Так швидко, так високо, так важко для науки
Різноманітність легкоатлетичних рекордів лише очевидне. Багато з них є результатом добре перетвореної сили одного м’яза: квадрицепса, що підтверджують рекордні значення.
Під час важкої атлетики, під час ривків, м’язи стегна виконують майже «всю роботу»: спортсмен піднімає вагу, раптово випрямляючись, і при цьому повідомляє йому достатньо швидкості, щоб вага все ще піднімалася, і він опускався і ставив себе нижче планки.
Малюнок Бруно Вакаро
Десять секунд на 100 метрів, шість метрів у стрибках з жердиною, дев’ять метрів у стрибках у довжину тощо.: спортсмени зі спринту та стрибків вражають нас. А тому важкоатлети, які піднімають вагу більше ніж удвічі! Однак під різноманітністю фігур та спортивних дисциплін ховається спільний знаменник: квадрицепс. Цей м’яз у верхній частині нашого стегна є найпотужнішим у нашому тілі і визначає нашу оптимальну працездатність під час коротких та інтенсивних зусиль.
Як оцінити енергію, яку здатні доставити наші квадрицепси? Для цього відвернемося від занять спортом, що вимагає відразу найрізноманітніших м’язів, і розглянемо підняття тягарів. Одним з двох рухів у цій дисципліні є ривок, коли спортсмен спочатку присідає, а руки все ще витягнуті, випрямляється, потім опускається, перш ніж знову вставати.
У цьому зусиллі дійсно діють лише м’язи стегон, решта тіла просто слідує. На першому кроці, перед тим, як встати (див. Рисунок 1), важкоатлет стиснув квадрицепс лише один раз. Він підняв штангу та її гирі на висоту, еквівалентну згину ноги на корточках, і дав їй достатньо швидкості, щоб піднятися трохи більше метра. З гантелями в 173 кілограми (світовий рекорд у категорії менше 77 кілограмів) він забезпечить енергію приблизно 1700 джоулів, або 850 джоулів на квадрицепс.
Чи є ця оцінка обґрунтованою? Щоб це дізнатись, давайте зробимо вертикальний спусковий механізм, тобто стрибок вгору без зворотного повороту. Якби всю цю енергію перетворити на потенційну гравітаційну енергію, 80-кілограмовий чоловік стрибнув би на висоту майже два метри. Це звучить як багато. Однак, стрибаючи обома ногами і без розбігу, тренований баскетболіст піднімається більш ніж на 80 сантиметрів. Беручи до уваги 40-сантиметровий згинальний згин, центр ваги спортсмена підніметься майже на 1,2 метра, або енергія 960 джоулів, або 480 джоулів на квадрицепс, робочого м'яза.
Різниця порівняно із зазначеними вище 850 джоулями пояснюється різним характером м’язових зусиль, коротше стрибком, який довший під час підняття тягаря: оскільки немає навантаження, стрибун не надає максимальної сили протягом усього руху . Крім того, далі ми будемо приймати значення 500 джоулів на квадрицепс для оцінки продуктивності спринтерів та стрибунів, і ми будемо вважати, що спортсмени витрачають цю енергію з кожним кроком спринту або бігу.
Близько 500 джоулів на крок.
Буде заперечувати, що наша оцінка в 500 джоулів відповідає одному зусиллю. Чи може спортсмен подавати таку енергію з кожним імпульсом? Відповідь позитивна у випадку коротких зусиль. Енергія для скорочення м’язових волокон забезпечується перетворенням молекул з atp (аденозинтрифосфат) в adp (аденозиндифосфат). Наші м’язи спалюють початкові запаси атт за одну-дві секунди, короткий проміжок часу, коли регенерація ad до атп з фосфокреатину триває приблизно до десяти секунд. Ця функція м’язів, яку називають анаеробною (без потреби в кисні) та алактичною (без вироблення молочної кислоти), здатна забезпечити від 20 до 50 кілоджоулів, достатньо для забезпечення кількох десятків кроків.
Анаеробний алактичний механізм втручається в підйоми, спринти та стрибки, оскільки дозволяє миттєво розвинути максимальну потужність. Потім для довших зусиль беруть на себе інші енергетичні механізми, оскільки спортсмен повинен зачепити запаси цукру в організмі та використовувати кисень у повітрі. За короткий проміжок часу 500 джоулів за крок перетворюється на кінетичну енергію. Як усі бачили, накопичена енергія та досягнута швидкість мають обмеження. Чому? Про тертя повітря не може бути й мови, оскільки при швидкості десять метрів на секунду потужність, що розсіюється тертям, у п'ять-шість разів менша від наявної сили м'язів. Справжнє обмеження випливає із самої механіки бігу: ноги спортсмена не мають постійної швидкості, оскільки кожна нога по черзі переходить від нерухомості (коли знаходиться на землі) із подвоєною швидкістю бігуна.
. досягати десяти метрів в секунду.
Бігун оновлює кінетичну енергію ноги з кожним кроком. По відношенню до тулуба бігуна, рух ноги, який є більш-менш жорстким, можна порівняти з рухом обертання навколо стегон. Коли вона проходить вертикально над тазом, кожна нога тоді має кінетичну енергію, рівну одній шостій добутку своєї маси, помноженому на квадрат швидкості бігуна (одна шоста, а не половина, оскільки швидкість точки ноги зменшується при підйомі від стопи до верхньої частини стегна).
Давайте оцінимо максимальну швидкість бігуна. Загальна маса ноги (включаючи стопу) становить приблизно 20 відсотків маси тіла. Для 80-кілограмового бігуна це 16 кілограмів. Кінетична енергія 500 джоулів, завжди набута завдяки квадрицепсу, тоді відповідає швидкості стопи близько 13,5 метрів в секунду. Це значення дуже близьке до приблизно 12 метрів на секунду, досягнутих найкращими спринтерами. Давайте приймемо значення десяти метрів в секунду, більш реалістичне, якщо говорити про інших спортсменів.
Після спринту давайте стрибати довго. Кінетична енергія, отримана під час перегону, 4000 джоулів на швидкості десять метрів в секунду, призначена для максимального просування спортсмена по горизонталі. Одним із результатів балістики є те, що оптимальний результат отримується при куті стрибка 45 градусів. Потім пройдена відстань дорівнює квадрату швидкості, поділеному на прискорення сили тяжіння, яке в нашому випадку становить десять метрів. Світовий рекорд - 8,95 метра - не сильно відрізняється !
Насправді стрибунам виграє зниження центру ваги між викликом та прийомом, що допомагає їм набирати довжину. Труднощі морфологічного характеру полягають у перетворенні горизонтальної початкової швидкості на швидкість, нахилену відносно землі. Це призводить до великої втрати енергії в суглобах і м’язах.
Підтвердженням цього є стрибок у висоту, де швидкість десяти метрів в секунду повинна дозволити стрибку піднятися на п’ять метрів, або приблизно на шість метрів з урахуванням підйому центру ваги. Поточний рекорд - лише 2,45 метра.
. і піднятися на шість метрів
З іншого боку, він знаходиться на полюсі 6,14 метра. Це випадковість? Ні. Полюс дозволяє перемичці ефективно використовувати свою початкову кінетичну енергію. Коли стрибун блокує його полюс, його імпульс спрямований майже на весь шлях вперед. Полюс скручується і тимчасово накопичує енергію, що подається спортсменом, у вигляді пружної енергії вигину; ця енергія поступово відновлюється, коли полюс розслабляється до вертикалі, дозволяючи перемичці підніматися. У цьому випадку оптимум майже досягнутий. Таким чином, незважаючи на свої морфологічні відмінності, світові рекордери Асафа Пауелл (100 метрів), Хав'єр Сотомайор (зріст), Майк Пауелл (довжина), Сергей Бубка (полюс), Резазаде Хоссейн мають рівнозначні виступи: квадрицепси, я вам кажу !