тренажерным устройством является обычная гиря или гантель. От такой постановки проблемы сразу же рождается предположение, что использование обычной литой гантели для некоторых упражнений, в частности для односуставных движений руками, неудобно, поскольку в этом случае движение производится вокруг оси снаряда, придавая массе вращательное движение. Для удержания гантели при таком движении требуется дополнительное напряжение кисти, чтобы она не прокручивалась в руке, в противном случае мозолей или даже травмы не избежать. Сразу же приходит мысль снабдить гантель вращающейся рукояткой. Теперь скольжение оси гантели производится не по поверхности ладони, а по подшипникам, которые находятся внутри трубки, которую держит занимающийся. Мелочь, а значительно повышает эффективность тренировочного процесса. Во-первых, снижается нагрузка на вспомогательные мышцы, которые во многих случаях лимитируют выполнение тренировки с большим весом. Во-вторых, такая конструкция позволяет выполнять движения в более быстром темпе - не затрачивается время на остановку и обратное вращение гантели. Следующий шаг - появление разборной гантели. Очевидно, что возможность дробления нагрузки позволяет более точно подбирать тренировочный вес, оптимизируя тем самым тренировочный процесс в целом. Наличие большого набора литых гантелей разного веса неэффективно как с экономической, так и с эргономической точки зрения. Следующий шаг - удлинение рукоятки гантели для того, чтобы можно было ухватиться обеими руками. Вот мы и пришли к классической штанге. При этом спортивного физиолога, тренера или врача мало интересует, когда и при каких обстоятельствах появились все эти модификации.
== Свободный вес ==
Итак, первая эволюционная ступень развития тренажерных устройств - свободный вес. Отличительной особенностью свободного отягощения является возможность выполнения тренировочного движения со всеми возможными степенями свободы, а минусом является то, что в работу вовлекается большое количество дополнительных мышечных групп, выполняющих стабилизационную функцию. Между тем с давних пор для спортсменов и тренеров стало очевидно, что для повышения результативности целевого/соревновательного движений более эффективной является избирательная тренировка отдельных мышечных групп, входящих в состав целого движения. Связано это прежде всего с неизбежным наличием отстающих мышечных групп. Физиологические механизмы, лежащие в основе управления мышцами при выполнении сложного многосуставного движения (межмышечная координация), работают по принципу компенсации и минимизации затрат энергии. Другими словами, для обеспечения полноценного движения более сильные мышечные группы берут на себя львиную долю общей нагрузки, разгружая тем самым отстающие мышечные группы. В результате получается замкнутый круг, выходом из которого является целенаправленная проработка аутсайдеров. На этом этапе, по-видимому, и пришла мысль каким-то образом ограничить число степеней свободы.
== Модификация конструктивных решений ==
Все типы тренажерных устройств с конструктивной точки зрения можно подразделить на три большие группы: устройства с линейным перемещением; устройства с угловым перемещением; грузоблочные конструкции.
В тренажерах первого типа свободный вес может перемещаться лишь по прямой линии. Для этого используются рельсы или специальные линейные подшипники. Классическим примером тренажера с линейным перемещением является хорошо известная смит-машина, которая представляет собой раму с вертикальными направляющими, по которым скользит штанга с грузом. Это дает большие преимущества при тренировке таких движений, как приседания и жимы (стоя, сидя, лежа и под различными углами к горизонту). При выполнении этих движений с обычной штангой в работу вовлекаются дополнительные мышечные группы (для приседаний - это мышцы спины, для жимов - дельтовидные или грудные мышцы), которые не позволяют выполнить движение с полной концентрацией на основных мышечных группах.
Тренажерные устройства с угловым перемещением (рычажные тренажеры) - хаммер-машины предназначены для избирательной тренировки односуставных движений: сгибания-разгибания в плечевом, локтевом, тазобедренном, коленном и голеностопном суставах.
Промежуточное положение между свободным перемещением веса и жестко лимитированным перемещением занимают грузоблочные тренажеры. С одной стороны, движение в этих тренажерах достаточно свободное ввиду гибкости троса, с другой - ограничено тем, что контакт троса и блока, по которому он скользит, жестко фиксирован в конкретной точке пространства. Наиболее целесообразно использование грузоблочных тренажеров для тренировки различных видов тяг (верхняя и нижняя тяга), в которых участвуют мышцы-сгибатели. Преимуществом этих тренажеров является автоматический (на уровне моторной команды) выбор оптимальной траектории движения при значительно сниженной роли стабилизационных мышц.
Революцией в тренажерном мире явилось дополнение грузоблочного тренажера жестким элементом рычажного тренажера с изменяющимся плечом приложения силы - машина типа «Наутилус». Достигается это использованием особого эксцентрика со специальным профилем, совершающего вращательное движение, к которому жестко прикреплен рабочий рычаг. Физиологической основой эффективности тренировки с использованием тренажеров типа «Наутилус» является следующее обстоятельство. В связи с изменением количества одновременно замкнутых актомиозиновых мостиков при изменении длины мышцы сила, развиваемая мышцей, меняется в значительных пределах в зависимости от угла в суставе. Свободный вес, как известно, способен обеспечить лишь постоянную нагрузку. В результате в различных фазах амплитуды мышца оказывается либо недогруженной, либо перегруженной. Использование специального профиля изменения нагрузки, соответствующего особенностям конкретной мышечной группы, за счет изменения плеча приложения силы резко повышает эффективность тренировки, позволяя выполнять движение с максимальным усилием на протяжении всей амплитуды. В свое время увлечение машинами типа «Наутилус» было настолько бурным, что изготавливались специальные эксцентрики для каждого занимающегося, ввиду того, что индивидуальные профили распределения усилия разнятся в довольно широких пределах.
== Модификация способов задания нагрузки ==
Следующей эволюционной ступенью в мире тренажеров явилась модификация типов сопротивления, оказываемого мышечному усилию. Необходимость этого вытекает из крайне вредного для некоторых движений побочного эффекта тренировки со свободным отягощением, связанного со свойством инерционности. Инерция свободного веса не позволяет выполнять движения с высокой [[Скорость выполнения упражнений|скоростью]] в высоком темпе, поскольку львиная доля энергии и амплитуды движения тратится на разгон и остановку. Одной из попыток устранить этот недостаток явилось применение резиновых жгутов. В этом случае сопротивление обеспечивается не за счет гравитационных сил, а за счет силы Гука, которая связана лишь с жесткостью жгута, обеспечивая по сути безынерционную нагрузку. Недостатком такого способа нагружения являются неудобства, связанные с невозможностью быстро менять тренировочную нагрузку, а также побочный эффект, вытекающий из закона Гука - прирост нагрузки пропорциональный растяжению жгута. Еще одной разновидностью способа задания тренировочной нагрузки явилось использование гидравлического сопротивления. С возникновением тренажерных устройств, оснащенных гидравлическими цилиндрами, в практику спорта и научных исследований вошел изокинетический режим мышечного сокращения -движение с постоянной [[Скорость (двигательное физическое качество)|скоростью]]. Возвращаясь назад, следует отметить, что режим работы мышц, обеспечиваемый свободным весом или резиновым жгутом, носит название изотонического — движение с постоянной нагрузкой. Изокинетический режим тренировки нашел широкое применение при тренировке в видах спорта, связанных с движением в водной среде, которая в значительной мере гасит возникающие ускорения. Физиологической основой эффективности такой тренировки является принцип специфичности, который заключается в том, что наибольший прирост мышечной производительности регистрируется в тех режимах мышечного сокращения, в которых осуществляется тренировка. Отсюда следует, что изотонический режим, связанный с большими величинами ускорения и замедления движения, малоэффективен для таких видов спорта, как гребля, плавание и т.д. Последнее многократно подтверждено как лабораторными экспериментами с использованием этого режима, так и резким повышением результативности в этих видах спорта с появлением изокинетического тренировочного оборудования. Тем не менее гидравлические тренажеры утратили свою популярность ввиду сложности обслуживания, высокой стоимости и недостаточной надежности. На смену им пришли тренажерные устройства с электрическим приводом, о которых будет сказано ниже, а также тренажеры с воздушным сопротивлением, обеспечивающие нагрузку, близкую к изокинетической. Резистивным блоком с воздушным сопротивлением оснащены современные гребные эргометры, широко вошедшие в практику подготовки высококвалифицированных гребцов.
== Внедрение управляемых силовых приводов ==
Принципиальным прорывом в области создания тренажеров оказалось внедрение хорошо зарекомендовавших себя в промышленности управляемых силовых приводов. Наибольшее распространение получили пневматический и электрический приводы. В первом случае нагрузка обеспечивается за счет давления сжатого воздуха, создающего безынерционную нагрузку, подобную той, которая обеспечивается резиновыми жгутами или пружинами (сила Гука). Этот тип привода (аналогично свободному отягощению или типу нагрузки, создаваемой резиновым жгутом) обеспечивает изотонический режим мышечного сокращения - сокращение с постоянной нагрузкой, как в концентрической (укорочение мышцы), так и эксцентрической (удлинение мышцы) фазах движения. В случае электрического привода нагрузка обеспечивается за счет магнитных сил, возникающих между ротором и статором электродвигателя. Электрический привод способен воспроизводить все известные типы мышечного сокращения, включая изокинетический, описанный выше. Отличительной особенностью этих силовых приводов является возможность автоматического управления тренировочной нагрузкой как во время выполнения одного движения, так и во время серии движений. Физиологической основой эффективности тренировки, связанной с изменением нагрузки, являются широко известные методические приемы, применяемые в практике силовой тренировки. Один из них был описан выше, когда обсуждались преимущества использования тренажерных устройств с изменяемым плечом приложения силы (наутилус-машины). Другим высокоэффективным методом является метод эксцентрической перегрузки, основанный на хорошо известном факте - мышечная сила, проявляемая в эксцентрической фазе, гораздо больше силы, проявляемой в концентрической фазе (опустить легче, чем поднять). До появления тренажерных устройств с управляемыми силовыми приводами эта проблема решалась с использованием нескольких помощников, которые добавляли часть нагрузки в начале эксцентрической фазы и убирали ее перед началом движения в концентрической фазе. Еще один метод основан на хорошо известном факте снижения силы мышц в процессе утомления. Как и в предыдущем случае, проблема решалась при помощи помощников, которые снимали часть нагрузки после выполнения каждого движения. Оба метода резко повышают эффективность тренировки за счет выполнения большего объема работы с большей напряженностью. Появление управляемых силовых приводов позволило автоматизировать процесс тренировки, снизив при этом погрешности, связанные с человеческим фактором.
== Появление средств измерения ==
Используя аналогию с эволюцией в животном мире, можно сказать, что с определенного момента времени тренажерные устройства научились «видеть» и «чувствовать», что явилось следующим и весьма важным эволюционным шагом. Тренажеры были оснащены датчиками, измеряющими основные параметры движения: силу, скорость, амплитуду движения. Это дало существенные преимущества в оптимизации тренировочного процесса. До появления средств измерения текущие функциональные возможности мышц можно было оценивать весьма трудоемкими и грубыми методами. Так, для определения максимальной произвольной силы использовался метод одного повторного максимума (1 ПМ), суть которого заключается в следующем. С использованием нескольких попыток (как правило, не менее 7) определяется тот вес (или нагрузка), который занимающийся может преодолеть лишь один раз. Величина нагрузки принимается за максимальное значение произвольной силы. Очевидно, что такую процедуру, связанную с выполнением предельных нагрузок, можно выполнять не чаще 2-3 раз в месяц. К тому же метод имеет значительную погрешность, связанную с дискретностью нагрузки. Выбор больших ступенек в выборе нагрузки таит опасность «проскакивания» реальных значений, выбор небольших ступенек ведет к тому, что при приближении к максимальным нагрузкам мышцы уже значительно утомлены, что неизбежно отражается на проявлении максимальных возможностей. С появлением датчиков, измеряющих [[Скоростно-силовые качества|скоростно-силовые проявления]], процедура оценки текущего функционального состояния мышц резко упростилась, и точность ее резко повысилась. Для оценки в этом случае достаточно выполнения нескольких движений (лишь для набора статистики, в идеале достаточно и одного движения) с немаксимальной нагрузкой. Датчики силы (в случае изокинетического режима) или скорости (в случае изотонического режима) с высокой точностью определяют текущее значение скоростно-силовых возможностей. Такую процедуру можно выполнять практически на каждой тренировке, а при постоянной работе датчиков и мотивации занимающихся к максимально быстрому выполнению движения буквально после выполнения каждого движения. Очевидно, что использование этой срочной информации резко повышает эффективность тренировочного процесса, позволяя оперативно оценивать целесообразность выбранной программы тренировки или диагностировать внезапное снижение функциональных возможностей двигательной системы, вовремя внося коррективы в тренировочный процесс.
== Появление средств визуализации ==
Продолжая аналогию с животным миром, можно зафиксировать момент, когда тренажерные устройства научились «говорить» или иным образом обмениваться информацией с занимающимся. Речь идет о появлении тренажерных устройств с биологической обратной связью, использующих зрительный, слуховой, проприоцептивный каналы. Занимающийся получил возможность в режиме реального времени наблюдать за текущим уровнем своих скоростно-силовых возможностей. Помимо физиологической целесообразности такой тренировки, связанной с мотивацией к выполнению более сильных и быстрых движений, данные устройства нашли широкое применение в спорте для отработки технических элементов соревновательного движения, а также в восстановительной медицине и диагностике двигательных нарушений для оценки проприоцептивной чувствительности. В первом случае спортсмен видит свой и эталонный профиль распределения нагрузки, пытаясь в точности воспроизвести заданное движение.
Во втором пациенту предлагается запоминать и воспроизводить различные параметры движения: силу, скорость, амплитуду мышечного сокращения, после чего вычисляется ошибка.
== Автоматизация тренировочного процесса ==
На вершине эволюционной лестницы на настоящий момент находятся тренажерные устройства с функцией электронного тренера. Тренажеры обрели интеллект. Такие системы включают в себя все перечисленные выше элементы: управляемые силовые приводы, датчики измерения основных параметров функционирования двигательной системы, устройства визуализации необходимых для занимающегося информационных и управляющих команд. Тренировочные устройства последнего поколения включают в себя компьютеры, предназначенные для сбора, анализа и хранения информации, поступающей от измерительных датчиков, а также управления работой силовых приводов с целью изменения тренировочной нагрузки по заранее заложенным алгоритмам. Интеллектуальные тренировочные системы можно подразделить на два класса: устройства, автоматизирующие тренировочный процесс в течение выполнения одного упражнения, и устройства для долговременной тренировки, направленной на достижение заданной цели.
Классическим примером тренировочных устройств первого класса является беговая дорожка или любой другой [[Кардиотренажеры для дома|кардиотренажер]], включающий функцию автоматического поддержания заданного уровня [[Частота сердечных сокращений (ЧСС)|частоты сердечных сокращений (ЧСС)]]. Если уровень ЧСС ниже порогового уровня, поступает команда на увеличение нагрузки (увеличение скорости полотна или увеличение наклона дороги), если текущее значение ЧСС превышает заданный уровень, поступает противоположная управляющая команда. Такими устройствами оснащены все современные фитнес-центры, реабилитационные клиники и исследовательские лаборатории. К этому же классу можно отнести тренировочное оборудование для нужд силовой тренировки, описанное в подразделе, посвященном управляемым силовым приводам, при обсуждении тренировочных методов, основанных на изменении нагрузки как во время одного, так и во время серии движений.
Интеллектуальные системы для долговременной тренировки представлены тренажерными комплексами, состоящими из нескольких тренажеров для различных мышечных групп. Эти системы могут быть полуавтоматическими - смарт-карт-системы, или полностью автоматизированными - объединенными в единую локальную сеть с центральным компьютером.
В первом случае каждый тренажер включает в себя мини-компьютер с устройствами вывода визуальной информации. Смарт-карта - это индивидуальный электронный чип, встроенный в пластиковую карточку. В памяти этого чипа хранится вся информация о текущем и предшествующем функциональном состоянии конкретного занимающегося, а также программы текущей коррекции тренировочной нагрузки. Разработкой и созданием таких систем в настоящий момент времени занимаются все крупные мировые производители, выпускающие пневматические тренажеры. Процедура организации тренировочного занятия в тренажерных залах, оборудованных такими тренажерами, следующая. Для конкретного занимающегося тренером составляется тренировочная программа достижения заданной тренировочной цели, которая зашивается в память чипа, а также распечатывается на бумажном носителе. Занимающийся, следуя этой программе, переходит от одного тренажера к другому. Перед началом упражнения он вставляет смарт-карту в специальный терминал, которым оснащен каждый тренажер. Электронная система считывает текущую информацию, выставляет необходимую нагрузку и выводит на мини-дисплей различные команды для занимающегося: с какой скоростью выполнять упражнение, сколько выполнять движений, сигналы к началу и к завершению упражнения. После окончания работы на одном тренажере занимающийся переходит на другой, в соответствии с планом тренировки, распечатанном на бумажном носителе. Продолжительность отдыха между отдельными упражнениями регламентируется самим занимающимся и загруженностью тренажерного зала. Тренер лишь дает указания о временном диапазоне отдыха. Корректировка тренировочной нагрузки перед началом очередного тренировочного занятия также осуществляется тренером после детального ознакомления с параметрами предыдущей тренировки, считанными со смарт-карты. Такая организация работы в тренажерном зале -это значительный шаг вперед, но и она не лишена недостатков, снижающих эффективность тренировочного процесса. К этим недостаткам можно отнести: произвольный выбор времени отдыха между упражнениями; неизбежные ошибки тренера, корректирующего тренировочный план; хаотичное перемещение занимающихся по залу, что ведет к неэффективном. использованию тренажеров, а также вносит дополнительную погрешность в выбор интервала времени отдыха, поскольку тренажер, на котором предстоит заниматься, может быть занят другим занимающимся.
Ближайшая перспектива в области раз работки новых тренажерных устройств - это полностью автоматизированная тренировочная система, организующая тренировочный процесс в принципиально ином режиме. Вся информация о текущем функциональном состоянии занимающихся хранится в центральном компьютере, который связан со всеми тренажерами единой локальной сетью, по которой передаются сигналы от датчиков и идут управляющие команды к силовым приводам тренажеров. Визуализация управляющих команд для испытуемых осуществляется посредством большого информационного монитора, видного из любой точки тренажерного зала. В центральном компьютере содержатся тренировочные алгоритмы для достижения задан ной тренировочной цели, разработанные специалистами в области спортивной физиологии и кибернетики (описание особенностей этих алгоритмов см. ниже). Перед началом тренировочного занятия занимающийся вводит свой ник и пароль в центральный терминал, после чего система включает его параметры (извлеченные из базы данных) в общую программу динамического управления тренировочным процессом. На экране информационного монитора появляется новая строка, которая включает: ник, номер тренажера на котором предстоит выполнять очередное упражнение, время до начала упражнения (отсчет секунд в обратном порядке), интенсивность предстоящего упражнения и поле для различных дополнительных инструкций. Все занимающиеся переходят от тренажера к тренажеру, руководствуясь информацией с этого монитора. В алгоритмы включена защита от взаимных пересечений и накладок. Другими словами, не может возникнуть ситуация, когда система предлагает двум или более занимающимся одновременно начать упражнение на одном и том же тренажере. Величина тренировочной нагрузки и время отдыха между отдельными упражнениями корректируются в автоматическом режиме, на основе алгоритмов тренировки и текущего функционального состояния занимающегося. Автоматизированную систему можно использовать для организации тренировочного процесса в виде круговой тренировки - эффективного метода повышения аэробного потенциала организма. Для этих целей на тело занимающегося крепят кардиодатчики, которые также связываются с центральным компьютером по беспроводному каналу. Автоматизированная тренировочная система в этом случае будет подбирать нагрузку таким образом, чтобы удерживать частоту сердечных сокращений в заданном диапазоне.
=== Особенности алгоритмов, лежащих в основе работы автоматизированной тренировочной системы нового поколения ===
Идеально функционирующая автоматизированная система управления тренировкой должна включать тренажерные устройства с силовыми приводами, систему датчиков для оценки состояния различных систем организма, программы для развития различных двигательных качеств, а также возможности автоматической коррекции этих программ на основе изменений в функциональном состоянии организма. Последние две задачи решаются с помощью специально разработанных алгоритмов. Как один из возможных путей разработки таких алгоритмов можно предложить использование адаптационных алгоритмов, нашедших широкое применение в кибернетике. Разработка данных алгоритмов вылилась в самостоятельное теоретическое направление под названием «Алгоритмический подход к построению тренировки». В рамках настоящего раздела не представляется возможным в полной мере изложить данный подход. Остановимся лишь на ключевых особенностях работы алгоритмов, заложенных в автоматизированную тренировочную систему нового поколения, о которой шла речь ранее. Костяком данных алгоритмов являются математические модели функционирования двигательной системы: модель срочного ответа на однократное воздействие - наиболее простая модель, не учитывающая факторы, связанные с утомлением; модель отставленного ответа на серию движений - модель локального утомления; долгосрочная модель хронического ответа - наиболее сложная модель, учитывающая большой набор данных. Точность моделей определяется индивидуальными коэффициентами, адаптивная корректировка которых - конечная цель работы алгоритма. Целевой функцией данных моделей является достижение заданного уровня скоростно-силовых возможностей путем перебора параметров тренировочной нагрузки. К этим параметрам относятся: нагрузка для выбранной мышечной группы, время рабочих периодов в одном тренировочном сете, интервалы отдыха между отдельными повторами одного сета, количество повторов в одном сете, количество сетов в одно тренировочное занятие, интервалы отдыха между отдельными сетами. Граничные значения каждого из параметров выбираются эмпирически на основе знаний о физиологических закономерностях функционирования двигательной системы, а также на основе тренировочной практики. В пределах граничных значений осуществляется случайный выбор конкретного значения данного параметра и оценивается реакция мышечной системы, после чего полученная величина сравнивается со значением целевой функции. Затем процесс повторяется. Использование математических моделей резко сужает варианты перебора, отбрасывая те, которые не укладываются в модель. Многократная итерация этого процесса позволяет довольно точно подбирать индивидуальные коэффициенты, а возможность точного измерения скоростно-силовых возможностей после выполнения каждого движения заметно ускоряет этот процесс. По вновь и вновь уточняемым моделям прогнозируются параметры будущих тренировочных занятий, которые также могут быть скорректированы с учетом текущего функционального состояния мышечной системы.
== Заключение ==
В рамках настоящей главы прослежен эволюционный путь видоизменения тренажерных устройств, используемых для тренировки различных двигательных качеств. Структурно данный путь можно подразделить на семь этапов, которые охарактеризованы следующим образом:
*свободный вес;
*модификация конструктивных особенностей;
*модификация физических параметров нагрузки;
*автоматическое управление тренировочной нагрузкой;
*оснащение измерительными датчиками;
*оснащение средствами отображения информации;
*наделение тренажерных устройств интеллектуальными функциями.
Дальнейшие эволюционные тренды в области создания тренажерных устройств лежат в совершенствовании и расширении трех направлений, обусловленных научно-техническим прогрессом:
*появление новых типов силовых приводов, позволяющих создавать особые режимы мышечного сокращения;
*появление новых типов датчиков, а также способов их использования;
*совершенствование алгоритмов управления тренировочным процессом в автоматическом режиме.
В развитии последнего направления можно выделить два аспекта:
*создание более точных математических моделей функционирования организма, которые выполняются математиками и кибернетиками;
*накопление базы данных корректировочных коэффициентов для этих моделей, связанных с индивидуальными параметрами занимающихся (антропометрические, физиологические, генетические). Работа по этому направлению может привести к качественно новому эволюционному шагу - объединению многих автоматизированных тренировочных комплексов в единую информационную сеть с использованием Интернета. Это позволит заметно интенсифицировать процесс «нащупывания» нужных параметров для конкретного занимающегося с использованием накопленного опыта и единой базы данных. Однако, по-видимому, это довольно отдаленная перспектива.
== Читайте также ==
*[[Аэробные тренажеры]]
*[[Балансировочный тренажер]]
*[[Велотренажер]]
*[[Вибромассажеры]]
*[[Гироскопический тренажер]]
*[[Гребной тренажер]]
*[[Эллиптический тренажер]]
*[[Лучшие тренажеры для похудения]]
*[[Лучшие тренажеры для девушек]]
*[[Беговые тренажеры]]
*[[Беговая дорожка для дома]]
*[[Спортивные тренажеры для силовых тренировок]]
*[[Спортивные тренажеры - отзывы]]
*[[Степпер]]
*[[Степ-платформа]]
*[[Турник для дома]]
*[[Эспандеры]]
*[[Кардиотренажеры для дома]]
*[[Тренажеры для мышц ног]]
*[[Тренажеры для мышц пресса]]
*[[Тренажеры для грудных мышц]]
*[[Тренажеры для трицепса]]
*[[Тренажеры для бицепса]]
*[[Тренажеры для мышц спины]]
*[[Тренажеры для плеч и трапеций]]
== Глоссарий ==
'''Изокинетический режим мышечного сокращения''' — сокращение или удлинение мышцы с постоянной скоростью.
'''Изометрический режим мышечного сокращения''' — напряжение мышцы без изменения ее длины.
'''Изотонический режим мышечного сокращения''' — сокращение или удлинение мышцы при постоянной внешней нагрузке.
'''Концентрический режим мышечного сокращения''' — напряжение мышц на фоне ее укорочения.
'''Эксцентрический режим мышечного сокращения''' - напряжение мышцы на фоне ее удлинения.
'''ОБОЗНАЧЕНИЯ'''
'''МПС - максимальная произвольная сила.
'''ПМ - метод одного повторного максимума.
'''ЧСС''' - частота сердечных сокращений.
== Библиография ==
Бекус Р. Д. (1998). Физиологическое тестирование спортсмена высокого класса. Киев: «Олимпийская литература». [В книге представлена методология тестирования параметров функционирования двигательной системы человека.]
Донской Д. Д. (1979). Бомеханика: Учебник для вузов физической культуры. М.: «Физкультура и спорт». [В учебнике представлены биомеханические закономерности соревновательных и тренировочных движений.) КоцЯ.М. (1984). Спортивная физиология: Учебник для вузов физической культуры. М.: «Физкультура и спорт». [В учебнике подробно описаны особенности различных режимов мышечного сокращения.] Мак-Комас, А. Дж. (2001). Скелетные мышцы. Строение и функции. Киев: «Олимпийская литература». [В руководстве подробно описаны молекулярные механизмы мышечного сокращения, строение и функции скелетных мышц.]
Хутиев Т. В. (1991). Управление физическим состоянием организма: тренирующая терапия. М.: «Медицина». [В монографии рассмотрены биологические системы управления и принципы их работы, а также математические модели, применяемые в лечении кардиологических больных.] Черкесов Ю.Т. (1993). Машины управляющего воздействия. Майкоп: Издательство Адыгейского государственного университета. [В монографии предложен новый класс спортивных тренажеров - «машины управляющего воздействия».]
Юшкевич Т.П. (1989). Тренажеры в спорте. М.: «Физкультура и спорт». [В книге систематизированы сведения о применении технических устройств в обучении и тренировке спортсменов.]
Fleck S.J. (2004). Designing resistance training programs. Human Kinetics. [В книге представлены практические рекомендации по составлению программ силовой тренировки.) Zatsiorsky V. М. (1995). Science and Practice of Strength Training. Human Kinetics. [В книге представлены теоретические основы силовой тренировки.]
== Биографическая справка ==
Нетреба Алексей Иванович, кандидат биологических наук. Работает в ГНЦ РФ Институте медико-биологических проблем РАН, в настоящее время - старший научный сотрудник лаборатории физиологии мышечной деятельности. В 2007 г. защитил кандидатскую диссертацию, посвященную изучению различных режимов мышечного сокращения. Область научных интересов: скоростно-силовые возможности мышц и их изменение под влиянием различных воздействий (силовая тренировка, разгрузка); использование в тренировке специальных тренажерных устройств, моделирующих различные режимы мышечного сокращения. Опубликовал более 30 научных работ. Автор 6 патентов на изобретения и полезные модели.
Виноградова Ольга Леонидовна, доктор биологических наук, профессор. Работает зав. лабораторией физиологии мышечной деятельности ГНЦ РФ Институте медико-биологи-ческих проблем РАН, профессор кафедры экологической и экстремальной медицины факультета фундаментальной медицины МГУ имени М. В. Ломоносова. В 2000-2002 гг.-председатель комиссии по физиологии мышечной деятельности и спорта секции «Организм и окружающая среда» РАН, в 2003-2004 гг.-координатор Программы Министерства образования и науки «Методы повышения работоспособности в экстремальных условиях», член редколлегии журналов «Физиология человека» и «Авиакосмическая и экологическая медицина», организатор Всероссийских школ-конференций по физиологии мышц и мышечной деятельности (2000-2011 гг.). Область научных интересов: физиология мышечной деятельности и регуляция вегетативных функций. Опубликовала 120 научных работ.
Орлов Олег Игоревич, доктор медицинских наук, член-корреспондент РАН, первый заместитель директора Института медико-биологических проблем РАН по научной работе. Координирует инновационную деятельность Института, в том числе по программе создания сети центров физического здоровья.
Профессор кафедры многопрофильной клинической подготовки на факультете фундаментальной медицины МГУ имени М. В. Ломоносова и кафедры «Медицинская информатика» Московского медико-стоматологического университета. Член ряда международных, межведомственных и академических советов. Член Правления международного общества по телемедицине и электронному здравоохранению. Действительный член Международной академии астронавтики. Член редколлегий журналов «Клиническая информатика и телемедицина», «Telemedicine and e-Health», электронного журнала «Физиология мышечной деятельности».
Область научных интересов: космическая физиология и гравитационная биология, телемедицина. Автор более 70 научных работ по изучению физиологических механизмов адаптации человека к условиям невесомости и при ее моделировании, а также экстремальным воздействиям (гипербария, вращающаяся среда, перегрузки), оценке эффективности различных средств профилактики на различных этапах космического полета.
{{Sportnauka}}
''А.И. Нетреба, О.Л. Виноградова, О. И. Орлов Государственный научный центр РФ Институт медико-биологических проблем Российской академии наук, Россия''
Процесс создания новых тренажеров и модификации существующих требует наличия двух исходных составляющих: научно-технического прогресса, открывающего новые технические возможности и направления, а также углубления теоретических знаний в области физиологии упражнений. В данной главе прослежен путь развития и видоизменения устройств, используемых человеком для тренировки различных двигательных качеств. Обсуждаются конструктивные особенности различных тренажерных устройств и функциональные характеристики различных силовых приводов, используемых для задания специфичной нагрузки.
Порой проследить эволюционный путь того или иного явления гораздо проще, чем исторический. В случае тренажерных устройств этот путь позволяет увидеть тренд развития в будущем. Изучение исторического пути для данной области человеческой деятельности представляется менее интересным. Действительно, какое значение, для теории и практики спорта, медицины или научных исследований, имеет время появления того или иного тренажера или особенности возникновения, слияния и исчезновения компаний по производству тренажерных устройств? Гораздо полезнее проследить, как эволюционировала изобретательская мысль, какие новинки научно-технического прогресса, а также теоретические знания из спортивной физиологии, спортивной или клинической практики проникали в область создания тренажеров. Так, например, совершенно не важно, а главное невозможно доподлинно установить, когда появилось первое тренажерное устройство, предназначенное для специальной тренировки определенного двигательного качества определенной мышечной группы. В то же время с эволюционной точки зрения совершенно очевидно, что наиболее простым тренажерным устройством является обычная гиря или гантель. От такой постановки проблемы сразу же рождается предположение, что использование обычной литой гантели для некоторых упражнений, в частности для односуставных движений руками, неудобно, поскольку в этом случае движение производится вокруг оси снаряда, придавая массе вращательное движение. Для удержания гантели при таком движении требуется дополнительное напряжение кисти, чтобы она не прокручивалась в руке, в противном случае мозолей или даже травмы не избежать. Сразу же приходит мысль снабдить гантель вращающейся рукояткой. Теперь скольжение оси гантели производится не по поверхности ладони, а по подшипникам, которые находятся внутри трубки, которую держит занимающийся. Мелочь, а значительно повышает эффективность тренировочного процесса. Во-первых, снижается нагрузка на вспомогательные мышцы, которые во многих случаях лимитируют выполнение тренировки с большим весом. Во-вторых, такая конструкция позволяет выполнять движения в более быстром темпе - не затрачивается время на остановку и обратное вращение гантели. Следующий шаг - появление разборной гантели. Очевидно, что возможность дробления нагрузки позволяет более точно подбирать тренировочный вес, оптимизируя тем самым тренировочный процесс в целом. Наличие большого набора литых гантелей разного веса неэффективно как с экономической, так и с эргономической точки зрения. Следующий шаг - удлинение рукоятки гантели для того, чтобы можно было ухватиться обеими руками. Вот мы и пришли к классической штанге. При этом спортивного физиолога, тренера или врача мало интересует, когда и при каких обстоятельствах появились все эти модификации.
== Свободный вес ==
Итак, первая эволюционная ступень развития тренажерных устройств - свободный вес. Отличительной особенностью свободного отягощения является возможность выполнения тренировочного движения со всеми возможными степенями свободы, а минусом является то, что в работу вовлекается большое количество дополнительных мышечных групп, выполняющих стабилизационную функцию. Между тем с давних пор для спортсменов и тренеров стало очевидно, что для повышения результативности целевого/соревновательного движений более эффективной является избирательная тренировка отдельных мышечных групп, входящих в состав целого движения. Связано это прежде всего с неизбежным наличием отстающих мышечных групп. Физиологические механизмы, лежащие в основе управления мышцами при выполнении сложного многосуставного движения (межмышечная координация), работают по принципу компенсации и минимизации затрат энергии. Другими словами, для обеспечения полноценного движения более сильные мышечные группы берут на себя львиную долю общей нагрузки, разгружая тем самым отстающие мышечные группы. В результате получается замкнутый круг, выходом из которого является целенаправленная проработка аутсайдеров. На этом этапе, по-видимому, и пришла мысль каким-то образом ограничить число степеней свободы.
== Модификация конструктивных решений ==
Все типы тренажерных устройств с конструктивной точки зрения можно подразделить на три большие группы: устройства с линейным перемещением; устройства с угловым перемещением; грузоблочные конструкции.
В тренажерах первого типа свободный вес может перемещаться лишь по прямой линии. Для этого используются рельсы или специальные линейные подшипники. Классическим примером тренажера с линейным перемещением является хорошо известная смит-машина, которая представляет собой раму с вертикальными направляющими, по которым скользит штанга с грузом. Это дает большие преимущества при тренировке таких движений, как приседания и жимы (стоя, сидя, лежа и под различными углами к горизонту). При выполнении этих движений с обычной штангой в работу вовлекаются дополнительные мышечные группы (для приседаний - это мышцы спины, для жимов - дельтовидные или грудные мышцы), которые не позволяют выполнить движение с полной концентрацией на основных мышечных группах.
Тренажерные устройства с угловым перемещением (рычажные тренажеры) - хаммер-машины предназначены для избирательной тренировки односуставных движений: сгибания-разгибания в плечевом, локтевом, тазобедренном, коленном и голеностопном суставах.
Промежуточное положение между свободным перемещением веса и жестко лимитированным перемещением занимают грузоблочные тренажеры. С одной стороны, движение в этих тренажерах достаточно свободное ввиду гибкости троса, с другой - ограничено тем, что контакт троса и блока, по которому он скользит, жестко фиксирован в конкретной точке пространства. Наиболее целесообразно использование грузоблочных тренажеров для тренировки различных видов тяг (верхняя и нижняя тяга), в которых участвуют мышцы-сгибатели. Преимуществом этих тренажеров является автоматический (на уровне моторной команды) выбор оптимальной траектории движения при значительно сниженной роли стабилизационных мышц.
Революцией в тренажерном мире явилось дополнение грузоблочного тренажера жестким элементом рычажного тренажера с изменяющимся плечом приложения силы - машина типа «Наутилус». Достигается это использованием особого эксцентрика со специальным профилем, совершающего вращательное движение, к которому жестко прикреплен рабочий рычаг. Физиологической основой эффективности тренировки с использованием тренажеров типа «Наутилус» является следующее обстоятельство. В связи с изменением количества одновременно замкнутых актомиозиновых мостиков при изменении длины мышцы сила, развиваемая мышцей, меняется в значительных пределах в зависимости от угла в суставе. Свободный вес, как известно, способен обеспечить лишь постоянную нагрузку. В результате в различных фазах амплитуды мышца оказывается либо недогруженной, либо перегруженной. Использование специального профиля изменения нагрузки, соответствующего особенностям конкретной мышечной группы, за счет изменения плеча приложения силы резко повышает эффективность тренировки, позволяя выполнять движение с максимальным усилием на протяжении всей амплитуды. В свое время увлечение машинами типа «Наутилус» было настолько бурным, что изготавливались специальные эксцентрики для каждого занимающегося, ввиду того, что индивидуальные профили распределения усилия разнятся в довольно широких пределах.
== Модификация способов задания нагрузки ==
Следующей эволюционной ступенью в мире тренажеров явилась модификация типов сопротивления, оказываемого мышечному усилию. Необходимость этого вытекает из крайне вредного для некоторых движений побочного эффекта тренировки со свободным отягощением, связанного со свойством инерционности. Инерция свободного веса не позволяет выполнять движения с высокой [[Скорость выполнения упражнений|скоростью]] в высоком темпе, поскольку львиная доля энергии и амплитуды движения тратится на разгон и остановку. Одной из попыток устранить этот недостаток явилось применение резиновых жгутов. В этом случае сопротивление обеспечивается не за счет гравитационных сил, а за счет силы Гука, которая связана лишь с жесткостью жгута, обеспечивая по сути безынерционную нагрузку. Недостатком такого способа нагружения являются неудобства, связанные с невозможностью быстро менять тренировочную нагрузку, а также побочный эффект, вытекающий из закона Гука - прирост нагрузки пропорциональный растяжению жгута. Еще одной разновидностью способа задания тренировочной нагрузки явилось использование гидравлического сопротивления. С возникновением тренажерных устройств, оснащенных гидравлическими цилиндрами, в практику спорта и научных исследований вошел изокинетический режим мышечного сокращения -движение с постоянной [[Скорость (двигательное физическое качество)|скоростью]]. Возвращаясь назад, следует отметить, что режим работы мышц, обеспечиваемый свободным весом или резиновым жгутом, носит название изотонического — движение с постоянной нагрузкой. Изокинетический режим тренировки нашел широкое применение при тренировке в видах спорта, связанных с движением в водной среде, которая в значительной мере гасит возникающие ускорения. Физиологической основой эффективности такой тренировки является принцип специфичности, который заключается в том, что наибольший прирост мышечной производительности регистрируется в тех режимах мышечного сокращения, в которых осуществляется тренировка. Отсюда следует, что изотонический режим, связанный с большими величинами ускорения и замедления движения, малоэффективен для таких видов спорта, как гребля, плавание и т.д. Последнее многократно подтверждено как лабораторными экспериментами с использованием этого режима, так и резким повышением результативности в этих видах спорта с появлением изокинетического тренировочного оборудования. Тем не менее гидравлические тренажеры утратили свою популярность ввиду сложности обслуживания, высокой стоимости и недостаточной надежности. На смену им пришли тренажерные устройства с электрическим приводом, о которых будет сказано ниже, а также тренажеры с воздушным сопротивлением, обеспечивающие нагрузку, близкую к изокинетической. Резистивным блоком с воздушным сопротивлением оснащены современные гребные эргометры, широко вошедшие в практику подготовки высококвалифицированных гребцов.
== Внедрение управляемых силовых приводов ==
Принципиальным прорывом в области создания тренажеров оказалось внедрение хорошо зарекомендовавших себя в промышленности управляемых силовых приводов. Наибольшее распространение получили пневматический и электрический приводы. В первом случае нагрузка обеспечивается за счет давления сжатого воздуха, создающего безынерционную нагрузку, подобную той, которая обеспечивается резиновыми жгутами или пружинами (сила Гука). Этот тип привода (аналогично свободному отягощению или типу нагрузки, создаваемой резиновым жгутом) обеспечивает изотонический режим мышечного сокращения - сокращение с постоянной нагрузкой, как в концентрической (укорочение мышцы), так и эксцентрической (удлинение мышцы) фазах движения. В случае электрического привода нагрузка обеспечивается за счет магнитных сил, возникающих между ротором и статором электродвигателя. Электрический привод способен воспроизводить все известные типы мышечного сокращения, включая изокинетический, описанный выше. Отличительной особенностью этих силовых приводов является возможность автоматического управления тренировочной нагрузкой как во время выполнения одного движения, так и во время серии движений. Физиологической основой эффективности тренировки, связанной с изменением нагрузки, являются широко известные методические приемы, применяемые в практике силовой тренировки. Один из них был описан выше, когда обсуждались преимущества использования тренажерных устройств с изменяемым плечом приложения силы (наутилус-машины). Другим высокоэффективным методом является метод эксцентрической перегрузки, основанный на хорошо известном факте - мышечная сила, проявляемая в эксцентрической фазе, гораздо больше силы, проявляемой в концентрической фазе (опустить легче, чем поднять). До появления тренажерных устройств с управляемыми силовыми приводами эта проблема решалась с использованием нескольких помощников, которые добавляли часть нагрузки в начале эксцентрической фазы и убирали ее перед началом движения в концентрической фазе. Еще один метод основан на хорошо известном факте снижения силы мышц в процессе утомления. Как и в предыдущем случае, проблема решалась при помощи помощников, которые снимали часть нагрузки после выполнения каждого движения. Оба метода резко повышают эффективность тренировки за счет выполнения большего объема работы с большей напряженностью. Появление управляемых силовых приводов позволило автоматизировать процесс тренировки, снизив при этом погрешности, связанные с человеческим фактором.
== Появление средств измерения ==
Используя аналогию с эволюцией в животном мире, можно сказать, что с определенного момента времени тренажерные устройства научились «видеть» и «чувствовать», что явилось следующим и весьма важным эволюционным шагом. Тренажеры были оснащены датчиками, измеряющими основные параметры движения: силу, скорость, амплитуду движения. Это дало существенные преимущества в оптимизации тренировочного процесса. До появления средств измерения текущие функциональные возможности мышц можно было оценивать весьма трудоемкими и грубыми методами. Так, для определения максимальной произвольной силы использовался метод одного повторного максимума (1 ПМ), суть которого заключается в следующем. С использованием нескольких попыток (как правило, не менее 7) определяется тот вес (или нагрузка), который занимающийся может преодолеть лишь один раз. Величина нагрузки принимается за максимальное значение произвольной силы. Очевидно, что такую процедуру, связанную с выполнением предельных нагрузок, можно выполнять не чаще 2-3 раз в месяц. К тому же метод имеет значительную погрешность, связанную с дискретностью нагрузки. Выбор больших ступенек в выборе нагрузки таит опасность «проскакивания» реальных значений, выбор небольших ступенек ведет к тому, что при приближении к максимальным нагрузкам мышцы уже значительно утомлены, что неизбежно отражается на проявлении максимальных возможностей. С появлением датчиков, измеряющих [[Скоростно-силовые качества|скоростно-силовые проявления]], процедура оценки текущего функционального состояния мышц резко упростилась, и точность ее резко повысилась. Для оценки в этом случае достаточно выполнения нескольких движений (лишь для набора статистики, в идеале достаточно и одного движения) с немаксимальной нагрузкой. Датчики силы (в случае изокинетического режима) или скорости (в случае изотонического режима) с высокой точностью определяют текущее значение скоростно-силовых возможностей. Такую процедуру можно выполнять практически на каждой тренировке, а при постоянной работе датчиков и мотивации занимающихся к максимально быстрому выполнению движения буквально после выполнения каждого движения. Очевидно, что использование этой срочной информации резко повышает эффективность тренировочного процесса, позволяя оперативно оценивать целесообразность выбранной программы тренировки или диагностировать внезапное снижение функциональных возможностей двигательной системы, вовремя внося коррективы в тренировочный процесс.
== Появление средств визуализации ==
Продолжая аналогию с животным миром, можно зафиксировать момент, когда тренажерные устройства научились «говорить» или иным образом обмениваться информацией с занимающимся. Речь идет о появлении тренажерных устройств с биологической обратной связью, использующих зрительный, слуховой, проприоцептивный каналы. Занимающийся получил возможность в режиме реального времени наблюдать за текущим уровнем своих скоростно-силовых возможностей. Помимо физиологической целесообразности такой тренировки, связанной с мотивацией к выполнению более сильных и быстрых движений, данные устройства нашли широкое применение в спорте для отработки технических элементов соревновательного движения, а также в восстановительной медицине и диагностике двигательных нарушений для оценки проприоцептивной чувствительности. В первом случае спортсмен видит свой и эталонный профиль распределения нагрузки, пытаясь в точности воспроизвести заданное движение.
Во втором пациенту предлагается запоминать и воспроизводить различные параметры движения: силу, скорость, амплитуду мышечного сокращения, после чего вычисляется ошибка.
== Автоматизация тренировочного процесса ==
На вершине эволюционной лестницы на настоящий момент находятся тренажерные устройства с функцией электронного тренера. Тренажеры обрели интеллект. Такие системы включают в себя все перечисленные выше элементы: управляемые силовые приводы, датчики измерения основных параметров функционирования двигательной системы, устройства визуализации необходимых для занимающегося информационных и управляющих команд. Тренировочные устройства последнего поколения включают в себя компьютеры, предназначенные для сбора, анализа и хранения информации, поступающей от измерительных датчиков, а также управления работой силовых приводов с целью изменения тренировочной нагрузки по заранее заложенным алгоритмам. Интеллектуальные тренировочные системы можно подразделить на два класса: устройства, автоматизирующие тренировочный процесс в течение выполнения одного упражнения, и устройства для долговременной тренировки, направленной на достижение заданной цели.
Классическим примером тренировочных устройств первого класса является беговая дорожка или любой другой [[Кардиотренажеры для дома|кардиотренажер]], включающий функцию автоматического поддержания заданного уровня [[Частота сердечных сокращений (ЧСС)|частоты сердечных сокращений (ЧСС)]]. Если уровень ЧСС ниже порогового уровня, поступает команда на увеличение нагрузки (увеличение скорости полотна или увеличение наклона дороги), если текущее значение ЧСС превышает заданный уровень, поступает противоположная управляющая команда. Такими устройствами оснащены все современные фитнес-центры, реабилитационные клиники и исследовательские лаборатории. К этому же классу можно отнести тренировочное оборудование для нужд силовой тренировки, описанное в подразделе, посвященном управляемым силовым приводам, при обсуждении тренировочных методов, основанных на изменении нагрузки как во время одного, так и во время серии движений.
Интеллектуальные системы для долговременной тренировки представлены тренажерными комплексами, состоящими из нескольких тренажеров для различных мышечных групп. Эти системы могут быть полуавтоматическими - смарт-карт-системы, или полностью автоматизированными - объединенными в единую локальную сеть с центральным компьютером.
В первом случае каждый тренажер включает в себя мини-компьютер с устройствами вывода визуальной информации. Смарт-карта - это индивидуальный электронный чип, встроенный в пластиковую карточку. В памяти этого чипа хранится вся информация о текущем и предшествующем функциональном состоянии конкретного занимающегося, а также программы текущей коррекции тренировочной нагрузки. Разработкой и созданием таких систем в настоящий момент времени занимаются все крупные мировые производители, выпускающие пневматические тренажеры. Процедура организации тренировочного занятия в тренажерных залах, оборудованных такими тренажерами, следующая. Для конкретного занимающегося тренером составляется тренировочная программа достижения заданной тренировочной цели, которая зашивается в память чипа, а также распечатывается на бумажном носителе. Занимающийся, следуя этой программе, переходит от одного тренажера к другому. Перед началом упражнения он вставляет смарт-карту в специальный терминал, которым оснащен каждый тренажер. Электронная система считывает текущую информацию, выставляет необходимую нагрузку и выводит на мини-дисплей различные команды для занимающегося: с какой скоростью выполнять упражнение, сколько выполнять движений, сигналы к началу и к завершению упражнения. После окончания работы на одном тренажере занимающийся переходит на другой, в соответствии с планом тренировки, распечатанном на бумажном носителе. Продолжительность отдыха между отдельными упражнениями регламентируется самим занимающимся и загруженностью тренажерного зала. Тренер лишь дает указания о временном диапазоне отдыха. Корректировка тренировочной нагрузки перед началом очередного тренировочного занятия также осуществляется тренером после детального ознакомления с параметрами предыдущей тренировки, считанными со смарт-карты. Такая организация работы в тренажерном зале -это значительный шаг вперед, но и она не лишена недостатков, снижающих эффективность тренировочного процесса. К этим недостаткам можно отнести: произвольный выбор времени отдыха между упражнениями; неизбежные ошибки тренера, корректирующего тренировочный план; хаотичное перемещение занимающихся по залу, что ведет к неэффективном. использованию тренажеров, а также вносит дополнительную погрешность в выбор интервала времени отдыха, поскольку тренажер, на котором предстоит заниматься, может быть занят другим занимающимся.
Ближайшая перспектива в области раз работки новых тренажерных устройств - это полностью автоматизированная тренировочная система, организующая тренировочный процесс в принципиально ином режиме. Вся информация о текущем функциональном состоянии занимающихся хранится в центральном компьютере, который связан со всеми тренажерами единой локальной сетью, по которой передаются сигналы от датчиков и идут управляющие команды к силовым приводам тренажеров. Визуализация управляющих команд для испытуемых осуществляется посредством большого информационного монитора, видного из любой точки тренажерного зала. В центральном компьютере содержатся тренировочные алгоритмы для достижения задан ной тренировочной цели, разработанные специалистами в области спортивной физиологии и кибернетики (описание особенностей этих алгоритмов см. ниже). Перед началом тренировочного занятия занимающийся вводит свой ник и пароль в центральный терминал, после чего система включает его параметры (извлеченные из базы данных) в общую программу динамического управления тренировочным процессом. На экране информационного монитора появляется новая строка, которая включает: ник, номер тренажера на котором предстоит выполнять очередное упражнение, время до начала упражнения (отсчет секунд в обратном порядке), интенсивность предстоящего упражнения и поле для различных дополнительных инструкций. Все занимающиеся переходят от тренажера к тренажеру, руководствуясь информацией с этого монитора. В алгоритмы включена защита от взаимных пересечений и накладок. Другими словами, не может возникнуть ситуация, когда система предлагает двум или более занимающимся одновременно начать упражнение на одном и том же тренажере. Величина тренировочной нагрузки и время отдыха между отдельными упражнениями корректируются в автоматическом режиме, на основе алгоритмов тренировки и текущего функционального состояния занимающегося. Автоматизированную систему можно использовать для организации тренировочного процесса в виде круговой тренировки - эффективного метода повышения аэробного потенциала организма. Для этих целей на тело занимающегося крепят кардиодатчики, которые также связываются с центральным компьютером по беспроводному каналу. Автоматизированная тренировочная система в этом случае будет подбирать нагрузку таким образом, чтобы удерживать частоту сердечных сокращений в заданном диапазоне.
=== Особенности алгоритмов, лежащих в основе работы автоматизированной тренировочной системы нового поколения ===
Идеально функционирующая автоматизированная система управления тренировкой должна включать тренажерные устройства с силовыми приводами, систему датчиков для оценки состояния различных систем организма, программы для развития различных двигательных качеств, а также возможности автоматической коррекции этих программ на основе изменений в функциональном состоянии организма. Последние две задачи решаются с помощью специально разработанных алгоритмов. Как один из возможных путей разработки таких алгоритмов можно предложить использование адаптационных алгоритмов, нашедших широкое применение в кибернетике. Разработка данных алгоритмов вылилась в самостоятельное теоретическое направление под названием «Алгоритмический подход к построению тренировки». В рамках настоящего раздела не представляется возможным в полной мере изложить данный подход. Остановимся лишь на ключевых особенностях работы алгоритмов, заложенных в автоматизированную тренировочную систему нового поколения, о которой шла речь ранее. Костяком данных алгоритмов являются математические модели функционирования двигательной системы: модель срочного ответа на однократное воздействие - наиболее простая модель, не учитывающая факторы, связанные с утомлением; модель отставленного ответа на серию движений - модель локального утомления; долгосрочная модель хронического ответа - наиболее сложная модель, учитывающая большой набор данных. Точность моделей определяется индивидуальными коэффициентами, адаптивная корректировка которых - конечная цель работы алгоритма. Целевой функцией данных моделей является достижение заданного уровня скоростно-силовых возможностей путем перебора параметров тренировочной нагрузки. К этим параметрам относятся: нагрузка для выбранной мышечной группы, время рабочих периодов в одном тренировочном сете, интервалы отдыха между отдельными повторами одного сета, количество повторов в одном сете, количество сетов в одно тренировочное занятие, интервалы отдыха между отдельными сетами. Граничные значения каждого из параметров выбираются эмпирически на основе знаний о физиологических закономерностях функционирования двигательной системы, а также на основе тренировочной практики. В пределах граничных значений осуществляется случайный выбор конкретного значения данного параметра и оценивается реакция мышечной системы, после чего полученная величина сравнивается со значением целевой функции. Затем процесс повторяется. Использование математических моделей резко сужает варианты перебора, отбрасывая те, которые не укладываются в модель. Многократная итерация этого процесса позволяет довольно точно подбирать индивидуальные коэффициенты, а возможность точного измерения скоростно-силовых возможностей после выполнения каждого движения заметно ускоряет этот процесс. По вновь и вновь уточняемым моделям прогнозируются параметры будущих тренировочных занятий, которые также могут быть скорректированы с учетом текущего функционального состояния мышечной системы.
== Заключение ==
В рамках настоящей главы прослежен эволюционный путь видоизменения тренажерных устройств, используемых для тренировки различных двигательных качеств. Структурно данный путь можно подразделить на семь этапов, которые охарактеризованы следующим образом:
*свободный вес;
*модификация конструктивных особенностей;
*модификация физических параметров нагрузки;
*автоматическое управление тренировочной нагрузкой;
*оснащение измерительными датчиками;
*оснащение средствами отображения информации;
*наделение тренажерных устройств интеллектуальными функциями.
Дальнейшие эволюционные тренды в области создания тренажерных устройств лежат в совершенствовании и расширении трех направлений, обусловленных научно-техническим прогрессом:
*появление новых типов силовых приводов, позволяющих создавать особые режимы мышечного сокращения;
*появление новых типов датчиков, а также способов их использования;
*совершенствование алгоритмов управления тренировочным процессом в автоматическом режиме.
В развитии последнего направления можно выделить два аспекта:
*создание более точных математических моделей функционирования организма, которые выполняются математиками и кибернетиками;
*накопление базы данных корректировочных коэффициентов для этих моделей, связанных с индивидуальными параметрами занимающихся (антропометрические, физиологические, генетические). Работа по этому направлению может привести к качественно новому эволюционному шагу - объединению многих автоматизированных тренировочных комплексов в единую информационную сеть с использованием Интернета. Это позволит заметно интенсифицировать процесс «нащупывания» нужных параметров для конкретного занимающегося с использованием накопленного опыта и единой базы данных. Однако, по-видимому, это довольно отдаленная перспектива.
== Читайте также ==
*[[Аэробные тренажеры]]
*[[Балансировочный тренажер]]
*[[Велотренажер]]
*[[Вибромассажеры]]
*[[Гироскопический тренажер]]
*[[Гребной тренажер]]
*[[Эллиптический тренажер]]
*[[Лучшие тренажеры для похудения]]
*[[Лучшие тренажеры для девушек]]
*[[Беговые тренажеры]]
*[[Беговая дорожка для дома]]
*[[Спортивные тренажеры для силовых тренировок]]
*[[Спортивные тренажеры - отзывы]]
*[[Степпер]]
*[[Степ-платформа]]
*[[Турник для дома]]
*[[Эспандеры]]
*[[Кардиотренажеры для дома]]
*[[Тренажеры для мышц ног]]
*[[Тренажеры для мышц пресса]]
*[[Тренажеры для грудных мышц]]
*[[Тренажеры для трицепса]]
*[[Тренажеры для бицепса]]
*[[Тренажеры для мышц спины]]
*[[Тренажеры для плеч и трапеций]]
== Глоссарий ==
'''Изокинетический режим мышечного сокращения''' — сокращение или удлинение мышцы с постоянной скоростью.
'''Изометрический режим мышечного сокращения''' — напряжение мышцы без изменения ее длины.
'''Изотонический режим мышечного сокращения''' — сокращение или удлинение мышцы при постоянной внешней нагрузке.
'''Концентрический режим мышечного сокращения''' — напряжение мышц на фоне ее укорочения.
'''Эксцентрический режим мышечного сокращения''' - напряжение мышцы на фоне ее удлинения.
'''ОБОЗНАЧЕНИЯ'''
'''МПС - максимальная произвольная сила.
'''ПМ - метод одного повторного максимума.
'''ЧСС''' - частота сердечных сокращений.
== Библиография ==
Бекус Р. Д. (1998). Физиологическое тестирование спортсмена высокого класса. Киев: «Олимпийская литература». [В книге представлена методология тестирования параметров функционирования двигательной системы человека.]
Донской Д. Д. (1979). Бомеханика: Учебник для вузов физической культуры. М.: «Физкультура и спорт». [В учебнике представлены биомеханические закономерности соревновательных и тренировочных движений.) КоцЯ.М. (1984). Спортивная физиология: Учебник для вузов физической культуры. М.: «Физкультура и спорт». [В учебнике подробно описаны особенности различных режимов мышечного сокращения.] Мак-Комас, А. Дж. (2001). Скелетные мышцы. Строение и функции. Киев: «Олимпийская литература». [В руководстве подробно описаны молекулярные механизмы мышечного сокращения, строение и функции скелетных мышц.]
Хутиев Т. В. (1991). Управление физическим состоянием организма: тренирующая терапия. М.: «Медицина». [В монографии рассмотрены биологические системы управления и принципы их работы, а также математические модели, применяемые в лечении кардиологических больных.] Черкесов Ю.Т. (1993). Машины управляющего воздействия. Майкоп: Издательство Адыгейского государственного университета. [В монографии предложен новый класс спортивных тренажеров - «машины управляющего воздействия».]
Юшкевич Т.П. (1989). Тренажеры в спорте. М.: «Физкультура и спорт». [В книге систематизированы сведения о применении технических устройств в обучении и тренировке спортсменов.]
Fleck S.J. (2004). Designing resistance training programs. Human Kinetics. [В книге представлены практические рекомендации по составлению программ силовой тренировки.) Zatsiorsky V. М. (1995). Science and Practice of Strength Training. Human Kinetics. [В книге представлены теоретические основы силовой тренировки.]
== Биографическая справка ==
Нетреба Алексей Иванович, кандидат биологических наук. Работает в ГНЦ РФ Институте медико-биологических проблем РАН, в настоящее время - старший научный сотрудник лаборатории физиологии мышечной деятельности. В 2007 г. защитил кандидатскую диссертацию, посвященную изучению различных режимов мышечного сокращения. Область научных интересов: скоростно-силовые возможности мышц и их изменение под влиянием различных воздействий (силовая тренировка, разгрузка); использование в тренировке специальных тренажерных устройств, моделирующих различные режимы мышечного сокращения. Опубликовал более 30 научных работ. Автор 6 патентов на изобретения и полезные модели.
Виноградова Ольга Леонидовна, доктор биологических наук, профессор. Работает зав. лабораторией физиологии мышечной деятельности ГНЦ РФ Институте медико-биологи-ческих проблем РАН, профессор кафедры экологической и экстремальной медицины факультета фундаментальной медицины МГУ имени М. В. Ломоносова. В 2000-2002 гг.-председатель комиссии по физиологии мышечной деятельности и спорта секции «Организм и окружающая среда» РАН, в 2003-2004 гг.-координатор Программы Министерства образования и науки «Методы повышения работоспособности в экстремальных условиях», член редколлегии журналов «Физиология человека» и «Авиакосмическая и экологическая медицина», организатор Всероссийских школ-конференций по физиологии мышц и мышечной деятельности (2000-2011 гг.). Область научных интересов: физиология мышечной деятельности и регуляция вегетативных функций. Опубликовала 120 научных работ.
Орлов Олег Игоревич, доктор медицинских наук, член-корреспондент РАН, первый заместитель директора Института медико-биологических проблем РАН по научной работе. Координирует инновационную деятельность Института, в том числе по программе создания сети центров физического здоровья.
Профессор кафедры многопрофильной клинической подготовки на факультете фундаментальной медицины МГУ имени М. В. Ломоносова и кафедры «Медицинская информатика» Московского медико-стоматологического университета. Член ряда международных, межведомственных и академических советов. Член Правления международного общества по телемедицине и электронному здравоохранению. Действительный член Международной академии астронавтики. Член редколлегий журналов «Клиническая информатика и телемедицина», «Telemedicine and e-Health», электронного журнала «Физиология мышечной деятельности».
Область научных интересов: космическая физиология и гравитационная биология, телемедицина. Автор более 70 научных работ по изучению физиологических механизмов адаптации человека к условиям невесомости и при ее моделировании, а также экстремальным воздействиям (гипербария, вращающаяся среда, перегрузки), оценке эффективности различных средств профилактики на различных этапах космического полета.