Для повышения эффективности и экономичности физических упражнений в спортивной подготовке существует проблема сопряжения дыхания с двигательными действиями. Предлагаются различные общепринятые и специальные методы дыхательных упражнений: дыхание с добавочным сопротивлением, дыхание гиперкапническими и гипоксическими газовыми смесями [1] и др. Совершенствуя функцию внешнего дыхания, этими методами повышается работоспособность респираторной мускулатуры, повышается устойчивость организма к гипоксии, тканевое дыхание и транспорт газов в организме у спортсменов в физических упражнениях [1]. Общепринятые методы выполнения физических упражнений не регламентируют способы дыхания в прыжковых общеразвивающих физических упражнениях. Подразумевается, что в простых физических упражнениях непроизвольные дыхательные движения формируются сами собой рефлекторно [1]. Однако простое упражнение «прыжки на месте со скакалкой» одни испытуемые могут выполнять 10–30 мин непрерывно, а другие – лишь 1–2 мин из-за потери контроля над дыханием. Противоречия возникают вследствие отсутствия единой теории возникновения непроизвольных дыхательных циклов в физических упражнениях. На наш взгляд, это связано с тем, что основные положения физиологии дыхания при мышечной деятельности рассматриваются вне связи с двигательными действиями. Предлагаются методики повышения функции дыхательной системы путем затруднения дыхания методами повышения сопротивления дыханию, дыханию гипоксическими и гиперкапническими газовыми смесями. Некоторые ученые считают, что гиповентиляционное дыхание является стимулятором физической работоспособности [1, 2]. Известно такое положение, что двигательная система реагирует и избирает ту частоту движений, которая совпадает с резонансной частотой отдельных кинематических звеньев, поэтому «колебания при резонансе мышечно-сухожильной структуры дают максимальную амплитуду движения при наименьших усилиях и энергетических затратах» [3]. Известно, что двигательные действия в прыжковых упражнениях вызывают специфический процесс вовлечения грудной стенки человека в непроизвольные циклические дыхательные движения [4, 5]. Различные примеры локомоторно-респираторного сопряжения (ЛРС) приводятся в доступной литературе. Однако механизмы, лежащие в основе локомоторно-респираторного сопряжения (или несопряжения) именно в физических упражнениях, недостаточно изучены [4, 6]. Также следует отметить, что в условиях отсутствия собственных усилий человека при его раскачивании на качелях была обнаружена «закономерная связь между пиком максимальной вертикальной составляющей ускорения и выдохом, при прохождении качелями нижней точки, а также связь между минимальными значениями этой составляющей и вдохом в двух крайних положениях качелей» [6]. Также ученые наблюдали, что «локомоторно-респираторное сопряжение (ЛРС) снижает метаболические затраты в лыжных гонках примерно на 4 %» [7]. В некоторых исследованиях обнаружено, что частота дыхания является хорошим показателем физических усилий во время ускоренных челночных пробегов [8]. Общеизвестно, что в основе ЛРС лежат механизмы: 1) нейронные взаимодействия между центральными и периферийными регуляторами передвижения и дыхания; 2) механические взаимодействия между двигательной динамикой и дыхательной механикой. «ЛРС указывает на совершенствование двигательных действий, на снижение метаболических затрат, а также на повышение эффективности аэробного энергообеспечения» [9]. В некоторых работах отмечено увеличение ЛРС при повышении частоты движения конечностей [10]. Предположение о том, что «двигательная система реагирует и избирает ту частоту движений, которая совпадает с резонансной частотой отдельных кинематических звеньев» подтверждается в ряде источников» [3, 6, 10]. Таким образом, повышение эффективности и экономичности в физических упражнениях достигается спортсменом путем приобретения специфической двигательной системы. В такой системе дыхательные движения могут приводиться к состоянию, близкому к резонансному с результирующей волной усилий, проходящей по кинематическим звеньям двигательного аппарата [4, 6].
Цель исследования заключается в выявлении особенностей локомоторно-респираторных сопряжений в прыжковых упражнениях «прыжки на месте» и «прыжки в высоту с места» путем анализа частотных спектров реакции опоры и частотных спектров дыхания у испытуемых.
Материалы и методы исследования
Испытуемые, десять студентов 19–20 лет, выполняли упражнения в течение 30 с, стоя на тензометрической платформе. Датчик спирографа закреплялся на шлеме, а сам спирограф с регистратором сигналов с помощью ремня закреплялся на поясе. Далее в тексте векторные величины выделены жирным шрифтом. Качество ЛРС при выполнении упражнений оценивалось по графикам вертикальной реакции опоры (R(t)_верт, Н), дыхательного объема (VT(t), л) и объемной скорости воздушного потока при дыхании (V̅(t), л/с). В выражении VT(t) нижний индекс «T» означает «Tidal volume» – международное обозначение дыхательного объема. Анализ частотных составляющих сигналов R(t)_верт, VT(t) и V̅(t) выполнялся с использованием метода быстрого преобразования Фурье (БПФ).
Из курса биомеханики известно, что в физических упражнениях, в том числе и в прыжковых, кинематические звенья тела имеют различные частоты движения, вследствие чего образуется суммарный частотный спектр сигналов R(t)_верт. Также дыхательные движения отражаются в частотном спектре VT(t) и V̅(t). Отсюда можно сделать предположение, что при ЛРС частотные спектры сигналов в некоторых диапазонах частот будут совпадать и в прыжковых упражнениях. Это предположение основано на том, «что циклические двигательные действия в физических упражнениях вовлекают грудную стенку человека в специфический процесс непроизвольных циклических дыхательных движений» [4, 5].
Было проведено десять занятий, в течение которых было сделано 98 измерений.
Результаты исследования и их обсуждение
На рис. 1 и 3 показаны «сырые» графики сигналов. На рис. 1 можно качественно оценить наличие ЛРС по совпадению частот сигналов R(t)_верт, VT(t) и V̅(t) в упражнении «прыжки на месте». Однако трудно провести визуальный анализ графиков в упражнении «прыжки в высоту с места» (рис. 3). На рис. 2 и 4 показаны частотные спектры регистрируемых сигналов после преобразования методом БПФ.
На рис. 2 пиковые частоты сигналов R(t)_верт, VT(t) и V̅(t) совпадают на первой гармонике в диапазоне частот 1,95–2,15 Гц. Произведением значений частоты в Гц на 60 получим частоту в минуту. Например, 2 Гц *60 = 120 циклов/мин. В данном случае показатели пиковой частоты указывают на то, что испытуемый совершал прыжки с частотой примерно 120 прыжков в минуту. С такой же частотой совершались дыхательные движения, отраженные в показателях VT(t) и V̅(t).
На рис. 3 отображены три прыжка в высоту с места за 6 с, что равно 30 прыжкам/мин. Также в каждом прыжке в высоту с места наблюдаются три пика R(t)_верт, частота этих пиков равна 90 раз/мин. В частотном спектре сигналов (рис. 4) частота дыхательного объема (частота дыхания, циклов/мин) совпадает с частотой вертикальной реакции опоры в первой гармонике (частота прыжков, прыжков/мин) в области 0,49–0,59 Гц, что примерно равно 30 циклам/мин. Таким образом, здесь наблюдается кинематическая составляющая ЛРС – совпадение частоты дыхания с частотой прыжков в высоту с места. На рис. 4 также показано совпадение на третьей гармонике пиковых частот R(t)_верт и V̅(t) в диапазоне 1,46–1,56 Гц. То есть, как указано выше, основные усилия в двигательных действиях выполнялись примерно в диапазоне частот 90 раз/мин. В этом же диапазоне частот находится частота объемной скорости воздушного потока при дыхании V̅(t). Здесь наблюдается динамическая составляющая ЛРС – совпадение пиковых частот в третьей гармонике R(t)_верт и V̅(t).
В рамках данной работы нет необходимости определения соответствия каждой гармоники R(t)_верт отдельным гармоникам VT(t) и V̅(t) в прыжковых упражнениях и здесь не раскрывается значение гармоник, следующих за первой. Из приведенных графиков следует, что в области всех гармоник R(t)_верт есть частотные составляющие V̅(t). Следовательно, все усилия в прыжковых упражнениях в отдельных частотных диапазонах воздействуют на дыхательные движения.
В результате анализа полученных данных методом быстрого преобразования Фурье (БПФ) в упражнениях «прыжки на месте» и «прыжки в высоту с места», в начале исследования у четверых испытуемых (40,0 %) было обнаружено совпадение пиковых частот R(t)_верт и V̅(t). Четверо испытуемых (40,0 %) показали неритмичное дыхание, а двое (20,0 %) выполняли упражнения с задержкой дыхания. Однако в конце этапа испытаний (семестра) совпадение пиковых частот R(t)_верт и V̅(t) обнаружено у семи испытуемых (70,0 %) (рис. 1–4). Очевидно, что ЛРС является интегральным критерием техники двигательных действий и качества дыхания в прыжковых общеразвивающих физических упражнениях.
Известно, что «колебания при резонансе мышечно-сухожильной структуры дают максимальную амплитуду движения при наименьших усилиях и энергетических затратах» [3, 7]. Следовательно, эффективность и экономичность двигательных действий в физических упражнениях достигается спортсменом, когда он приобретает специфическую двигательную систему. Мы предполагаем, что в такой системе дыхательные движения могут приводиться к состоянию, близкому к резонансному с результирующей волной усилий, проходящей по кинематическим звеньям двигательного аппарата. Необходимо принять сделанное выше предположение о том, что в прыжковых упражнениях дыхательные движения могут приводиться к состоянию, близкому к резонансному с результирующей волной усилий, проходящей по кинематическим звеньям двигательного аппарата. Трое испытуемых (30,0 %) показали отсутствие ЛРС в упражнениях. Это указывает на то, что они решают двигательную задачу в условиях задержки дыхания или неритмичного дыхания, что приводит к избыточным двигательным действиям и снижению экономичности движений. Однако показатели дыхательного объема, отражающие частоту дыхания в упражнениях, оказались менее информативными. Так, в конце эксперимента пиковые частоты VT (t) совпадали с пиковыми частотами R(t)_верт лишь у четверых (40,0 %) испытуемых (рис. 2) и ни одного случая не зафиксировано в упражнении «прыжки в высоту с места» (рис. 4).
Рис. 1. Графики сигналов в упражнении «прыжки на месте»
Рис. 2. Частотный спектр сигналов в упражнении «прыжки на месте»
Рис. 3. Графики сигналов в упражнении «прыжки в высоту с места»
Рис. 4. Частотный спектр сигналов в упражнении «прыжки в высоту с места»
Результаты исследования свидетельствуют о том, что дыхательные и локомоторные ритмы связаны. Закономерности локомоторно-респираторного сопряжения требуют дальнейшего и более углубленного изучения.
Выводы
1. ЛРС в прыжковых упражнениях имеет две составляющие. Первая, общепринятая – кинематическая, определяемая отношением частоты дыхания к частоте прыжков. Вторая, требующая дальнейшего исследования – динамическая, определяемая отношением пиковых частот R(t)_верт и V̅(t).
2. Подтверждается предположение о том, что в прыжковых упражнениях частотные составляющие R(t)_верт и V̅(t) при ЛРС совпадают, означая, что грудная стенка вовлекается в движение двигательными действиями.
3. Совпадение пиковых частот R(t)_верт и V̅(t) является критерием техники в прыжковых упражнениях.
4. Отсутствие ЛРС у испытуемых при решении двигательных задач путем задержки дыхания или неритмичного дыхания сопровождается избыточными двигательными действиями и снижением экономичности движений.