Биомеханика взаимодействия ракетки с мячом в тенниссе

3.1. 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 П. Пьютоном. Однако в них не учтены потери энергии на тепло, диссипацию в материалах инвентаря и тканях человека, пластическую деформацию мяча, струн, обода ракетки. Пе 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 но 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.

3.2. 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 П, 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 (К_вос), 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 иепользуется 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 f, замеренная на вершине головки в сантиметрах, обратно пропорциональна показателю жесткости ракетки. Специалисты ввели показатель RA, характеризующий ракетки по жееткоети.

Все ракетки можно условно разделить на 4 группы (по их жесткости): 1) мягкие, у которых RA (в мм) - менее 55; 2) ередние ~ 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. Нонятно, 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 теннисиета. В современных ракетках центр масс может быть смещен далеко в головку (на 350~370 мм) для увеличения могцноети. Такую конструкцию называют «молотковой еиетемой» (hummer 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 еилы 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 ~ 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 струи.

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.

3.3. Время взаимодействия ракетки с мячом - т

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.

3.4. 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.

3.5. 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 луче-запястном 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.

3.6. 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 К_вос 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.

3.7. 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 К_вос 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 К_вос не зависит от жесткости хвата. Дж. Гроп-пель (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 V_p.

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.

3.8. О 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 ео средой (удар вне опоры). Биокинематическая цеиь — 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 аииарат - тело человека как специфический механизм для осуществления движения.

Время фазы соударения мяча со струнами ракетки (находящейся в руке теннисиста) обозначается буквой т (тау), оно находится, как t_k~ /„ 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-связоч-ного 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 - V_p , т.е. R = U_M/Vр. Среднее значение R в теннисных ударах равно 1,23.

Коэффициент отскока мяча — K — отношение скорости мяча после удара - U/_м 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 K_вос. есть безразмерная величина, равная отношению послеударной кинетической энергии соударяющихся тел (Е_{m после} + E_{р после}) * их до ударной энергии

(E_{м до}+ E_{р до})-

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: К_р.._до = DS_до/Dt_р..до, скорость

МЯЧа U_{мяча после} =DS_{м после}/Dt _{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 ~ t_н 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.