Новое в системе спортивной подготовки велосипедистов-шоссейников: отечественный и зарубежный опыт (стр. 16 )

ПЕРЕДНИЕ ЗВЕЗДЫ НЕКРУГЛОЙ ФОРМЫ И УЗЕЛ СОЕДИНЕНИЯ ПЕДАЛИ С ШАТУНОМ ВЕЛОСИПЕДА: ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Rodrigo R. Bini, Frederico Dagnese

Источник: Rev Bras Cineantropom Desempenho Hum, 2012, 14 (4)

Введение. Прогресс в разработке тренировочных программ и развитии прикладных технологий позволяет тренерам совершенствовать методы мониторинга тренировочного процесса и способствует повышению работоспособности спортсменов. В велоспорте модификации конструкции велосипедов направлены на снижение сопротивления качению и внутренней работы (механической работы по движению ног) в целях обеспечения более высокой скорости движения велосипеда. Аэродинамическая сила является главной силой сопротивления в велоспорте, поэтому постоянно предпринимаются попытки разработки новых конструкций колес, велообуви, рам и руля, чтобы снизить силу лобового сопротивления и тем самым повысить результативность. Считается, что более низкие энергозатраты при педалировании с заданным уровнем рабочей нагрузки (т. е. более высокая экономичность/КПД) обеспечивают улучшение работоспособности, при этом снижение энергозатрат достигается путем уменьшения количества внешней и/или внутренней работы (т. е., энергии, затрачиваемой на преодоление возникающих при педалировании внешних сил, и энергии, затрачиваемой на движение ноги без учета внешнего сопротивления, соответственно). 

       C другой стороны, возможность увеличения выходной мощности при одинаковых энергозатратах послужила для исследователей стимулом к поиску маркеров, обеспечивающих более высокую экономичность/КПД (таких как потребление кислорода или частота сердечных сокращений). Поскольку выходная мощность зависит от плеча силы на шатуне и прилагаемой к шатуну тангенциальной силы (эффективной силы), то для применения гипотетической постоянной силы должен быть увеличен крутящий момент шатуна за счет повышения плеча силы. Однако по причине механических и анатомических ограничений постоянная эффективная сила вряд ли может быть достигнута, поэтому усилия исследователей в этой области должны быть направлены, прежде всего, на изменение посредством вращения шатуна плеча силы в целях максимизации крутящего момента шатуна. Для достижения этой цели предпринимались попытки изменения длины шатуна, узла соединения педали с шатуном, и профиля передней звезды (рисунок 1). Однако, несмотря на прочное теоретическое обоснование их разработки, в ходе научных исследований некоторых новых конструкций не было получено экспериментальных данных, подтверждающих их влияние на биомеханические, физиологические и определяющие результативность переменные.

Рисунок 1 - Иллюстрация теоретической конструкции некруглой передней звезды (эллиптическая звезда Osymetric), предназначенной для увеличения плеча силы в положении верхней мертвой точки (12 часов).  Плечо силы некруглой прямой звезды (Ma1), плечо силы круглой прямой звезды (Ma2), сила сопротивления (RF) и сила, прилагаемая к педали (PF)

       В специальной литературе были описаны различные конструкции некруглых передних звезд и соединений педалей с шатунами, которые оказывали разное влияние на определяющие работоспособность физиологические и биомеханические переменные. Поэтому существует потребность в предоставлении велосипедистам и тренерам соответствующих разъяснений, чтобы помочь им выбрать оптимальную систему передних колец или узел  соединения педали с шатуном. 

       Таким образом, цель настоящей статьи состояла в обзоре теоретических основ разработки передних колец некруглой формы и новых узлов соединения педали с шатуном и их влияния на биомеханические, физиологические и определяющие результативность переменные. 

Методы. Для выполнения приведенной в данной статье экспертной оценки статей из журналов, книг, диссертаций и трудов конференций, опубликованных с 1960 г., был проведен интернет-поиск в академических базах данных (MEDLINE, SCOPUS, ISI Web of Knowledge, EBSCO и Google Scholar) с применением ключевых слов «узел соединения педали с шатуном», «передняя звезда» и «некруглая звезда». Для сужения поиска среди первоначально полученных 2165 источников было использовано ключевое слово «велосипед». Затем был выполнен реферативный анализ 29 статей. Статьи, посвященные теоретическим основам или экспериментальной оценке систем некруглых передних колец или узлов соединений педали с шатуном, были отобраны для анализа в их полном объеме. Ссылки на 13 статей, отобранных после анализа их полных версий, были также подвергнуты анализу по их заголовкам, рефератам и полным объемам. Всего для данного обзора было отобрано 39 литературных источников, включая 37 журнальных статей, одну книгу и один веб-сайт. В обзоре мы применяли широкий спектр разных видов исследований (от одновременного поперечного углублённого исследования до компьютерного моделирования) в целях расширения дискуссии от изложения теоретических основ до обсуждения практических преимуществ применения передних звезд некруглой формы и/или различных узлов соединения педалей с шатунами.

Дискуссия. Среди многочисленных целей разработки некруглых передних звезд и новых узлов соединения педали с шатуном можно перечислить сокращение количества внутренней работы, снижение пикового показателя крутящего момента шатуна и сокращение затрат времени прохождения верхней и нижней мертвых точек (в положениях 12 и 6 часов, соответственно). При оценках воздействия передних звезд некруглой формы и новых узлов соединения педалей с шатунами наблюдались изменения в кинематике движения суставов при отсутствии влияния на мышечную активацию. При использовании большинства некруглых звезд были получены противоречивые результаты исследований экономичности/КПД педалирования. В то же время новые конструкции узлов соединения педалей с шатунами обеспечивали повышение экономичности/КПД педалирования. 

Теоретическое обоснование изменений длины шатуна или узла соединения педали с шатуном или применения передних звезд некруглой формы.

В таблице 1 представлены системы некруглых передних звезд и модифицированных узлов соединения педали с шатуном, которые были разработаны на протяжении последних десятилетий. При применении различных систем передних звезд или узлов соединения педали с шатуном определение угла шатуна относительно главной (большой) оси (наибольшая величина плеча силы на цепи до каретки – т. е., сила сопротивления) основывалось на крайнем правом положении шатуна, соответствующем 3 часам на циферблате часов, принимая во внимание тот факт, что пиковый крутящий момент обычно измеряется при данном угле шатуна (см. рисунок 1). 

Таблица 1 - Общая информация о системах передних звезд или узлов соединений педали с шатуном, представленных в публикациях последних десятилетий, включая изобретателя и год разработки, овальность, угол шатуна относительно главной оси, назначение конструкции и проведение экспериментальных испытаний. Все результаты были получены при одинаковых условиях педалирования с применением систем передних колец круглой и некруглой формы 

Передняя звезда	Изобретатель и год	ОвальностьА и угол шатуна относительно главной оси	Назначение	Экспериментальные испытания	Эффективность педалировании при применении данной передней звезды
Круглая	НеизвестныВ	1	Равномерная передача прилагаемого к шатунам крутящего момента на привод заднего колеса во время вращения педали	ДаС	ДаС
Овальная звезда Osymetric- Harmonic	J. L. Talo & M. Sassi (1993)	1,215 –12 часов	Обеспечение более равномерного крутящего момента благодаря овальности передней звезды	Да22	Снижение пикового крутящего момента (7%)
Овальная звезда Халла (Hull oval)	Проф. M. L. Hull, Университет шт. Калифорния, Дэвис, США (1991)	1,55 - 3 часа	Исключение внутренней работы во время педалирования	Да21,40	Снижение функционала энергозатрат (смешанных моментов) (1,4%)21 и отсутствие изменений ПК во время теста на педалирование с постепенным увеличением рабочей нагрузки40
Овальная звезда Q-Ring (Rotor)	Pablo Carrasco, Rotorbike, Испания	1,10	Снижение затрат времени при прохождении верхней и нижней мертвых точек	Да18,24,27,33,39	Более высокая выходная мощность (7-11%) при выполнении теста Вингейта. Отсутствие изменений электромиографических характеристик, ПК и работоспособности во время 40-километрового контрольного испытания. В одном из исследований27 сообщается о повышении амплитуды движений в тазобедренном (14%), коленном (21%) и голеностопном (10%) суставах. Еще в одном исследовании было выявлено 14% увеличение эффективности/КПД.
Овальная звезда Biopace oval	Shimano, Япония (Проф. Okajima)	1,04, ~3 часа	Повышение выходной мощности за счет инерционной нагрузки и минимизация мышечной активации	Да12,38	Понижение уровня лактата в крови (28%)
Pro-Race	Неизвестны	Неизвестны	Увеличение крутящего момента во время хода педали вниз (нажима на педаль) и уменьшение крутящего момента во время хода педали вверх (подтягивания педали)	Да	Повышение результативности (7%) во время 1-километрового контрольного испытания25, увеличение выходной мощности на 9% и увеличение силы на 23% при оценке силы и скорости36 с применением системы Pro-Race. Отсутствие различий в результативности, уровне лактата и ЧСС во время 1-километрового контрольного испытания34.
Узел Bike power saver (Сберегатель мощности велосипеда)	Изобретательнеизвестен	В публикациях нет данных об овальности	Повышение крутящего момента во время пропульсивной (движения вперед) фазы (от 12 до 6 часов) и снижение крутящего момента во время фазы возврата (от 6 до 12 часов) при заданном уровне рабочей нагрузки	Да11	Увеличение амплитуды движения в голеностопном суставе. Более высокая активация передней большеберцовой мышцы и четырехглавой мышцы по сравнению с традиционным узлом соединения педали с шатуном.
Vista Pedal	Vista® 200826	Не применялисьD	Уменьшение плеча силы во время фазы возврата и в верхней мертвой точке	Да26	Более высокая выходная мощность при 40 об/мин (1,8%) и 120 об/мин (6%) во время изокинетического теста на педалирование с максимальной нагрузкой. Увеличение экономичности/КПД педалирования (на 8%)26.
Безымянный узел соединения педали с шатуном	Zamparo et al.10	Не применялись	Увеличение крутящего момента во время хода педали вниз  и уменьшение крутящего момента во время хода педали вверх	Да10	Увеличение экономичности/КПД педалирования (на 2%) с применением этого нового узла.

A Соотношение между большой (главной) и малой осями;