Физиологическая характеристика двигательной активности

ТЕМА 2: БИОЛОГИЧЕСКИЕ И Социально-биологические основы АДАПТАЦИИ ЧЕЛОВЕКА К физической И УМСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, ФАКТОРАМ СРЕДЫ ОБИТАНИЯ Лекция 3 Физиологическая характеристика двигательной активности 1. Физиологические механизмы и закономерности совершенствования отдельных функциональных систем и организма в целом под воздействием направленной физической нагрузки или тренировки 2. Физиологические основы освоения и совершенствования двигательных действий 3. Физиологические механизмы использования средств физической культуры и спорта для активного отдыха и восстановления работоспособности 4. Основы биомеханики естественных локомоций (ходьба, бег, прыжки) Основная литература: 1. Физическая культура студента и жизнь: учебник / Под ред. В.И. Ильинича. М.: Гардарики, 2010. Глава 4. Методические разработки вуза: 1. Физическая культура. Методические рекомендации для подготовки и проведения электронной итоговой аттестации студентов 1-3 курсов всех специальностей ТИ (ф) ГОУ ВПО ЯГУ. Л.Д.Хода.- Нерюнгри: ТИ (ф) ЯГУ, 2010. – 61 с. Лекционный материал Физическая культура студента и жизнь: учебник / В.И. Ильинич. - М.: Гардарики, 2010. ГЛАВА 4 ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДВИГАТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ И ФОРМИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЙ Физиология — биологическая наука, изучающая функции человечес­кого организма в различных их проявлениях. Использование различных средств физической культуры, занятия разными видами спорта тесно связаны с физиологическими законо­мерностями функционирования организма человека. Еще в 1809 г. Жан Батист Ламарк опубликовал материалы, в которых отметил, что у всех живых существ, обладающих нервной системой, органы, которые упражняются, — развиваются, а органы, которые не упражняются, —-слабеют и уменьшаются. Это положение стало основой для физиоло­гического постулата: «Работа строит орган», что особенно действенно для растущего, развивающегося организма молодого человека. Воз­раст 18—25 лет — это заключительный этап естественного физиологи­ческого развития организма человека. В современных условиях то­тального недостатка двигательной активности организму нужно помочь дополнительными дозированными физическими нагрузками для его нормального развития и функционирования. 4.1. Двигательная активность и ее влияние на адаптационные процессы и резервные возможности организма человека Любая функциональная деятельность — физическая или умствен­ная — обусловлена неразрывным взаимодействием психических, дви­гательных и вегетативных реакций. Разнообразные физические уп­ражнения, занятия любым видом спорта являются типичными проявлениями воздействия внешней среды на организм человека. Реакция организма, его отдельных систем на физические бытовые, тру­довые, спортивные нагрузки различного объема и интенсивности все­гда направлена на сохранение постоянства внутренней среды. В то же время под влиянием этих нагрузок в организме происходит целый ряд перестроечных приспособительных процессов, повышающих функ­циональные возможности организма, его способности противостоять внешним воздействиям. В результате происходит существенный рост уровня основных двигательных качеств: быстроты, силы, выносливо­сти, гибкости, ловкости. 4.1.2. Общий и локальный эффект воздействия физических упражнений (нагрузки) на организм человека Организм каждого человека обладает определенными резервными возможностями в противостоянии воздействиям внешней среды. Способность к выполнению различных видов физической работы мо­жет возрастать многократно, но до определенного предела. Регуляр­ная мышечная деятельность (тренировка) путем совершенствования физиологических механизмов мобилизует имеющиеся резервы, отодвигая его предельные границы. Так, например, в результате сис­тематических занятий физическими упражнениями мышечная масса сердца может увеличиться в 2—3 раза, легочная вентиляция — в 20— 30 раз! Поэтому можно различать как общий, так и локальный эффект регулярных физических упражнений, а также и опосредованное их влияние на различные стороны жизнедеятельности человека. Общий положительный эффект Общий эффект регулярных занятий физическими упражнениями (тренированность) заключается в: • повышении устойчивости ЦНС: в состоянии покоя у трениро­ванных лиц отмечается несколько более пониженная возбудимость нервной системы; во время работы повышаются возможности дости­жения повышенной возбудимости и увеличивается лабильность пе­риферической нервной системы; • положительных изменениях в опорно-двигательном аппарате: уве­личивается масса и объем скелетных мышц, улучшается их кровоснаб­жение, укрепляются сухожилия и связочный аппарат суставов и др.; • экономизации функций отдельных органов и кровообращения в целом; в улучшении состава крови и т.п.; • уменьшении расхода энергии в состоянии покоя: из-за экономи­зации всех функций общий расход энергии у тренированного орга­низма ниже, чем у нетренированного, на 10—15%; • существенном уменьшении периода восстановления после фи­зической нагрузки любой интенсивности. Как правило, повышение общей тренированности к физическим нагрузкам имеет и неспецифический эффект — повышение устойчи­вости организма к действию неблагоприятных факторов внешней сре­ды (стрессовых ситуаций, высоких и низких температур, радиации, травм, гипоксии), к простудным и инфекционным заболеваниям. Здесь также уместно отметить, что длительное использование пре­дельных тренировочных нагрузок, что особенно часто случается в «большом спорте», может привести к противоположному эффекту — угнетению иммунитета и повышению восприимчивости к инфекци­онным заболеваниям. Локальный эффект воздействия физических нагрузок Локальный эффект повышения тренированности, который являет­ся неотъемлемой частью общего, связан с ростом функциональных возможностей отдельных физиологических систем. Изменения в составе крови. Регуляция состава крови зависит от це­лого ряда факторов, на которые может оказывать свое влияние чело­век: полноценное питание, пребывание на свежем воздухе, регуляр­ные физические нагрузки и др. В данном контексте мы рассматриваем влияние физических нагрузок. При регулярных занятиях физически­ми упражнениями в крови увеличивается количество эритроцитов (при кратковременной интенсивной работе — за счет выхода эритро­цитов из «кровяных депо»; при длительной интенсивной нагрузке — за счет усиления функций кроветворных органов). Повышается содержа­ние гемоглобина в единице объема крови, соответственно увеличива­ется кислородная емкость крови, что усиливает ее кислородно-транс­портную возможность. Вместе с тем в циркулирующей крови наблюдается увеличение со­держания лейкоцитов и их активность. Специальными исследовани­ями было установлено, что регулярная физическая тренировка без пе­регрузок увеличивает фагоцитарную активность составляющих крови, т.е. повышает неспецифическую сопротивляемость организма к различным неблагоприятным, особенно инфекционным, факторам. Тренированность человека способствует и луч­шему перенесению повышающейся при мышеч­ной работе концентрации молочной кислоты в артериальной крови. У нетренированных макси­мально допустимая концентрация молочной кис­лоты в крови составляет 100—150 мг%, а у трени­рованных она может возрастать до 250 мг%, что говорит об их больших потенциальных возможно­стях к выполнению максимальных физических нагрузок. Все эти изменения в крови физически тренированного человека рассматриваются как благоприятные не только для выполнения им на­пряженной мышечной работы, но и для поддер­жания общей активной жизнедеятельности. Изменения в работе сердечно-сосудистой системы Сердце. Прежде чем говорить о влиянии фи­зических нагрузок на центральный орган сердечно-сосудистой систе­мы, надо хотя бы представить ту огромную работу, которую он произво­дит даже в покое (см. рис. 4.2). Под влиянием физической нагрузки расширяются границы его возможностей, и оно приспосабливается к переброске намного большего количества крови, чем это может сделать сердце нетренированного человека (см. рис. 4.3). Работая с повышен­ной нагрузкой при выполнении активных физических упражнений, сердце неизбежно само тренируется, так как в этом случае через коро­нарные сосуды улучшается питание самой сердечной мышцы, увеличи­вается ее масса, изменяются размеры и функциональные возможности. Показателями работоспособности сердца являются частота пуль­са, кровяное давление, сис­толический объем крови, минутный объем крови. На­иболее простым и информа­тивным показателем работы сердечно-сосудистой систе­мы является пульс. Пульс — волна колебаний, распространяемая по элас­тичным стенкам артерий в— волна колебаний, распространяемая по элас­тичным стенкам артерий вбрасываемой в аорту под большим давлением при сокращении левого желудочка. Частота пульса соответствует частоте сокращений сердца (ЧСС) и составляет в среднем 60—80 удар/мин. Регулярные физические нагрузки вызывают урежение пульса в покое за счет увеличения фазы от­дыха (расслабления) сердечной мышцы (см. рис. 4.4). Предельная ЧСС у тренированных людей при физической нагрузке находится на уровне 200—220 удар/мин. Нетренированное сердце такой частоты достигнуть не может, что ограничивает его возможности в стрессовых ситуациях. Артериальное давление (АД) создается силой сокращения желудочков сердца и упругостью стенок сосудов. Оно измеряется в плечевой артерии. Различают максимальное (систолическое) давление, которое создается во время сокращения левого желудочка (систолы), и минимальное (диастолическое) давление, которое отмечается во время расслабления лево­го желудочка (диастолы). В норме у здорового человека в возрасте 18— 40 лет в покое кровяное давление равно 120/80 мм рт. ст. (у женщин на 5—10 мм ниже). При физических нагрузках максимальное давление мо­жет повышаться до 200 мм рт. ст. и больше. После прекращения нагруз­ки у тренированных людей оно быстро восстанавливается, а у нетрени­рованных долго остается повышенным, и если интенсивная работа продолжается, то может наступить патологическое состояние. Систолический объем в покое, который во многом определяется силой сокращения сердечной мышцы, у нетренированного человека составляет 50—70 мл, у тренированного — 70—80 мл, причем при бо­лее редком пульсе. При интенсивной мышечной работе он колеблется соответственно от 100 до 200 мл и более (в зависимости от возраста и тренированности). Наибольший систолический объем наблюдается при пульсе от 130 до 180 удар/мин, тогда как при пульсе выше 180 удар/мин он начинает существенно снижаться. Поэтому для по­вышения тренированности сердца и общей выносливости человека наиболее оптимальными считаются физические нагрузки при частоте сердечных сокращений 130—180 удар/мин. Кровеносные сосуды, как уже отмечалось, обеспечивают постоян­ное движение крови в организме под воздействием не только работы сердца, но и разности давлений в артериях и венах. Эта разность воз­растает с ростом активности движений. Физическая работа способ­ствует расширению кровеносных сосудов, снижению постоянного то­нуса их стенок, повышению их эластичности. Продвижению крови в сосудах содействует и чередование напря­жения и расслабления активно работающих скелетных мышц («мы­шечный насос»). При активной двигательной деятельности оказыва­ется положительное воздействие и на стенки крупных артерий, мышечная ткань которых с большой частотой напрягается и расслаб­ляется. При физических нагрузках почти полностью раскрывается и микроскопическая капиллярная сеть, которая в покое задействована всего на 30—40%. Все это позволяет существенно ускорить кровоток. Так, если в покое кровь совершает полный кругооборот за 21—22 с, то при физических нагрузках — за 8 с и менее. При этом объем цирку­лирующей крови способен возрастать до 40 л/мин, что намного уве­личивает кровоснабжение, а следовательно, и поступление питатель­ных веществ и кислорода во все клетки и ткани организма. В то же время установлено, что длительная и интенсивная ум­ственная работа, так же, как и состояние нервно-эмоционального на­пряжения, может существенно повысить частоту сердечных сокраще­ний до 100 удар/мин и более. Но при этом, как отмечалось в гл. 3, сосудистое русло не расширяется, как это происходит при физичес­кой работе, а сужается (!). Повышается, а не снижается (!) также тонус стенок сосудов. Возможны даже спазмы. Подобная реакция особенно свойственна сосудам сердца и мозга. Таким образом, длительная напряженная умственная работа, нервно-эмоциональные состояния, не сбалансированные с активны­ми движениями, с физическими нагрузками, могут привести к ухуд­шению кровоснабжения сердца и мозга, других жизненно важных ор­ганов, к стойкому повышению кровяного давления, к формированию «модного» ныне среди студентов заболеванию — вегето-сосудистой дистонии. Изменения в дыхательной системе Работа системы дыхания (совместно с кровообращением) по газо­обмену, который усиливается при мышечной деятельности, оценива­ется частотой дыхания, легочной вентиляцией, жизненной емкостью легких, потреблением кислорода, кислородным долгом и другими по­казателями. При этом следует помнить о том, что в организме имеют­ся особые механизмы, которые автоматически управляют дыханием. Даже в бессознательном состоянии процесс дыхания не прекращает­ся. Главным регулятором дыхания является дыхательный центр, рас­положенный в продолговатом мозге. В состоянии покоя дыхание совершается ритмично, причем времен­ное соотношение вдоха и выдоха приблизительно равно 1:2. При выпол­нении работы частота и ритм дыхания могут изменяться в зависимости от ритма движения. Но практически дыхание человека может быть раз­личным в зависимости от обстановки. В то же время он может созна­тельно в некоторой степени управлять своим дыханием: задержка, изме­нение частоты и глубины, т.е. изменять его отдельные параметры. Частота дыхания (смена вдоха и выдоха и дыхательной паузы) в по­кое составляет 16—20 циклов. При физической работе частота дыха­ния увеличивается в среднем в 2—4 раза. С учащением дыхания неиз­бежно уменьшается его глубина, изменяются и отдельные показатели эффективности дыхания. Это особенно четко видно у подготовлен­ных спортсменов (см. табл. 4.1). Не случайно в соревновательной практике в циклических видах спорта наблюдается частота дыхания 40—80 в мин, обеспечивающая наибольшую величину потребления кислорода. Силовые и статические упражнения широко распространены в спор­те. Их продолжительность незначительна: от десятых долей секунды до 1—3 с — удар в боксе, финальное усилие в метаниях, удержание поз в спортивной гимнастике и др.; от 3 до 8 с — штанга, стойка на кистях и т.д.; от 10 до 20 с — в стрельбе, удержание соперника на «мосту» в борьбе и др. Эти упражнения и движения со спортивной точки зрения целесообразнее выполнять при задержке дыхания или на выдохе (см. табл. 4.2.), наибольшее усилие развивается во время задержки дыха­ния (хотя это неблагоприятно для здоровья). Дыхательный объем — количество воздуха, проходящее через лег­кие при одном дыхательном цикле (вдох, дыхательная пауза, выдох). Величина дыхательного объема находится в прямой зависимости от степени тренированности к физическим нагрузкам. В состоянии по­коя у нетренированных людей дыхательный объем составляет 350— 500 мл, у тренированных — 800 мл и более. При интенсивной физиче­ской работе он может увеличиваться примерно до 2500 мл. Легочная вентиляция — объем воздуха, который проходит через легкие за 1 мин. Величина легочной вентиляции определяется путем умножения величины дыхательного объема на частоту дыхания. Ле­гочная вентиляция в покое составляет 5—9 л. Ее максимальная вели­чина у нетренированных людей составляет 110—150 л, а у спортсме­нов доходит до 250 л. Жизненная емкость легких (ЖЕЛ) — наибольший объем воздуха, ко­торый человек может выдохнуть после самого глубокого вдоха. У раз­ных людей ЖЕЛ неодинакова. Ее величина зависит от возраста, массы и длины тела, пола, состояния физической тренированности человека и от других факторов. ЖЕЛ определяют при помощи спирометра. Средняя ее величина составляет у женщин 3000—3500 мл, у мужчин — 3800—4200 мл. У людей, занимающихся физической культурой, она значительно увеличивается и достигает у женщин 5000 мл, у мужчин — 7000 мл и более. Потребление кислорода — количество кислорода, фактически ис­пользованного организмом в покое или при выполнении какой-либо работы за 1 мин. Максимальное потребление кислорода (МПК) — наибольшее коли­чество кислорода, которое может усвоить организм при предельно тя­желой для него работе. МПК служит важным критерием функцио­нального состояния систем дыхания и кровообращения. МПК является показателем аэробной (кислородной) производи­тельности организма, т.е. его способности выполнять интенсивную физическую работу при достаточном количестве поступающего в ор­ганизм кислорода для получения необходимой энергии. МПК имеет предел, который зависит от возраста, состояния сердечно-сосудистой и дыхательной системы, от активности протекания процессов обмена веществ и находится в прямой зависимости от степени физической тренированности. Утех, кто не занимается спортом, предел МПК находится на уров­не 2—3,5 л/мин. У спортсменов высокого класса, особенно занимаю­щихся циклическими видами спорта, МПК может достигать: у жен­щин _ 4 л/мин и более; у мужчин — 6 л/мин и более. С ориентацией на МПК дается и оценка интенсивности физической нагрузки. Так, интенсивность ниже 50% МПК расценивается как легкая, 50—75% МПК — умеренная, свыше 75% МПК — как тяжелая. Кислородный долг — количество кислорода, необходимое для окис­ления продуктов обмена веществ, накопившихся при физической ра­боте. При длительной интенсивной работе возникает суммарный кис­лородный долг, максимально возможная величина которого у каждого человека имеет предел (потолок). Кислородный долг образуется в том случае, когда кислородный запрос организма человека выше потолка потребления кислорода в данный момент. Например, при беге на 5000 м кислородный запрос у спортсмена, преодолевающего эту дис­танцию за 14 мин, равен 7 л в 1 мин, а потолок потребления у данно­го спортсмена — 5,3 л, следовательно, в организме каждую минуту возникает кислородный долг, равный 1,7 л. Нетренированные люди способны продолжать работу при долге, не превышающем 6—10 л. Спортсмены же высокого класса (особенно в циклических видах спорта) могут выполнять такую нагрузку, после которой возникает кислородный долг в 16—18 л и даже более. Кисло­родный долг ликвидируется после окончания работы. Время его лик­видации зависит от длительности и интенсивности работы (от не­скольких минут до 1,5 ч). Перечисленные показатели дееспособности сердечно-сосудистой системы (ССС) и дыхательной функции и ее составляющих особенно значительны у пловцов, лыжников, бегунов на средние и длинные ди­станции. Кислородное голодание организма — гипоксия. Когда в клетки тка­ней поступает меньше кислорода, чем нужно для полного обеспечения потребления в энергии (т.е. кислородный долг), наступает кисло­родное голодание, или гипоксия. Она может происходить не только из-за кислородного долга при физических нагрузках повышенной ин­тенсивности. Гипоксия может наступать и по другим причинам, как внешним, так и внутренним. К внешним причинам относятся и загрязнение воздуха, и подъем на высоту (в горы, полет на самолете), и др. В этих случаях падает пар­циальное давление кислорода в атмосферном и альвеолярном воздухе и снижается количество кислорода, поступающего в кровь для достав­ки его к тканям. Если на уровне моря парциальное давление кислоро­да в атмосферном воздухе равно 159 мм рт. ст., то на высоте 3000 м оно снижается до 110 мм, а на высоте 5000 м — до 75—80 мм рт. ст. Внутренние причины гипоксии зависят от состояния дыхательно­го аппарата и сердечно-сосудистой системы организма человека. Ги­поксия, обусловленная внутренними причинами, возникает и при хроническом недостатке движений (гипокинезия), и при умственном переутомлении, а также при различных болезнях. Различаются следующие виды гипоксии: • двигательная — при интенсивной мышечной нагрузке (которую каждый ощущал на заключительном отрезке при беге на длинную ди­станцию); • гипоксическая — при снижении парциального давления в арте­риальной крови из-за внешних причин; • циркуляторная (застойная) — при местных нарушениях цирку­ляции крови из-за длительных неудобных поз, из-за гипокинезии или сердечной недостаточности; • анемическая — из-за снижения кислородной емкости крови (при кровопотерях и прочих причинах). Есть и другие причины возникновения гипоксии, связанные с па­тологическими состояниями. В табл. 4.3 представлены резервные возможности тренированных и нетренированных людей по наиболее важным физиологическим показателям. Изменения в опорно-двигательной и других системах организма при физической нагрузке Регулярные физические нагрузки увеличивают прочность костной ткани, повышают эластичность мышечных сухожилий и связок, уве­личивают выработку внутрисуставной (синовиальной) жидкости. Все это способствует возрастанию амплитуды движений (гибкости). За­метные изменения происходят и в скелетных мышцах. За счет увели­чения количества и утолщения мышечных волокон происходит рост силовых показателей мышц. У спортсменов и у не занимающихся фи­зическими упражнениями они существенно различаются (табл. 4.4). Подобные различия достигаются и за счет совершенствования нервно-координационного обеспечения работы мышц — способнос­ти к одновременному участию в отдельном движении максимального количества мышечных волокон и полному и одновременному их рас­слаблению. При регулярных физических нагрузках увеличивается способность организма откладывать в мышцах (и печени) запас угле­водов в виде гликогена и тем самым улучшать так называемое ткане­вое дыхание мышц. Если в среднем величина этого запаса составляет у нетренированного человека 350 г, то у спортсмена она может дости­гать 500 г. Это повышает их потенциальные возможности к проявле­нию не только физической, но и умственной работоспособности. Расход энергии тесно связан с особенностями различных физиче­ских упражнений. Как известно, значительная группа разнообразных спортивных дисциплин носит циклический характер, т.е. с повторяющейся биомеханической последовательностью выполнения (бег, пла­вание и т.п.). В то же время существует большая группа видов спорта и отдельных упражнений, особенностью которых является нестан­дартность исполнения — ациклические упражнения. Это различные единоборства, спортивные игры, гимнастика и т.д. Подобное много­образие характера движений не всегда позволяет точно определить их мощность (в кг/м) и соответственно расход энергии. Это легче вы­явить в циклических видах и сложнее в ациклических упражнениях (хотя и возможно в лабораторных условиях). При физических нагрузках циклического характера для определе­ния особенностей расхода энергии спортивные физиологи ориенти­руются на зоны относительной мощности выполнения отдельных уп­ражнений, приведенные в табл. 4.5. Физиологические особенности выработки и расхода энергии организмом связаны с биохимическими процессами на уровне клетки. От этих процессов зависит методика подбора и применения отдельных тренировочных упражнений, ха­рактер их выполнения на учебно-тренировочных занятиях, содержа­ние разминки на соревнованиях и т.д. В контексте этих процессов ста­новятся понятными многие закономерности (и неизбежность, даже необходимость!) появления некоторых неприятных ощущений на ди­станциях и особенно на их финишных отрезках. Итак, мы подошли к ключевым понятиям и явлениям: анаэробно­го (бескислородного) и аэробного (кислородного) процессов выра­ботки энергии в клетках нашего организма и расхода этой энергии в отдельных физических упражнениях. Анаэробный процесс. Непосредственным источником энергии в клетках при мышечном сокращении служит аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). В результате биохимических превращений трех ти­пов — фосфогенного, лактатного и окислительного высвобождается энергия, необходимая для сокращения мышц. Фосфогенный (без уча­стия кислорода) включается первым и разряжается очень быстро — за 5—10 с на 90—95%. Лактацидный источник энергии включается за фосфогенным и примерно втрое слабее его. Зато емкость этого источ­ника бескислородного обмена в организме вдвое больше, и запас его исчерпывается только к концу 2-й минуты непрерывной работы. По мере расходования лактацидного источника в мышцах и крови накапливаются продукты распада — молочная кислота (лактат). Для ее ликвидации и восстановления АТФ требуется кислород, но его практически нет, и образуется кислородный долг. Величина макси­мально возможного кислородного долга характеризует анаэробную производительность организма. У не занимающихся спортом она ко­леблется от 4 до 10 л, а у спортсменов — от 15 до 22 л. Чем выше кон­центрация лактата, тем сильнее ощущается утомление, преодоление которого требует волевого усилия. Физически тренированные люди могут проявлять это усилие в большем диапазоне, так как они выра­ботали на тренировках большую способность к перенесению высокой концентрации лактата и преодолению связанных с нею сдвигов в кис­лотно-щелочном равновесии в организме. Аэробный (окислительный) процесс происходит параллельно. Но в связи с тем, что на первых двух минутах напряженной физической работы усиление дыхательной, сердечной деятельности и общего кро­вотока осуществляется с некоторым запозданием, этот процесс про­является незначительно. Только к концу 3-й минуты он приближает­ся к максимальному уровню потребления кислорода (МПК) данного человека. Все эти процессы анаэробного и аэробного обмена имеют свое яркое проявление при характеристике упражнений, относящих­ся к различным относительным зонам мощности: максимальной, суб­максимальной, большой и умеренной (табл. 4.5). Эти четыре зоны относительной мощности предполагают деление множества различных дистанций на четыре группы: короткие, сред­ние, длинные и сверхдлинные. В чем же суть разделения физических упражнений по зонам отно­сительной мощности и как это группирование дистанций связано с энергозатратами при физических нагрузках разной интенсивности? Во-первых, мощность работы прямо зависит от ее интенсивности. Во-вторых, высвобождение и расход энергии при преодолении дис­танций, входящих в различные зоны мощности, имеют существенно отличающиеся физиологические характеристики (табл. 4.6.). Зона максимальной мощности. В ее пределах выполняется работа, требующая предельно быстрых движений. Ни при какой другой рабо­те не освобождается столько энергии в единицу времени, сколько при работе с максимальной мощностью. Работа мышц совершается почти полностью за счет бескислородного (анаэробного) распада веществ. Практически весь кислородный запрос (долг) организма удовлетво­ряется уже после работы. Дыхание ограничено — спортсмен либо не дышит, либо делает несколько коротких вдохов. Из-за кратковремен­ности работы кровообращение не успевает усилиться, частота же сер­дечных сокращений значительно возрастает к концу работы. Однако минутный объем крови увеличивается ненамного, потому что не ус­певает вырасти систолический объем крови в сердце. Зона субмаксимальной мощности. В мышцах протекают не только анаэробные процессы, но и процессы аэробного окисления, доля ко­торого увеличивается к концу работы из-за постепенного усиления кровообращения. Интенсивность дыхания также возрастает до само­го конца работы. Все время прогрессирует кислородная задолжен­ность. Кислородный долг к концу работы становится даже больше, чем при максимальной мощности. В крови происходят большие хи­мические сдвиги. Зона большой мощности. Возможности аэробного окисления более высоки, однако они все же несколько отстают от анаэробных процес­сов, поэтому накопление кислородного долга все же происходит. К кон­цу работы он бывает значителен. Большие сдвиги наблюдаются в хими­ческом составе крови и мочи. Зона умеренной мощности. Это уже сверхдлинные дистанции. Работа умеренной мощности характеризуется устойчивым состоянием, с чем связано усиление дыхания и кровообращения пропорционально ин­тенсивности работы и отсутствие накопления продуктов анаэробного распада. При многочасовой работе наблюдается значительный общий расход энергии, что уменьшает углеводные ресурсы организма. Таким образом, при тренировке на коротких, средних, длинных и сверхдлинных дистанциях и подобных упражнениях должны подби­раться такие отрезки (упражнения) и такая интенсивность их преодо­ления, которые тренировали бы соответствующие этим дистанциям физиологические механизмы энергетического обмена, физиологичес­ки и психологически готовили бы тренирующегося к преодолению тех трудностей и неприятных ощущений, с которыми связано возможно более быстрое (качественное) выполнение конкретных упражнений. Общее представление о расходе энергии при различных видах фи­зических упражнений показано в табл. 4.7. В заключение необходимо отметить, что не вся энергия, расходуе­мая человеком при совершении механической работы, используется непосредственно на эту работу, ибо большая часть энергии теряется в виде тепла. Известно, что отношение энергии, полезно затраченной на работу, ко всей израсходованной энергии называется коэффициен­том полезного действия (КПД). Считается, что наибольший КПД че­ловека при привычной для него работе не превышает 0,30—0,35. Сле­довательно, общие энергетические затраты организма минимум в 3 раза превышают затраты на совершение работы. Чаще же КПД ра­вен 0,20—0,25, так как нетренированный человек тратит на одну и ту же работу больше энергии, чем тренированный. Так, эксперименталь­но установлено, что при одной и той же скорости передвижения раз­ница в расходе энергии между тренированным спортсменом и нович­ком может достигать 25—30%. Это подчеркивает экономизацию двигательной деятельности у тренированного человека. 4.5. Физиологические механизмы формирования и совершенствования двигательных действий Центральная нервная система регулирует, управляет и совершенству­ет двигательную деятельность человека через двигательные единицы. Двигательная единица состоит из двигательной нервной клетки, нервного волокна и группы мышечных волокон. Каждая мышца включает в себя от нескольких сотен до нескольких сотен тысяч дви­гательных единиц. Чем большее напряжение должна развить мышца, тем большее количество двигательных единиц включается в работу. Посредством изменения силы и частоты биоэлектрических импуль­сов в нервных клетках возникают процессы возбуждения и торможе­ния. Возбуждение — деятельное состояние клеток, когда они транс­формируют и передают электрические импульсы другим клеткам; торможение — обратный процесс, направленный на снижение биоэлек­трической активности и восстановление затраченной энергии. В про­цессе физической тренировки совершенствуется взаимодействие этих двух основных процессов. Именно посредством координации возбуж­дения и торможения регулируется работа многих мышечных групп и функциональных систем при формировании и совершенствовании ка­кого-то отдельного движения или его различных сочетаний в трудовой деятельности, а также в ходе специальной физической тренировки. Напомним, что унаследованные рефлексы, заложенные от рожде­ния в нервной системе, называют безусловными. Примером простей­шего двигательного безусловного рефлекса является непроизвольное отдергивание руки при ожоге. Рефлексы, формирующиеся в результа­те сочетания различных раздражителей с безусловными рефлексами, называются условными. Вся деятельность человека, в том числе и овладение двигательны­ми навыками, протекает по принципу взаимосвязи условных рефлек­сов с безусловными рефлексами. Рефлекторная природа двигатель­ной деятельности лежит в основе любого мышечного действия. Именно посредством рефлекса в реализацию конкретного движения вовлекаются все необходимые в данный момент мышцы, органы и си­стемы организма (рис. 4.8). Как известно, у человека может быть выработано любое множест­во разнообразных условных рефлексов первого, второго и даже боль- шего порядка, в том числе и связанных с формированием новых дви­жений до уровня двигательного навыка. Двигательный навык как ко­нечная цель обучения и совершенствования нового движения до ав­томатизма формируется по механизму условных рефлексов в результате многократных систематических упражнений. Физиологической основой формирования двигательных навыков служат уже существовавшие или образующиеся временные связи между нервными центрами (иногда говорят, что у него (нее) хорошая двигательная база). В целом ряде случаев в быту, в профессиональном труде и особенно в различных видах спорта на уровне навыков фор­мируются так называемые двигательные стереотипы. Двигательный стереотип — это стойкая последовательность авто­матического выполнения ряда движений на уровне навыка (напри­мер, подача мяча в волейболе — подброс мяча, удар по нему и т.п.). То есть образуется стойкая система нервных процессов — строго оп­ределенная последовательность рефлексов. Достаточно подейство­вать только первому раздражителю, как приходит в действие вся це­почка нервных процессов, участвующих в движении. И.П. Павлов подчеркивал высокую экономичность такого стереотипа, облегчаю­щего работу нервных клеток. В то же время стереотип достаточно консервативен. Он затрудняет разучивание новых двигательных действий с другой последовательностью движений. Недаром говорят: «Переучивать труднее, чем научить!» В создании этих мно­гочисленных рефлекторно-двигательных связей, в зависимости от особенностей движения, участвуют различные анализаторы: двига­тельный, вестибулярный, слуховой, зрительный, тактильный. Си­гналы — информация от этих анализаторов сенсорной системы — перерабатываются в ЦНС и по принципу обратной связи рефлектор­ного механизма поступают к исполнительному аппарату — мышце или группе мышц. В ходе своего становления-совершенствования каждое движение нуждается в постоянной коррекции на основе по­добной информации. Этот физиологический процесс лежит в основе методики обучения и совершенствования движений. Он опирается, как уже указывалось, на повторность и систематичность тренировок и проходит три стадии (фазы): генерализации, концентрации, автоматизации. Фаза генерализации характеризуется расширением возбудитель­ного процесса. При этом происходит вовлечение в работу даже «лиш­них» групп мышц, неоправданно большое напряжение работающих мышц и т.п. Движения скованны, угловаты, некоординированные и неточны, неэкономичны. В результате многократных повторных упражнений фаза генера­лизации сменяется фазой концентрации, когда возбуждение благо­даря дифференцированному торможению концентрируется в нуж­ных зонах головного мозга. Исчезает излишняя напряженность движений; они становятся свободными, их выполнение значительно стабилизируется. В фазе автоматизации навык настолько уточняется и закрепляется, что выполнение необходимых движений становится как бы автомати­ческим и не требует деятельного контроля сознания. Такой навык от­личается высокой экономичностью и стабильностью выполнения всех составляющих его движений. Весь процесс формирования двигательного навыка в зависимости от его особенностей сопровождается изменением физических нагру­зок, а следовательно, и соответствующими физиологическими пере­стройками в функциях целого ряда внутренних органов и систем. Но­вые сложные координации всегда формируются на фоне прежде сложившихся связей в ЦНС и опорно-двигательном аппарате. Вот почему гимнаст осваивает быстрее новое неизвестное движение, чем представители других видов спорта, а тем более не имеющие ранее об­ширного двигательного опыта. Таким образом, благодаря физической тренировке значительно увеличиваются функциональные возможности организма, улучшает­ся регуляция протекающих в нем процессов и совершенствуются ме­ханизмы, поддерживающие и восстанавливающие постоянство его внутренней среды, повышаются резервные возможности, позволяю­щие лучше приспосабливаться не только к большим физическим пе­регрузкам, но и к перегреванию, переохлаждению, перепадам атмо­сферного давления, эмоциональным напряжениям и стрессам. Тренировка приводит к увеличению способности органов чувств различать более мелкие характеристики динамики мышечных сокра­щений (веса и размеров предметов, амплитуды движений, положения тела в пространстве и др.). При этом человек получает способность к лучшему усвоению новых движений и перестройке уже имеющихся. Тренированные люди при различных двигательных нагрузках расхо­дуют гораздо меньше энергии, чем нетренированные, и легче для се­бя могут выполнять более тяжелую и продолжительную работу. Систематическая физическая тренировка оказывает свое влияние на должное соотношение в организме жировой и мышечной ткани. Это находит свое отражение в хорошем телосложении, в качествен­ных особенностях движений, в уровне развития физических качеств: силы, быстроты, выносливости, ловкости, гибкости. 2.14.4. Краткая характеристика физиологических состояний организма при занятиях физическими упражнениями и спортом Связанные с выполнением физических упражнений общего и особенно специального (спортивного, соревновательного) характера изменения многих функций организма, о которых уже говорилось (увеличение частоты сердечных сокращений, систолического и минутного выброса сердцем крови, легочной вентиляции, потребления кислорода, повышение интенсивности обмена веществ и энергии и т.д.) могут наблюдаться еще до начала выполнения какой-либо мышечной деятельности, в результате возникновения предстартового и стартового состояния. Предстартовое состояние может возникать за несколько часов и даже суток до начала запланированной мышечной деятельности, а непосредственно стартовое состояние является как бы продолжением предстартового и, как правило, сопровождается усилением предстартовых реакций. По механизму возникновения эти реакции являются условными рефлексами, могут носить специфический и неспецифический характер и обусловливаться не только мощностью предстоящей мышечной деятельности, но и ее значимостью и мотивацией для каждого конкретного случая, условиями ее выполнения и т.д. При благоприятном соотношении комплекса факторов предстартовые реакции протекают на оптимальном уровне, способствующем мобилизации функции и повышению работоспособности организма. В противном случае может иметь место либо чрезмерное возбуждение, либо чрезмерное торможение ряда функций, потенциально влекущее за собой пониженную работоспособность организма, физиологическую неэффективность выполняемой работы. Физиологическими исследованиями выявлено три разновидности предстартовых состояний: 1) боевая готовность (оптимальный и желаемый результат), когда имеют место умеренные соматические и вегетативные реакции: повышаются возбудимость и лабильность (подвижность) двигательного аппарата, усиливается деятельность органов дыхания, кровообращения и ряда других физиологических систем, заинтересованных в успешном выполнении предстоящей физической нагрузки; 2) предстартовая лихорадка характеризуется резко выраженными процессами возбуждения, снижающими способность к дифференцированию раздражителей и ухудшению процессов координации и управления движениями, приводящими к необоснованному повышению вегетативных сдвигов; 3) предстартовая апатия, когда преобладают тормозные процессы (как правило, имеет место у недостаточно тренированных лиц, объективно неподготовленных к предстоящей мышечной деятельности). Проявление предстартовых реакций связано с уровнем тренированности и вполне может быть регулируемо. Одним из известных приемов, регулирующих предстартовые реакции, является разминка, словесные воздействия на вторую сигнальную систему, массаж, произвольные изменения ритма и глубины дыхания. Разминка состоит из общей и специальной частей. Первая способствует созданию оптимальной возбудимости центральной нервной системы и двигательного аппарата, повышению обмена веществ и температуры тела, деятельности органов кровообращения и дыхания. Вторая часть направлена на подготовку тех образований и звеньев двигательного аппарата, которые ответственны непосредственно за выполнение предстоящей деятельности. Под влиянием разминки повышается активность ферментов и скорость протекания биохимических реакций непосредственно в мышцах, их возбудимость и лабильность, готовность к напряженной деятельности. В среднем разминка должна продолжаться 10—30 мин и сопровождаться началом потоотделения, свидетельствующего о готовности теплорегуляционных механизмов к повышенным требованиям во время основной физической работы. Однако необходимо помнить, что разминка не должна приводить к утомлению, а должна способствовать успешному врабатыванию организма. Врабатывание — это постепенное повышение работоспособности, обусловленное усилением деятельности физиологических систем организма, своего рода оперативная адаптация его в процессе самой работы на высоком уровне деятельности. Чем быстрее протекает процесс врабатывания, тем выше производительность выполнения работы. Различные системы организма настраиваются на необходимый рабочий уровень гетерохронно (не одновременно). Так, двигательный аппарат, обладая достаточно высокой возбудимостью и лабильностью, настраивается быстрее, чем вегетативные системы. Однако и скелетные мышцы не в состоянии проявлять необходимые двигательные качества сразу, им для этого требуется определенное время. Так, например, скоростной бег в процессе преодоления стометровой дистанции показывает, что на первой секунде скорость составляет только 55% и лишь к 5—6-й с достигает максимума. Работа отдельных внутренних органов, показатели деятельности вегетативных систем еще более инертны. Если сердечный ритм хотя и нарастает с первых секунд, к максимальному своему значению он приближается почти через минуту. Врабатывание дыхательных функций происходит в течение нескольких минут и т.д. При этом необходимо помнить, что чем длительнее, а, следовательно, и менее интенсивно выполняется работа, тем длительнее осуществляется и врабатывание. Состояние организма после врабатывания называют устойчивым как правило, оно наблюдается при выполнении работы длительностью не менее 4—6 мин, когда потребление кислорода стабилизируется, деятельность различных органов и систем устанавливается на относительно постоянном уровне. Различают истинное устойчивое состояние и ложное (или кажущееся). Истинное устойчивое состояние возникает при выполнении работы умеренной мощности, характеризуется высокой согласованностью функций двигательных и вегетативных систем. При ложном устойчивом состоянии деятельность дыхательного аппарата и сердечно-сосудистой системы приближается к уровню, необходимому для обеспечения выполняемой работы, но несмотря на это, кислородная потребность полностью не удовлетворяется и постепенно нарастает кислородный долг. Работа при кажущемся устойчивом состоянии связана с большим напряжением функций и не может продолжаться более 20—30 мин. Напряженная мышечная деятельность не может продолжаться долго. Уже через несколько минут, а при работе максимальной мощности с первых секунд деятельности, в организме наступают сдвиги, вынуждающие либо снизить мощность работы, либо прекратить ее вообще. Это обусловливается несоответствием интенсивной деятельности двигательного аппарата и функциональными возможностями вегетативных систем, призванных обеспечить эту деятельность. Когда несоответствие деятельности функциональных систем выражено менее резко, его можно преодолеть и восстановить физическую работоспособность. Такое временное снижение работоспособности (например, в период кажущегося устойчивого состояния) называют «мертвой точкой», состояние организма после ее преодоления называют «вторым дыханием». Эти два состояния характерны для работы циклического характера большой и умеренной мощности. В состоянии «мертвой точки» существенно учащается дыхание, нарастает легочная вентиляция, активно поглощается кислород. Несмотря на то, что увеличивается и выведение углекислоты, ее напряжение в крови и в альвеолярном воздухе нарастает. Частота сердечных сокращений резко увеличивается, давление крови повышается, количество недоокисленных продуктов в крови растет. При выходе из «мертвой точки» за счет более низкой интенсивности работы легочная вентиляция еще какое-то время остается повышенной (необходимо освободить организм от накопившейся в нем углекислоты), активизируется процесс потоотделения (налаживается механизм теплорегуляции),создаются необходимые соотношения между возбудительными и тормозными процессами в центральной нервной системе. При высокоинтенсивной работе (максимальная и субмаксимальная мощность) «второго дыхания» не наступает, поэтому продолжение ее осуществляется на фоне нарастающего утомления. Различная длительность и мощность работы обусловливает и различные сроки возникновения «мертвой точки» и выхода из нее. Так, при забегах на 5 и 10 км она возникает через 5—6 мин после начала бега. На более длительных дистанциях «мертвая точка» возникает позднее и может иметь место повторно. Более тренированные люди, адаптированные к конкретным нагрузкам, преодолевают состояние «мертвой точки» значительно легче и безболезненнее. Одним из инструментов ослабления проявления «мертвой точки» является разминка, которая способствует более быстрому наступлению «второго дыхания». Необходимо также помнить, что в процессе тренировочных занятий организм приспосабливается к проявлению волевых напряжений, учится «терпеть», преодолевать неприятные ощущения, имеющие место при кислородной недостаточности и накоплении в организме недоокисленных продуктов. Наступлению «второго дыхания» также способствует произвольное увеличение легочной вентиляции. Особенно эффективны глубокие выдохи, способствующие удалению (с выдыхаемым объемом воздуха) углекислоты из организма и восстановлению кислотно-щелочного равновесия. Контрольные вопросы К теме 2, лекции 3 «Физиологическая характеристика двигательной активности» 1. Общая характеристика влияния двигательной активности на адаптаци­онные процессы и резервные возможности организма. 2. Адаптация организма как физиологическая основа функционального и двигательного совершенствования человека. 3. Общий эффект воздействия физических упражнений (нагрузки) на ор­ганизм человека. 4. Изменения в составе крови под влиянием физических упражнений. 5. Изменения в работе сердечно-сосудистой системы под влиянием физи­ческих упражнений. 6. Изменения отдельных показателей дыхательной системы под воздей­ствием физической нагрузки. 7. Гипоксия и ее виды. 8. Изменения в опорно-двигательном аппарате при физических нагрузках. 9. Общая характеристика аэробных и анаэробных процессов при различ­ных физических нагрузках. 10. Физиологическая характеристика работы в различных зонах мощности. 11. Физиологические механизмы формирования и совершенствования двигательных действий. 12.Физиологическая характеристика отдельных фаз (этапов) совершен­ствования двигательных действий.