Многие факты свидетельствуют о связи между фазами дыхания и характером рабочих движений [1, 6]. Любое движение, требующее значительного усилия, сопровождается выдохом, вдох же совпадает с движением более легким [4]. Начиная с 60-х годов прошлого столетия известные ученые И.М. Серопегин и В.С. Фарфель ставили вопрос: «…почему только выдыхательные мышцы участвуют во всех усилиях, даже если последние направлены то в одну, то в другую сторону, если их развивают как сгибательные, так и разгибательные мышцы того же звена?» [4]. Наши исследования показали [5], что акцентированное усилие и выдох в физических упражнениях совпадают с фазой максимальной вертикальной составляющей реакции опоры, т.е. в фазе наибольшего веса спортсмена на опоре. Мы предполагаем, что формирование непроизвольных актов выдоха является следствием того, что спортсмен, перед акцентированным усилием, активно использует силы инерции и неосознанно «утяжеляет» себя в подготовительной фазе двигательного действия. Такое «утяжеление» может происходить как при сгибании, так и при разгибании конечностей, при движениях туловища. Известно, что увеличение веса человека на опоре (даже мгновенное) приведет к повышению развиваемого рабочего усилия (удар рукой, ногой, бросок снаряда и т.п.). Следует ожидать, что при этом сила инерции, складываясь с силой тяжести, воздействует на грудную стенку, сдавливая и уменьшая объем грудной полости, вызывая непроизвольный акт выдоха. Но такое предположение ставит другой вопрос: могут ли силы инерции вызывать акты вдоха и выдоха при отсутствии собственных движений спортсмена в условиях внешнего воздействия на него переменных ускорений в вертикальном направлении? Действие силы инерции отражается в переменных ускорениях исследуемого объекта. Поэтому мы выдвигаем следующую гипотезу
Гипотеза. Переменные ускорения движения туловища человека в вертикальных направлениях приводят к возникновению непроизвольных актов вдоха и выдоха.
Цель – исследование непроизвольного дыхания в условиях переменных вертикальных ускорений у испытуемых при отсутствии их собственных движений и усилий.
Задачи:
1. Выявить теоретические предпосылки влияния вертикальной составляющей ускорения движения туловища на непроизвольные акты вдоха и выдоха человека.
2. Провести одновременную регистрацию изменения вертикальных ускорений и пневмограммы дыхания у испытуемых на подвесных качелях и качелях-балансире.
3. Определить зависимость непроизвольного дыхания у испытуемых от произвольного изменения экспериментатором периода и амплитуды колебания качелей.
4. Выполнить анализ взаимосвязи дыхания и вертикальных ускорений движения туловища у испытуемых в зависимости от уровня их двигательного опыта.
Испытуемые. В исследовании приняли участие студенты не физкультурных факультетов (n = 23), не занимающихся спортом, а также студенты-спортсмены, имеющие I спортивный разряд по легкой атлетике – 4, по вольной борьбе – 4 и по гиревому спорту – 4 (n = 12).
Материалы и методы исследования
С целью создания ускорений движения туловища испытуемые, неподвижно сидящие на качелях, раскачивались экспериментатором. Проводилась синхронная регистрация вертикальной составляющей ускорения движения испытуемого и скорость потока воздуха в датчике спирографа (пневмограмма дыхания). Скорость потока воздуха на вдохе считается положительной (движение графика пневмограммы вверх выше изолинии), а на выдохе – отрицательной (движение графика вниз ниже изолинии). Ускорение считается положительным, когда график ускорения поднимается вверх, и отрицательным, когда график опускается вниз.
В работе использовался датчик акселерометра DE-ACCM6G, который крепился на поясе у испытуемых, а также спирограф микропроцессорный СМП – 21/01 – «Р-Д». Прием информации от указанных внешних устройств и синхронная передача на компьютер осуществлялась с помощью цифрового многоканального самописца «S – Recorder – E». Двухфакторный дисперсионный анализ результатов проводился в программе Excell. Вычислялись средние значения запаздывания экстремумов пневмограммы дыхания на вдохе и на выдохе от экстремумов вертикальной составляющей ускорения движения туловища и их дисперсию (Х ± σ).
Теоретические предпосылки гипотезы. В нашем эксперименте система отсчета, связанная с движением грудной стенки при раскачивании человека на качелях относительно земли, является неинерциальной системой отсчета. Известно, что в неинерциальных системах отсчета необходимо ко всем реальным силам (действующим со стороны других тел) добавить силу инерции
, (1)
где 
– сила инерции, 
– ускорение системы, m – масса системы.
Рассмотрим условия равновесия для движения грудной стенки на опоре (позвоночнике), неподвижной относительно скамейки качелей. В сагиттальной плоскости это условие соблюдается при равенстве нулю суммы моментов всех сил, действующих на центр масс грудной стенки
, (2)
где 
– вес грудной стенки на опоре (позвоночнике), 
– сила тяжести грудной стенки, 
– сила упругости эластичных элементов грудной стенки и легких, 
– сила дыхательных мышц, 
– сила инерции, di – расстояние от позвоночника до центра масс. Из формулы (2) следует выражение
. (3)
В проекции на вертикальную ось Z (относительно скамейки) это уравнение можно записать в скалярном виде
, (4)
где m – масса грудной стенки, g – ускорение свободного падения, am – ускорение, создаваемое силой дыхательных мышц («+» при сокращении мышц выдоха, «–» при сокращении мышц вдоха), ain – ускорение, создаваемое силой инерции («+» при совпадении направления с вектором силы тяжести, «–» при противоположном направлении с силой тяжести), k – коэффициент упругости, выражающий эластические свойства грудной стенки и легких, Z – перемещение ребер грудной стенки в вертикальном направлении. Коэффициент «k» берем с минусом, т.к. сила тяжести и сила упругости грудной стенки противоположно направлены.
По мере того как объем грудной полости на вдохе увеличивается до уровня 60–75 % от жизненной емкости легких (ЖЕЛ), отдача грудной клетки падает до нуля, т.е. грудная клетка приходит в состояние равновесия [2, 3]. На этом уровне вдоха мы полагаем значение Z в уравнении (4) равным нулю. На выдохе значение Z будет увеличиваться.
Рассмотрим два крайних случая для уравнения (4):
1) 
; 
; P = Pmax;
2) 
; при 
; Z = 0; P = 0.
В первом случае, когда сила тяжести, сила мышц выдоха и сила инерции складываясь, преодолевают силу упругости грудной стенки, создаются условия для выдоха. Во втором случае ускорение системы действует в противоположную сторону вектора силы тяжести и становится равной ускорению свободного падения. Здесь силы упругости расширяют грудную полость на вдохе, а значит, и легкие до уровня 60–75 % от ЖЕЛ [2, 3].
Таким образом, упрощенные теоретические выкладки показывают, что в условиях переменных ускорений туловища экскурсия грудной стенки может происходить как за счет дыхательных мышц, так и за счет силы инерции, возникающей вследствие больших ускорений.
Результаты исследования и их обсуждение
Экспериментальная часть исследования подтверждает выше изложенные теоретические выкладки о влиянии знакопеременных вертикальных ускорений на формирование непроизвольного паттерна дыхания человека. Было обнаружено, что период колебаний подвесных качелей определяет период дыхания у испытуемых (рис. 1–2). Наблюдается реципрокное изменение синусоиды вертикального ускорения и пневмограммы дыхания. Однако графики вертикального ускорения и пневмограммы, имея одинаковый период колебания, сдвинуты по фазе.
Рис. 1. Взаимосвязь вертикального ускорения и дыхания у студентов с низкой двигательной активностью на подвесных качелях (1 – график вертикальной составляющей ускорения, 2 – пневмограмма дыхания)
Рис. 2. Взаимосвязь вертикального ускорения и дыхания у студентов-спортсменов на подвесных качелях (1 – график вертикальной составляющей ускорения, 2 – пневмограмма дыхания)
Большие периоды колебания подвесных качелей (Т = 2,5 с) с вертикальными ускорениями до 1,2 ± 0,1 g вызывают непроизвольное увеличение длительности дыхательных циклов с таким же периодом (Т = 2,5 с) (p < 0,05). У всех испытуемых студентов с низкой двигательной активностью (n = 23, 100 %) наблюдается отставание пневмограммы дыхания от графика вертикальных ускорений по фазе в среднем на вдохе на 0,90 ± 0,09 с, а на выдохе – 0,61 ± 0,05 с (p < 0,01). Такой характер непроизвольного дыхания наблюдался также у трех студентов-спортсменов (25 %) (рис. 1).
Уменьшение периода колебания подвесных качелей вдвое (Т = 1,25 с) приводит к увеличению вертикального ускорения до 1,5 ± 0,2 g. У некоторых студентов с низкой двигательной активностью (n = 7; 30,4 %) и у спортсменов (n = 11; 91,7 %) сдвиг фаз синусоиды вертикального ускорения и пневмограммы дыхания уменьшает на вдохе до 0,21 ± 0,05 с, а на выдохе приближается к нулю 0,05 ± 0,01 с (рис. 2), (p < 0,05).
Дисперсионный анализ показал, что нулевая гипотеза об отсутствии эффекта фактора вертикальной составляющей ускорения на дыхание должна быть отклонена, так как расчетное значение F = 11,15 > F-критическое = 3,95, а р = 0,001. Также нулевая гипотеза об отсутствии взаимодействия вертикальной составляющей ускорения движения туловища и уровня двигательного опыта испытуемых отклоняется, так как расчетное значение F = 68,57 > F-критическое = 2,71, а р < 0,01. Следовательно, можно утверждать, что между ускорением и дыханием, как у студентов, так и у спортсменов существует тесная взаимосвязь.
На качелях-балансире у испытуемых была обнаружена та же взаимосвязь между пневмограммой дыхания и вертикальными ускорениями, как и на подвесных качелях. Однако при произвольном изменении периода колебания качелей-балансира экспериментатором («встряхивание»), у студентов с низкой двигательной активностью наблюдается полная задержка дыхания (n = 23, 100 %) (рис. 3). График пневмограммы при этом остается на одном уровне независимо от изменения графика ускорения. У студентов-спортсменов наблюдается взаимная реципрокная зависимость пневмограмм и графика ускорения (n = 12, 100 %) (рис. 4), (p < 0,01).
Рис. 3. Отсутствие взаимосвязи вертикального ускорения и дыхания у студентов с низкой двигательной активностью на качелях-балансире (1 – график вертикальной составляющей ускорения, 2 – пневмограмма дыхания)
Рис. 4. Взаимосвязь вертикального ускорения и дыхания у студентов-спортсменов на качелях-балансире (1 – график вертикальной составляющей ускорения, 2 – пневмограмма дыхания)
Полученные результаты позволяют принять выдвинутую гипотезу о том, что воздействие на человека знакопеременных ускорений в вертикальных направлениях приводит к возникновению непроизвольных актов вдоха и выдоха.
Выводы
1. В условиях переменных ускорений туловища непроизвольная экскурсия грудной стенки теоретически может происходить как за счет дыхательных мышц, так и за счет силы инерции, возникающей вследствие больших ускорений.
2. В условиях отсутствия собственных локомоций непроизвольное дыхание у человека зависит от вертикальной составляющей ускорения движения туловища и периода колебания качелей.
3. У людей с высокой двигательной активностью непроизвольные паттерны дыхания тесно связаны с вертикальной составляющей ускорения движения туловища. Сдвиг по фазе синусоиды вертикального ускорения и пневмограммы дыхания на вдохе равен 0,21 ± 0,05 с, а на выдохе приближается к нулю – 0,05 ± 0,01 с, (p < 0,05).
4. У людей с низким уровнем двигательной активности происходит большее, в сравнении со спортсменами, непроизвольное отставание пневмограммы на вдохе (0,90 ± 0,09 с) и на выдохе (0,61 ± 0,05 с) от графика вертикальных ускорений (p < 0,01), а при внезапных изменениях периода колебания качелей-балансира происходит задержка дыхания;
5. Результаты исследования указывают на то, что при разработке методик обучения рациональному дыханию в физических упражнениях необходимо учитывать характер изменения вертикальной составляющей ускорения, присущего этим физическим упражнениям.