Эволюция моноласта как плавникового движителя

ЭВОЛЮЦИЯ МОНОЛАСТА КАК ПЛАВНИКОВОГО ДВИЖИТЕЛЯ И ВЛИЯНИЕ ЕЕ НА КИНЕМАТИКУ БИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ «СПОРТСМЕН-МОНОЛАСТ» ПРИ НЫРЯНИИ МУЖЧИН-СПРИНТЕРОВ

Созданный заслуженным тренером Казахской ССР Поротовым Б.Г. и практически примененный им в 1969 году моноласт [15] совершил своеобразную революцию во всех видах подводного спорта. Изменился не только способ плавания – от «кроля на груди» на «дельфин», но и резко возросли скорости спортсменов. Увеличение скорости при плавании с моноластом было обусловлено следующими факторами:
1. увеличением площади поверхности плавника (моноласта) по сравнению с обычными  и удлинёнными парными ластами (рис.1),что создаёт больший гидроупор и силу тяги;

Рис.1.Типы ласт спортсменов-подводников: 1-промышленные биласты; 2-удлинённые биласты; 3-моноласт.

2. включением в одновременную работу большой группы мышц спины или мышц живота спортсмена;
3. изгибно – колебательными волнообразными движениями тела спортсмена и моноласта, как более эффективными с позиций гидромеханики и гидробионики по сравнению с попеременными движениями ног при способе ”кроль“[1,12,14].

Если вначале освоения способа плавания “ дельфин” с моноластом по поверхности спортсмены пытались включать в работу и руки “кролем”, то позже они отказались от такого комбинированного способа. Работа рук попросту стала тормозить пловца, а посему вытянутые вперёд руки стали занимать горизонтальное положение. При этом кисти рук сложены одна на другую, плечи прижаты к голове, а лицо обращено вниз [3,4,5,6,8].

Как и всё новое, моноласт не сразу завоевал все позиции в многочисленных дисциплинах подводного спорта. Вначале моноласт “вытеснил”парные удлинённые ласты (биласты) на всех коротких, а к 1976г. – на средних и стаерских (1500м) дистанциях.

С 1977г. рекорды Мира на всех дистанциях скоростного плавания в ластах принадлежат спортсменам, выступающим с моноластом [8].

С момента появления первого моноласта Б.Г. Поротова в 1969 году и по настоящее время можно выделить  3 периода, в которых проходили процессы совершенствования и модернизации моноласта по характерному признаку эволюции моноласта как плавникового движителя.

Первый период 1969 – 1978г.г. характеризуется поиском наиболее эффективных материалов для армирования и удлинения лопасти  моноласта. В их конструкции использовались  упругие металлы: сталь 65Г, титан, бериллиевая бронза и т.д., из которых вырезались “вилки” с различным количеством “зубьев”- рёбер жёсткости. Затем эти “вилки” при помощи клея и крепежа соединялись с лопастями резиновых заводских ласт. Вся эта конструкция оклеивалась с двух сторон тонкой листовой резиной или прорезиновой тканью.

Недостатками таких моноласт из металла являлись:

1. трудность в изготовлении клина- фрезерование или шлифование профиля “вилки” от пяточно-подошвенного участка (“ручка вилки”) до минимальной толщины концов “зубьев”;
2. достаточно большой вес моноласта.

После 2 – 3 лет поисков и экспериментов спортсмены остановились на лучшем для изготовления моноласта конструкционном материале – стеклотекстолите, слоистом пластике. Из этого материала делали не “вилку” для армирования, а всю лопасть моноласта. Стеклотекстолит хорошо обрабатывался и позволял достаточно легко снимать слои при изготовлении клина — профиля по длине лопасти и рёбер жёсткости (рис.1). С начала 70-х годов ХХ века все спортсмены стали использовать моноласт с лопастью из стеклотекстолита.

При изготовлении моноласта вплоть до 1978 года спортсмены и тренеры руководствовались личным опытом и интуицией, а поэтому формы и размеры моноласт были очень разнообразными (рис.2, табл.1). Ни тренеры, ни спортсмены не могли, аргументировано, объяснить выбор той или иной формы и размеров моноласт, а довод и ответ был один – спортсмен хорошо выступает, а поэтому этот моноласт хорош.

Рис.2.Некоторые из форм моноласт, применяемых мужчинами – спринтерами до 1978 года (1-боковые кромки,2-задняя кромка; в-ширина, l-длина).

Таблица 1

Некоторые параметры конструкции моноласт (м/л),антропометрии и внутрицикловой скорости (Vц) ныряния спринтеров-мужчин 1977г.

В период 1976 – 77г.г. автором [3,4,7,8,10,11,12,13] совместно со специалистами в области гидромеханики и гидробионики были проведены исследования по изучению конструктивных особенностей моноласта как составной части биотехнической системы “спортсмен-моноласт” и главного движителя этой системы. Необходимо было определить наиболее важные по влиянию на скорость плавания параметры конструкции моноласта, а также пути его совершенствования и оптимизации.

Исходя из поставленной цели, необходимо было решить следующие задачи:

1. определить типоразмеры и конструктивные характеристики (параметры) существующих моноласт;
2. выявить взаимосвязь этих параметров с длиной дистанции (режимом работы) и антропометрическими особенностями спортсмена;
3. определить пути совершенствования и оптимизации моноласта как плавникового движителя, исходя из требований и закономерностей аэро-гидромеханики и гидробионики;
4. разработать методику выбора и расчёта моноласта с учётом дистанции (режима работы) и индивидуальных особенностей спортсмена.

Организация и методика исследований, а также многочисленные измерения, вычисления и математическая обработка результатов подробно изложены в указанных публикациях. В данной статье приводим лишь конкретные выводы и рекомендации, которые были, в итоге, внедрены в практику советского подводного спорта Федерацией подводного спорта СССР и приняты на “вооружение” спортсменами и тренерами, о чём свидетельствуют соответствующие акты внедрения.

Рис. 3. Чертеж и фото расчетного моноласта

1. Форма моноласта выполнена в виде полуэллипса (рис.3) без резких переходов и изломов боковых кромок.

2. Задняя кромка моноласта прямая, допускалось наличие незначительной выемчатости.
3. Площадь формы моноласта с одной стороны Sм/л выбиралась из соотношения площадей поверхностей тела спортсмена Sт и Sм/л: Sм/л = 0,21Sт.
4. Относительное удлинение моноласта как крыла малого удлинения [2] — l=в²/Sм/л, где в – ширина моноласта (рис.3), имело диапазон 1,5 < l £ 1,7. Отсюда в =√λ·Sм/л.
5. Профиль лопасти моноласта из стеклотекстолита определялся исходя из разных вариантов распределения толщины по длине пластины. Более плавный профиль (рис.4,табл.2), создавал равномерное распределение жёсткости по всей длине и площади, в целом, моноласта, повышалэффективность гидроупора моноласта и, тем самым, увеличивал силу тяги и скорость плавания (ныряния).

Рис. 4. Разрез моноласта (а) и профиль его лопасти (б).

1-резиновый ласт; 2-лопасть из стеклотекстолита. lп- длина подошв; lр — длина рабочей части лопасти, или для расчетного моноласта длина полуэллипса lпэ; толщины участков лопасти: dп – подошвенного, dc – середины lp, dк – конца.

                                                                                                    Таблица 2                                                    

Значения (м±s) толщин (dп,dc,dк) лопасти спринтерских моноласт (n=40).

6. Для уменьшения “рыскания” моноласта (колебаний в горизонтальной плоскости) на его плоскости (с обеих сторон) вдоль боковых кромок и перпендикулярно задней установлены стабилизирующие бортики (шайбы) из губчатой резины (рис.3).

Начиная с 1979г. [8], ведущие спортсмены СССР, а затем и остальные – стали выступать с моноластами, изготовленными по рассмотренной  выше методике.

Период с 1979г. по конец 90-х годов ХХ века можно назвать вторым периодом в эволюции моноласта, когда все спортсмены использовали расчётный моноласт с лопастью из тонкой пластины из стеклотекстолита и галошами от обычных резиновых ласт.

С конца 90-х годов ХХ века начался третий период в истории совершенствования имодернизации моноласта. Появился новый тип движителя, который спортсмены называют “супермоно” или “гипермоно”. Что общего у этого моноласта с теми, что использовали спортсмены в двух предыдущих периодах и в чём его особенности?

Общим элементом у всех моноласт остается пластина стеклотекстолита в виде полуэллипса и резиновые бортики – “шайбы” (рис.3,5).

. Особенностями и отличительными признаками нового моноласта являются:

1. конструкция галош;
2. увеличение “объёмности” профиля моноласта.

Рассмотрим эти конструктивные особенности на примере конкретного супермоноласта, который любезно предоставил автору один из лучших в РФ изготовителей – з.тр. РФ Гундарев С.В. (г.Таганрог) (рис.5).

1. Галоши нового моноласта – это своеобразный отлитый из резины “жёсткий сапог”, в котором запрессован клин из твёрдого материала (резина, пластмасса и т.д.). Этот клин является опорной плоскостью для подошв стоп и определяет их пространственное расположение под углом 25 — 35° к плоскости лопасти моноласта.

Жёсткость галош также дополнительно усиливается воздушными пазухами, специально созданными в теле галош. В эти пазухи через ниппельные отверстия закачивается воздух или вода (лучше солёная). Жёсткость галош и подбор угла запрессованного клина должны, в идеальном варианте, обеспечить отсутствие или минимизацию угла между продольными осями голеней (рис.5) и лопастью в удобообтекаемом положении вытянутого тела спортсмена с моноластом на поверхности воды (рис.5).

Исключив практически из работы стопу, в данном случае, не очень продуктивное звено нижней конечности, получаем мощный рычаг – голень, которая обеспечивает более эффективную передачу энергии изгибно-колебательных движений на моноласт и достижение большей скорости плавания.

Жёсткая фиксация стоп и симметричная относительно голеней колебания лопасти моноласта в вертикальной плоскости ещё больше приближает кинематику движений спортсмена-подводника к плаванию гидробионтов (в частности, китообразных), у которых вертикальные колебания хвостового плавника симметричны относительно оси тела. Это приводит к автоколебательному режиму плавания, который является наиболее энергоэкономичным [1,12].

2. Вторая особенность супермоноласта – это увеличение объема профиля лопастимоноласта и попытка приблизить его к профилю обычных заводских резиновых ласт. Достигается это тем, что спортсмены наклеивают по контуру боковых кромок с двух сторон губчатую резину (неопрен), понижая её толщину с максимальной у краёв до минимальной к

центру лопасти (рис.5). Тем самым, создаётся тот же клин, что и при снятии слоёв стеклотекстолита по длине лопасти моноласта.

Если говорить строго, то “объёмность” эта относительная, т.к. она далека от настоящего объёмного хвостового плавника того же дельфина. Однако, с позиций аэро-гидромеханики и гидробионики спортсмены выбрали правильный путь, который ведёт к улучшению гидродинамических характеристик моноласта как плавникового движителя и крыла малого удлинения (l < 2) [2,12]. Как показывает анализ плавания гидробионтов [7,8,12], дальнейшая модернизация и совершенствование приведет к созданию по настоящему объемного моноласта с соответствующим профилем НЕЖ [1,2,12].

Супермоноласты имеют  определённые количественные характеристики конструкции (табл.3).

Таблица 3

Характеристики конструкции супермоноласт (n=7) ведущих спринтеров-подводников РФ 2004 г.

Как видно из таблицы, разброс этих параметров не велик. Это объясняется жёсткими требованиями международных правил CMAS (международная Федерация), где габариты моноласта ограниченны квадратом 76 см ´ 76 см. Поэтому моноласты ведущих спортсменов РФ, выступающих на международных соревнованиях, по своим размерам (ширины в и длиныl) не выходят за эти габариты.

Эволюционный подход к анализу конструкций моноласт выявляет искусственно созданное “новое звено” нижней конечности – стопы с супермоноластом. В этой связи интересно рассмотреть следующее:

1.влияние “нового звена” на кинематику движений системы “спортсмен-супермоноласт”.

2.степень различий в кинематических  характеристиках при использовании обычных и супермоноласт.

В период март – май 2004г. были проведены исследования по изучению техники ныряния сильнейших спортсменов РФ – участников Чемпионата ВС и Первенства РФ, которые проходили в г. Санкт-Петербурге. Методика исследования:

Подводная цифровая видеосъемка ныряния (тестовый отрезок 25м со старта), определение весо-ростовых (Р,Н), длиннотных размеров спортсмена с моноластом (Lmax-длина от конца кистей вытянутых рук до задней кромки моноласта, Lтбс-зкмл- длина от оси тазобедренного сустава до задней кромки моноласта, длина голени и длина бедра), обработка результатов протоколов соревнований (Vсор.(50н) – средняя скорость на дистанции “50м ныряние”) и фотосъемка  моноласт участников соревнований. Для сравнительной оценки всех изучаемых параметров при использовании двух типов моноласт были взяты аналогичные характеристики 1977 г. из диссертационной работы автора [8].

Как видно из таблиц 4,5., весо-ростовые показатели по разным группам спортсменов и по годам очень близки, а кинематические характеристики претерпели определённые изменения, а некоторые из них – достаточно большие. Речь, в первую очередь, идёт о внутрицикловой (за цикл) Vц как интегральном показателе взаимосвязей всех остальных основных параметров: времени цикла движений Тц, “шаге”Lц, темпа движений N.

Внутрицикловая скорость сильнейших спринтеров (n=7) Vц возросла с 2,56 м/с (1977г.) д3,03 м/с (2004г.), т.е. прирост скорости составил 18%. Это подтверждается и ростом рекорда Мира на этой дистанции (50м ныряние) : 16,4с – 1977г. и 14,18с – 2004г., или в средней скорости на дистанции: 3,05м/с и 3,53м/с соответственно, что составляет прирост в 16%. Для самой короткой подводной дистанции это увеличение скорости очень значительное.

Учитывая тот факт, что функциональная подготовка спортсмена (объёмы и интенсивность нагрузок) давно находится на пределе (количественном и качественном), данное увеличение скорости ныряния Vц и рекордов Мира, особенно в последние 6-8 лет (рис.6), можно с уверенностью объяснить появлением нового типа движителя – супермоноласта.

Анализируя амплитуды (размахи) колебаний точек системы “спортсмен-моноласт” (табл.4,5), можно заметить увеличение всех амплитуд колебаний у современных спринтеров-подводников по сравнению с аналогичными 1977г. Прослеживая перемещение бегущей волны по телу спортсмена с моноластом, начиная с кистей рук (Ак) (рис.7) до задней кромки моноласта (Ам/л), мы в этом убеждаемся наглядно.

Большие амплитуды, характеризующие современную технику ныряния, особенно амплитуды колебаний коленного (Акс) и голеностопного (Агсс) суставов, а также задней

кромки моноласта (Ам/л) по сравнению с кинематикой ныряния сильнейших спринтеров 1977г.,объясняются, по нашему убеждению, лишь одним фактором, о котором уже была речь выше – появлением нового, более длинного рычага, с которым сочленяется моноласт, т.е. голени спортсмена и созданием “нового звена” в его нижних конечностях – стоп с моноластом.

Вместе с тем, несмотря на увеличение амплитуд колебаний, особенно моноласта (Ам/л=0,51м), мы наблюдаем и рост темпа движений (N=2,4 1/c). Это, несколько парадоксальное, явление  в данной ситуации, на наш взгляд, объясняется:

1. Повышением уровня функциональной подготовки за прошедшие 27 лет, что позволяет современному спринтеру-подводнику “проворачивать” более тяжёлый по весу супермоноласт с большей частотой (темпом) колебаний.
2. Автоколебательным режимом работы, о котором было сказано выше. Это отмечают

и сами спортсмены на основе своих ощущений и опыта. Преодолевая инерцию моноласта в первый момент начала колебаний и прикладывая при этом максимум усилий, спортсмен, в дальнейшем, используя инерцию колебаний моноласта переходит в автоколебательный режим с большим темпом движений.

3. Оптимизацией и гармонизацией траекторий (синусоид) точек тела и моноласта при изгибно-колебательных движениях, что приближает кинематику плавания (ныряния) сильнейших спринтеров-подводников к плаванию дельфина (рис.8) – одному из лучших пловцов живой природы [1,12,14].

Заключение:

1. Эволюция моноласта как плавникового движителя в период 1969 – 2004г.г. привела к созданию более совершенного и эффективного моноласта, что обеспечило рост скорости плавания спортсмена.
2. Появление супермоноласта привело к образованию “нового звена” в нижних конечностях спортсмена – стоп с моноластом, которые теперь являются единым целым.
3. “Новое звено” в нижних конечностях внесло коррекцию в кинематику плавания спортсмена, что способствовало оптимизации техники изгибно-колебательных движений

подводного пловца, появлению автоколебательного режима работы и, как следствие,росту скорости[9].

4. Совершенствование конструкции моноласта должно привести к созданию объёмного моноласта с соответствующим профилем НЕЖ, что повлечёт за собой дальнейшее увеличение скорости плавания.

Автор выражает большую благодарность и признательность всем спортсменам и их тренерам за участие в исследованиях.

Литература

1. Алеев Ю.Г. Нектон. – Киев: Наукова думка, 1976.
2. Войткунский Я.И., Першиц Р.Я., Титов И.А. Справочник по теории корабля. – Л.: Судпромгиз, 1960.
3. Кебкало В.И., Орлов Г.Н. Техника плавания в скоростных видах // Спортсмен-подводник. – 1981. – вып. 64. – С. 3–11.
4. Кебкало В.И., Орлов Г.Н. Ныряние с ластами в длину и подводное плавание //Спортсмен-подводник. – 1985. – вып.73. – С. 8-11.
5. Мазуров И.В. Подготовка подводного пловца. – М.: ДОСААФ, 1972.
6. Орлов Г.Н. Некоторые особенности биомеханики скоростного плавания с моноластами // Тезисы докладов II Всесоюзной конференции Проблемы биомеханики спорта.- Киев: ВНИИФК, 1976. – С. 65-65.
7. Орлов Г.Н. Оптимизация моноласта как плавникового движителя, выбор и методика расчёта его с учётом особенностей спортсмена и режима работы.-М.: ЦМК ДОСААФ, 1978.
8. Орлов Г.Н. Техника плавания под водой с моноластом мужчин-спринтеров и её совершенствование:Дисс…канд.пед.наук.- Л., 1982.
9. Орлов Г.Н. Оптимизация кинематики движения биотехнической системы “спортсмен-моноласт” как важнейшее средство повышение её скорости //Материалы  VII Всероссийской конференции по биомеханике Биомеханика – 2004.- Н.Новгород: Издательство ИПФ РАН, 2004. С. 167-169 том II.
10. Орлов Г.Н., Першин С.В., Носов Е.П. и др. Способ изготовления слоистых изделий из полимерных материалов. А.с. N 716852, 1980.
11. Орлов Г.Н., Першин С.В., Носов Е.П. и др. Ласт. А.с.№ 738626, 1980.
12. Першин С.В.  Основы гидробионики. – Л.: Судостроение, 1988.
13. Першин С.В., Орлов Г.Н. Моноласт-перспективный волновой движитель для скоростного плавания способом дельфин// Бионика.-1979.-№ 13.- С. 24-35.
14. Петрова И.М. Гидробионика в судостроении.- М.: ЦНИИТЭС, 1970.
15. Поротов Б.Г. Освоение нового стиля плавания // Спортсмен-подводник.- 1971.-вып.28.- С. 8-12.