Теннис

Источник:
«Спортивная энциклопедия систем жизнеобеспечения».
Редактор: Жуков А.Д. Изд.: Юнеско, 2011 год.

Содержание

Современный теннис: биомеханика, эргономика, техника игры

Г. П. Иванова Университет физической культуры, спорта и здоровья им. П. Ф. Лесгафта, Россия

Мировой теннис за последние 5 лет настолько изменился по темпу игры, мастерству выполнения ударов, по скорости перемещения игроков, что следует провести анализ причин роста и внести коррективы в теорию тенниса и методику подготовки спортсменов и тренеров на базе новых научных знаний о технике игры сильнейших теннисистов планеты.

Популярность игры в теннис, массовость среди играющего населения практически на всех континентах, интерес к теннису предпринимателей как к мероприятию, приносящему доход,- все это привело к непредсказуемому росту результатов в мировом теннисе. Благодаря естественному комплексному биологическому отбору игроков по многим показателям и вложения средств на исследование самих параметров игры в плане соответствия их запросам и физическим качествам самих игроков, тренировочный и соревновательный процесс неукоснительно стал улучшаться. Ныне создаются сберегающие здоровье методики подготовки спортсменов на основе знаний о двигательной деятельности теннисистов, построенные на совершенствовании эргономической системы «ЧИСС» - «Человек+ Инвентарь+Снаряд+Среда».

Действительно, только на основе соответствия эргономическим требованиям свойств ракеток, покрытий кортов и условий деятельности человека теннисисты обрели возможность играть круглый год, сохраняя спортивное долголетие.

Важнейшие требования к игрокам и современному тренеру:

1) умение реализовывать спортивные нагрузки;

2) умение использовать ставить технику с учетом индивидуальных особенностей теннисиста;

3) обеспечивать теннисистам оптимальные эргономические условия деятельности;

4) уметь искать резервы роста результатов.

Эти задачи побуждают тренеров отслеживать тенденции изменения игры и, в первую очередь, техники как ведущего средства борьбы с соперником.

Биомеханика технических действий современных теннисистов

Состав технических приемов

Сущность тенниса - в противоборстве сторон, направленном на осуществление определенных задач игры с помощью широкого круга разнообразных действий.

Техника представляет собой совокупность приемов и средств достижения цели, благодаря согласованным двигательным действиям, направленным на получение конечного эффекта - выигрыша очка.

Технику следует рассматривать как с позиций биомеханической целесообразности, так и со стороны стратегической и тактической результативности. К числу главных показателей результативности техники относятся: быстрая приспособляемость к разнообразным условиям, минимальная тактическая информативность, экономичность движений, большая сила при точности ударов, высокий темп ударных действий, быстрота и маневренность передвижений человека, своевременность и стабильность действий игрока при высокой вариабельности замыслов.

Эффективность спортивной борьбы зависит от многих объективных и субъективных факторов. Знание этих факторов, умение их использовать на практике в игре являются важнейшими условиями достижения высоких спортивных результатов в теннисе.

К объективным факторам следует отнести самого соперника с особенностями его техники и тактики; условия соревнований с учетом типа площадки, времени матча, погоды, освещенности, качества мячей; поведение зрителей и их реакцию на игру и т.д.

Субъективные факторы составляют свойства личности спортсмена, его знания, умения и навыки, его состояние на момент матча. Глубокий анализ и учет объективных факторов позволяют теннисисту правильно организовывать стратегию и технико-тактические действия.

Техника направлена на решение ближайшей двигательной задачи, связанной с перемещениями по корту и выполнением ударных взаимодействий с мячом. Существует множество технических приемов в теннисе (рис. 1), рациональность исполнения которых характеризует результативность техники.

Каждый из показателей результативности обусловлен множеством факторов и объясняется не одним механизмом исполнения приема. Оценивается результативность выступлений игрока не только счетом в матче. Соперник - это не эталонная величина, а проделанная работа для достижения победы оценивается по реализованной успешности технических приемов:

скорости полета мяча;

темпа игры;

количества не взятых подач - эйсов;

состава ударных действий;

длины и скорости перемещений игрока по корту;

точности и стабильности попаданий и прочих показателей.

В технических действиях теннисиста (см. рис. 1) принято выделять группу различных перемещений игрока и группу ударов, которые дифференцированы по принципу и особенностям исполнения, например, сверху, на опоре или без нее и прочее. Ударные действия делятся на удары по отскочившему мячу и с лета. Удары, как с лета, так и по отскочившему мячу, могут иметь разную цель: завершить розыгрыш очка, выполнить удар в нужную точку площадки, укоротить мяч, перебросить мяч через противника.

Прием подачи в теннисе осуществляется всегда после отскока мяча от площадки и представляет собой один из сложнейших технических приемов, так как мяч при подаче пролетает расстояние около 16 м со скоростью 240 км/час за 0,3 с. Это - крайне короткое время для ответной реакции человека на мяч. Поэтому действия игрока, принимающего подачу, должны быть четкими и быстрыми, строящимися на автоматизмах, в которых не последним является предсказание (антиципация) места попадания мяча во времени и пространстве. Прием подачи - одно из сложнейших технических действий,требует наличия опыта и класса игры. Только мастерство помогает правильно определить направление полета мяча и выйти навстречу ему в нужную точку корта.

Рис. 1. Основные технические приемы теннисиста

При передвижении по площадке теннисист должен решать следующие задачи:

осуществлять своевременный подход к мячу в наиболее выгодном направлении с целью создания лучших условий для ведения игры в быстром темпе:

готовить туловище и ноги для выполнения удара в наиболее удобной точке по высоте и расстоянию от тела до мяча;

обеспечивать свободный и быстрый «выход» из удара и своевременное занятие новой тактически правильной позиции, позволяющей подготовиться к последующим действиям. Передвижения начинаются из динамически устойчивого исходного положения и содержат:

старт из исходного положения;

движение к мячу до удара;

перемещение тела непосредственно в процессе удара;

«выход» из удара и повторный старт для занятия новой позиции.

Все части движения тесно связаны между собой и вытекают одна из другой.

Рис. 2. Схема перемещений теннисиста

Исходное положение

Подготовка к любому удару начинается из исходного положения. От правильности принятой позы на старте зависит быстрота реагирования на мяч и скорость дальнейших подготовительных действий.

В исходных положениях теннисист обращен лицом к сетке, плечевой пояс верхних конечностей расположен параллельно ей, плечи несколько опущены. Туловище образует с бедром угол в пределах 120°, оно наклонено вперед, продольная ось тела с плоскостью опоры в пределах 150°. Ноги расставлены на ширине плеч и согнуты. Стопы параллельны друг другу и удерживают вес тела на «подушечках» стоп, пятка чуть приподнята над опорой. Ракетка удерживается двумя руками на уровне пояса. Головка ракетки обращена к сетке. В локтевом суставе руки согнуты до угла приблизительно 135-150°. Голова несколько разогнута относительно туловища, взор обращен в сторону соперника.

Такое исходное положение предшествует почти всем теннисным ударам. Для выхода из него требуется выполнение своеобразного «старта», который В.Н. Янчук назвал «разножкой». Суть разножки состоит в том, что еще до удара соперника игрок делает небольшой прыжок или подскок вверх (толчком одной или двумя ногами в зависимости от предыдущего движения) и в момент контакта ракетки соперника с мячом он оказывается в безопорном положении.

На «расшифровку» удара соперника и определение направления и характеристик полета мяча требуется время (0,08-0,20 с). В пределах этого времени спортсмен находится вне опоры. Однако к моменту приземления ему уже становится ясно, в какую сторону нужно сделать рывок.

При взаимодействии с опорой выполняется толчок «взрывного характера», сообщая телу для отталкивания импульс большей силы, чем просто с места. Этому способствует возросшая к моменту приземления кинетическая энергия тела и упругие силы в мышечно-связочном аппарате нижних конечностей, обеспечивающие быстрое и значительное растяжение и сокращение мышц. Первой взаимодействует в разножке с опорой нога, одноименная со стороной удара. Она способствует переносу центра тяжести тела на другую, разноименную с ударом ногу, отстоящую от нее на расстоянии 0,7—1 м. Отталкивающее усилие увеличивается благодаря преодолевающей работе мышц - разгибателей суставов этой ноги для переноса проекции центра тяжести тела еще дальше, в направлении будущего удара. Данная схема действий свойственна классическому удару справа или слева по отскочившему мячу при наличии времени для подготовки к удару. В современных ударах «сходу» игрок не ставит на опору вторую ногу, а продолжает естественное движение бега. Момент контакта ракетки с мячом приходится на безопорную фазу, когда спортсмен сочетает удар с очередным шагом или прыжком.

Передвижение к мячу

Своевременное и правильно выполненное передвижение к мячу отражается на эффективности удара. Особенности передвижений теннисиста зависят от расстояния до мяча, высоты его полета, точки удара и его вида, положения игрока относительно мяча, времени на подготовку удара. Опытные игроки передвигаются по корту при средней интенсивности и более равномерно, чем менее квалифицированные. Такой равномерный режим перемещения по корту позволяет им до минимума снизить энергозатраты, улучшить условия для выполнения удара и быстрее выйти из него.

Игроки передвигаются по площадке шагом, бегом и прыжками (рис. 2). Больше половины всех передвижений приходится на шаги, несколько меньше - на бег, и лишь небольшая часть - на прыжки. Основа всех передвижений к мячу - простые шаги. Игрок делает их, когда нужно приблизиться к мячу, летящему правее, левее или впереди игрока. Так называемые приставные шаги игроки используют для быстрого возвращения в центр площадки, после выполнения ударов у боковой линии, для подготовки удара по далеко отскочившему назад мячу. Приставные шаги представляют собой передвижение невысокими прыжками боком (правым или левым вперед), однако положение тела остается близким к исходному.

Скрестные шаги используются для подхода к мячу, упавшему в 3-4-х шагах от игрока, для подготовки удара над головой, с отскока или с лета.

Бег для передвижения по площадке используется в следующих основных ситуациях:

выход к сетке после подачи;

выход к сетке после розыгрыша мяча;

достижение мяча при переброске игрока свечой;

пробежки к боковым линиям;

доставание укороченного мяча.

Выпады, прыжки и броски в стороны теннисист выполняет при игре у сетки, когда противник пытается неожиданным и острым ударом сделать обводку.

Выпрыгивать вверх-назад теннисисту приходится при выполнении удара над головой. Выполнение удара в движении, особенно по восходящему мячу, позволяет увеличить темп игры, мощность и силу ударов, создать условия для свободного выхода к сетке.

Передвижения теннисистов крайне индивидуальны и разнообразны, как и сами ситуации в игре. Однако замечено, что опытные теннисисты начинают перемещение к мячу с более высоким ускорением, быстрее набирают скорость, но до меньшего значения, чем менее квалифицированные игроки.

Перемещение тела в процессе выполнения удара. Старое классическое правило работы ног при ударах гласит, что при ударе справа ближней к мячу ногой является левая, а при ударах слева - правая, причем центр тяжести тела переносится с дальней на ближнюю ногу во время выноса ракетки вперед. Так получается при ударах в закрытой стойке. В новом теннисе при больших скоростях используется открытая стойка, где ближней ногой к удару будет одноименная нога.

В процессе перемещения тела по вертикальной оси, например, при подготовке к подаче или крученому удару по отскочившему мячу изменяется сила реакции опоры, позволяющая выпрыгнуть вверх.

Траектория движения общего центра тяжести тела при плоских ударах прямолинейна, в резаных - направлена под небольшим углом вниз, а при крученых — вверх.

В современном быстром теннисе нет возможности тщательно подбирать и располагать твердо на опоре стопы, большинство технических приемов делается с ходу. Так, в движении на мяч выполняется прием подачи, удары с лета у сетки, отражение короткого мяча с последующим выходом вперед к сетке.

Выход из удара и занятие новой позиции. После того, как мяч покинет струнную поверхность ракетки, игрок продолжает движение тела и ракетки по инерции, одновременно подтягивая к впереди стоящей ноге вторую ногу и готовясь к разножке для выхода в удобную позицию для следующего удара. Быстрый «выход» из удара, незамедлительное занятие целесообразной позиции на площадке и своевременное определение направления ответного удара противника создают предпосылки для успешности действий игрока.

Фазовый состав ударов по мячу в теннисе

Технический прием представляет собой единое двигательное действие, состоящее из отдельных частей - фаз, каждая из которых относительно самостоятельна и решает свою двигательную задачу. В ударном действии выделяют 4 фазы: 1 - подготовительная т замах, 2 - предударная - разгон ракетки, 3 - фаза соударения - взаимодействия ракетки с мячом, 4 заключительная, состоящая из подфаз торможения ракетки и завершения удара.

Подготовительная фаза — замах начинается из исходного положения и заканчивается моментом завершения замаха, т.е. отведением ракетки в наиболее удаленное от точки удара положение биты. В подготовительной фазе ставятся задачи: своевременно выполнить замах оптимальной протяженности и формы, выбрать место для удара, найти точку контакта, и, соответственно этому, выйти в наиболее выгодное положение для дальнейшего проведения мощного удара путем выноса руки с ракеткой на мяч. Действия игрока сводятся к обеспечению грубой ориентации ракетки и необходимой опоры для звеньев и прикрепляющихся к ним мышц тела теннисиста при развитии предударной скорости головки ракетки по возможности на значительном расстоянии. Замах бывает разным по форме (петлеобразным, прямым и блокирующим), по продолжительности (коротким и длинным), а поэтому время подготовительной фазы колеблется в зависимости от типа удара, скорости полета мяча и мастерства игрока от 0,24 до 0,64 с.

Предударная или фаза разгона ракетки начинается после завершения замаха и продолжается до момента контакта струнной поверхности ракетки с мячом. В предударной фазе формируются условия для накопления оптимального запаса энергии и количества движения в кинематической цепи «теннисист - ракетка» к моменту ударного взаимодействия, а также создается необходимая жесткость в межзвенных сочленениях тела и в хватке ракетки.

Фаза ударного взаимодействия - важнейшая и самая кратковременная фаза, в которой происходит удар по мячу. Продолжительность контакта мяча со струнами, по данным разных исследователей, колеблется от 5 до 40 мс, что короче простой двигательной реакции человека на раздражитель. Эта фаза делится на две подфазы: деформации тел и восстановления их формы. За время соударения происходит обмен энергией между телами, а мячу за этот короткий период должны быть заданы параметры скорости и вращения, с которыми ему будет необходимо уйти от ракетки согласно тактическому замыслу.

Заключительная фаза начинается в момент отхода мяча от ракетки и заканчивается возвращением теннисиста в исходное положение для следующего удара.

В каждом приеме техники все фазы, кроме ударного взаимодействия, имеют свои особенности и формы проявления. Лишь фаза контакта во всех ударах имеет общий смысл, в ней мяч сталкивается со струнами, и происходит обмен энергии между этими телами. Однако управление энергией в фазе контакта все-таки остается во власти человека. Как же регулируется скорость мяча в столь короткий промежуток времени, остается загадкой для спортивной педагогики, но неоспоримо то, что именно с явлением управляемости биосистемы в фазе взаимодействия связаны многие показатели результативности техники. По этой причине биомеханика двигательных действий человека в фазе контакта представляет особый интерес.

Закономерности соударения живой системы с мячом сложны, требуется привлечение научных методов, которые помогут раскрыть явление и понять значение опыта, тренированности человека и роль передовых технологий, а также новых материалов при создании инвентаря и покрытий кортов, разработке новых свойств мячей и конструировании современных ракеток, качество которых прямо отражается на мастерстве теннисистов.

Подготовка к удару

Подготовка к соударению включает (1) замах и (2) фазу разгона ракетки, т.е. выноса ракетки на мяч из наиболее удаленного от точки контакта положения. Эти две фазы удобно описывать совместно, так как с биомеханических позиций они взаимообусловлены. Теннисист, находясь в исходном положении, прогнозирует по двигательным действиям противника возможный вариант полета мяча и начинает перемещение в нужном направлении. Быстрота перемещения спортсмена зависит от времени полета мяча. В процессе движения на мяч выполняется подготовительный замах к удару.

Цель замаха сводится к выводу ракетки на удобную позицию для выполнения дальнейших ударных действий по мячу. Под удобной позицией следует понимать такое удаление центра биты от тела спортсмена, которое позволит на пути его движения в направлении будущего удара в фазе разгона достигнуть оптимальной скорости. Вынос биты в конечную точку замаха необходимо выполнять за вполне определенное время, чтобы не было остановки ракетки. Скорость замаха и последующего движения биты на мяч взаимообусловлены, так как в процессе замаха растягиваются те мышцы, которые работают далее при ускоренном движении на мяч.

Упругие силы, возникающие в мышцах при их удлинении, могут использоваться в основном ударном контакте, но полнота вклада упругой энергии мышц в ударное движение зависит от величины удлинения и скорости растягивания мышц. Для каждого человека и для каждой группы мышц существуют свои оптимальные режимы работы с точки зрения накопления упругой энергии в растянутых мышцах и возбуждения в них мышечного потенциала как ответа на резкое удлинение волокон.

Важно учесть, что тело теннисиста представляет собой многозвенную кинематическую цепь,начинающуюся на опоре и имеющую свободное последнее звено - ракетку. Чем длиннее цепь, тем большее количество звеньев и их соединений будут участвовать в работе. Кинематическая открытая цепь окажется управляемой только в случае согласованной во времени и пространстве работы мышц по всей ее длине.

Работа мышц в замахе начинается от дистального, т. е. последнего от опоры, звена. Тяга мышц направлена в сторону опорных проксимальных, т.е. ближних к телу, звеньев. Движение выше-расположенного по цепи звена в замахе способствует растягиванию нижерасположенного. Благодаря такой последовательной работе мышц экономится энергия мышечного сокращения, так как работа выполняется не за счет работы живой системы, а путем торможения нижерасположенных звеньев и передаче от них количества движения вышерасположенным, имеющим меньшие значения моментов инерции, следовательно, получившим от торможения большие скорости разгона. Внешне такой замах воспринимается как легкое, пластичное движение. Итак, в замахе последними растягиваются мышцы туловища и ног.

Обратное движение на мяч идет строго наоборот. Первыми начинают сокращаться в преодолевающем режиме только что растягиваемые мышцы ног, затем - туловища, а далее мышцы пояса верхних конечностей, но эта работа будет выполняться уже в фазе разгона. Рациональность организации такой последовательной работы звеньев в замахе и разгоне состоит в том, что короткие и мощные мышцы тазовой области и бедра, перемещающие большие массы, имеют значительную инертность и меньшую скорость сокращений. Их роль в ударном движении сводится к заблаговременному включению нижних отделов цепи в удар и сообщении нижним звеньям цепи необходимой скорости тела в направлении удара.

Движению замаха способствует быстрый и своевременный разворот ног и туловища, начинающийся от опоры. Тело спортсмена сначала скручивается для замаха, а затем совершает возвратные колебательные движения на удар за счет упругих и сократительных сил мышц. Резонансная передача энергии от туловища к плечевому поясу спортсмена происходит, если своевременно прикладывается импульс силы мышц ног, осуществляющих скручивание таза с максимально возможной силой в течение времени, равного полупериоду собственных колебаний туловища. В таком случае вращение плеч и ракетки осуществится с предельно возможной скоростью за счет переданного им кинетического момента от нижних звеньев.

Скорость ракетки в направлении удара создается в результате суммирования скоростей звеньев руки, достигнутых путем вращения в суставах. По данным Б. Эллиотта, при подаче предельная угловая скорость ракетки равна 59 рад/с, а к моменту удара скорость ракетки только 45,3 рад/с, что объясняется большой угловой скоростью ракетки в петлевом замахе, инициируемой движением ног, туловища и плеча вверх с линейной скоростью 1,7 м/с при движении конца ракетки вниз со скоростью 5,8 м/с. В итоге создается линейная скорость ракетки после выполнения петли - 27,5 м/с, направленная вверх. Конечная результирующая скорость центра головки ракетки по мячу при подаче в условиях лаборатории у игроков международного класса - 35 м/с, у квалифицированных женщин - 32 м/с, а скорость вылета мяча, соответственно, 42 и 34 м/с.

Согласно корреляционной зависимости, на скорость вылета мяча наибольшее влияние оказывает амплитуда движения головки ракетки в горизонтальной плоскости, скорость ракетки сильно воздействует на скорость вылета мяча. В меньшей мере на послеударную скорость мяча влияет скорость подлетевшего мяча. Время фаз и всего движения в целом связаны со скоростью вылета мяча отрицательной зависимостью, что говорит о том, что чем меньше продолжительность указанных фаз и всего ударного действия, тем больше скорость вылетевшего мяча.

Понятно, что пройденный по траектории ракетки путь за более короткое время дает большую скорость, но при «сжатии» времени подготовки к удару особую роль приобретают действия ног и туловища, обеспечивающие поворот и ориентацию ракетки.

Скоростная структура движений теннисистов - достаточно консервативное явление, и если оно освоено, то реализация этого механизма, а именно, развитие скорости в кинематической цепи, идет по общим для человека законам. Величина ускорения очень велика -до 300 м/с2, а время развития этих ускорений -крайне короткое, особенно у дистальных звеньев, которые менее инертны и их легче ускорить. Однако таких огромных ускорений и за столь короткое время одними силами мышечного сокращения достигнуть невозможно. Немалую роль в подготовительных движениях теннисиста играют силы инерции, которые возникают вследствие быстрых торможений звеньев, притом опять же последовательно от опоры к последнему звену: при торможении ног 1 ускоряется туловище, при торможении туловища - рука.

Важно знать, что масса нижнего звена больше, чем вышерасположенного над ним по кинематической цепи. Поэтому количество движения тяжелых звеньев, как произведение массы звена на скорость его в поступательном движении или момента инерции звена на угловую скорость во вращательном движении, при торможении нижерасположенных звеньев будет передаваться дистальным или периферийным звеньям, что обеспечивает им высокие ускорения и скорости. Механизм передачи количества движения от звена к звену построен на умении человека быстро и хорошо расслабляться.

Типы ударов и подготовка к ним мышечной системы

Ускорение свидетельствует о внешней результирующей силе, действующей на изучаемые звенья, а это значит, что к моменту взаимодействия с мячом ракетка может подойти с разным ускорением. В зависимости от тактических задач удары могут быть трех типов:

баллистический тип, характеризующийся отсутствием усилий в контакте, когда ракетка «входит в мяч» без ускорения;

силовой тип, при котором имеет место положительное ускорение, а это означает, что в фазе контакта ракетка давит на мяч;

тормозящий тип, когда перед встречей с мячом ракетка имеет отрицательное ускорение, направленное на уменьшение воздействия ударника на мяч.

Для баллистического типа удара перед моментом соударения характерно нулевое ускорение всех звеньев в направлении удара и, соответственно, падение электрической активности большинства мышц, разгоняющих звенья перед ударом.

Мышечное «молчание» в период контакта ракетки с мячом имеет место в плоских подачах и ударах на высоких скоростях, где в фазе контакта ракетка двигается на мяч по инерции. В ударах же силового или тормозящего типа, например, удары с лета или укороченные, при взаимодействии с мячом участвуют одновременно мышцы руки и плечевого пояса. У начинающих спортсменов ракетка к моменту контакта имеет ускорение, отличное от нуля, а электрическая активность пары мышц-антагонистов обеспечивает управление ракеткой. Итак, нижние звенья тела являются генераторами силы, а верхние -осуществляют управление точностными характеристиками ударов, а потому мышцы ног и туловища работают раньше и дольше.

Мышцы, обеспечивающие движение звеньев руки и хвата, включаются в течение короткого времени и имеют высокую амплитуду электрической активности (до 5 мВ). Характер работы мышц при ударе должен стать основой для подбора специальных упражнений, согласно теории соответствия динамической структуры основного и тренировочного упражнения.

Ясно одно, что включение мышц в удар происходит последовательно от конечных звеньев цепи к опорным звеньям в замахе, и от опорных, т.е. мышц ног, к расположенным выше периферическим мышцам руки и хвата. Время активности мышц по мере приближения к моменту соударения уменьшается. Для мышц локтевого и лучезапястного сустава время активности короткое, в пределах 25-40 мс, что говорит о высокой концентрации нервно-мышечной активности в ударных действиях при явной ре-ципроктности характера работы мышц, т.е. по-очередности включения в работу сгибателей и разгибателей. Перед контактом в баллистическом ударе работает разгибатель кисти, что доказывает ведущую роль в создании скорости движения ракетки сил инерции, а разгибатель кисти имеет управляющую функцию.

Продолжительность мышечного сокращения зависит от протяженности замаха, т.е. пути, на котором создается скорость движения, которая в первую очередь определяется временем подготовки к приему мяча. Чем короче замах, тем меньше амплитуда движения и тем большее ускорение должно быть создано на пути, следовательно, выше и короче по времени организуются усилия, прикладываемые к звеньям при подготовке к удару.

Тактика игры, а следовательно, и время, отводимое в отдельных ситуациях на удар, бывают очень разными. При коротком времени подготовки в удар включается меньшее количество звеньев и их движение происходит по более коротким, чем при свободном ударе, траекториям.

При участии в движении одного звена линейная скорость и приведенная масса будут малые. При вращении многозвенного рычага, но без перемещения мгновенной оси вращения в направлении удара, создается уже большая энергия. Самым энергетически выгодным вариантом надо признать вариант, в котором прослеживается накапливание энергии поступательного движения вследствие перемещения тела в направлении удара, плюс создание скорости, благодаря обгону дистальными звеньями проксимальных на основе торможения нижерасположенного по цепи звена и передаче количества движения к периферии. Этот вариант хлыстообразного движения не проходит в тех случаях, когда необходимо за короткое время организовать скорость последнего звена и жесткость рычага одновременно для противодействия быстро летящему навстречу мячу, например, прием подачи современным контратакующим ударом.

В таких ситуациях рычаг укорачивается и превращается в двухзвенный из пятизвенной цепи. Такая ситуация происходит при ударе по мячу двумя руками.

Для успеха в двуручном ударе необходимо иметь высокую скорость сокращения мышц туловища и плечевого пояса, большую подвижность позвоночного столба, а самое главное, уметь, совершая вращательное движение, задать телу поступательное перемещение в направлении движения мяча. Удары двумя руками возникли довольно давно, еще в 1930-е гг. ими успешно пользовались игроки первой десятки мира - австралийцы Макграт и Бромвич, а позднее - Хоу, Макмиллан, Лехэйн. Панчо Сегура использовал удары двумя руками, как с правой, так и с левой стороны корпуса.

Удары двумя руками имеют определенные преимущества. Прежде всего, хватка двумя руками позволяет более уверенно выполнять удар слева с отскока, лучше контролировать ориентацию струнной поверхности, обеспечивая нужную траекторию движения головки ракетки при ударах с вращением.

Вторая рука на ручке ракетки позволяет компенсировать дополнительный момент силы, возникающий при отклонении мяча от центра струнной поверхности, придать ракетке большую жесткость, полнее передать мячу энергию, набранную ракеткой. Благодаря более короткому и быстрому замаху, двуручной хваткой с большим успехом можно выполнять удары по восходящему мячу, что особенно ценно при приеме подачи. Удар двумя руками опасен для соперника, так как легче замаскировать направление ответа.

За последние пять лет многие теннисисты перешли на новую технику ударов в безопорном положении. Запись игр лучших теннисистов мира показала наличие до 90% контактов с мячом в зависшем над опорой положении. Вынос тела вслед за передачей механической волны силы отталкивания ног и ускоренного движения звеньев в замахе провоцируется также возникновением центробежной силы инерции, приложенной к телу и направленной по радиусу от точки опоры. Ускорение, измеренное по тензо-динамограмме подачи перед потерей опоры, равно 28 м/с2- Это приводит к развитию вертикальной скорости туловища до 3 м/с и подъему тела на 0,3 м. Удар по мячу в поднятом над опорой положении тела облегчает процесс управления потому, что отпадает необходимость определять программу устойчивости тела, которая является важнейшей в обеспечении надежности и точности удара на опоре. Точка удара по мячу в полете поднимается, что положительно отражается на траектории движения мяча и его скорости. Действительно, все подачи стали выполняться мастерами в высоко зависшем положении тела, а удары справа и слева с отскока выполняются в сильном продвижении тела на мяч, то есть практически в полетной фазе, как в беге, где фаза полета превалирует по времени над фазой опоры. В теннисе сильно возросли скорости перемещения тела перед ударом, а это привело к выполнению ударов в полете, для чего необходима специфическая координация, которую, к примеру, нашел в ударе слева с отскока Марат Сафин.

При придании вращения мячу все звенья тела устремляются вслед за ракеткой вверх-вперед, что зачастую приводит к тому, что тело теннисиста приобретает ускорение более 9,8 м/с2- Тело постепенно теряет давление на опору и оказывается к моменту контакта с мячом в безопорном положении. Подобная ситуация выхода в положение пониженного давления на опору может возникнуть при стремлении спортсмена добавить горизонтальную скорость тела при движении на мяч. У теннисиста при резаном ударе слева происходит иногда «пролетание» тела вперед на 2 м. В состоянии, когда нет давления тела на опору, соударение с мячом происходит по иным механическим закономерностям. Все движения звеньев взаимосвязаны и подчинены закону сохранения заданного телу импульса внешней силы, ибо внутренние мышечные силы не способны изменить параметры движения всего тела, а могут лишь вращать части тела вокруг центра масс, не меняя траектории центра масс системы звеньев.

Оказалось, что в отсутствии опоры уходят из-под сенсорного контроля многие переменные:

не надо отслеживать изменение реакции опоры, приложенной к телу;

создается вполне определенная траектория движения центра масс тела;

мышцы «избавлены» от необходимости поддерживать тело на опоре, они расслабляются;

снимается напряжение с мышц-разгибателей ног, обеспечивая тем самым возможность более быстрого сокращения мышц-сгибателей туловища, плечевого пояса и рук.

Если на опоре импульс момента силы был задан относительно оси, проходящей через опорную конечность, достаточно удаленную от общего центра тяжести, то в безопорном положении импульс момента сил сохраняется, так как тело не имеет контакта со средой и на него не действует сила реакции опоры. Вращение начинает строиться относительно центральной оси инерции свободного тела, которая проходит через его ось симметрии. Это приводит к тому, что радиус инерции тела укорачивается, а угловая скорость вращения сильно увеличивается. За счет тех же затрат энергии в безопорном положении спортсмен с большей угловой скоростью выносит ракетку на мяч. Вот почему так коротки и стремительны в предударной фазе движения верхних конечностей у современных игроков. Горизонтальное передвижение тела в безопорном полете на мяч происходит при значительной поступательной скорости движения ракетки. В результате суммарная кинетическая энергия движущейся системы звеньев складывается и усугубляется большой жесткостью, благодаря двуручной хватке.

Способ передачи количества движения достаточно стабилен и, возможно, строится по принципу программно-автоматического управления движением. При перемещении тела по инерции без касания опоры в момент соударения управление движениями упрощается, так как работают законы механики для закрытой системы, где импульс момента силы сохраняется, а это означает, что все движения спортсмена протекают вокруг общего центра масс системы звеньев, включая ракетку и мяч. Импульсы моментов мышечных сил будут внутренними и смогут только взаимно компенсаторными встречными вращениями влиять на противодействие мячу, что исключает эффект неожиданности в работе живой системы и дает ей большую стабильность показателей ударных действий.

Биомеханика взаимодействия ракетки с мячом

История вопроса

Теннис во многом изменился благодаря совершенствованию процесса передачи энергии от человека к мячу в фазе контакта. Этому способствуют новые современные технологии изготовления инвентаря, новый эргономический подход к спорту и, в первую очередь, к теннису.

Ответить на вопрос о том, как оптимизируется техника взаимодействия человека с ракеткой и мячом, помогают биомеханика и эргономика.

Высокое качество современных ракеток и мячей кардинально изменило технику игры и ее надежность. Рационализация работы ударной системы «человек-ракетка-мяч» связана с рядом обстоятельств:

совершенствованием физических и психофизиологических качеств самих спортсменов;

дальнейшим улучшением свойств материалов, из которых создаются инвентарь и покрытия теннисных кортов;

совершенствованием связей между элементами внутренней среды спортсмена и внешнего окружения, так называемой эргономической системы для достижения адекватности и комфортности состояния теннисиста.

Механика неживой ударной системы «мяч -струны - ракетка - зажим» не соответствует реальной игровой ситуации, с которой сталкивается теннисист. Однако для модельного анализа полезно использовать механические закономерности абсолютно-упругого удара, сформулированного еще И. Ньютоном. Однако в них не учтены потери энергии на тепло, диссипацию в материалах инвентаря и тканях человека, пластическую деформацию мяча, струн, обода ракетки. Не предусмотрена в формулах переменная масса «ударника». Под массой ударника необходимо понимать вместе с ракеткой ту часть тела теннисиста, которая принимает участие в ударе. Оказывается, что масса какой-то части тела по воле самого человека может быть «вложена» в удар.

Это означает, что в механическом смысле теннисный (спортивный) удар нельзя изучать только на основе классических законов Ньютона по причине того, что в живой системе не соблюдаются условия закрытости механической системы. В систему «ракетка - мяч» есть доступ по воле человека энергии извне, от этого может измениться жесткость ударника или величина «ударной» массы.

В спорте при ударе создается биомеханическая система, при анализе которой необходимо учитывать не только неударную энергию, поступающую в фазе контакта со стороны человека, но и рассматривать также биомеханизмы управления силой и точностью соударения, оптимизирующие удар.

Впервые о возникновении «биопотенциальной» энергии в ударе заговорил Ф. К. Агашин (1972), введя понятие биомеханического резонанса, возникающего при ударе. Ему, как в дальнейшем и Л. С. Зайцевой, не удалось найти способ количественного определения вклада внешних сил в удар, однако без этого нельзя объяснить технику теннисного удара и процесс управления послеударной скоростью вылета мяча.

Усложняется ситуация тем, что время совместного движения ракетки с мячом всегда короче простой двигательной реакции человека и времени сокращения мышц.

Методика изучения фазы взаимодействия ракетки и мяча

Действия человека в период соударения невозможно проанализировать визуально, для этого нужна аппаратура. Изучение фазы соударения строится на основе высокоскоростной киносъемки (до 4000 кадров в секунду), а также на материале инструментальных методик регистрации перемещений, ускорений, мышечной активности при огромных скоростях протяжки носителя записи.

Ударную систему образуют «человек-ракетка-мяч». Результат действия системы зависит от параметров движения и свойств каждого ее элемента, а также от характеристики связей между ними.

Современный мяч для игры в теннис имеет сложную технологию изготовления, которая позволяет строго выдерживать параметры мяча (вес — 56,7-58,5 г, диаметр — 6,35—6,67 см) и его игровые качества (упругость, аэродинамику, трение). Упругость мяча проверяется его отскоком. Сбрасывание мяча с высоты 2,54 м при температуре 37,7 °С на жесткую поверхность (бетон, цемент) должно дать высоту отскока мяча (по правилам соревнований) в пределах 134,6-147,3 см, что соответствует коэффициенту отскока К = 0,7. Однако в процессе игры упругость мяча довольно быстро уменьшается, а потому во время матчей профессионалов производится смена мячей. Износ сукна отражается на уменьшении силы трения мяча в момент касания грунта или струн ракетки, а также на аэродинамике полета.

Жесткость мяча определяется коэффициентом пропорциональности между действующей силой F и величиной сжатия мяча Ad. Жесткость мяча не постоянна. При больших деформациях (сжатиях сферы мяча при сильных ударах) часть энергии рассеивается в мяче, возникает остаточная деформация, мяч становится не столь упругим.

Сила, воздействующая при ударе на ракетку, имеющую среднюю по размеру головку, примерно в 5 раз больше, чем сила, возникающая на центре большой головки. По фотоизображению процесса соударения есть возможность замерить величину деформации мяча, по которой можно определить силу, сдавливающую мяч и действующую на струны ракеток с разными головками, при одинаковой энергии летящего навстречу ракетке мяча. В исследованиях было показано, что величина деформации мяча - показатель ударной силы, а время соударения связано со скоростью и чувством мяча. Эти важные показатели зависят от свойств и конструкции инвентаря: длины струн на ракетке, то есть от размера ее головки; типа и качества струн; силы натяжения струн на ракетке.

При ударе вслед за максимальным сжатием мяча наступает период восстановления его формы благодаря наличию сил упругой деформации. Работа ударных сил затрачивается на накопление энергии упругой деформации мяча и выделение тепла. Знание этих факторов помогает объяснить причину более высокой скорости отскока мяча от ракетки с большей струнной поверхностью. Мяч на струнах ракетки со средней головкой больше деформируется, а следовательно, энергия ударных сил мяча в большей мере уходит на сжатие и тепло, меньше передается струнам и ободу, а потому и ниже рекуперация энергии и отскок мяча от ракеток среднего размера.

Чем больше деформируется мяч во время удара, тем больше механической энергии он теряет при контакте. Это связано с диссипативными потерями в самом мяче. Жесткий мяч деформируется меньше и меньше теряет энергию на сжатие. В современном теннисе при огромных скоростях полета мяча и соударении с ракеткой коэффициент отскока мяча по причине большой деформации сильно падает, что беспокоит производителей мячей, стремящихся увеличить упругость мячей путем применения новых технологий. Сила натяжки струн на ракетке влияет на коэффициент отскока мяча, он выше для ракетки с большой площадью головки.

Коэффициент отскока мяча при соударении с ракетками, натянутыми жильными и синтетическими струнами, будет разным. Однако есть факторы, сочетание которых приводит к неоднозначности сделанных ранее выводов. Например, скорость отскока мяча от средней по величине головки ракетки, натянутой натуральными струнами с силой 260 Н, больше, чем при других по силе натяжках. Возможно, что при жесткой натяжке часть энергии, ушедшей на деформацию обода, не успевает вернуться обратно к мячу, ибо мяч от жесткой натяжки быстро уходит. Более высокий коэффициент отскока может получиться, если мяч попадает в центр более мягких струн при более жесткой раме.

Из этих примеров становится очевидным то, насколько сложна даже механическая система «ракетка-мяч», которую приходится оптимизировать сразу по нескольким переменным при подборе свойств в соответствии с запросами теннисистов. В реальной игре образуется сложная самоорганизующаяся биомеханическая, или точнее, эргономическая система «человек - ракетка - мяч - корт».

В реальных соударениях в теннисе эффективность обмена энергией определяется с помощью коэффициента восстановления скорости (Квос), который равен отношению послеударной кинетической энергии обоих тел к сумме их энергий до удара. Значения коэффициента восстановления скорости свидетельствует о том, что соударение ракетки с мячом строится по биомеханическому принципу, а эргономическую систему «человек-ракетка-мяч» следует считать, с механической точки зрения, открытой, т.е. такой, в которой кроме ударных сил работают еще и силы внешнего происхождения. Коэффициент восстановления скорости, равный 1, может быть получен только в случае управляемого подвода энергии в биосистему со стороны человека, так как потери энергии в механическом ударе есть всегда, следовательно, их компенсирует живая система.

Каков механизм включения неударных сил за короткое время контакта, как это осуществляется человеком и каково в этом явлении значение инвентаря?

Теннисный обод

Новшества в технологии изготовления ракеток сделали возможным увеличение размера головки обода без потери прочности ракетки, подбор обода под индивидуальные особенности теннисиста (мастер, новичок, ребенок, взрослый игрок, теннисист защитного или нападающего стиля и пр.).

Удалось значительно снизить вес ракетки и увеличить коэффициент отскока мяча при высоких скоростях соударения тел. Современные ракетки значительно отличаются по многим параметрам от ракеток из дерева, используемых в прошлом веке.

Мяч, ударяющийся в стороне от продольной оси симметрии ракетки, вызывает ее вращение относительно этой оси. Вращательный момент (в пределах 0,75 Нм) хороший игрок способен компенсировать своими усилиями в хвате по каждой грани ручки. Для снятия дестабилизирующего действия ударной силы, приложенной на расстоянии от продольной оси ракетки, сконструирована ракетка с увеличенной толщиной обода.

В середине 1980-х гг. было предложено увеличить ширину обода ракетки для большей ее мощности, жесткости и лучшего отскока мяча. В плечах обода такой ракетки сосредоточена дополнительная масса, способствующая погашению скручивания ракетки в хвате. Ракетка такого типа чаще используется игроками, играющими не всегда центром струн.

Конструкция современного обода ракетки отличается от прежнего деревянного тем, что в области шейки ракетки имеется треугольная прорезь, способствующая уменьшению силы сопротивления воздуха при движении ракетки на высоких скоростях.

Величина деформации - замеренная на вершине головки в сантиметрах, обратно пропорциональна показателю жесткости ракетки. Специалисты ввели показатель RA, характеризующий ракетки по жесткости.

Все ракетки можно условно разделить на 4 группы (по их жесткости): 1) мягкие, у которых RA (в мм) - менее 55; 2) средние - RA = 55—65; 3) жесткие ракетки имеют RA от 65 до 75; 4) сверхжесткие, у которых RA - более 75. Ракетка с меньшим прогибом, т. е. наиболее жесткая, имеет более высокий коэффициент отскока мяча. Действительно, меньшие затраты энергии на внутренние деформации обода ракетки приводят к более полной передаче энергии мячу. Но так происходит только в опытах на неподвижной, закрепленной ракетке, где решающей является собственная частота колебаний тел, а чем она выше, тем полнее должна, согласно теории, переходить энергия упругих колебаний от струн и обода к мячу. Понятно, что, если мяч уйдет от ракетки, то упругие силы деформированных струн и ракетки уже не успеют повлиять на скорость вылета мяча. Значит, важнейшей характеристикой удара является время соударения, в процессе которого происходит обмен энергией между телами.

Ракетка со струнами обладает несколькими замечательными точками (рис. 3).

1. Центр тяжести ракетки (центр масс) - точка, характеризующая баланс ракетки. Вокруг этой точки, например, вращается ракетка, вылетающая из руки теннисиста. В современных ракетках центр масс может быть смещен далеко в головку (на 350-370 мм) для увеличения мощности. Такую конструкцию называют «молотковой системой» (hU_Mmer system).

Рис. 3. Замечательные точки ракетки и оптимальная зона на струнах - пятно - «sweet spot». 1 - центр тяжести ракетки, 2 - центр удара, 3 - центр площади, 4 - узел колебаний, sweet spot - «пятно» для удара

2. Центр удара — точка, удар в которой независимо от силы и плотности хвата ручки не приводит к возникновению реактивных сил отдачи в руку.

3. Центр площади струнной поверхности, или геометрический центр, в котором фиксируется наибольший прогиб струн.

4. Узел колебаний в области игровой поверхности - точка, в которой при приеме в ней мяча не возникает никаких вибраций обода ракетки.

В современных ракетках распределение массы материала таково, что все эти точки сближаются и сосредоточиваются в зоне, которая называется «sweet spot», что означает оптимальное, «сладкое» пятно для удара. Это Ц комфортная зона на струнах, смещенная от центра площади по продольной оси ракетки на 5-6 см в сторону ручки, оно имеет более сильный и надежный отскок мяча. Комфортная зона на струнах ракеток для малоквалифицированных игроков достаточно большая - 10x15 см, для мастеров она уменьшается до 6x6 см. Коэффициент восстановления скорости мяча после удара от ракетки, имеющей малый размер пятна, как правило, более высокий.

Струны бывают натуральные и синтетические. Струны различаются по диаметру, прочности на разрыв вдоль струны и в узле, а также эластичности, определяющейся в процентах удлинения отрезка струны, на которую продольно действует сила, равная 300 Н. Характеризуется эластичность в процентах (от 2 до 27) и зависит от конструкции струн. Величина и особенности растягивания струны влияют на время и тип захвата мяча струнами, что отражается на «ощущении» удара. Более чувствительны натуральные струны, на них образуется локальный прогиб под мячом, усиливающий отскок.

Натуральные струны сохраняют игровые характеристики на протяжении всего срока эксплуатации, теряя всего 10% исходной силы натяжения, в то же время у синтетических струн при полном износе возможна потеря натяжения до 70%. Современные синтетические струны очень подходят игрокам, придерживающимся силовой манеры игры, при которой требуется высокая прочность и жесткость струн.

В исследованиях по изучению связи между комфортностью ракетки и силой натяжки струн было обнаружено, что наивысший коэффициент отскока мяча от струн показала ракетка с наименьшим прогибом струн и наименьшим временем контакта мяча со струнами. Однако эта ракетка не была наиболее комфортной и экономичной в игровых условиях.

Оказывается, что при растягивании струн проявляется силовое воздействие мяча на обод ракетки, за счет этого обод отклоняется относительно исходной плоскости закрепления. При прогибе обода (назад) в нем возникают упругие силы, которые могли бы усилить отскок мяча, если импульс силы упругой деформации обода ракетки успел бы дойти до центра масс мяча, но в реальности мяч раньше этого покидает ракетку.

Время взаимодействия ракетки с мячом

Время контакта мяча с закрепленной в области ручки ракеткой определялось неоднократно. Выявлено следующее: 1) между силой натяжения струн и временем контакта их с мячом нет однозначной зависимости, но есть тенденция к увеличению времени соударения при слабой натяжке, что известно практикам; 2) мяч дольше находится на ракетке с большой головкой; 3) натуральные и синтетические струны почти одинаково реагируют на изменение натяжки.

Зарегистрированное время взаимодействия мяча с неподвижной, закрепленной в области ручки, современной ракеткой равно от 4,2 до 8,5 мс. Время взаимодействия мяча, летящего навстречу движущейся ракетке, в реальных игровых условиях значительно больше, то есть в пределах 0,012—0,040 с, что установлено экспериментально. По высокоскоростной кино-видеосъемке (более 1000 кадров в секунду) время контакта определяется с достаточной достоверностью. Объясняется большая продолжительность взаимодействия мяча в реальном ударе на корте значительным продвижением всей ударной системы в пространстве.

Путь совместного перемещения мяча и ракетки

Изучение движения ракетки и мяча при подаче в фазе взаимодействия показало, что система «ракетка-мяч-струны» - единая динамическая система. На пути совместного продвижения ракетки с мячом происходит деформация мяча. Максимальная величина сжатия мяча, найденная по кинограмме, удара равна 2,3 см. Эта деформация мяча возможна под действием силы давления 230 Н.

Мяч в результате столкновения со струнами за первые 3 мс деформируется, далее струны прогибаются назад в пределах 2 см, а затем мяч в сжатом состоянии, прижимаемый ракеткой к струнам, продвигается вперед на 0,14 м, после чего мяч восстанавливает форму и уходит от струн, ибо его скорость становится выше скорости струн. Человек действительно на пути сопровождения мяча может изменить его энергию, если не даст мячу разжаться на пути сопровождения. В итоге скорость ракетки в фазе восстановления формы мяча возрастает вместо ожидаемого падения, как следствие выполненной внешней силой механической работы «А» - давления ударника на разжимающийся мяч.

Механорецепторы, находящиеся в двигательных структурах тела теннисиста, воспринимают и запоминают силовое воздействие на мяч. Сопоставление сенсорного чувства с результатом проведенного удара лежит в основе обучения ударному взаимодействию.

Доударная программа управления силовым воздействием на мяч организуется заранее, т. е. за 90 мс до контакта с целью противодействия силе реакции, отбрасывающей ракетку назад. Создав определенную динамическую жесткость в хвате ракетки и в суставах руки, появляется возможность за время контакта отрегулировать траекторию, скорость движения головки ракетки, кинетическую энергию и вектор импульса сил, определяющий скорость вылета мяча от ракетки. Данный механизм долго тренируется. Формированию его способствуют специальные теннисные и общие развивающие упражнения и тренажеры повторных ударов Ф. К. Агашина, которые помогают организации динамического воздействия на мяч в фазе контакта.

Энергетика процесса соударения

В реальных спортивных ударах наблюдается несоответствие между коэффициентами отскока и восстановления, что объясняется тем, что живая система за время соударения находит пути подвода механической энергии в биосистему. Секрет управляемости энергией в фазе контакта в спортивных ударах заключается в том, что существует механическая работа сил на пути совместного перемещения тел, и ее можно экспериментально измерить. Исследования с выведением математической закономерности показали, что послеударная скорость мяча определяется большим числом факторов, которые находятся под контролем живой системы и зависят от ее преднастройки.

Подготовка двигательного аппарата теннисиста к соударению - весьма сложный физиологический процесс. Программирование человеком движений на период взаимодействия происходит не менее чем за 90 мс до начала контакта с мячом, и изменить программу «будущего» в этом интервале времени уже невозможно. Лабораторный эксперимент доказал, что только для сжатия ручки ракетки в ответ на вылетевший из теннисной пушки мяч у мастеров тенниса (п = 12) продолжается в среднем 88 мс. В реальной игровой ситуации программирование движений многозвенной ударной цепи к моменту контакта происходит намного раньше, т.е. сразу же после определения направления и скорости полета мяча, ушедшего от ракетки соперника.

Ниже изложен один из вариантов работы мышц двигательного аппарата мастеров в фазе контакта, когда удар наносится по отскочившему от опоры или подброшенному самим же игроком мячу.

При наличии времени для развития скорости ракетки разгон ракетки на мяч из крайне удаленного положения в замахе начинается приблизительно за 200 мс и осуществляется последовательным включением мышц от опорных (нижних звеньев) до мышц хвата. В последний, предударный период, т. е. за 40 мс, наблюдается мощная синхронизированная активность сгибателей кисти и пальцев, после чего на этих мышцах возникает период молчания, а в мышцах-разгибателях кисти и пальцев в тот же момент появляется короткая высокоамплитудная электрическая активность, которая нередко сохраняется и в фазе контакта. Почему же в пред-контактной фазе работают не мышцы-сгибатели, а разгибатели?

Объясняется это тем, что между появлением мышечной активности и созданием ускорения звена должно быть время в пределах 40 мс, так как существует задержка во времени между напряжением волокон мышц и движением звена. Звено обладает массой, которую надо «разогнать», а на это необходимо время. Кроме того, кинетическая энергия и скорость ракетки в ударах мастеров столь велики, что мышца не может сократиться еще быстрее, а вот активность разгибателя помогает созданию жесткости в лучезапястном суставе, на который придется вся нагрузка в виде сил отдачи в момент столкновения с мячом.

Известно, что мышцы хвата и особенно сгибатели 1-го и 5-го пальцев всегда работают в контактной фазе, а тяга мышц-разгибателей кисти и пальцев вместе с напряжением мышц-сгибателей создает динамическую жесткость, обеспечивающую стабилизацию давления ракетки на сжатый соударением мяч на всем пути их совместного продвижения по траектории.

Когда удар выполняется при дефиците времени, например, удар по быстро летящему мячу или с лета, и на длинный замах времени нет, а потому большая скорость ракетки не может быть создана, живой системе приходится изменять стратегию подготовки к контакту. Тогда кинетическая энергия ударяющей по мячу системы может быть увеличена за счет присоединенной массы. Многозвенный «ударник», благодаря наложению мышечных связей на подвижные суставы, превращается в жесткую массивную систему, способную организовать противодействие мячу при одновременной активности мышц-антагонистов дистальных звеньев. Правда, удар станет менее динамичным и с большими потерями энергии, удлинится процесс соударения, большая доля энергии мяча будет диссипироваться в живых тканях человека, увеличится доля работы давящих сил в ударе. Этот тип давящего удара менее экономичен для живой системы с позиции энергозатрат, но он организуется короткой кинематической цепью и за меньшее время, а потому является основой техники контратакующих ответных действий.

Об организации массы ударника

Человек способен создать ускорение движения ракетки, но может ли меняться масса или инертность ударника? Каков механизм «присоединения массы» к ударнику в фазе контакта?

В многозвенном шарнирном механизме, каким является ударник в теннисе, масса ударяющей системы может быть создана по-разному: одна ракетка, ракетка плюс рука, ракетка плюс все тело, а также путем изменения жесткости связей в суставах.

Определить присоединенную массу невозможно, исходя из чисто математических соображений в силу подвижности звеньев и изменения их динамических связей. Однако условно участвующую в ударе приведенную массу, согласно ньютоновской полуэмпирической теории удара, можно определить, считая, что в контакте работали только одни ударные силы. В итоге была получена условная масса ударника в различных видах ударов от 0,1 до 1,8 кг.

У опытных теннисистов, действительно, масса ударника получилась меньше, чем масса ракетки. Среднее значение приведенной массы ударника во всех изученных ударах в теннисе - 0,223, что ниже, чем масса ракетки, но в то же время ближе к массе мяча, что хорошо, так как улучшаются условия передачи энергии от ракетки к мячу. Из теории известно, что при равных массах соударяющихся тел происходит самый полный обмен энергии между телами.

Зависимость скорости мяча от массы ударника была описана путем введения показателя передачи скорости в ударе (R). Оказалось, что в механическом абсолютно-упругом ударе при полной передаче энергии в системе и включении в удар массы всего тела скорость мяча может превышать скорость ракетки лишь в два раза. Был сделан вывод о том, что передаточное число R зависит, в первую очередь, от соотношения масс ударника и мяча, поэтому вопрос управления ударной массой становится особо актуальным для тренеров.

Математическая модель управления послеударной скоростью мяча, впервые построенная С.Л. Фетисовой (1972) на примере удара в волейболе, наглядно объясняет то, как, варьируя массу ударника, можно при определенной скорости ракетки перед контактом и выбранном Квос получить на выходе из удара нужную скорость вылета мяча.

Все показанные на математических моделях стратегии управления скоростью вылета мяча говорят о наличии в двигательной системе опытного теннисиста своеобразного механизма «целесообразной комфортности» поведения. По-видимому, у мастеров спорта существуют сенсомоторные механизмы движения, обеспечивающие регуляцию жесткости суставов в связи с программируемым типом удара.

Ярким и понятным примером жесткостной организации удара является хват ракетки. Значимость жесткости хвата не известна ни тренерам, ни исследователям в сфере тенниса.

Жесткость и сила хвата

X. Броди (1987) провел в лаборатории проверку значимости силы сжатия ручки ракетки в «пневматическом» хвате.

X. Хатце (1976) теоретически подсчитал, что рука теннисиста не в состоянии удержать ручку ракетки, так как возникающая сила равна 120 Н.

О том, с какой же силой человек удерживает ракетку, стало известно из тензометрических исследований. Силоизмерительные датчики были установлены на расстоянии 12,5 и 5 см от основания ручки в области основания указательного пальца и в зоне мышечного бугра большого пальца. Значения силы хвата при ударе справа в области основания указательного пальца были от 5 до 30,9 Н, а у основания большого пальца - от 8 до 33 Н. Теоретические расчеты удара X. Хатце (1989) показали, что при слабом захвате теряется 10-15% мощности.

Такого же мнения придерживается австралиец Б. Эллиотт (1987), который допускает, что потери ударного импульса силы могут составлять до 17%, а Квос при слабом хвате уменьшается до 7%. С его мнением не согласны экспериментаторы Т. Ватанабе (с соавторами), Дж. Бейкер и К. Патнем (1979), которые утверждают, что Квос. не зависит от жесткости хвата. Дж. Гроппель (1987) отвергает значимость жесткости хвата для скорости отскока мяча, которая, по его мнению, зависит от других факторов. Жесткость ударной цепи он не связывает с организацией ударной массы, так как рука не успевает воспринимать импульс силы отдачи, а потому жесткость и масса ударника не существенны. Придерживаясь такой точки зрения, X. Хатце (1976) вывел зависимости для определения многих характеристик удара по величине до ударной скорости ракетки Vp.

Жесткость закрепления ракетки и величина присоединенной массы тесно связаны с возможностью возникновения резонанса в системе звеньев руки. Наложение дополнительных механических связей и увеличение присоединенной массы уменьшает собственные частоты колебаний ракетки и задерживает «динамический отклик» ракетки на ударное воздействие мяча. Хват ракетки может быть создан даже в период соударения с разной силой, а значит и жесткостью, которая зависит от стратегии и типа удара, но определяется на основе опережающего программирования будущего движения.

Интегральная жесткость системы. Жесткие тела под действием приложенной к ним силы деформируются мало, а податливые - больше. Если мяч, струны, ракетка и суставы ударной цепочки имеют разные жесткости, то под действием ударной силы величина деформации тел будет обратно пропорциональна коэффициентам их жесткости, что имеет место в теннисном ударе. При сильной натяжке струн в большей мере сжимается мяч, а при жестком мяче в большей мере будут прогибаться струны. На этом и основан подбор параметров ракетки под индивидуальные особенности игрока, его состояние, манеру игры противника.

Но особенно «опасным» может стать неравномерность организации жесткости в суставах ударной цепи, так как в податливом «шарнире» будет гаситься, т.е. диссипироваться энергия сил ударной отдачи, травмируя в итоге суставы человека. При теннисной подаче жесткость мышц локтевого сустава у мастера спорта находится в пределах 12,6х104 Н/м. Циклическая частота колебаний равна 314 рад/с. Организация такой высокой жесткости в суставах связана с синхронной, сильной и очень короткой активностью мышц, окружающих сустав. В фазе соударения электрическая активность мышц бывает трех типов: 1) одновременная сильная, 2) поочередная - с интервалом молчания, 3) одновременная, умеренная, не концентрированная в период соударения.

Быстрые движения звеньев в суставах, протекающие по инерции, предполагают низкое трение в сочленениях, малую вращательную жесткость. Наоборот, противодействующие удары подразумевают включение большой массы за счет фиксации суставов с близлежащими звеньями и увеличение вращательной жесткости в этих суставах, что, естественно, приведет к снижению скорости перемещения ракетки. В таком случае центр вращения массивной ударной конечности перемещается ближе к телу, например, в область плечевого сустава, где трение и жесткость по возможности «сняты» благодаря поочередной активности мышц - антагонистов, создающих ускоренное перемещение конечности на мяч. Теннисная техника строится по подобным механизмам движений.

0 вращении мяча

До настоящего времени обсуждалась проблема построения фазы взаимодействия только в плоском ударе. Однако в современном теннисе главный козырь - это неожиданность и непредсказуемость, а важнейшим средством их реализации являются различные вращения мяча. Причиной вращения любого тела является действие на него момента пары сил, который за интервал времени создает этому телу кинетический момент.

Теннисный мяч в фазе взаимодействия углубляется в струнную поверхность и вместе с ней поворачивается в зависимости от траектории движения ракетки на определенный угол в пространстве. Чем на больший угол и за меньшее время повернется плоскость ракетки с мячом, тем большую угловую скорость получит мяч на вылете. Сила сцепления поверхности мяча со струнами, безусловно, важна, она отражается на силе, удерживающей мяч на струнах при перемещении ракетки под углом к горизонту, поэтому качество сукна, покрывающего мяч, влияет на его крутку или подрезку. Крученые и резаные удары можно выполнить с постоянными и меняющимися углами наклона струнной поверхности при контакте ее с мячом. Сверхкрученые удары, в которых изменение ориентации струнной поверхности происходит не только относительно горизонтальной, но и фронтальной и сагиттальной плоскости, имеют более сложные комбинированные вращения.

В крученых или резаных ударах помимо момента силы задается еще и поступательная составляющая движения. Распределение результирующей силы на поступающую и крутящую составляющие - дополнительная двигательная задача, подлежащая решению на ранних этапах обучения.

Наибольшую трудность представляют удары, в которых мяч приходит на ракетку с одним направлением вращения, а отлетающему мячу следует задать другое вращение. Импульсы вращательных составляющих сил в таком ударе суммируются, как векторные величины, а на выходе получается результирующий импульс, точность организации которого зависит от момента силы трения и угла, на который будет задано вращение. Именно по этой причине столь сложны в исполнении удары этого типа, они требуют огромного опыта и высокоразвитого чувства мяча. Реализация вращательного импульса мяча происходит непосредственно в фазе контакта, однако готовиться приходится заранее. В подготовку входит задание траектории и наклона струнной поверхности, жесткости ударника путем наложения суставных связей, способных противодействовать вращению ракетки. Кроме этого, также существует путь сопровождения мяча струнами, на котором человек может усилить или уменьшить давящую силу на мяч, создав крутящий момент и импульс силы для продвижения его вперед.

Глоссарий

Биомеханическая система — системная совокупность опорно-двигательного аппарата, энергообеспечивающих систем, компонентов нервной системы для реализации регуляции движений при участии анализаторов. Она может быть открытой, то есть с притоком энергии извне, или закрытой с замкнутым контуром собственной энергии без обмена со средой (удар вне опоры).

Биокинематическая цепь — системно связанная совокупность звеньев тела и механических предметов, например, теннисной ракетки. Цепи бывают открытыми и закрытыми, т.е. замкнутыми на себе типа двуручной хватки ракетки.

Биомеханический аппарат - тело человека как специфический механизм для осуществления движения.

Время фазы соударения мяча со струнами ракетки (находящейся в руке теннисиста) обозначается буквой τ(тау), оно находится, как t_k-t_H составляет от 5 до 30 миллисекунд.

Диссипация энергии - рассеяние энергии, т.е. превращение ее в другие виды энергии, скажем, тепловую, деформации или колебательную тканей поле соударения.

Жесткость — способность тел деформироваться под действием нагрузки.

Коэффициент жесткости (С) тела - отношение изменения действующей на тело силы к изменению продольного размера этого тела. Жесткость измеряется в Н/м. Коэффициент жесткости нового теннисного мяча при небольших скоростях сжатия равен 110 Н/см. Жесткость, например, суставов измеряется вращательной жесткостью, как отношением результирующего момента сил (суммы моментов внешних сил, действующих на звено) к возникшему угловому смещению звена в суставе (Н/рад). Эта величина угловой жесткости зависит от состояния мышечно-связочного аппарата, а потому является величиной мгновенной и переменной для живой системы в отличие от С = const в абсолютно твердом теле в механике.

Коэффициент передачи скорости от ракетки к мячу R равен отношению величины послеударной скорости мяча - U_M к величине скорости ракетки перед контактом - Кр, т. е. R = U_M/Vр. Среднее значение R в теннисных ударах равно 1,23.

Коэффициент отскока мяча — К — отношение скорости мяча после удара - U_M к скорости мяча до удара V_M: К = U_M/V_M. Коэффициент отскока мяча от струн ракетки современной конструкции, жестко закрепленной в области ручки - в пределах 0,7.

Коэффициент восстановления скорости в ударной системе К_ВОС есть безразмерная величина, равная отношению послеударной кинетической энергии соударяющихся тел (Е_м после + Е_р после) к их до ударной энергии (Е_мдо+Е_рдо).

Метаболизм - обмен веществ в организме, системная, интегративная совокупность катаболизма и анаболизма. Произведенная метаболическая работа всегда значительно больше совершенной механической работы.

Рекуперация энергии - явление, позволяющее вновь использовать часть ранее затраченной энергии, экономизация процесса мышечной работы путем использования упругой энергии соединительнотканных образований предварительно растянутых мышц.

Ритм удара - соотношение длительностей фаз (частей движения по времени).

Скорость движения точки - это быстрота изменения ее перемещения в единицу времени. Определяется по высокочастотной съемке путем деления величины перемещения на промежуток времени, за который произошло это перемещение: Vp дo = ΔSp дo/Δtр. до, скорость мяча Uмяча после =ΔSм после/Δt м после

Совместное перемещение мяча и ракетки в пространстве S (м) измеряется по траектории движения мяча на струнах ракетки. В теннисном соударении S равно от 0,1 до 0,30 м.

Спортивное мастерство - спортивная подготовленность на высоком уровне, включает функциональную, техническую, тактическую, психологическую, теоретическую и соревновательную подготовленность.

Структура биомеханической системы - способ связи элементов системы в единое целое.

Темп движений - частота движений в единицу времени. Различают темп шагов в ходьбе, беге, темп ударов, темп игры как оценка тактики, характеризующаяся числом ударных циклов в минуту.

Упругость - способность тел восстанавливать свою форму после деформации (например, упругость мяча, струн).

Фаза - временной интервал, в течение которого решается единая двигательная задача. Соударение начинается с момента касания мяча струнами - и заканчивается моментом времени, когда мяч покидает струнную поверхность ракетки - t_к.

Физические качества - качественно особые, различающиеся между собой базовые стороны моторики, называемые также двигательными качествами.

Центр тяжести системы звеньев тела - геометрическая точка, которую принимают как место приложения равнодействующей сил тяжести всех входящих в систему звеньев тела человека.

Эргономика спорта - наука о деятельности спортсмена с целью интенсификации труда путем внедрения достижений научно-технического прогресса при сохранении здоровья человека.

Библиография

Агашин Ф. К. (1972) Биомеханика ударных движений. М.: Физкультура и спорт, 207 с. [Даются представления о физических основах ударов в теннисе, волновая теория соударения мяча и ракетки.]

Голенко В., Скородумова А, Тарпищев Ш. (2003). Азбука тенниса. М.: «Дедалус», 44-65. [Знакомство с первым этапом обучения теннису: история, инвентарь, правила игры, техника, практическая подготовка.]

Иванова Г. П., Фетисова С.Л. (1975). О построении биомеханической системы двигательного аппарата при ударах. Биомеханика: Труды Рижского научно-исследовательского института травматологии и ортопедии. Рига: Зинатне. Вып. XII. С. 546-552. [По киносъемке определена закономерность удара руки волейболиста по мячу, показана деформация мяча в фазе соударения.] Baker J., Putnam С. (1979). Tennis racket and ball responses during impact under clamped and freestanding conditions. Research Quarterly, N 50, 164-170. [Высказано утверждение о независимости послеударной скорости полета мяча от плотности удерживания ручки ракетки.] Brody Н. (1979). Physics of the tennis racket. American Journal of Physics, V. 47, N 6, 482-487. [Теоретическая модель деформации мяча при соударении с ракеткой.]

Brody Н. (1981)/Physics of the tennis racket II: The “sweet spot”. American Journal of Physics, V. 49, JMq 9, 816-819. [Рассказывается о замечательных точках ракетки: центре удара, центре тяжести, центре инерции и об узле колебаний, дается представление о площади на струнной поверхности с наибольшей энергетикой применительно к игрокам, имеющим разный уровень мастерства.]

Crespo М., Reid М., Miley D. (Editors) (2002). Applied sport science for high performance tennis. Proceedings of the 13th ITF Worldwide Coaches Workshop, Vilamoura, Portugal, October 2002., 201, http//www.itftennis. com. [Обзор докладов международной конференции по теннису: содержится раздел, посвященный анализу достижений в области технологии ракеток и мячей, а также есть исследования по биомеханике ударов.]

Elliott В. (1982). Tennis: the influence of grip tightness on reaction impulse and rebound velocity. Medicine and science in sports and exercise, V. 4, N 5, 348-352. [Обсуждается значение жесткости хватки ракетки, ее организация в связи с эффективностью создания скорости мяча.] Groppel J., Shin-Sik J. Thomas. (1987). The effect of String Type and Tension on Impact Midsizes and Oversizes tennis Racquets. International Journal of Sport Biomechanics, 1987, V. 3, 40-46, 142-158. [Приводятся результаты экспериментального исследования параметров ударного контакта - времени, деформации мяча и струн у ракеток разного размера, имеющих силу натяжения струнной поверхности от 180 до 360 Н.]

Hatze Н. (1976). Forces and duration of impact, and grip tightness during the tennis stroke. Medicine and Science in sports, V. 8, N 2, 88-95. [Теоретический анализ механики соударения ракетки с мячом для выявления характеристик удара по значению скорости ракетки перед контактом.]

Knudson D., White S. (1989). Forces on the hand in the tennis forhand drive: application of force sensing resistors. Int.J. of Sport Biomechanics, V. 5, № 3, 324-331. [Обсуждаются результаты тен-зодинамографического эксперимента распределения усилий на две точки кисти при удерживанию ракетки во время соударения ее с мячом.]

Miller S., Gross R. (2003). Equipment and advanced performance. ITF Biomechanics of advanced tennis. The ATF Ltd, 179-193. www. itftennis.com [Показана разница в конструкции и свойствах инертности и жесткости старых деревянных и современных композитных теннисных ракеток, исследованы коэффициенты восстановления скорости мяча после соударения.]

БИОГРАФИЧЕСКАЯ СПРАВКА

Иванова Галина Павловна родилась в Ленинграде в 1937 г. Окончила Институт физической культуры имени П.Ф. Лесгафта по специализации «преподаватель физической культуры», затем аспирантуру при кафедре физиологии того же института. В 1968 г. защитила кандидатскую диссертацию, в 1992 г. получила научную степень доктора биологических наук и научное звание профессора по специальности «биомеханика». В настоящее время работает в Университете физической культуры, спорта и здоровья им. П.Ф. Лесгафта профессором кафедр биомеханики и теории и методики спортивных игр. Мастер спорта по теннису.

Профессор Г. П. Иванова входила в состав комиссии по биомеханике при Российской академии наук, является членом Федерации тенниса Санкт-Петербурга, работает в научной комиссии Федерации тенниса России, осуществляет научное сопровождение сильнейших теннисисток.

Его опубликованы главы в учебниках по спортивным играм, учебные пособия по биомеханике, эргономике, теннису, более 100 научных статей в книгах, научных, спортивных журналах и материалах съездов и конференций в России, Франции, Гонконге, Чехии, Латвии и Украине.

SportWiki энциклопедия ^β