Математическое моделирование в спорте: от физиологии к методам тренировки

ЖМ: Есть ли примеры решения физиологических задач?

ВС: Когда строишь более-менее сложные модели, то они начинают объяснять некоторые физиологические явления. Классическое физиологическое явление, на которое еще обратил внимание Я.М. Коц и в своей книге «Физиология мышечной деятельности». При выполнении ступенчатого теста в выдыхаемом воздухе растет концентрация углекислого газа (СО2), после достижения АнП концентрация СО2 начинает падать. А СО2 основной фактор, который определяет интенсивность дыхания. Но ученые фиксируют: интенсивность дыхания растет, а содержание СО2 падает. И этот физиологический парадокс никто не мог решить. А математически он решается очень просто. Цикл дыхания в покое – 3 сек вдох, 3 сек выдох. За это время сердце делает в 3 раза больше ударов, а то и в 4. И тогда получается, что в цикле дыхания концентрация СО2 в легких то повышается, то понижается. То есть сердечный удар хватает определенную порцию крови с данной концентрацией СО2 и несет ее в мозг, потом следующим ударом порцию с другуой концентрацией и т. д. А мозг реагирует на самую высокую концентрацию СО2. Но в среднем концентрация СО2 будет падать в мешке, в который собирается воздух для газоанализа в течение примерно 30-60с. Причем концентрация в одном из ударов (перед вдохом) будет такая же, как и в мышцах, то есть очень высокая концентрация СО2 с низким парциальным давлением О2. Вот эта-то концентрация с очередным ударом доходит до продолговатого мозга спортсмена и заставляет его дышать «излишне» интенсивно (иногда более 180 литров в мин.). А в эксперименте спортсмены выдыхают в мешок и потом по его содержимому определяется средний показатель концентрация СО2, а он действительно начинает снижаться.

Подобных парадоксов в физиологии достаточно много, но все их можно разрешить только теоретически.

ЖМ: Расскажите, о новых направлениях в спортивной науке и оздоровительной физической культуре, разработанных на основе теоретического подхода.

ВС: Использование модели, имитирующей срочные адаптационные процессы, позволило разработать теорию возникновения аэробного и анаэробного порогов, выявить основные факторы, определяющие предельную продолжительность выполнения физических упражнений различной интенсивности, сделать прогноз физиологической реакции организма спортсменов на силовые упражнения стато-динамического характера, интервальные скоростно-силовые упражнения, выполняемые мышцами пояса верхних конечностей.

Было теоретически обосновано и экспериментально подтверждено следующее:

• аэробный порог при выполнении ступенчатого теста появляется в момент рекрутирования всех окислительных мышечных волокон, а анаэробный порог демонстрирует мощность функционирования митохондрий в рекрутированных мышечных волокнах (окислительных, промежуточных и части гликолитических);
• предельная продолжительность упражнений субмаксимальной и большой мощности лимитируется возможностью рекрутировать новые мышечные волокна, а ведь именно в момент рекрутирования всех мышечных волокон в активных мышцах происходит резкое снижение мощности выполнения заданного физического упражнения циклического характера;
• при выполнении стато-динамических упражнений низкой интенсивности (30-60% предельной мощности - ПМ) в окислительных мышечных волокнах нарушается кровоснабжение из-за окклюзии сосудов, разворачивается анаэробный гликолиз, создаются предпосылки гипертрофии окислительных мышечных волокон - МВ (закисление, стресс из-за боли в мышцах, появления свободного креатина и др.);
• интервальные скоростно-силовые упражнения короткой продолжительности (10-15 околомаксимальных сокращений мышц) с интервалом отдыха 45-60 с не только позволяют увеличить силу мышц, но и являются самым эффективным средством для роста аэробных возможностей мышц, роста митохондрий в гликолитических мышечных волокнах.

Подробнее о физиологической классификации нагрузок: Классификация физических нагрузок

В соответствии с этой методологией были разработаны инновационные спортивно-педагогические методы воспитания силы окислительных мышечных волокон, увеличения массы митохондрий в гликолитических мышечных волокнах, гипертрофии и дилятации миокардиоцитов левого желудочка, варианты подготовки эндокринной и иммунной систем в ходе тренировки.

Подробнее: Классификация мышечных волокон: в чем разница

Инновационные технологии были реализованы в практике подготовки бегунов, борцов национальных сборных самбистов и дзюдоистов, в отборе и тренировке футболистов. В основу инновационных спортивных технологий положены методы воспитания локальной мышечной выносливости, планы подготовки с практически полным исключением из тренировочных нагрузок упражнений анаэробно-гликолитической направленности. Акцент в планах физической подготовки сделан на росте наиболее важных в конкретном виде спорта мышц при учете резервов сердечно-сосудистой системы.

Исследование различных вариантов тренировочного процесса с помощью компьютерного имитационного моделирования показало, что оздоровительный эффект наблюдается только в случае использования силовых и скоростно-силовых упражнений с обязательным достижением состояния стресса. В этом случае в кровь выделяется много стрессовых гормонов (адреналин, норадреналин, анаболические гормоны, кортикостерон и др.) и при рациональном построении интервалов отдыха между тренировками и адекватном питании обеспечивается самообновление наследственного аппарата клеток, устранение повреждений в органеллах клеток всех тканей организма, особенно в активных при выполнении физических упражнений. Такое обновление клеток мы называем оздоровительным эффектом. Дальнейшие исследования показали, что ни силовые, ни скоростно-силовые упражнения не могут без вреда для здоровья выполнять лица первого и тем более второго зрелого возраста из-за высокой вероятности получения травм и инфаркта. Поэтому была разработана оздоровительная система ИЗОТОН, основу которой составляют локальные силовые упражнения со стато-динамическим режимом работы мышц. Экспериментальная проверка разработанной системы оздоровительной физической культуры показала высокую эффективность управления локальной массой жировой и мышечной тканей, снижения давления крови в сосудах, борьбы с астматическими явлениями, расстройствами эндокринной системы.

Компьютерное моделирование показало, что, кроме стрессовых кратковременных тренировочных занятий, высоким оздоровительным эффектом должны обладать длительные упражнения очень низкой эффективности. В этом случае концентрация гормонов в крови растет в процессе выполнения упражнения и удерживается продолжительное время. Поэтому, если тренироваться каждый день по нескольку часов (4-8 ч), то происходит значительная гипертрофия желез эндокринной системы, а значит, растет адаптационный резерв. Если добавить к этим упражнениям ИЗОТОН и обливание холодной водой из ведра, уровень стрессовой реакции вырастет до необходимой степени оздоровительного эффекта. Эта инновационная технология проверялась на молодых людях в туристических походах в горной местности и привела к изменению в лучшую сторону показателей крови и физической подготовленности по сравнению с контрольными группами (Технология оздоровительного туризма).

Подробнее об оздоровительной системе: Оздоровительная тренировка по системе ИЗОТОН

В области спортивная биомеханики. Биомеханика движений человека развивалась по пути совершенствования методов их регистрации, определения геометрии масс тела человека, математического анализа полученных данных. Были попытки поиска биомеханических закономерностей на основе формально-логического и статистического анализов. За последнее время биомеханики изучили механизмы накопления упругой деформации в мышцах, особенности функционирования двусуставных мышц. Биомеханики совершили революцию в конькобежном спорте после изобретения коньков с отрывающейся пяткой. Однако собственно объект и предмет спортивной биомеханики не были четко определены. Например, объектом биомеханики (на самом деле - предметом) выбирают двигательные действия спортсмена как системы взаимосвязанных активных движений. Очевидно, что системы активных движений не существует, а существует объект исследования - опорно-двигательный аппарат спортсмена (как система, состоящая из блока управления - ЦНС и элементов, составляющих скелетно-мышечную модель), которая перемещается определенным образом в определенной среде.

Предметом исследования должны быть биомеханизмы, с помощью которых человек реализует цель двигательного действия. Таким образом, смысл построения теоретической биомеханики сводится к выявлению объективно существующих биомеханизмов, способов их использования в спортивной деятельности. Под биомеханизмом понимается механическая машина, или механизм, который создает из своего тела спортсмен для решения поставленной цели двигательного действия. Описание биомеханизмов и способов их использования в спортивной деятельности становится сначала гипотезой, а потом теорией изучаемого двигательного действия - спортивной техники. Пример использования нового подхода изложен в работах наших сотрудников применительно к легкоатлетическим тренировочным и соревновательным упражнениям, технике бега на коньках, педалированию на велосипеде. Анализ работ по искусственному интеллекту и применение нейронных сетей для решения проблем обучения двигательным действиям позволил М.П. Шестакову предположить возможность возникновения нового прикладного направления в науке об искусственном интеллекте, условно названного биокиберогогикой, т.е. научного направления, связанного с разработкой математической теории обучения человека двигательным действиям. Объектом биокиберогогики является модель нервной системы человека, управляющая действием исполнительной системы (опорно-двигательным аппаратом) с достижением наперед заданной цели. Предмет биокиберогогики - выявление закономерностей и законов создания или изменения системы образов в головном мозге на основе появления новых дендрит-шипиковых, шипик-шипиковых связей между нейронами. Новизна предлагаемого подхода заключается в поиске связи и зависимостей, определяющих особенности мышления человека, и способности обучаться целенаправленным двигательным действиям на основе моделирования управления нервными процессами.

Развитие наук о спорте достигло такого уровня, когда требуется переход от эмпирической стадии к теоретической. Анализ методологических оснований показал, что в науках о спорте должна присутствовать как научная, так и методическая сторона. Методология научного познания (эмпирического и теоретического) широко используется в спортивных науках, однако педагогические исследования должны проводиться на ином методологическом основании (инженерном проектировании). Методология разработки инновационных спортивно-педагогических технологий требует создания умозрительных и компьютерных математических моделей организма человека, на основе которых проектируются средства и методы физической, технической и тактической подготовки спортсменов. Практика использования методологии проектирования инновационных педагогических технологий показала ее высокую эффективность при решении задач спорта высших достижений и оздоровительной физической культуры.

_{Материал подготовлен Андреем Антоновым в формате беседы с профессором Виктором Николаевичем Селуяновым для журнала «Железный Мир».}

Функции и морфология мышечных волокон

Следующий материал продолжает физиологическую основу спортивной адаптологии: рассматривает функции мышечных волокон и их морфологические особенности, необходимые для понимания реакции мышц на разные виды тренировочной нагрузки.

Читать далее →