Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Понятие о моменте силы

Прежде чем переходить к формулировке правила равновесия рычага, рассмотрим понятие крутящего момента или момента силы. В физике под ним понимают величину, равную произведению плеча силы на саму силу. Математически это записывается так:

Где, F — воздействующая сила, d — плечо силы, которое соответствует расстоянию от точки приложения F до оси вращения. Последний элемент системы, то есть ось вращения, играет принципиальную роль при определении момента M. Без наличия оси вращения нет никакого смысла говорить о действующем моменте силы.

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Физический смысл величины M заключается в отражении способности силы F совершить поворот системы вокруг оси. На практике эту способность можно ощутить, если попытаться открутить гайку не гаечным ключом, а руками, или же если постараться открыть дверь не за ручку, а толкая ее вблизи навесных петель.

Во время решения задач момент силы M может приводить как к вращению системы по часовой стрелке, так и против ее хода. В первой случае момент считают отрицательным, во втором — положительным.

Простой механизм блок

Рассматривая правила рычага, полезно сказать несколько слов о еще одном простом механизме — блоке. Представляет он собой обычный цилиндр с осью вращения, который имеет углубление по периметру своей боковой поверхности. Пример использования неподвижного блока показан ниже.

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Как видно, выигрыша в силе и пути не происходит, однако неподвижный блок позволяет изменить направление воздействующей силы F.

Применение правила равновесия рычага к блоку производят, когда требуется рассчитать выигрыш в силе при использовании подвижных блоков. Один такой блок позволяет выиграть в 2 раза в силе и во столько же раз проиграть в пути.

Каких ошибок стоит избегать

Использование инерции

Резко отгибаясь назад, вы не только теряете часть нагрузки, но и рискуете травмировать спину.

Если небольшой наклон во время тяги позволяет вам лучше почувствовать мышцы спины, делайте его. Но само движение при этом выполняйте плавно и под контролем, без раскачки и рывков.

Выведение локтей вперёд

Чем больше ваши плечи выводятся вперёд, тем меньше нагрузки получают широчайшие мышцы. Держите локти по сторонам, отводите их вперёд не более чем на 10–15°.

Отсутствие контроля за второй фазой

Эксцентрическая фаза — когда вы выпрямляете локти, возвращаясь в исходное положение, — важна не меньше концентрической. Если вы не контролируете её, а просто отпускаете рукоятку, чтобы она вернулась на место под тяжестью блока, вы сильно снижаете нагрузку на мышцы и эффект от упражнения.

Следите, чтобы обе фазы движения занимали 2–4 секунды.

Как добавить тягу верхнего блока в свои тренировки

Если вы тренируете всё тело на одном занятии, выполняйте тягу верхнего блока 1–2 раза в неделю. Если работаете сплитами, добавьте упражнение в день прокачки спины. Чередуйте его с другими движениями на проработку мышц верхней части тела.

Новичкам и атлетам среднего уровня советуют A Comparative Analysis and Technique of the Lat Pull‑down выполнять 1–3 подхода по 8–12 повторений. При этом стоит работать с весом 67–80% от одноповторного максимума (1ПМ) — веса, который вы сможете потянуть один раз. Между подходами следует отдыхать не более 1–2 минут.

Более опытным атлетам рекомендуют 3–6 подходов по 6–12 повторений с весом 67–85% от 1ПМ и отдыхом в 30–90 секунд.

Учитывайте, что это лишь рекомендации, а не чёткие предписания. Вы можете смело менять количество подходов, повторений и отдыха в зависимости от своих задач и особенностей тренировочного процесса:

  • Если работаете над силой мышц, выполняйте 3–5 подходов по 2–5 повторений с отдыхом 2–5 минут.
  • Если в приоритете наращивание мышц, делайте 3–5 подходов по 6–12 повторений с отдыхом 60–90 секунд.
  • Для развития силовой выносливости делайте 2–3 подхода по 12–15 повторений с отдыхом в 30 секунд или меньше.

Во всех перечисленных вариантах вес нужно подбирать таким образом, чтобы вы смогли закончить подход с хорошей техникой, но вам было действительно тяжело.

Виды равновесия. Опрокидывание.

Равновесие бывает устойчивым (тело возвращается в свое первоначальное положение), неустойчивым (тело не возвращается в свое первоначальное состояние), безразличное (тело остается в равновесии, несмотря на то, что на него подействовали (например переложили книгу из одного места на столе в другое). Тело стремится занять такое состояние, при котором его потенциальная энергия будет минимальной, центр масс стремиться быть ниже.

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

1 — безразличное равновесие, 2 — неустойчивое равновесие, 3 — устойчивое равновесие

На рисунке изображено условие опрокидывания тела.

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Тело слева возвращается в исходное состояние. Тело справа опрокидывается.

Тело, имеющее площадь опоры, находится в состоянии устойчивого равновесия, если вертикаль, проведенная через центр масс этого тела, не выходит за рамки контура, ограниченного точками соприкосновения тела с опорой. Если же эта вертикаль проходит вне указанного контура, тело опрокидывается.

Что такое рычаг силы?

Рычаг силы играет важную роль при определении величины момента силы. Чтобы понять, о чем идет речь, рассмотрим следующий рисунок.

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Здесь показан некоторый стержень длиною L, который закреплен в точке вращения одним из своих концов. На другой конец действует сила F, направленная под острым углом φ. Согласно определению момента силы, можно записать:

Угол (180o-φ) появился потому, что вектор L¯ направлен от закрепленного конца к свободному. Учитывая периодичность тригонометрической функции синуса, можно переписать это равенство в таком виде:

Теперь обратим внимание на прямоугольный треугольник, построенный на сторонах L, d и F. По определению функции синуса, произведение гипотенузы L на синус угла φ дает значение катета d

Тогда приходим к равенству:

Линейная величина d называется рычагом силы. Он равен расстоянию от вектора силы F¯ до оси вращения. Как видно из формулы, понятием рычага силы удобно пользоваться при вычислении момента M. Полученная формула говорит о том, что вращающий момент максимальный для некоторой силы F будет возникать только тогда, когда длина радиус-вектора r¯ (L¯ на рисунке выше) будет равна рычагу силы, то есть r¯ и F¯ будут взаимно перпендикулярны.

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Плечо силы

Плечо силы — это длина перпендикуляра из некоторой вымышленной точки О к силе. Вымышленный центр, точку О, будем выбирать произвольно, моменты каждой силы определяем относительно этой точки. Нельзя для определения моментов одних сил выбрать одну точку О, а для нахождения моментов других сил выбрать ее в другом месте!

На камень действуют сила тяжести, сила трения, сила реакции опоры, две дополнительные внешние силы F1 и F2

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Выбираем точку О в произвольном месте, больше ее местоположение не изменяем. Тогда плечо силы тяжести — это длина перпендикуляра (отрезок d) на рисунке

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Плечо силы реакции опоры определяется аналогично

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Если перпендикуляр нет возможности построить, то вектор силы продлевается в необходимом направлении, после чего строим перпендикуляр к этой линии. Плечо силы F2

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Плечо силы F1

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Осталась сила трения! Если точка О и сила лежат на одной линии, то плечо этой силы равно нулю. Плечо силы трения равно нулю.

При решении задач выгодно точку О выбирать в точке пересечения нескольких сил. Тогда плечи всех этих сил будут нулевыми. Например, если точку О в предыдущем примере выбрать иначе, то плечи сил будут иными.

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Плечи сил F1, F2 и силы тяжести равны нулю, так как точка О лежит с ними на одной прямой (или на самой силе). Плечо силы реакции опоры — это длина d1. Плечо силы трения — это длина d2.

Как принцип рычага реализован в нашем теле

Рычаг — это тело, которое может вращаться вокруг неподвижной опоры. Он помогает поднять больше веса с меньшими усилиями. У него есть точка опоры и ось вращения. Есть сила, которую прикладывают к его концу, и плечо силы — кратчайшее расстояние от оси вращения до точки приложения силы.

Крутящий момент = сила × плечо силы

И чем длиннее плечо, тем больше крутящий момент.

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычагаПринцип рычага

Все наши суставы работают по принципу рычага. Мышцы с помощью сухожилий крепятся к костям, сокращаются и тянут их, совершая движение. Например, две головки бицепса, двуглавой мышцы плеча, крепятся к лучевой кости. Когда вы сгибаете руку, бицепс сокращается (сила) и создаёт крутящий момент в локтевом суставе (ось вращения). Чем толще ваша двуглавая мышца, тем сильнее увеличивается крутящий момент. И это понятно: накачанный атлет поднимет больше, чем худенькая девочка.

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычагаПринцип рычага в работе бицепса плеча

В то же время имеет значение и плечо силы — расстояние от точки вращения до места приложения силы. Поэтому чем больше расстояние от сустава до точки прикрепления сухожилия, тем сильнее человек. Однако это физиологические особенности строения, которые невозможно изменить. Да и отличия между людьми в этом плане не такие уж большие.

Другое дело — плечо до точки приложения противодействующей силы, например, гири, штанги или веса своего тела. Возьмём тот же пример со сгибанием руки в локте, только добавим гантель для наглядности.

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычагаПлечо силы от гантели до локтя в разных фазах сгибания на бицепс

Когда вы сгибаете руку, ось вращения находится в локтевом суставе (зелёная точка). Точка приложения силы — это гантель, которая тянет руку вниз под действием гравитации (красная точка). А плечо силы — перпендикуляр от локтя до оси, по которой проходит гантель (зелёная линия).

Когда вы опускаете руку, уменьшается плечо силы, а вместе с ним и нагрузка на бицепс. Плечо силы максимально, когда предплечье параллельно полу, а значит, в этой точке наиболее сильна и нагрузка на мышцы.

Моменты сил и правило рычага

Рассмотрим классический рычаг с двумя плечами, когда опора находится вдали от концов балки. Пример такого механизма изображен ниже.

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Мы видим, что когда этот рычаг применяют для совершения физической работы, то на него действует две силы:

  • внешняя сила F, которую прикладывают для выполнения полезной работы;
  • сила R, которая оказывает сопротивление силе F (она выполняет отрицательную работу).

В большинстве случаев сила F создается усилием человека, а сила R представляет собой вес некоторого груза.

Рассматриваемый рычаг будет находиться в равновесии, и перестанет испытывать вращение только тогда, когда сумма действующих на него моментов будет равна нулю. Используя обозначения рисунка выше, и применяя формулу для M, запишем правило равновесия рычага:

Заметим, что момент силы F записан со знаком минус, поскольку он стремится повернуть плечо рычага по часовой стрелке. Остается перенести второй член в правую часть равенства, чтобы записать правило рычага:

Таким образом, равенство моментов силы действия F и силы противодействия R является достаточным условием равновесия рассматриваемого простого механизма.

Кто установил правило равновесия рычага? Этот вопрос отчасти пересекается с рассмотренным выше историческим. Поскольку сохранились только письменные свидетельства научной деятельности Архимеда, связанной с этим механизмом, то именно он в настоящее время считается тем философом, кто установил правило рычага.

Равновесие рассматриваемой системы обеспечивается не только равенством нулю суммы моментов, но также равенством нулю всех действующих сил. Выше были названы лишь две силы (F и R). На самом же деле существует еще сила реакции опоры, направленная против сил F и R. Реакцию опоры момента силы не создает ввиду нулевой длины ее плеча.

Рычаг в физике

Несмотря на то что речь идет о простом механизме, он все же имеет свои составные части. Во-первых, это балка или доска, которая предназначена для воздействия на нее двух противоположных сил. Во-вторых, это опора, которая, с геометрической точки зрения, представляет собой ось вращения, вокруг которой может двигаться балка. В зависимости от расположения опоры под балкой различают три типа рычага, которые будут рассмотрены ниже.

Еще одним важным понятием для любого рычага является «плечо». Под ним понимают часть балки, которая находится между ее концом и опорой при условии, что воздействующие силы приложены к концам балки. Длина плеча играет важную роль при определении условий равновесия рычага.

Рычаг предназначен для преобразования силы в перемещение или, наоборот, перемещения в силу. Другими словами, рассматриваемый простой механизм, используется для перераспределения работы, которую следует выполнить, в пользу приложенной силы или в пользу осуществляемого перемещения. Рисунок ниже показывает пример рычага первого рода.

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Когда человечество начало использовать рычаг?

Ответить уверенно на этот вопрос нельзя. Известно, что рычаги с древнейших времен использовались в Месопотамии и Древнем Египте для подъема тар с водой из колодцев и рек.

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Единственным письменным свидетельством, которое сохранилось до наших дней, свидетельствующим об использовании рассматриваемого механизма, является всем известный рычаг Архимеда. В работе Плутарха «Параллельные жизни» (100 год до н. э.) говорится, что Архимед в одиночку смог поднять корабль с грузом и пассажирами над поверхностью воды. При этом философ использовал систему блоков и рычагов.

Если подойти к поставленному в названии пункта вопросу более строго, то можно сказать, что человек пользуется рычагом с момента собственного появления в этом мире, ведь наши предплечья и плечи работают по принципу этого простого механизма.

Виды рычагов

Выше уже упоминалось, что все рычаги относятся к одному из трех типов. В основе классификации лежит относительное расположение сил R, F и опоры. Охарактеризуем все три типа:

  1. Рычаг 1-го типа, или рода, был показан выше. Опора расположена в нем между силами R и F. В зависимости от длины плеч dR и dF его можно использовать как для выигрыша в пути, так и для выигрыша в силе. Примером этого типа рычага являются ножницы, весы, гвоздодер.
  2. Рычаг 2-го рода предполагает, что сила R приложена между опорой и силой F. В таком случае получается выигрыш только в силе. Примерами таких рычагов в быту являются орехокол или ручная тачка.
  3. Рычаг 3-го рода предполагает, что сила F расположена между опорой и грузом R. В этом случае выигрыш возможен только в пути. Использование лопаты, циркуля или удочки для рыбалки — это яркие примеры рычага 3-го рода в работе.

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Выигрыш и проигрыш в использовании рычага

Следует четко понимать, что при использовании рычага сохраняется полная энергия системы. Чтобы поднять груз на некоторую высоту, необходимо совершить определенную работу. Поскольку в формуле правила рычага стоит произведение силы на длину плеча, то отмеченную работу можно выполнить как с помощью большей силы, так и с помощью меньшей. Однако в первом случае необходимо будет переместить плечо рычага в вертикальном направлении на малую величину, во втором же случае — на большую величину. Это и есть выигрыш и проигрыш в использовании рычага.

Заметим, что в формуле правила рычага стоят значения моментов. Никакого отношения к работе они не имеют. Момент силы выполняет работу только тогда, когда система за счет его действия поворачивается вокруг оси на некоторый угол.

Как разнообразить тягу верхнего блока

Есть несколько вариантов этого упражнения. Вы можете чередовать их в своих тренировках, чтобы делать акцент на разные группы мышц и обеспечить телу непривычный стимул.

Прямым хватом в два раза шире плеч

Такой хват немного лучше нагружает Electromyographic analysis of three different types of lat pull‑down широчайшие мышцы спины, чем более узкие, но хуже — бицепс и трапецию.

Обратным хватом на ширине плеч

Такой хват хуже Grip width and forearm orientation effects on muscle activity during the lat pull‑down нагружает широчайшие мышцы, чем прямой и более широкий, а нагрузка на трапецию и бицепс практически не вырастает. Есть смысл использовать его только для разнообразия — чтобы обеспечить мышцам необычный стимул и подтолкнуть их к росту.

Нейтральным хватом с использованием V‑ручки

Такой хват лучше A comparative electromyographical investigation of muscle utilization patterns using various hand positions during the lat pull‑down нагружает задние пучки дельтовидных мышц, чем тяга широким и обратным хватом, но хуже — широчайшие мышцы.

К лицу с канатной рукоятью

В начальной фазе руки работают как при использовании V‑рукояти, но заканчивают движение по сторонам от тела — как если бы вы выполняли упражнение широким хватом.

Канатная рукоять позволяет увеличить диапазон движения рук, а значит, и нагрузку на мышцы плеч и спины, и при этом сохранять корпус жёстким и стабильным, полностью исключая отклонение назад.

Прицепите канатную рукоять. Возьмитесь за неё так, чтобы большие пальцы были направлены к телу, опустите лопатки. Тяните ручки вниз, одновременно разводя локти, чтобы в нижней точке концы находились по обе стороны от вашей головы.

С прямыми руками

Это движение выполняется в кроссовере с прямой или канатной рукоятью. Такая тяга выключает из работы бицепс плеча, позволяет хорошо нагрузить и прочувствовать широчайшие мышцы, а также частично задействует трицепс.

Возьмитесь за рукоять прямым хватом шире плеч, отойдите на один‑два шага, выпрямите руки и немного наклоните корпус с прямой спиной. Опустите лопатки и потяните концы к животу, удерживая руки прямыми. Под контролем верните рукоять обратно и повторите.

Если вы работаете с канатной рукоятью, возьмите её так, чтобы большие пальцы были направлены к телу. Примите то же исходное положение, что при работе с прямой. Тяните концы к животу, одновременно разводя их в стороны.

Момент силы

Это , определяется по формуле

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Направление вектора момента силы определяется следующим образом. Представляем в какую сторону сила пытается повернуть (тащить) тело относительно точки О, если тело с точкой О закреплены осью. Если по часовой стрелки, то вектор имеет знак «+», если против часовой, тогда знак «-«.

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Момент силы реакции опоры отрицательный, так как сила реакции опоры «поворачивает» тело против часовой стрелки

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Момент силы тяжести положительный, так как сила тяжести «поворачивает» тело по часовой стрелки

Если точка О выбрана на теле

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Момент силы реакции опоры и силы трения положительные, так как силы «поворачивают» тело по часовой стрелки

Может ли тяга верхнего блока навредить

Тягу верхнего блока можно делать по‑разному: к груди или за голову. Первый вариант — безопасный. Если вы будете выполнять его неправильно, то просто меньше нагрузите целевые группы мышц.

А вот тяга за голову считается не лучшей вариацией для здоровья плеч и шеи. Во‑первых, во время её выполнения многие люди наклоняют голову и вытягивают шею вперёд, пытаясь достать рукояткой до верхней части трапеции. При работе с большими весами или уже существующими проблемами с шейным отделом позвоночника это движение может закончиться травмой.

Во‑вторых, когда тяга выполняется за голову, плечи не только приводятся к телу, но и вращаются внутрь. Такое движение сокращает Ultrasound evaluation of the subacromial space in healthy subjects performing three different positions of shoulder abduction in both loaded and unloaded conditions пространство между внутренними структурами плеча — костным отростком лопатки и сухожилиями надостной мышцы. Повторяющаяся нагрузка в таком положении может вызывать воспаление и боль в плечах.

Кроме того, постоянное выполнение тяги за голову увеличивает A Comparative Analysis and Technique of the Lat Pull‑down риск нестабильности плечевого сустава. Это часто приводит к травмам мягких тканей: мышц вращательной манжеты плеча, хрящей и связок сустава.

Тяга за голову может быть безопасной, если вы сможете удержать плечи от скручивания внутрь. Однако для такой техники необходима достаточная мобильность плеч и верхней части спины, которая есть далеко не у каждого опытного атлета, не говоря уж о новичках.

Более того, тяга за голову лишь немного лучше Electromyographic analysis of three different types of lat pull‑down нагружает задние пучки дельт, чем тяга к груди. В остальном же нагрузка в этих двух вариациях практически не различается.

Задачи на простые механизмы с решениями

Формулы, используемые на уроках «Задачи на простые механизмы,
условия равновесия рычага, блоки, золотое правило механики».

Задача № 1.
 С помощью рычага рабочий поднимает плиту массой 120 кг. Какую силу он прикладывает к большему плечу рычага, равному 2,4 м, если меньшее плечо 0,8 м?

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Задача № 2.
 На концах рычага действуют силы 20 Н и 120 Н. Расстояние от точки опоры до большей силы равно 2 см. Определите длину рычага, если рычаг находится в равновесии.

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Задача № 3.
 На рисунке изображен рычаг, имеющий ось вращения в точке О. Груз какой массы надо подвесить в точке В для того, чтобы рычаг был в равновесии?

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Задача № 4.
 На меньшее плечо рычага действует сила 300 Н, на большее — 20 Н. Длина меньшего плеча 5 см. Определите длину большего плеча.

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Задача № 5.
 Рычаг длиной 60 см находится в равновесии. Какая сила приложена в точке В?

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Задача № 6.
  Момент силы действующей на рычаг, равен 20 Н*м. Найти плечо силы 5 Н, если рычаг находится в равновесии.

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Задача № 7.
 Какое усилие необходимо приложить, чтобы поднять груз 1000 Н с помощью подвижного блока? Какая совершится работа при подъеме груза на 1 м? (Вес блока и трение не учитывать).

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Задача № 8.
  Система блоков находится в равновесии. Определите вес правого груза. (Вес блоков и силу трения не учитывать).

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Задача № 9.
 При помощи подвижного блока поднимают груз, прилагая силу 105 Н. Определите силу трения, если вес блока равен 20 Н, а вес груза 180 Н.

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Задача № 10.
  ОГЭ
 Стержень цилиндрической формы длиной l = 40 см состоит на половину своей длины из свинца и наполовину — из железа. Найти его центр тяжести. Плотность свинца p1 = 11,4 г/см3, плотность железа p2 = 7,8 г/см3.

Решение. Центр тяжести тела (центр масс) — точка приложения силы притяжения его к земле — веса тела P.
У тел, имеющих какую-либо симметрию, он совпадает с центром симметрии. Например, у однородного цилиндра центр тяжести расположен на его оси в центре цилиндра.
Тело, закреплённое на оси, проходящей через его центр тяжести, находится в состоянии безразличного равновесия. Мысленно закрепим стержень AB на оси, перпендикулярной стержню и проходящей через его центр тяжести C, отстоящий от его геометрического центра O на расстояние x в сторону более тяжёлой половины стержня.

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

Задача № 11.
   ЕГЭ
 Масса якоря корабля m = 50 кг. Радиус барабана, на который наматывают якорную цепь, R = 0,2 м, длина каждой из двух ручек ворота l = 1 м. Какую силу нужно приложить к каждой из них, чтобы поднять якорь?

Биомеханика в спортзале: как накачать мышцы, используя принцип рычага

admin
Оцените автора
( Пока оценок нет )
Добавить комментарий