Особенности фаз точностного движения

 

Деление системы движений на фазы, соответствующие принципиальным изменениям качественных сторон двигательной деятельности, позволяет понять логику построения этой системы, определить пути её совершенствования.

Для корректного выделения фаз точностного движения необходимо выработать критерии, на основании которых такое деление будет произведено. Такими критериями, как представляется, могут быть экстремумы кинематических характеристик, периоды электрической активности мышц, отражающие особенности программ движений, наконец, логиче­ски выявленные характерные особенности программирования и реализа­ции точностных движений.

Конечно, использование каких-либо объективных характеристик движений кажется наиболее привлекательным. Однако есть веские причины, которые существенно ограничивают их применение в качестве критерия для дифференцирования фаз именно точностных движений.

Относительно кинематических характеристик такой причиной является значительное их варьирование, не связанное с точностным характером двигательной задачи. Варьирование кинематических характеристик в значительной степени определяется внешними условиями выполнения точностного движения, которые могут быть разделены на две большие группы. Первая – действие силы тяжести, вторая – взаимодействие с внешними предметами (например, противодействие сопернику).

В связи с этим целесообразно разделить точностные д.д. на три класса: а) быстрые – выполнение движений которых более чем за 0,15-0,20 с в условиях земного тяготения не позволит выполнить двигательную задачу (таковы все метательные движения, в заключительной стадии которых снаряду должна быть придана определённая начальная скорость); б) максимально быстрые – двигательная задача которых включает две подзадачи – точностную и скоростную (таковы удары боксёра, уколы фехтовальщика, многие профессиональные движения); в) медленные – не имеющие в двигательной задаче требований к быстроте и выполняемые на субъективно удобной скорости (это – небольшой класс движений, с очень высокими требованиями к пространственной точности или искусственных).

Быстрые и максимально быстрые точностные д.д. различаются тем, что первые содержат в двигательной задаче лишь требования к точности, а требования к быстроте выполнения (скорости выпуска снаряда) детерминированы в двигательной программе, то есть скоростные характеристики носят подчинённый задаче "попасть в цель" характер. В то время как максимально быстрые точностные д.д. содержат требования и к точности, и к быстроте выполнения в двигательной задаче, а программа такого движения направлена на поиск возможностей решения точностной задачи в условиях максимально быстрого движения. Изменение внешних условий при осуществлении движений быстрых и максимально быстрых точностных д.д. при доминирующей точностной двигательной задаче ведёт к приближению их кинематических характеристик к показателям движений медленных д.д.[5]

Это даёт основания полагать, что кинематические и динамические характеристики точностных движений могут отражать специфику тех блоков двигательной программы, которые учитывают внешние условия выполнения движений, а не их точностный характер. Так, например, в быстрых точностных движениях скорость, а значит, и сложность управления растёт до выпуска снаряда, хотя в связи с требованиями обеспечения точности, она должна снижаться, как это происходит в медленных точностных движениях. Последнее явилось причиной того, что некоторые исследователи вынужденно признают (явно или неявно) отсутствие второй, отличной от транспортной фазы в быстрых и максимально быстрых точностных движениях (R.A. Schmidt et al., 1979; D.E. Meyer et al., 1988).

Поэтому применение особенностей изменения кинематических характеристик возможно лишь в качестве косвенных показателей для определения границ фаз точностного движения, но не критерия для их дифференцирования.

Очевидно, что, так как кинематические характеристики движения являются опосредованным (длиной мышцы и скоростью её изменения) следствием электрической активности мышц, по тем же соображениям и особенности электрической активности мышц не могут служить критерием дифференцирования фаз точностного движения.

Остаётся попытаться найти логические критерии членения точностного движения на фазы. Для этого рассмотрим двух- и трёхзвенную кинематические цепи соответственно с одной и двумя степенями свободы, выполняющие точностное движение (рис. 4).

Для достижения концом А кинематической цепи DBA точки Е, достаточно одной степени свободы, задаваемой сочленением В, если точка Е расположена на окружности радиусом ВА, описанной из точки В. Только в случае такого движения есть смысл рассматривать "баллистическую фазу" и "фазу коррекции", если начальное количество движения, заданное звену ВА было избыточно или недостаточно.

Для достижения концом А кинематической цепи DBA точки F, лежащей внутри окружности радиусом ВА, описанной из точки В, необходима ещё одна степень свободы, задаваемая сочленением С. Чтобы выполнить двигательную задачу (выделено пунктиром) необходимо реализовать обе имеющиеся степени свободы – совершить движение звена ВА относительно точки В и звена СА относительно точки С.

Для кинематической цепи неживой системы не имеет значения с позиций достижения точности, какое движение осуществить сначала, звена ВС, или звена СА. С позиций живой системы такие различия есть. Они обусловлены тем, что если сначала выполнять движение звена СА, то алгоритм программы решения задачи состоит (упрощённо) из трех шагов: 1) сделать проекцию точки F для исходного положения цепи ВСА, 2) выполнить движение звеном СА, 3) выполнить движение звеном ВС; а если первым выполнять движение звеном ВС, то – из двух шагов: 1) выполнить движение звеном ВС, 2) выполнить движение звеном СА.

В первом случае, во-первых, больше число операций, что повышает возможность ошибки, во-вторых, последнее движение, в котором реализуется точность, плечо рычага ВС больше, чем СА, поэтому равные ошибки в приложении силы приведут к большей пространственной ошибке.

Одновременное выполнение движений звеньями ВС и СА аналогично первому случаю (если не рассматривать сложности одновременной реализации двух элементарных двигательных программ). Именно это принципиальное, биомеханически обусловленное последовательное выполнение движений сначала проксимальным (более длинным), а затем дистальным (более коротким) звеном биокинематической цепи может быть принято в качестве критерия для дифференцирования фаз точностного движения. В настоящем исследовании фаза выполнения движения проксимальным звеном будет называться фазой доставки, а вторая – дистальным звеном, по положению которого оценивается точность, – фазой реализации [6].

Такое деление в большой мере схематично, так как в реальных движениях человека не могут не учитываться внешние силы, воздействующие на опорно-двигательный аппарат, что ведёт к значительному их усложнению и возможному частичному совмещению двигательных программ фаз доставки и реализации, однако даёт ключ к анализу особенностей функционирования опорно-двигательного аппарата во время выполнения точностных движений.

В заключение раздела отметим, что деление односуставного точностного движения на фазы доставки и реализации связано не с началом коррекции, которая возможна и на самых ранних стадиях движения, а скорее с функционированием двух визиомоторных каналов (Jeannerod, 1984), один из которых ответственен за доставку звена в район реализации точности (и когда возможна грубая коррекция, характерная и для фазы доставки при выполнении движения многозвенной цепью), а другой связан с непосредственной обработкой цели (мелкая, итоговая коррекция, характерная для фазы реализации). С позиций деления точностного движения на фазы доставки и реализации принципиальным в односуставном движении является переключение внимания на цель. Однако односуставные точностные движения во многом искуссственны, не имеют аналогов в реальной двигательной практике. Поэтому область применения выводов, сделанных при их изучении, ограничена.

 

Содержание и границы фаз точностного движения

 

Логическое деление точностного движения на фазы предполагает наличие у каждой фазы своей подзадачи, подчинённой решению задачи всего движения.

Общей подзадачей фазы доставки является транспортировка, доставка рабочего звена в область реализации точности. Положение этой области, её размеры обусловлены анатомическим строением рабочего звена и сустава. Подзадача фазы реализации совпадает с задачей всего точностного движения – принятие определённого положения той или иной точки тела.

Однако в зависимости от сопутствующих задач всего точностного движения и внешних условий выполнения его подзадачи могут значительно различаться. В данном разделе рассмотрены типичные задачи фаз доставки и реализации быстрых, максимально быстрых и медленных точностных движений.

Содержание и границы фаз быстрого точностного движения

 

По определению быстрые точностные движения не могут быть успешно выполнены без достижения снарядом определённой начальной скорости. К ним относятся все метательные движения. Поэтому задачей фазы доставки такого движения является не только транспортировка рабочего звена в область реализации, но и приобретение достаточного импульса (количества движения).

Для изучения влияния на эффективность быстрого точностного движения различных требований к двигательному аппарату по приобретению необходимого количества движения в фазе доставки был проведён педагогический эксперимент. Организация эксперимента предусматривала, что при изменении требований к двигательному аппарату по приобретению необходимого импульса требования к точности (в нашем случае – размеры цели и расстояние до неё) должны оставаться стабильными.

Эксперимент проводился на материале дартса. Испытуемые выполняли метание стандартных дротиков в цель. Дистанция метания – 3 м была подобрана с таким расчётом, чтобы испытуемые испытывали некоторые затруднения при метании снаряда только рукой. Это привело к тому, что испытуемые начинали разгон снаряда с движения ног (предварительно незначительно их согнув), с "падающего" движения туловища и все – с небольшого замаха назад, что позволяло за счёт рекуперации энергии, накопленной во время движения назад, приобрести значительную начальную скорость без большой активной работы (работы, произведённой сокращающимися мышцами).

Затем для повышения требований к двигательному аппарату по приобретению необходимого импульса испытуемому предлагалось выполнить метания только рукой. При помощи визуального контроля исключались движения другими частями тела, метательное движение должно было начаться с движения вперёд (без замаха). Не соответствующие указанным условиям попытки не засчитывались.

Такие ограничения в исходном положении сократили путь разгона снаряда на 2 – 4 см, значительно ограничили перенос энергии с других частей тела.

Таким образом, во-первых, была сокращена длительность фазы доставки, а значит, возможность центральной коррекции параметров движений, во-вторых, были значительно повышены требования к исполнительному аппарату по приобретению необходимого импульса в фазе доставки при неизменных требованиях к пространственной точности.

В качестве критерия эффективности точностного движения использовались показатели точности попадания в цель. Для оценки степени влияния на эффективность точностного движения повышенных требований к двигательному аппарату по приобретению необходимого количества движения полученные результаты сравнивались с влиянием на точность параллельно осуществляющейся программы по удержанию равновесия (в двух положениях – стоя на носках и стоя на носке одной ноги) и предварительной локальной силовой нагрузки на исполнительный аппарат движения (десять сгибаний и разгибаний рук в упоре лёжа с мешком весом 15 кг на плечах). Из исследований других авторов было известно, что они оказывают значительное отрицательное воздействие – при стойке на носке одной ноги (И.М. Козлов, 1999), при предшествующей локальной силовой нагрузке (С.В. Голомазов, 1996).

Организация эксперимента описана в приложении (первый педагогический эксперимент).

Из таблицы 1 видно, что повышение требований к двигательному аппарату по приобретению необходимого импульса в фазе доставки быстрого точностного движения резко отрицательно сказалось на его эффективности.

Различия показателей точности движения в полной координации и с ограничениями по переносу энергии с других частей тела, использованию рекуперированной энергии и уменьшению пути приложения силы (разгона снаряда) (задания 1 и 2 – 3) оказались достоверны при уровне значимости 0,001.

Необходимо отметить, что некоторое увеличение пути приложения силы и уменьшение визуальной информации о параметрах движения в начале фазы доставки в задании 3, не отразились на точности (различия показателей точности в метании от уха и от брови не достоверны (р>0,05).

Полученные результаты позволяют сделать вывод о не ведущем значении длины пути приложения силы и визуальной информации о положении снаряда в начале быстрого точностного движения по сравнению со значением переноса энергии с других частей тела и её рекуперации.

При сравнении влияния повышенных требований к двигательному аппарату в фазе доставки быстрого точностного движения с влиянием других факторов, оказалось, что внешне малозаметные изменения структуры движения оказались гораздо более значимы для организма,

Таблица 1

Влияние на эффективность быстрого точностного движения

условий его выполнения

Варианты метаний[7]	Показатели точности (баллы)	Достоверность различий[8] с 1
Уровень значимости	F	Fкритич.
`х	d
	8,9 5,3 5,6 7,3 7,4 6,1	2,27 2,51 2,55 2,10 2,37 2,44	--- 0,001 0,001 0,01 0,05 0,001	--- 40,67 33,38 9,07 6,79 24,62	--- 11,77 11,77 7,00 3,97 11,77

 

чем параллельное протекание программы по удержанию равновесия, и сравнимы с влиянием значительной[9] предварительной локальной силовой нагрузки на исполнительный аппарат (рис. 5).

Различия средних показателей точности в метании из исходного положения снаряда возле уха и стоя на носках, стоя на носке одной ноги

(p<0,001) и из исходного положения снаряда возле брови и стоя на носках, стоя на носке одной ноги (р<0,01) достоверны. Сравнение средних показателей точности в метании из исходных положений снаряд возле уха и возле брови с показателями точности после локальной силовой нагрузки выявило недостоверность их различий (р>0,05).

Наблюдение за испытуемыми во время тестирования при ограниченной подвижности показало, что для того, чтобы выполнить предъявляемые внешними условиями требования по достижению начальной скорости полёта снаряда, метающие в фазе доставки включали в активную работу (основанную на мышечном сокращении) и части руки, до этого выполнявшие движения фазы реализации. Кисть и частично пальцы были вынужденно активно задействованы в фазе доставки, что резко отрицательно сказалось на эффективности всего движения.

Для обсуждения результатов эксперимента вернёмся к логическому анализу содержания фаз быстрого точностного движения. В таком движении момент реализации точности вынесен за пределы движений частей тела человека, снаряд попадает или не попадает в цель через некоторое время после того, как точностное движение уже завершено. Однако вряд ли имеет смысл считать фазой реализации именно этот момент взаимодействия снаряда с целью. Законы движения неживых тел являются областью изучения механики.

Точность попадания выпускаемого снаряда в цель (если во время его полёта не меняются внешние условия) зависит не только от положения относительно цели, но и от начальной скорости полёта и направления вылета. Причём известно, что в метательных движениях скорость снаряда увеличивается до момента отрыва, значит ли это, что фаза реализации в таких движениях вообще отсутствует?

Если бы быстрое точностное движение было однородно, то отсутствие дополнительных движений, направленных на перенос энергии с более крупных частей тела и накопление энергии, облегчило бы задачу управления начальным импульсом, привело бы к повышению точности. Результаты проведённого эксперимента позволяют полагать, что процесс управления точностным движением строится иначе. Сначала продуцируется начальный импульс (обычно несколько избыточный), затем он оценивается и, при необходимости, корректируется в соответствии с двигательной задачей, т.е. наступает момент сопоставления реальных характеристик движения с целью – фаза реализации. Чем позже заканчивается формирование начального импульса, тем меньше остаётся времени на его оценивание, тем сложнее управление и ниже точность движения. Чем больше фаза доставки удлиняется за счёт фазы реализации (рис. 6), тем движение менее эффективно.

При ограничении действия механизмов переноса энергии с больших частей тела на малые, рекуперации энергии, позволяющих оперативно сформировать начальный импульс, фаза реализации при метании дротика в цель начинается, очевидно, с движений пальцев, в то время как без этих ограничений – с движения кисти.

В быстром точностном движении исполнительный аппарат как можно раньше освобождается от активной, связанной с сокращением мышц, работы по увеличению количества движения. При этом увеличение скорости в конце движения происходит за счёт периферических механизмов передачи энергии от бóльших частей тела к меньшим и рекуперации энергии, а изменение направления движения – за счёт периферических же механизмов, обусловленных строением и физическими свойствами исполнительного аппарата.

Оба этих процесса, ввиду их малой длительности, не управляются центрально в момент осуществления движения, но программируются и корректируются в последующих движениях.

Процесс программирования этих функций исполнительного аппарата облегчается тем, что дистальные суставы руки (части тела, в результате филогенеза изменившей своё строение в связи с требованиями к эффективному осуществлению именно быстрых и максимально быстрых точностных движений) имеют одну степень свободы, и характеристики их движений легко предсказуемы (особенно пространственные).

Теоретически при этом контроль ЦНС и, соответственно, активная коррекция положения и скорости могут прекращаться: 1) одновременно; 2) последовательно – а) сначала контроль над положением, потом над набором скорости, б) сначала контроль над набором скорости, потом над положением. Обратим внимание, что процесс приобретения необходимого количества движения в быстром точностном движении если не полностью предшествует процессу принятия требуемого положения, то, во всяком случае, начинается раньше. Более того, часть тела, осуществляющая движение в фазе реализации, направляется не кратчайшим путём к нужной точке, а сначала полностью подчиняется задаче приобретения необходимого импульса, часто в связи с развёртыванием процесса накопления энергии движется в направлении от цели.

Недостаток скорости, приобретённой в начале фазы доставки, в более поздние стадии компенсировать сложнее, так как процесс передачи энергии идёт от крупных частей тела (обладающих большими возможностями в продуцировании ускорений) к мелким. Это делает необходимым создание некоторого запаса скорости на начальных стадиях движения. Избыток скорости может быть компенсирован за счёт изменения положения части тела, выполняющей движение в фазе реализации.

Описанная логическая последовательность процессов приобретения необходимого импульса движения и принятия необходимого положения даёт основание полагать, что активные процессы коррекции скорости заканчиваются раньше, чем активные процессы коррекции положения. Косвенным подтверждением сказанного является тот факт, что двигательный аппарат кисти и пальцев менее предрасположен к созданию каких-либо значительных ускорений, изменение же положения ещё в пястно-фаланговых суставах может достигать десятка градусов и более. Показанная закономерность сохраняется и для пояса нижних конечностей в связи с уменьшением числа степеней свободы у дистальных суставов.

Смещение же процесса продуцирования импульса в сторону фазы реализации ведёт, как показал эксперимент, к значительному снижению её эффективности.

Полученные данные позволяют конкретизировать задачу фазы доставки быстрого точностного движения: 1) занять положение в пространстве, соответствующее анатомическому строению звена, по положению которого оценивается точность и кинематическим параметрам движения (движений) фазы реализации; 2) создать необходимый импульс (количество движения); 3) исключить дистальные звенья из активной работы в фазе доставки.

Понятие о периферических механизмах управления скоростью (за счёт рекуперации энергии, накопленной в предварительно растянутых мышцах и связках и переноса энергии с больших частей тела на малые) и положением (за счёт малой подвижности дистальных суставов) в точностных движениях, программируемых, но не управляемых ЦНС непосредственно, дополняет, конкретизирует теоретические положения о периферическом цикле взаимодействия, возникшие как понятие о кольцевой зависимости длины мышцы от её напряжения (Н.А. Бернштейн, 1947) и о периферических механизмах регуляции движений как совокупности элементов опорно-двигательного аппарата, объединённых механическими связями (И.М. Козлов, 1999).

 

Содержание и границы фаз медленного