Велосипед — самое распространенное техническое средство передвижения
на земном шаре. Проект первого велосипеда предложил в 1495 г. Леонардо
да Винчи, нарисовавший этот двухколесный механизм почти со всеми
современными подробностями. Но об этом рисунке мир узнал лишь в конце
XIX в., почти столетие спустя после того, как в России крепостной
Артамонов сконструировал и изготовил первый в мире велосипед.
Езда на велосипеде — наиболее рациональный способ передвижения,
поскольку благодаря седлу, поддерживающему и стабилизирующему тело, до
минимума снижаются затраты энергии на перемещение тела в пространстве.
Ведь активны только ноги велосипедиста, вращательное движение которых
обеспечивает продольное перемещение тела.
Кинематика педалирования
Процесс вращения шатунов велосипеда называют педалированием.
Педалирование есть результат трех одновременно совершаемых вращательных
движений (рис. 89):
— бедра вокруг оси, проходящей через тазобедренный сустав;
— голени относительно коленного сустава.
— стопы относительно голеностопного сустава. Эффективность двигательных действий велосипедиста
зависит от посадки и техники педалирования. Посадкой называют позу
гонщика на велосипеде. В зависимости от наклона туловища различают
низкую, среднюю и высокую посадку. Чем ниже посадка, тем горизонтальнее
расположено туловище и тем меньше мидель (т. е. наибольшая величина
площади сечения, перпендикулярного воздушному потоку). Следовательно,
меньше и сила лобового сопротивления воздуха. Поэтому гонщики, как
правило, применяют низкую посадку. Но при низких скоростях (например,
при езде на велосипеде в оздоровительных целях) привычнее и удобнее
средняя и высокая посадка.
Рис. 89. Оси и направления вращения сегментов ног при педалировании на велосипеде (по Hay)
При педалировании центры масс левой и правой ноги движутся по
круговым траекториям, а вот общий центр масс двух ног практически не
перемещается относительно велосипеда. Из этого следует, что при езде по
горизонтальной поверхности вертикальные перемещения общего центра масс
практически отсутствуют и, следовательно, работа, направленная на
вертикальные перемещения тела, близка к нулю.
Характер изменения углов в коленном, тазобедренном и голеностопном
суставах напоминает синусоиду, а минимальные и максимальные пределы
величин суставных углов составляют соответственно 40—140°, 20—70° и
80—100°.
Динамика и энергетика педалирования
На рис. 90 показано, как сила, прикладываемая к педали велосипеда,
раскладывается на две составляющие: А — нормальную (перпендикулярную к
педали) и Б — касательную, или тангенциальную. Полезной, продвигающей
вперед является лишь тангенциальная составляющая сил.
При педалировании целесообразно, чтобы и правая, и левая нога в
каждый момент времени создавали положительный (продвигающий вперед)
момент силы. Это неосуществимо при импульсном педалировании и возможно
при круговом педалировании при наличии специальных приспособлений—
туклипсов и велошипов. Туклипсы необходимы для подтягивания педали
вверх, а шипы — для ее проводки, т. е. перемещения назад и вперед.
Совместное действие мышц в режиме, близком к изометрическому,
позволяет хорошо подготовленному велосипедисту развить силу 2500—3500
Н, а при проводке и подтягивании — 800—1100 Н.
Вопрос
В какой ситуации велосипедист может продемонстрировать силу, близкую к максимальной изометрической силе?
При передвижении на велосипеде механическая энергия затрачивается
на преодоление силы трения качения и силы сопротивления воздуха
(внешняя работа) и на перемещение ног относительно ОЦМ (внутренняя
работа). Внешняя работа зависит от скорости передвижения, посадки и
экипировки велосипедиста и коэффициента трения качения. Трение качения
зависит от типа дорожного покрытия и самих колес. Чем больше поперечное
сечение и ниже давление воздуха в шинах, тем больше трение качения и,
следовательно, дополнительные затраты энергии. При езде по гладкой
твердой поверхности на велосипеде со стандартными колесами, с давлением
в них 7—8 атм стоимость метра пути вдвое меньше по сравнению с обычной
ходьбой и втрое меньше, чем при беге. На очень гладких поверхностях
затраты энергии уменьшаются наполовину, а на мощенных камнем дорогах,
наоборот, возрастают вдвое.
Рис. 90. Средние величины сил, прикладываемых к педали:
А — нормальная составляющая силы; Б — тангенциальная (по В. Н. Селуянову Б. А. Яковлеву)
Рис. 91. Зависимость силы сопротивления воздуха от
скорости передвижения на велосипеде и вида посадки. Условные
обозначения: А — низкая (гоночная) посадка; Б — высокая посадка (по В.
М. Зациорскому с соавт.)
Сила сопротивления воздуха пропорциональна квадрату скорости (рис.
91), а мощность, которую необходимо развить для ее преодоления,
пропорциональна кубу скорости.
Вопрос для самоконтроля знаний
Почему здесь имеет место кубическая зависимость мощности от скорости?
Потери энергии на трение в системе передачи и осях хорошего
велосипеда малы. Поэтому работа, затрачиваемая на преодоление
сопротивления воздуха,— наиболее весомая фракция полной механической
работы велосипедиста. Так, при скорости 5 м/с на преодоление
сопротивления воздуха затрачивается около 50% всей развиваемой
мощности, а при скорости 10 м/с уже 80%. Именно поэтому так важно
снижать аэродинамическое сопротивление. Для этого поза и одежда
велосипедиста должны быть наиболее обтекаемыми.
Плотно облегающая тело рубашка и специальный пластиковый шлем,
например «шлем Мозера», напоминающий своими очертаниями нос реактивного
самолета, позволяют на 3 с улучшить результат в трековой гонке на 4 км.
Еще 1,5 с могут сбавить обтекаемые велотуфли без шнурков. Улучшение
результата объясняется снижением силы вихреобразования. Сила
вихреобразования возникает потому, что в местах отрыва струй воздуха
возникают завихрения, где по закону Бернулли давление меньше. В зону
пониженного давления направлена тормозящая, «отсасывающая» сила. Для
уменьшения вихреобразования применяют и обтекаемые дисковые колеса
вместо обычных.
Топография работающих мышц
В процессе педалирования непосредственно участвуют кости нижних
конечностей, таз и мышцы, осуществляющие сгибание и разгибание ног
(рис. 92). При нажатии на педаль разгибаются бедро, голень и стопа. При
этом активны следующие мышцы:
— ягодичная, двуглавая, полусухожильная, полуперепончатая (разгибание бедра);
— четырехглавая (разгибание голени);
— икроножная, камбаловидная, задняя большеберцовая, длинные
сгибатели пальцев, длинная и короткая малоберцовые (разгибатели стопы).
Задание
Перечислите основные мышцы, участвующие в осуществлении проводки и подтягивания при круговом педалировании на велосипеде.
Оптимальные режимы педалирования
Велосипедисты применяют круговое и импульсное педалирование. Их чередование отдаляет наступление утомления.
Рис. 92. Активность мышц ног при педалировании (по Л.
В. Чхаидзе; Ю. А. Голину, В. Ф. Татаренко, переработано); стрелками
показаны векторы силы действия ноги на педаль и их нормальные
тангенциальные составляющие
Эффективность езды на велосипеде зависит от частоты вращения педалей
и выбора передачи. Чем больше передача, тем выше сила действия на
педали и больше укладка — расстояние, преодолеваемое за один оборот
педалей. За последние 40—60 лет значительное увеличение средней
скорости на соревнованиях произошло исключительно за счет увеличения
укладки. Темп педалирования практически не изменился.
Используя метод кардиолидирования (программированного регулирования
частоты сердечных сокращений), Ю. Г. Крылатых определил оптимальные
режимы педалирования при разных уровнях частоты сердечных сокращений.
Так, при ЧСС, равной 150 1/мин, оптимальный темп равен 87 1/мин, а
укладка 6,8 м. А при ЧСС, равной 180 1/мин, оптимальный темп составляет
100 1/мин, а укладка 7,1 м. Эти рекомендации относятся ко взрослым
велосипедистам высокой квалификации.
При выборе режима педалирования следует учитывать индивидуальные
особенности спортсмена и внешние условия. Чем ниже физическая
работоспособность, значительнее утомление и сложнее условия (плохое
покрытие дороги, встречный ветер и т. д.), тем выше оптимальный темп и
меньше оптимальная передача.
В.Л.Уткин "Биомеханика физических упражнений"
| 