Все внешние силы можно условно привести к ОЦТ тела гимнаста (присоединяя соответствующие моменты сил). Равнодействующая сил, приложенных к ОЦТ, – главный вектор – обусловливает его линейное ускорение. Если главный вектор равен нулю, то и ОЦТ не изменит своей скорости (а если она равна нулю, то и своего положения). [6]

Сумма всех моментов внешних сил, приложенных к телу, дает главный момент (рис. 4). Он обусловливает угловое ускорение тела. Если главный момент и главный вектор равны нулю, то тело не изменит своего положения. Иначе говоря, в этом случае внешние силы не смогут ни сдвинуть, ни повернуть тело, его положение сохранится неизменным.

В случае если до приложения рассматриваемых (уравновешенных) сил и их моментов тело двигалось, естественно, тело не изменит этого движения. Это частный случай уравновешивания сил, но не сохранения положения. Так, например, можно сохранить позу (но не положение!) в полете, в движении без опоры. Подчеркнем, что для сохранения положения тела гимнаста необходимо сохранение его позы (как бы "отвердение тела"), но не всегда сохранение позы достаточно для сохранения положения всего тела. Так называемая динамическая осанка при выполнении упражнений есть сохранение в основном позы группы звеньев, но не положения тела в целом.

Виды равновесия тела и его устойчивость

Рис. 4. Главный момент при сохранении положения ("флажок" на гимнастической стенке) равен нулю

Вид равновесия тела определяется по действию силы тяжести в случае сколь угодно малого отклонения в положении тела: а) устойчивое – возвращение тела в прежнее положение при любом отклонении; б) ограниченно-устойчивое – возвращение тела в прежнее положение только при отклонении в определенных границах; в) неустойчивое – обязательное опрокидывание при малейшем отклонении.

Вид равновесия тела определяется по действию силы тяжести на него во время отклонения. Если при отклонении тела его ОЦТ поднимается вверх, потенциальная энергия тела (в поле тяготения Земли — притяжение к Земле) повышается, а сама сила тяжести образует момент, направленный на восстановление положения (рис. 5, а). Это устойчивое равновесие. Оно характерно для верхней опоры, когда тело к ней подвешено. При нижней опоре тело можно отклонять до тех пор, пока линия тяжести (или вертикальная проекция ОЦТ) не дойдет до границы площади опоры. До этой границы сила тяжести образует момент устойчивости, который может восстановить положение равновесия. До этой же границы по мере отклонения тела его ОЦТ поднимается вверх, что требует затрат энергии, которая превращается в добавочную потенциальную энергию тела. Если продолжать опрокидывать тело, перейдя эту границу, потенциальная энергия начнет уменьшаться (преодоление "потенциального барьера"), момент силы тяжести будет уже опрокидывающим моментом. В пределах "потенциального барьера" равновесие ограниченно-устойчивое (рис. 5, б).

Неустойчивое равновесие встречается только при нижней опоре в виде точки опоры или отрезка прямой линии. Достаточно отклонить тело в любую сторону, как его ОЦТ опускается ниже, потенциальная энергия уменьшается, момент силы тяжести является опрокидывающим. Такого равновесия в природе не существует — это абстрактная модель. В реальных условиях малейшее отклонение прекращает равновесие.

Рис. 5. Виды равновесия: а – устойчивое; б – ограниченно-устойчивое

Следует упомянуть о безразличном равновесии: при любом отклонении ОЦТ не меняет высоты расположения, момента силы тяжести не возникает (шар, цилиндр, круговой конус на горизонтальной поверхности). У человека такое равновесие может быть только в невесомости. Неустойчивого и безразличного равновесия для человека практически не существует. Равновесие устойчивое наблюдается только в висах, а ограниченно-устойчивое – при нижней опоре.

Рис. 6. Показатели устойчивости в ограниченно-устойчивом равновесии: а – статический (коэффициент устойчивости); б – динамический (угол устойчивости α)

Степень устойчивости тела человека (в разных положениях) характеризуется его статическими показателями – способностью сопротивляться нарушению устойчивости в определенных направлениях, а также динамическими – способностью восстанавливать положение.

Устойчивость определяют для ограниченно-устойчивого вида равновесия. Не следует смешивать вид равновесия со степенью устойчивости. Вид равновесия определяет лишь принципиальные пути сохранения положения. Показатели же устойчивости определяют меру возможностей сохранения положения.

Статический показатель устойчивости определяется отношением двух моментов силы: момента устойчивости к моменту опрокидывания. Это соотношение называется коэффициентом устойчивости (рис. 6, а).

Момент устойчивости (предельный) равен произведению силы тяжести тела на ее плечо относительно линии опрокидывания в самом начале отклонения от положения покоя. По мере увеличения отклонения плечо силы тяжести укорачивается и момент устойчивости становится меньше.

Момент опрокидывания равен произведению опрокидывающей силы и ее плеча относительно той же линии опрокидывания. Когда коэффициент устойчивости больше единицы, тело не опрокинуть. Он характеризует способность тела своей силой тяжести сопротивляться опрокидыванию в данных условиях.

Динамический показатель устойчивости определяется углом устойчивости. Угол устойчивости образован линией действия силы тяжести и прямой, соединяющей центр тяжести с соответствующим краем площади опоры (рис. 6, б).

Физический смысл угла устойчивости заключается в следующем. Чтобы отклонить тело до положения, когда его центр тяжести окажется над линией опрокидывания (граничное положение тела над вершиной потенциального барьера) и возникнет неустойчивое равновесие, нужно повернуть его в соответствующей вертикальной плоскости на определенный угол. Если центр тяжести расположен ниже, а его проекция дальше от края опоры, то момент устойчивости восстановит положение на большем пути отклонения, запас возможностей восстановления больше, степень устойчивости больше.

Угол устойчивости показывает, в каких пределах еще действует момент устойчивости.

Статический и динамический показатели устойчивости в полной мере применимы для оценки положения только твердого тела или в случаях, когда поза человека неизменна. Для человека (как биомеханической системы) при оценке устойчивости положения надо учитывать еще ряд обстоятельств. Во-первых, поверхность опоры почти всегда больше площади эффективной опоры. Это значит, что линия опрокидывания всегда расположена внутри границы поверхности опоры. Мягкие ткани и недостаточно сильные мышцы не могут уравновесить нагрузку, и опрокидывание будет раньше, чем линия тяжести пересечет край опорной поверхности. Во-вторых, тело человека при попытке опрокидывания не сохраняет позы, а изменяет свою конфигурацию, его звенья перемещаются в тех или иных суставах.