Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 CLASS . Обзор литератур CLASS ы 9
1.1. Моделирование в физической подготовке летчиков и спортсменов 9
1.2. Вестибулярная устойчивость как один из основных профессионально-важных качеств военно-профессиональной деятельности летчика-истребителя 15
1.3. Физическая подготовка и повышение вестибулярной устойчивости летчиков и спортсменов 23
Глава 2. Задачи, объект, методы и организация исследования 47
2.1. Задачи исследования 47
2.2. Объект исследования 47
2.3. Методы исследования 49
2.4. Организация исследования 62
Глава 3. Результаты исследования и их обсуждение 64
3.1. Изучение уровня предельной статической устойчивости мышц шеи военных летчиков 66
3.2. Разработка нормативов по определению предельной статической работоспособности мышц шейного отдела позвоночника летчиков 73
3.3. Разработка и обоснование эффективности методики специальной физической тренировки мышц шейного отдела позвоночника для повышения вестибулярной устойчивости военных летчиков 77
3.3.1. Методика специальной физической тренировки мышц шеи 78
3.3.2. Динамика силовых характеристик мышц шеи в результате их специальной тренировки 81
3.3.3. Изменение вестибулярной устойчивости летчиков под влиянием специальной физической тренировки 89
3.4. Обсуждение результатов исследования 93
Заключение 104
Выводы 106
Практические рекомендации 109
Литература 111
Приложение 130
- Вестибулярная устойчивость как один из основных профессионально-важных качеств военно-профессиональной деятельности летчика-истребителя
- Организация исследования
- Изучение уровня предельной статической устойчивости мышц шеи военных летчиков
- Динамика силовых характеристик мышц шеи в результате их специальной тренировки
Введение к работе
Актуальность проблемы. Возможности применения авиационной техники и рационального использования космических летательных аппаратов определяются как уровнем их технического совершенства, так и функциональным состоянием летного состава.
Современный летный труд характеризуется исключительно высоким темпом восприятия и переработки информации, необходимым для своевременного, грамотного принятия решения по управлению летательным аппаратом. Пилотирование самолета выполняется в режиме острого дефицита времени, на фоне действия комплекса факторов авиационного полета. В полете на летчика воздействуют шум, вибрация, меняющаяся освещенность, различные по величине, времени и направлению ускорения и т. д. На космонавтов, помимо этого, влияют длительная невесомость, гиподинамия, гипокинезия и др. Указанные экстремальные воздействия нередко вызывают у летного состава нервно-эмоциональные напряжения, ухудшение самочувствия, что приводит к возникновению иллюзий, дезориентации в пространстве, нарушению координации движений, операторских функций и проявлению различных вестибулосенсорных, вестибуловегетативных и вестибулосоматических реакций, свидетельствующих о снижении статокинетической устойчивости пилота (М.Н.Хоменко, И.В.Бухтияров, 1997 и др.).
Актуальность изучения психофизиологических аспектов по предотвращению пространственной дезориентации вестибулярного генеза резко возрастает на сверх-маневренных самолетах вследствие усложнения динамических параметров полета.
Реальная перспектива создания еще более маневренных самолетов пятого поколения, а в космонавтике - совершения более длительных космических полетов предъявляет повышенные требования к статокинетической устойчивости летного состава и остро ставит вопрос о
5 необходимости дальнейшего совершенствования существующей системы медицинского обеспечения полетов, в целом, и повышения вестибулярной устойчивости летного состава, в частности.
В настоящее время несоответствие резко возросшей энерговооруженности и маневренности современных самолетов и практически не изменившихся за столетие функциональных возможностей человека все настойчивее ставят вопрос о необходимости изыскания новых, более эффективных средств и методов повышения вестибулярной устойчивости человека. Подтверждением последнего является высокий процент лиц летного состава, у которых наблюдаются симптомы укачивания в полете. Так, по данным А.В.Чапека (1965) у лиц летного состава винтомоторных самолетов отмечается 12-13% укачиваемых, а у лиц, летающих на самолетах с газотурбинными двигателями, - 2,5- 3,0%. У курсантов летных училищ (несмотря на жесткий профессиональный отбор) в процессе выполнения летной программы состояние укачивания отмечено у 10-20%, а у летного состава истребительной авиации - в 1,0-1,6% случаев (Э.В.Лапаев, О.А.Воробьев, 1990). Еще большее количество укачиваний наблюдается у космонавтов. Так, при выполнении первых полетов отчетливое снижение статокинетической устойчивости наблюдалось у 30-45% космонавтов (Р.Р.Каспранский и соавт., 1993).
Достаточно остро на современном этапе стоит вопрос о готовности летного состава к эффективному использованию маневренных характеристик современных типов истребительной авиации путем комплекса мер по повышению индивидуальной статокинетической устойчивости летчиков и совершенствования системы профессионального отбора летного состава (J.E.Whinnery, K.K.Gillngham, 1983 и др.), разработки новых методик специальной физической подготовки (Р.Н.Макаров, 1990; С.А.Важенин, О.Н.Лупачев, 1992; М.Т.Лобжа, В.А.Щеголев, 1991; А.Л.Ратианидзе с соавт., 1992 и др.).
В настоящее время имеется большой арсенал средств и методов повышения вестибулярной устойчивости, однако они недостаточно эффективны и не отвечают современным требованиям учебно-боевой деятельности летчика истребительной авиации и часто носят противоречивый характер. В связи с этим, актуальность выбранного направления исследования обусловлена необходимостью разработки новых технологий специальной физической тренировки летного состава истребительной авиации с целью повышения их вестибулярной устойчивости.
Объект исследования - летчики военной авиации в возрасте от 28 до 36 лет квалификации от летчика первого класса до летчика-снайпера.
Предмет исследования - система физической подготовки летчиков в интересах повышения критических для профессиональной карьеры качеств, в частности, высокой вестибулярной устойчивости.
Рабочая гипотеза. Предполагалось, что теоретический анализ и обобщение имеющихся разработок в области подготовки высококвалифицированных военных летчиков с учетом вновь полученных научных данных позволит обосновать концептуальные основы и эффективную технологию системы подготовки летного состава, включающую в себя элемент специальной физической тренировки мышц шеи. Повышение вестибулярной устойчивости летчиков за счет более рационального построения системы подготовки и распределения парциальных объемов нагрузок разной интенсивности будет способствовать поддержанию у летчиков высокого уровня работоспособности в маневренных полетах.
Цель исследования: разработать технологию специальной физической тренировки военных летчиков для повышения их вестибулярной устойчивости на основе реализации принципа индивидуального подхода в тренировке и оптимизации научно-методического обеспечения.
Научная новизна. В соответствии с современными представлениями сформулированы принципы определения уровня допустимой биомеханической нагрузки на шейный отдел позвоночника пилотажных
7 перегрузок; разработаны оценочные шкалы по определению предельной статической работоспособности мышц шейного отдела позвоночника летчиков; разработана новая технология специальной физической подготовки летчиков, направленная на укрепление мышц шейного отдела позвоночника и повышение вестибулярной устойчивости, обоснована необходимость применения профилактических мер для снижения риска неблагоприятных проявлений биомеханических воздействий пилотажных перегрузок на организм летчика.
Практическая значимость определяется использованием новой эффективной методики тренировки мышц шеи в специальной физической подготовке летного состава военной авиации для повышения вестибулярной устойчивости. Полученные данные, выводы, рекомендации и профилактические меры целесообразно использовать в практике подготовки военных летчиков, что будет способствовать снижению риска неблагоприятных проявлений биомеханических воздействий пилотажных перегрузок на организм пилота и повышению безопасности полетов на современных высокоманевренных самолетах. Полученные данные можно использовать при подготовке спортсменов в видах спорта с повышенными требованиями к вестибулярной устойчивости, в учебном процессе военных институтов физической культуры при преподавании теории и методики физической культуры и спорта.
Результаты научных исследований внедрены в практику работы Военно-воздушной академии им. Ю.А. Гагарина и Военно-воздушной инженерной академии им. Н.Е. Жуковского. Методика оценки и прогнозирования степени выраженности вестибулярных расстройств внедрена в ГосНИИИ военной медицины МО РФ и используется при проведении исследований по плановой тематике института, связанной с совершенствованием средств и методов повышения психофизиологических резервов у летного состава истребительной авиации в условиях перегрузок (акт внедрения прилагается). Внедренные в практику военных академий
8 научные результаты, полученные автором, высоко оценены руководящим составом и летчиками-истребителями.
Основные положения, выносимые на защиту:
анатомо-биомеханическая устойчивость шейного отдела позвоночного столба является существенным фактором противодействия снижения вестибулярной устойчивости при воздействии пилотажных перегрузок;
определение количественных значений предельных мышечных моментов сил путем исследования статической работоспособности мышц шеи военных летчиков позволяет установить уровень допустимой биомеханической нагрузки на шейный отдел позвоночника пилотажных перегрузок;
технология специальной физической тренировки летчика-истребителя, направленная на развитие и совершенствование силы мышц шейного отдела позвоночника путем распределения парциальных объемов нагрузок разной интенсивности, обеспечивает повышение вестибулярной устойчивости и способствует более эффективному использованию летчиком авиационной техники.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на научных конференциях молодых ученых МГАФК, всероссийских и международных научных конференциях. По материалам диссертации опубликовано 9 работ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, выводов, практических рекомендаций, списка литературы, включающего 207 наименований работ, в том числе 174 отечественных и 33 зарубежных авторов, приложения. Материал диссертации изложен на 131 странице, содержит 14 таблиц, 11 рисунков.
Вестибулярная устойчивость как один из основных профессионально-важных качеств военно-профессиональной деятельности летчика-истребителя
Одной из главных задач, решаемых специалистами авиационной и космической медицины, является проблема обеспечения безопасности полетов, повышение эффективности и надежности профессиональной деятельности летного состава. Возможности применения авиационной техники и рационального использования космических летательных аппаратов определяются не только уровнем их технического совершенства и энерговооруженностью, но и функциональным состоянием летного состава.
Современный летный труд характеризуется исключительно высоким темпом восприятия и переработки информации, а также своевременным, грамотным принятием решения по управлению летательным аппаратом. Пилотирование самолета выполняется в режиме острого дефицита времени, на фоне действия целого комплекса факторов авиационного полета. В полете на летчика воздействуют шум, вибрация, меняющаяся освещенность, различные по величине, времени и направлению ускорения и т. д. На космонавтов, помимо этого, влияет еще и длительная невесомость, гиподинамия, гипокинезия и др. (В.В.Ддов, 2000). Указанные экстремальные воздействия вызывают у летного состава повышение нервно-эмоционального напряжения, ухудшение самочувствия (Т.П. Ступаков, А.А.Меденков, М.Н.Хоменко, 1995), что приводит к возникновению иллюзий, дезориентации в пространстве, нарушению координации движений, операторских функций и проявлению различных вестибулосенсорных, вестибуловегетативных и вестибулосоматических реакций, свидетельствующих о снижении статокинетическои устойчивости пилота.
Реальная перспектива создания еще более маневренных самолетов пятого поколения, а в космонавтике - совершения более длительных космических полетов предъявляет повышенные требования к статокинетическои устойчивости летного состава и остро ставит вопрос о необходимости дальнейшего совершенствования существующей системы медицинского обеспечения полетов (М.Н.Хоменко, КВ.Бухтияров, 1997), повышения статокинетическои устойчивости, и вестибулярной устойчивости летного состава как основной составляющей статокинетическои устойчивости (И.В.Бухтияров, М.Н.Хоменко, П.К.Лысов, 2001).
Функцию равновесия тела человека определяет способность сохранять устойчивое вертикальное положение в состоянии покоя, при ходьбе и выполнении различных двигательных актов. Одним из важнейших условий жизнедеятельности человека, позволяющее ему активно взаимодействовать с внешней средой, является сохранение равновесия и координации движений, которые являются одним из наиболее древних приобретений человека в процессе его эволюции (Г.Ю.Магнус, 1962; В.С.Гурфинкель, 1994; Х.Т.Абдулкеримов с соавт., 2000; V.Brooks, 1986; V.Brooks et al., 1995).
С позиций целостного (холистического) функционального подхода в настоящее время патологические сенсорные, вегетативные и соматические реакции, возникающие при поражении вестибулярного аппарата и различных структур центральной нервной системы, трактуются как следствие нарушения взаимодействия элементов единой статокинетической системы организма, выполняющей три функции: ориентировку в пространстве, поддержание статического и динамического равновесия тела и трофику сенсомоторных актов (В.И.Усачев, В.О.Самойлов, 1993; Г.Д. Глод, М.Н.Хоменко, 1982; В.КУсачев, В.Р.Гофман, В.А.Дубовик, 1995; В.ИУсачев, 1993, 1995). Длительное возбуждение вестибулярного аппарата может приводить к вегетативным и двигательным нарушениям (А.Л. Кулик с соавт., 2002).
В состав статокинетической функциональной системы входят следующие самостоятельные подсистемы (В.И. Усачев, 1995): подсистема поддержания равновесия тела, функционирующая с участием вестибулярной рецепции, проприоцепции, мозжечка и мышечных эффекторов; подсистема ориентировки в пространстве; подсистема локомоций.
Особое значение в деятельности статокинетической системы имеет вестибулярный анализатор и влияние зрительной и проприоцептивной афферентации.
В настоящее время полисенсорная природа функции равновесия является общепризнанной (Н.А.Бернштейн, 1947; В.И.Копанев, 1974; Г.Л.Комендантов, 1964; В.И. Усачев и соавт., 1995; V.Brooks, 1986). В условиях нормального функционирования системы равновесия информация, поступающая от каждой из сенсорных систем, модулируется другими, формируя общий информационный поток, необходимый для регулирования позы (M.E.Norre, 1995).
Статокинетическая система охватывает руброспинальный, таламо-паллидарный, пирамидно-стриарный и теменно-премоторный уровни построения движений (Н.А.Бернштейн, 1947). Ее функционирование можно рассматривать и с точки зрения теории функциональных систем П.К. Анохина (1980).
Вестибулярный аппарат является одним из важных афферентных входов статокинетической системы. Это - датчик положения головы и информатор о параметрах ее перемещения в пространстве при активных и пассивных движениях человека (Г.Л.Комендантов, 1983; В.А.Дубовик, 1996). Вестибулярный анализатор играет огромную роль в двигательной деятельности спортсменов (Ю.В.Катуков, 1990). Различные внешние факторы могут вызывать расстройства вестибулярной функции (Н.С.Благовещенская, 1990; В.И. Бабияк и соавт., 1996; В.ЙБабияк, В.Г.Базаров, А.А.Ланцов, 2000). Это касается и внешних факторов, которые воздействуют на летчика во время пилотирования высокоманевренных самолетов.
Значимость сохранения пространственной ориентировки летчика в маневренном полете исключительно велика, при этом борьба с нарушениями пространственной ориентировки летчика в полете является одной из наиболее трудных, комплексных и экономически значимых проблем медицинского обеспечения безопасности полета (А.А.Подшивалов, 1987; П.А.Коваленко, 1989; R.DeHart, 1986; Т.J. Lyons, J.E. Freeman, 1990). Так, среди причин летных происшествий, обусловленных ошибками летчика, нарушение и потеря пространственной ориентировки составляет 5-12%, среди причин летных катастроф удельный вес потери пространственной ориентировки достигает 20% (В.А.Корженьянц, Е.П.Коструб, 1986; A.J. Benson, 1978). Суммарный экономический ущерб по этой причине, несмотря на ряд проводимых мероприятий, растет и по данным службы безопасности полетов ВВС США, с учетом материальных потерь и гибели летчиков, составляет сотни миллионов долларов в год (TJ. Lyons, J.E. Freeman, 1990).
Организация исследования
Работа проведена на базе кафедры анатомии Московской государственной академии физической культуры и Государственного научно-исследовательского испытательного института военной медицины Министерства обороны Российской Федерации (ГосНИИИ ВМ МО РФ), Военно-воздушной инженерной академии им. Н.Е. Жуковского, 5-го военного клинического госпиталя ВВС и ПВО.
Исследование выполнено в соответствии с планом НИР кафедры анатомии МГАФК и ГНИИИ ВМ МО РФ по теме «Морфофункциональные корреляты состояния шейного отдела позвоночника и вестибулярной устойчивости» (2001- 2005 гг.).
На первом этапе проводили анализ научно-методической литературы, включая период предварительного наблюдения, определяли задачи и подбирали методы исследования.
На втором этапе проводили анализ системы подготовки высококвалифицированных летчиков с учетом данных анатомо-биомеханических, физиологических, медицинских обследований, физической подготовки (оценка физической подготовленности).
На третьем этапе проводили сравнительный анализ результатов оценки взаимосвязи вестибулярной устойчивости с исходным уровнем функционального состояния шейного отдела позвоночника, разрабатывали методику специальной физической тренировки шейного отдела позвоночника и оценивали ее эффективность.
Для обоснования концепции и технологии подготовки высококвалифицированных летчиков к воздействию вестибулярных раздражителей в условиях современных авиационных полетов, на основе реализации принципа индивидуального подхода с применением новых информационно-тренажерных технологий, проводили педагогический эксперимент.
В эксперименте участвовали летчики различных родов авиации ВВС России, проходящие специальную физическую подготовку в учебных центрах МО и в процессе медицинского освидетельствования во время очередной врачебно-летной экспертизы в 5-ом военном клиническом госпитале ВВС и ПВО.
Заключительный этап посвящен аналитическому анализу и обобщению экспериментальных данных, формированию выводов и практических рекомендаций, оформлению диссертационной работы.
Изучение уровня предельной статической устойчивости мышц шеи военных летчиков
Прогнозирование риска нарушений в шейном отделе позвоночника, детерминируемых воздействием пилотажных перегрузок, базируется на сравнении моментов действующих гравитационных сил и моментов компенсирующих мышечных сил, превышение которых и приводит к декомпенсации воздействия и развитию нарушений.
Для получения количественных значений предельных мышечных моментов сил в целях установления уровней допустимой биомеханической нагрузки на шейный отдел позвоночника пилотажных перегрузок потребовалась разработка специальной методики исследования статической работоспособности мышц шеи. В процессе разработки и реализации методики учитывалось, что для прогноза биомеханической устойчивости шейного отдела позвоночника в условиях перегрузок необходимо получение следующих параметров:
- величины максимального момента силы, развиваемой в плоскости движения (в кГс м);
- различной величины предельного времени создания момента силы - для 90; 75 и 50% от максимального.
Разработанная в рамках данной работы методика позволяла получать вышеуказанные параметры на основе определения данных статической работоспособности мышц шеи, в том числе и при различном пространственном положении головы.
Результаты исследования по определению Fmax и статической выносливости мышц-разгибателей шеи при вертикальном положении головы представлены на рис. 5 и 6.
Как следует из данных рис. 5, зависимость предельного времени удержания усилия от его величины (в % от Fmax) соответствует общеизвестной в физиологии мышечной деятельности зависимости "величина нагрузки -время". Максимальное увеличение времени - с 3 до 100 с - наблюдается при уменьшении усилия от Fmax до уровня 45% Fmax, в то время как при дальнейшем снижении величины силы кривая зависимости принимает практически пологий вид. По данным субъективной оценки испытателями в диапазоне силы более 50% Fmax невозможность дальнейшего удержания головы была обусловлена резко выраженным утомлением мышц шеи, сопровождающимся даже болезненными ощущениями. При меньших 50% Fmax значениях усилия невозможность дальнейшего удержания была обусловлена постепенно нарастающим «мягким» утомлением мышц шеи и «позной» мускулатуры верхней половины туловища.
Абсолютные значения максимального предельного момента силы мышц-разгибателей (рис. 6) составляли в среднем 4.3 кГс м, при этом возможная длительность удержания создаваемого момента силы составляла в среднем: для величины 2.8 кГсхм - 20с; 2.3 кГсхм - 40с; 1.64 кГсхм - 150с; 1.09 кГсхм-400с.
Зависимость предельного времени удержания усилия от его величины мышц боковых сгибателей (на рис. 5 и 6 не приведена) количественно и качественно практически соответствовала данным для мышц-разгибателей.
Данные по предельному времени создания момента силы различной величины для мышц-разгибателей и боковых сгибателей шеи представлены в таблице 4.
Однако, как следует из представленных в таблице данных, при одинаковых действующих моментах силы предельная длительность создаваемых усилий для мышц-разгибателей шеи была достоверно ниже, чем у мышц - боковых сгибателей. Это свидетельствует о более высокой статической работоспособности мышц - боковых сгибателей, по сравнению с разгибателями, особенно в условиях кратковременных субпредельных нагрузок, что подтверждает результаты ранее выполненных исследований.
Следует отметить, что анализ индивидуальных значений у каждого испытателя выявил высокую прямую связь между показателями статической работоспособности мышц-разгибателей и боковых сгибателей у одного и того же человека (рис. 7). Этим подтверждается положение, что исходный уровень развития силовых качеств различных мышечных групп позной мускулатуры базируется на их пропорциональном участии в обеспечении позно-мышечного каркаса в целом.
Сила, развиваемая в многоосных суставах, существенно зависит от величины суставного угла. Это обусловлено как изменением длины мышц (максимальная сила обычно падает пропорционально квадрату уменьшения ее длины), так и изменением плеча силы тяги мышц относительно оси вращения. При этом для каждого суставного движения существует определенная зависимость между суставным углом и максимальной силой.
Применительно к задаче оценки биомеханической устойчивости шейного отдела позвоночника в условиях перегрузок это проявляется не только изменением инерционных моментов при различном пространственном положении головы, но и изменением компенсирующих их мышечных моментов.
Динамика силовых характеристик мышц шеи в результате их специальной тренировки
Для определения физического развития летчиков и определения однородности контрольной и экспериментальной групп, принявших участие в педагогическом эксперименте, проведены антропометрические измерения их габаритных размеров тела, спирометрии и кистевой динамометрии. Данные представлены в таблице 8.
Как видно из таблицы, длина и масса тела обоих групп не имела достоверных различий. Длина тела летчиков экспериментальной группы составляла в среднем 174,0±6,6 см, контрольной - 175,9±6,1 см; масса тела - 73,7±7,1 кг и 74,1+7,2 кг, соответственно.
Показатели жизненной емкости легких у летчиков контрольной и экспериментальной групп также не имели достоверных различий. Данный показатель в контрольной группе составил в среднем 4660170 мл, в экспериментальной - 4650±60 мл.
Аналогичные значения показателей кистевой динамометрии имели летчики экспериментальной и контрольной групп. В экспериментальной группе этот показатель в среднем составил 55,0±4,4 кг для правой и 53,2±4,9 для левой руки. В контрольной группе значения кистевой динамометрии в среднем 54,9±6,1 и 54,3±7,7 кг для правой и левой руки, соответственно. Как показали результаты исследования антропометрических показателей в экспериментальной и контрольной группах после проведенного курса специальной физической тренировки, незначительные сдвиги соматометрических показателей произошли в экспериментальной группе, что выразилось в снижении массы тела, улучшении показателей кистевой динамометрии, В контрольной группе антропометрические показатели особых изменений не претерпели, в большинстве случаев оставаясь на исходном уровне или же имея тенденцию к некоторому ухудшению.
Исследование динамики статической выносливости мышц разгибателей шеи летчиков до и после цикла специальной физической тренировки и сравнение показателей экспериментальной и контрольной групп представлены в таблицах 9 и 10.
Как видно из таблицы, в экспериментальной группе отмечено достоверное увеличение времени удержания веса 15 кг мышцами разгибателями шеи при сравнении показателей их статической работоспособности до и после проведения курса специальной физической тренировки. Среднее значение данного показателя у летчиков экспериментальной группы увеличилось от 59, 1 сек до 2 мин 17,1 сек. В контрольной группе значения вышеназванного показателя достоверных изменений не претерпели. Среднее значение показателя статической выносливости мышц разгибателей шеи при удержании веса 20 кг у летчиков в ходе педагогического эксперимента в экспериментальной группе увеличилось с 20,9 сек до 1 мин 13,4 сек.
Исследование динамики статической выносливости мышц боковых сгибателей шеи летчиков до и после цикла специальной физической тренировки и сравнение показателей экспериментальной и контрольной групп представлены в таблицах 11 и 12.
