Механика соударений.

БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОСЛЕУДАРНОЙ СКОРОСТЬЮ МЯЧА
Г. П. ИВАНОВА

Государственный ордена Ленина и ордена Красного Знамени институт физической культуры им. П. Ф. Лесгафта

Цель ударных действий в спорте состоит в создании определенной для каждого слу­чая заданной по величине и направлению скорости вылета мяча. В большинстве работ, посвященных технике ударов в спорте, отмечается, что скорость вылета мяча не­посредственно зависит от предударной ско­рости бьющего звена. Лишь в нескольких последних исследованиях прямо или косвен­но замечено отсутствие однозначной зави­симости между предударными и послеудар­ными скоростями соударяющихся тел [1, 2, 4, 6]. Ударяющая биокинематическая цепь и мяч представляют собой сложную биомеха­ническую систему с открытым входом и выходом энергии. В момент контакта, как бы он ни был мал (5—24 мс) [5], совершается подвод или рассеивание энергии. Следова­тельно, нарушается принятое в механике равенство импульсов сил или моментов сил. Оно ведь справедливо только для следую­щих случаев: а) для замкнутой механиче­ской системы, б) для случая с бесконечно ма­лым временем контакта и в) для условий, где отсутствует совместное перемещение.
В спортивном же ударе происходит следу­ющее: при соударении оба тела деформиру­ются в зависимости от скоростей соударения и собственных упругих свойств, на что за­трачивается время — т, и за это время (вследствие скорости бьющего звена) вся биосистма перемещается в пространстве на расстоя­ние X. Если этот процесс качественно поня­тен, то для его количественной записи не­обходим ряд дополнительных измерений и разумных допущений.
Рис. 1. Кривая деформации футбольного мяча в зависимости от воздействующей силы (рис отсутствует).
С позиций современной механики про­цесс взаимодействия тел следует рассматри­вать как своеобразное упругопластическое соударение: В энергетическом балансе, влия­ющем на скорость вылета мяча, существен­ным параметром является жесткость со­ударяющихся тел. Если упругожесткие свой­ства мячей известны [3] (а нами установ­лено, что в рабочем диапазоне нагрузок зависимость dl=f (F), где d1 = деформация, a F — сила — рис. 1 — близка к линейной), то жесткость ударного звена есть непосто­янная и биологически регулируемая вели­чина. Действительно, удар осуществляется многозвенным рычагом, зачастую оснащен­ным ракеткой, клюшкой и пр. В серии по­вторных ударов вращательная жесткость, обусловливающая передачу энергии, в каждом суставе неодинакова. В целом каждая многошарнирная система показы­вает всегда свои и всегда разные упруго-жесткие свойства. Изменение вращательной жесткости в суставе зависит от упруго-напряженных свойств двигательного аппара­та и от положения звеньев в суставах. Это установлено комплексными исследованиями (ЭМГ, акселерография и гониография) уда­ров в волейболе, теннисе, бадминтоне, нас­тольном теннисе и т. д.
Итак, деформация тел при соударении регулируется жесткостными характеристи­ками ударяющей биокинематической цепи, программируемой заранее на основе преж­него опыта человека и постоянной кривой деформации снаряда во времени в зависи­мости от скорости. Когда же погрешность регулирования меньше — при малой или большой жесткости? Малая жесткость при­водит к большим перемещениям звеньев при действии ударного импульса. Угол поворота dfi в суставах увеличивается, а это вызы­вает потерю точности направления удара. Кроме того, на перемещение звеньев в мо­мент контакта затрачивается энергия, что увеличивает энергию потерь — А потерь. Следовательно, для более точного удара необ­ходима большая вращательная жесткость в суставах, что и доказано в сравнительном эксперименте с участием мастеров и нович­ков [7] и подтверждается следующими ме­ханическими закономерностями.
Количественное измерение потерь энергии можно выразить через всем известный коэф­фициент восстановления К. Однако ему не­обходимо придать энергетическую трактовку: где V\ и V2 — доударные скорости (1—ру­ки, 2 — мяча); U1 и U2 — послеударные скорости этих же тел. К — для механических систем вполне определенная величина (в пределах от 0 до