Измерения в биомеханике. Биомеханический контроль. клинический анализ движений. тесты в биомеханике. методы обследования. Состав измерительной системы

Для точной оценки движений человека используют измерительную аппаратуру. Измерительные приборы должны соответствовать требованиям точности, стабильности, устойчивости, изоляции токоведущих частей и механической добротности.

Все измерительные системы включают в себя датчики биомеханических характеристик с усилителями и преобразователями, каналы связи и регистрирующее устройство (запоминающее и воспроизводящее).

Рис.2. Схема состава измерительной системы.

Датчик – первое звено измерительной системы, воспринимает изменения показателя. Закрепляется на теле человека или вне его.

Датчик, закрепленный на теле человека, должен иметь минимальный вес и не стеснять движения. Это, например, маркеры суставов, электромиографические электроды, датчики суставного угла или ускорения. Датчики также размещают на инвентаре, снарядах, покрытиях, на которых выполняется упражнение

Усилитель характеризуется коэффициентом усиления.

Информация от датчиков передается по телеметрическому каналу .

Зарегистрировать информацию можно (результат регистрации – график, магнитная лента):

а) индикаторы (тепловые, световые, химические);

б) счетчики (механические, электронные и др.);

в) самописцы (перьевые, струйные, тепловые);

г) осциллографы (шлейфные и электронные).

Метод тензодинамометрии (сконструирован А.Б. Абалаковым) позволяет зарегистрировать и измерить усилия, развиваемые спортсменом при выполнении различных физических упражнений. Спортсмен оказывает механическое воздействие на снаряды и покрытие, которые в результате этого деформируются. Величину деформации можно зарегистрировать с помощью тензодатчиков, наклеенных на упругий элемент.

Используют проволочные, фольговые и полупроводниковые тензодатчики. Для измерения трех составляющих усилия их наклеивают на три взаимно перпендикулярные плоскости. В качестве измерительного и регистрирующего устройства используют осциллограф. Наиболее распространены динамографическая платформа для трехкомпонентной записи опорного давления.

Метод акселерометрии позволяет зарегистрировать ускорения движения тела и его звеньев. Состоит из датчиков ускорения, наклеенных на тело человека или на снаряд, усилительной аппаратуры и регистрирующей аппаратуры (осциллограф или магнитофон). Для ориентации вектора ускорения используется синхронизированная двух- или трехплоскостная видеосъемка.

Метод электрогониометрии предназначен для измерения величины суставных углов при движении тела человека. Он предназначен для измерения подвижности и изменения углов во времени.

Гониометр состоит из двух тонких стержней, концы которых соединены шарниром. Между планками закреплен электрический преобразователь. Через проводную связь информация поступает на усилитель, преобразователь и регистратор. Запись изменения углов называется гониограммой. Запись информации от нескольких углов называется полигониометрией.

Близкими к этому методу являются ангулография (запись углов сгибания и разгибания нижних конечностей), ихнографии и подографии (запись следов при ходьбе и беге)

Рентгенографический метод позволяет определить теоретически допустимую амплитуду движения, рассчитав ее на основании рентгенологического анализа строения сустава.

Метод электромиографии – способ регистрации и анализа биологической активности мышц. Позволяет изучить активность отдельных мышц, длительность работы и согласованность в работе мышц с помощью регистрации разности потенциалов. Установка состоит из электродов, наложенных на кожу над соответствующей мышцей, усилителя биопотенциалов и регистрирующего устройства.

Метод стабилогрфии используется для определения колебания ОЦТ тела при попытке сохранения равновесия.

Электромеханический спидограф или фото- (лазеро-) электрическая установка для определения скорости одиночных движений.

Самым простым из них является электромеханический спидограф , состоящий из лентопротяжного механизма с отметчиками времени и расстояния. К ним присоединена через катушку с тормозом леска, другой конец которой крепится к поясу спортсмена. Во время бега (или плавания, гребли и т.п.) вытягивание лески приводит к замыканию контактов, и писчики отмечают на ленте время (через каждые 0,02 с) и расстояние (через 1 м).

Более предпочтительной в этом смысле является фотоэлектронная установка . Она состоит из фотоэлементов, усилителя и регистрирующего устройства (электронных часов, осциллографа, самописца и т.п.). Фотоэлектронные датчики располагаются в определенных точках дистанции (например, через каждые 3 м для бега на 30 м или через каждые 5 м для бега на 100 м); при пересечении линии датчиков изменяется их освещенность, и ВИУ срабатывает.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В БИОМЕХАНИКЕ

Постановка задачи и выбор методик исследования. Понятие об измерительной системе (датчики, передача, преобразование, регистрация информации).

Расчетные методы (определение координат, скоростей, ускорений, сил, моментов сил).

Постановка задачи и выбор методик исследования.

Биомеханика как естественная наука в значительной мере базируется на экспериментальном исследовании изучаемых явлений. В самом исследовании выделяют три последовательных этапа: измерение биомеханических характеристик, преобразование результатов измерения, биомеханический анализ и синтез. Использование вычислительной техники позволяет выполнять эти действия одновременно.

Для количественной оценки того или иного явления используются только объективные (инструментальные) методы исследования.

Конкретный метод выбирают исход из задачи и условий проведения эксперимента. В биомеханике к методу исследования и обеспечивающей его аппаратуре предъявляются следующие основные требования:

- метод и аппаратура должны обеспечивать получение достоверного результата, то есть степень точности измерений должна соответствовать цели исследования;

- метод и аппаратура не должны влиять на исследуемый процесс, то есть не должны искажать результаты и мешать испытуемому.

При проведении исследования желательно придерживаться принципа объективной срочной информации (В.С. Фарфель, 1961), то есть информации о главном факторе спортивного движения должна поступать либо во время выполнения движения, либо сразу после его окончания.

Выбор метода исследования в первую очередь определяется характером изменения контролируемой величины во времени. По этому признаку биомеханические характеристики могут быть разделены на биомеханические параметры и биомеханические переменные.

Биомеханические параметры – это такие характеристик, значения которых не изменяются в течение всего процесса измерения (например, масса тела, момент инерции и координаты ОЦТ в фиксированной позе, вес снаряда). Величина параметров может быть неизвестна, но она не изменяется.

Биомеханические переменные – это характеристики, величина которых в процессе измерения меняется, как правило случайным образом (силы, ускорения, координаты и т.п.).

Требования к точности измерений в биомеханике спорта, прежде всего определяются целью и задачами исследования, а также особенностями самого движения. Считается достаточным, если погрешность при измерении не превышает ±5%.

Преобразование результатов измерений применяется для повышения точности полученных результатов (статистическая обработка) и определения расчетным путем непосредственно не измеряемых биомеханических характеристик.

Расчетные методы базируются на использовании законов механики (статики и динамики точки, тела, системы тел), а также статистических данных о геометрии масс тела человека. Эти данные могут быть представлены в виде таблиц, характеризующих связь массы отдельных сегментов тела человека с его общим весом (весовые коэффициенты); характеризующих связь длины сегмента с расстоянием до его ЦТ (радиусы центров тяжести). Эти данные могут быть представлены также в виде коэффициентов регрессии (парной и множественной) .

Понятие об измерительной системе (датчики, передача, преобразование, регистрация информации).

В основе инструментальных методов биомеханического контроля лежат измерительные системы. Типовая схема измерительной системы состоит из шести блоков.

1. Объект измерения.

2. Воспринимающее устройство.

3. Преобразователь.

4. Вычислительное устройство.

5. Передающее устройство.

6. Индикатор (записывающее устройство).

Воспринимающее устройство или датчик. Его основное назначение – восприятие физических величин. При исследованиях в спорте чаще всего используются следующие датчики.

Фотодиоды (или фотоэлементы). Используются для измерения временных отрезков.Их входная величина – освещенность, выходная – постоянный ток. Фотодиоды чувствительны в диапазоне от 0 до 500 гц и имеют погрешность в 1-3%, что недостаточно при особо точных измерениях.

Реостатные датчики (потенциометры). Используются для измерения линейных и угловых перемещений, могут использоваться для измерения усилий. Входная величина потенциометра – угловое перемещение, выходная – изменение сопротивления. У него сравнительно небольшая погрешность, высокая чувствительность.

Тензорезисторы. Используются для измерения усилий. Использование тензорезисторов позволяет превратить любой спортивный снаряд в средство для изучения движения. В основе действия тензорезисторов лежит тот же физический принцип, что и у реостатных датчиков – изменение геометрических размеров проводников вызывает изменение электрического сопротивления датчика. R = r l / q – сопротивление прямо пропорционально удельному сопротивлению и длине проводника, и обратно пропорционально площади его сечения. Изменения длины и площади сечения в пределах упругости материала пропорциональны силе действия. Входная величина тензорезисторов – перемещение, выходная – изменение сопротивления. К достоинствам этих датчиков относятся: малая погрешность измерений, устойчивость к вибрациям. К недостаткам – низкая чувствительность, необходимость тщательного приклеивания. Наиболее существенной для тензорезисторов является температурная погрешность.

Акселерометры предназначены для измерения ускорений. Линейные ускорения точек тела человека изменяются весьма значительно (например, при замахе и ударе по мячу – от 200 до -1000 м/с 2). Поэтому для достижения максимальной точности измерений акселерометры подбираются по своим характеристикам для измерения вполне конкретных классов движений.

Применение акселерометров ограничивается тем, что датчик измеряет не ускорение движения тела, а равнодействующую линейного ускорения и ускорения силы тяжести. Для определения искомого ускорения надо знать ориентацию датчика относительно вертикали в каждый момент времени, то есть измерение должно сопровождаться стереокиносъемкой. Но при изучении ударных движений это не обязательно.

Электроды – игольчатые и накожные – предназначены для снятия биопотенциалов с работающих мышц.

Преобразователи (они же блок питания датчиков и усилители) могут быть самыми различными – от самодельных устройств до стандартных многоканальных. Позволяют усиливать сигналы с датчиков до уровня, достаточного для использования регистрирующего прибора.

Вычислительное устройство сравнивает сигнал с эталоном (калибровочным сигналом) и по проводам или с помощью радиотелеметрии передает результат на индикатор, либо записывающее устройство.

В некоторых случаях измерительная система не включает в себя вычислительное устройство и анализ материалов производится отдельно с использованием полуавтоматических дешифраторов или даже вручную. В таких случаях о соблюдении принципа срочной информации говорить не приходится.

Для регистрации данных могут использоваться самописцы (например, электрокардиограф), пишущие осциллографы, печатающие устройства. Они обладают своими достоинствами и недостатками. Так у самописцев при записи быстротекущих процессов может быть слишком большая инертность. Светолучевые (шлейфные) осциллографы лишены этого недостатка, но зато обработка пленки занимает много времени и есть опасность испортить кинопленку при обработке (да и раздобыть такую пленку не так просто). Запись сделанную ультрафиолетовым лучом на фотобумаге УФ не надо обрабатывать, но саму запись не увеличить для дешифровки.

Экспериментальные методы определения биомеханических параметров (оптические и оптико-электронные, механоэлектрические, измерения временных интервалов, комплексные).

Для регистрации биомеханических параметров используются методы, заимствованные из многих областей знаний. Эти методы удобно разбить на оптические, оптико-электронные, механоэлектрические, комплексные.

Оптические методы регистрации движений. В зависимости от задач исследования могут применяться:

1. 1. Обычная фотография для определения структуры позы.
2. 2. Фотография с многократной экспозицией – для получения информации о движениях в плоскости съемки. При использовании этих видов фотосъемки тремя синхронизированными аппаратами получают изображение объекта в трех плоскостях.
3. 3. Циклографическая (стробографическая) съемка. Производится через обтюратор или с использованием пульсирующих маркеров, а также источников света. Позволяет получить готовый достоверный промер движения.
4. 4. Стереостробофоторафия. Ее достоинством является документальная точность локализации точек в кадре по трем координатам в последовательные моменты времени, интервалы между которыми заданы электронным, а не механическим устройством.
5. 5. Киносъемка – общедоступный информативный педагогический и биомеханический метод исследования движений в спорте. В зависимости от скорости протяжки пленки аппаратура делится на стандартную (24 к/с), «лупу времени» (до 300 к/с), и специальные высокочастотные (до 5000 к/с) кинокамеры.

Фото- и кинопленка является материалом для расчетов механических характеристик движения, точность которых зависит от достоверности снятия исходных координат, что в свою очередь, является следствием правильности организации съемки.

Испытуемый должен быть в плотно облегающем костюме с контрастными метками над осями суставов. Место исследования выбирают исходя из размаха перемещений объекта. Освещение должно обеспечивать достаточную кратковременность экспозиции. Для уменьшения искажений по краям снимка используют длиннофокусные объективы. Оптимальное расстояние между объективом и объектом (Е 0) определяется по формуле:

Е 0 = V F k / C f , где V – скорость объекта, м/с, F – фокусное расстояние, см, k – отношение времени экспонирования ко времени смены кадров, С разрешающая способность аппарата, см, f – частота киносъемки, к/с.

Оптико-электронная регистрация движений преимущественно осуществляется с помощью видеозаписи. В этом случае движения могут быть сразу же воспроизведены на экране и использоваться для прикладного педагогико-биомеханического анализа. Однако для количественной оценки техники обычные видеомагнитофоны не подходят из-за низкой разрешающей способности. В связи с этим созданы специализированные видеомагнитофоны (так называемое Speed - Video ). В комплексе с вычислительным устройством они позволяют давать срочную количественную оценку движений.

По материалам кино- и видеосъемки, проведенной с соблюдением всех технических требований к их организации, можно определить ряд механических характеристик положения или движения тела. Обычная фотография или кадр пленки является документом для определения в плоскости съемки следующих показателей.

1. координат центров тяжести звеньев или ОЦТ тела;
2. моментов сил тяжести звеньев;
3. суставных углов;
4. моментов и углов устойчивости;
5. моментов инерции звеньев и тела.

Анализ нескольких кадров связан с прослеживанием этих же характеристик во времени.

Зависимость координат точек тела от времени представляет закон их движения в выбранной системе координат. Эти данные необходимы для количественной оценки качества движений. Динамика суставных углов, моментов сил тяжести и условий работы мышц составляет предмет анализа движений человека как биомеханической системы, управляемой ЦНС. Изменения момента инерции тела раскрывает механизм построения сложных вращательных движений.

Механоэлектрические методы определения биомеханических характеристик. Оптические и оптико-электронные методы исследования не позволяют (за редким исключением) проводить количественную оценку движения сразу после измерения, так как получению конечного результата предшествуют этапы химической обработки материалов (не всегда) и расчета по ним биомеханических характеристик. Это существенно ограничивает возможность использования результатов исследования в тренировочном процессе. Механоэлектрические методы в значительной мере свободны от этого недостатка. Они заключаются в преобразовании измеряемой механической величины в электрический сигнал и последующем измерении (или регистрации) и анализе его.

Основным преимуществом механоэлектрических методов измерения биомеханических переменных являются оперативность получения измеряемых характеристик и возможность автоматизации расчета непосредственно не измеряемых характеристик. Самым распространенных из этой группы методов является тензодинамометрия. В процессе выполнения упражнения человек механически взаимодействует с внешними телами (опорой, снарядом, инвентарем). Эти тела деформируются. Причем величина деформации как правило пропорциональна силе воздействия. Для регистрации этих деформаций чаще всего используются тезодатчики, но могут применяться и реостатные датчики.

В большинстве случаев тензометрическая аппаратура используется непосредственно для определения силовых характеристик спортивных движений и изучения на этой основе динамической структуры двигательных действий.

Широкое распространение получили тензоплатформы – устройства, позволяющие определять взаимодействие человека с опорой при отталкивании. Составляющие реакции опоры (вертикальная и горизонтальные) регистрируются независимо от точки контакта с прибором.

Стабилометрия. С помощью тензометрической аппаратуры можно исследовать также перемещение точки приложения усилия к тензоплатформе. Такое перемещение может происходить как из-за передвижения испытуемого, так и из-за изменения положения его ОЦТ при перемене позы. Для этих измерений требуется многокомпонентная тензоплатформа, с помощью которой измеряются отдельно составляющие реакции во всех опорах, установленных по углам платформы.

Акселерометрия. Одной из наиболее важных характеристик движения является линейное ускорение. определять его также можно также с помощью тензометрической аппаратуры. В данном случае тензодатчик регистрирует деформацию упругой пластины, связанной с движущимся объектом. Так как масса датчика (m ) и упругость пластины (C ) величины постоянные, то перемещение массы датчика относительно объекта будет пропорционально линейному ускорению объекта. Параметры акселерометра подбираются таким образом, чтобы собственная частота колебаний датчика, была в 3-4 раза больше максимальной частоты изучаемого процесса.

Гониометрия – измерение у человека углов в сочленениях тела. Суставной угол является важной биомеханической характеристикой, например при определении программы позы. От суставного угла зависит сила тяги мышцы (то есть ее длина и ее плечо относительно оси сустава).

Для непосредственного измерения суставных углов применяются механические и электромеханические гониометры. В последних используются реостатные потенциометры. Корпус потенциометра жестко связывается с одной из планок гониометра, а с другой – его ось.

Механография – запись движения. Осуществляется также с помощью потенциометров. Перемещающаяся точка соединяется малорастяжимой нитью с осью датчика. Движения с большой амплитудой могут быть зарегистрированы, если на ось потенциометра надеть кольцо (блок) соответствующего диаметра.

Электромиография – способ регистрации электрической активности мышц. Позволяет получать информацию непосредственно при выполнении физического упражнения. Можно выделить три основных направления использования электромиографии для изучения двигательной деятельности человека. 1. Характеристика активности отдельных двигательных единиц мышц. 2. Определение активности отдельных мышц в различных двигательных актах. 3. Характеристика согласования активности мышц, объединенных общим участием в движении. Для решения биомеханических задач используются главным образом второе и третье направления. При использовании электромиографии для изучения спортивных движений обычно применяются накожные электроды, но иногда используют и игольчатые. Накожные электроды могут быть моно- и биполярные. В любом случае электромиограмма может отражать электрическую активность тех мышц, над которыми находятся электроды, либо (при монополярном отведении) активность мышц, которые находятся между активными и индифферентными электродами.

Следует учитывать, что регистрируемая величина биопотенциалов зависит от трех факторов. От положения электродов относительно мышцы – при расположении вдоль волокон, а также вблизи от двигательной точки (место входа нерва в мышцу) потенциалы больше. От электропроводности кожи – кожу следует обезжиривать эфиром. От формы и размеров электродов – следует пользоваться одними и теми же или, в крайнем случае, одинаковыми.

В любом случае электромиограмма может использоваться как показатель состояния механизмов координации движений в качестве эквивалента механических явлений (напряжения, тяги), возникающих в мышце при ее возбуждении. Н.В. Зимкин и М.С. Цветков (1988) показали, что по сглаженной электромиограмме можно судить об участии в движении мышечных волокон разного типа (быстрых, промежуточных и медленных), а следовательно и о составе мышцы. Сглаженную электромиограмму проще обрабатывать, чем натуральную, по сглаженной электромиограмме можно рассчитывать скорость возбуждения мышцы .

Методы измерения временных показателей. Если траектория известна заранее, а амплитуда движения велика (несколько метров), то регистрировать время прохождения отрезков можно с помощью фотодатчиков. Сигналы от датчиков либо выключают электросекундомеры (каждый датчик – свой секундомер), либо регистрируются самописцем (осциллографом). В последнем случае точность метода определяется точностью отметчика времени, либо точностью лентопротяжного механизма. Степень достоверности результатов прямо зависит от числа установленных на дистанции датчиков.

Комплексные способы исследования. Целью биомеханики является исследование как физических возможностей спортсмена, так и способов решения определенной двигательной задачи. В процессе исследования необходимо выяснить закономерности построения движений, определить взаимосвязь между механическими и биологическими характеристиками, отражающими координацию движений. Эта задача является весьма сложной, так как зависимость между мышечным напряжением и движением не является однозначной, указывал Н.А. Бернштейн. Причиной движения звеньев тела является напряжение мышц, которое обусловлено как степенью возбуждения, так и степенью растяжения мышцы. Таким образом, перемещение звена изменяет длину мышцы и как следствие, ее напряжение.

Комплексная регистрация биологических и механических характеристик движения является необходимым условием изучения закономерностей управления движениями человека. Она возможна при одновременной записи электрофизиологических и биомеханических показателей движения. Когда регистрируется электрическая активность мышц и внешняя картина движения (кинограмма, циклограмма, тензодинамограмма, гониограмма, механограмма). При записи этих процессов на различные носители возникает необходимость в применении специальных устройств для синхронизации записи. Одно из таких устройств описано в [ 4, С. 60 ] .

При использовании механо- и (или) тензодинамографии задача синхронизации записей решается проще, так как они осуществляются на одной и той же ленте.

Итак, к настоящему времени доказана необходимость и исключительная ценность использования многоканальной одновременной регистрации параметров кинематики, динамики и электрической активности мышц для установления связи между различными феноменами движений и их причинами, а так же для реализации идеи оптимального управления тренировочным процессом.

Однако использование в естественных условиях с целью комплексной оценки технического мастерства спортсменов, информативных инструментальных методов (тензо-, механо-, электромиографии, киносъемки и др.) обычно связано с большими организационными и методическими трудностями.

Вместе с тем доказано, что в искусственно созданных условиях, обеспечиваемых использованием тренажера, можно получить достоверную информацию о той или иной стороне технической или физической подготовленности. Кроме того, упрощенная структура упражнения позволяет с большей вероятностью оценить характер изменения физического компонента, так как уменьшается влияние технического компонента на результат. И хотя тренажер никогда не заменит целостное движение, есть множество данных о том, что тренажерно-исследовательский комплекс может успешно решать задачи срочной достоверной информации, а также определения того состояния спортсмена, которое гарантирует ему достижение желаемого результата на соревнованиях.

Расчетные методы изучения движений (определение координат, скоростей, ускорений, сил, моментов сил).

Содержательные выводы могут быть сделаны на основании надежной достоверной информации. Отсюда следует, что методы и аппаратура, применяемые в биомеханических исследованиях, должны обеспечивать получение достоверных результатов. Это означает, что степень точности измерений должна соответствовать цели исследования, а методы и аппаратура не должны влиять на исследуемый процесс, то есть не должны искажать результат и мешать испытуемому.

На первый взгляд этим требованиям вполне отвечают (косвенные измерения, механико-математическое моделирование), основанные на использовании физических закономерностей и статистических данных о геометрии масс тела человека (т аблицы и иллюстрации содержатся в ). Расчетные методы используются при решении прямой и обратной задач динамики. При этом в качестве исходных данных обычно используются кинематические или динамические характеристики, то есть анализ производится с начального или конечного звена явлений, составляющих объект биомеханических исследований (механическое движение человека, причины и проявления этого движения).

Расчетные методы часто применяются для косвенного определения биомеханических характеристик, которые по разным причинам не могут быть измерены (зарегистрированы) непосредственно, например, в условиях соревнований.

Видные биомеханики Д.Д. Донской и С.В. Дмитриев (1996) констатируют, что «…развитие точной регистрирующей аппаратуры и компьютеризация исследований двигательных актов захватили исследователей построением механико-математических моделей, очень сложных и эффективных в раскрытии тончайших деталей движения (особенно в инженерной и медицинской биомеханике)». Мы не вправе оспаривать это утверждение полностью, но эффективность применения механико-математического моделирования для решения некоторых задач биомеханики спорта подвергается сомнению многими не менее известными исследователями.

В отечественной научно-методической литературе возможности расчетных методов продемонстрированы в единичных работах, подтвердивших общеизвестные истины, например, при определении ведущих элементов техники в спортивной гимнастике (Ю.А. Ипполитов, 1997), выделении факторов, обеспечивающих результат в прыжках на лыжах с трамплина (Н.А. Багин, 1997), выявлении зависимости между кинематикой и динамикой вращений в фигурном катании на коньках (В.И. Виноградова, 1999). Авторы продемонстрировали высочайшую эрудицию, но во всех случаях расчетные результаты значительно отличались от результатов, полученных прямым измерением в аналогичных условиях.

Теоретически это объясняется тем, что в основе классических расчетных методов в биомеханике лежит гипотеза эквивалентности неживой и живой массы. Данная гипотеза предполагает, что биологическое тело не меняет своей внутренней структуры под воздействие управляющих сил и моментов, а также пребывает в неизменной позе. Если это условие не выполняется, то методы классической биомеханики становятся неприменимыми.

Экспериментальные исследования, проводившиеся в течение многих лет в лаборатории биомеханики ВНИИФКа, показали, что «…ограниченность классических расчетных методов для получения по перемещениям точек данных о величинах ускорений и сил в двигательных действиях с изменением позы, вытекает из тех обстоятельств, что в настоящее время нет возможностей для объективной оценки направлений смещения внутренних органов, масс крови и лимфы. В рамках алгоритмов расчетов также не учитывается передача сил или энергии от звена к звену или их поглощение и рассеивание» (И.П. Ратов, Г.И. Попов, 1996). Эти же авторы экспериментально подтвердили мысль Н.А. Бернштейна о том, что не существует однозначной связи между мышечным напряжением и механическим движением (так как каждое движение – результат взаимодействия активных и реактивных сил) и показали, что в биомеханических системах функция «сила-ускорение» – нелинейная, то есть значительные ускорения при перемещении масс могут не приводить к появлению усилий.

Таким образом, недостатком расчетных методов вообще и особенно механико-математического моделирования является то, что «…разработанные модели движений человека (сомнительно адекватные живому телу человека и его движениям) пытаются «начинить» среднестатистической геометрией масс и реальной кинематикой живых упражнений» (М.Л. Иоффе с соавт., 1995). «Результаты такого подхода плачевны как с научной, так и с практической точек зрения», – подчеркивает Н.Г Сучилин (1998).

Литература. 1. Годик М.А. Спортивная метрология: учебник для ИФК. – М.: Физкультура и спорт, 1988. С. 57-66.

2. Зациорский В. М., Аруин А. С, Селуянов В. Н. Биомеханика двигательного аппарата человека. – М.: Физкультура и спорт, 1981. – 143 с.

3. Зимкин Н.В., Цветков М.С. Физиологическая характеристика особенностей сократительной деятельности мышц у спринтеров и стайеров // Физиология человека. – 1988. – Т.14. – № 1. – С. 129-137.

4. Практикум по биомеханике: Пособие для ин-тов физ.культ /Под общ. ред. к.б.н. И.М. Козлова. – М.: Физкультура и спорт, 1980. – 106 с.

5. Селуянов В.Н., Чугунова Л.Г.Расчет масс-инерционных характеристик тела спортсменов методом геометрического моделирования // Теория и практика физической культуры.– 1989. – № 2. – С. 38-39.

6. Сучилин Н.Г., Аркаев Л.Я., Савельев В.С. Педагогико-биомеханический анализ техники спортивных движений на основе программно-аппаратного видеокомплекса // Теория и практика физической культуры. – 1995. – № 4. – С.12-21 .

7. Шафранова Е.И. Методы обработки биоэлектрической активности мышц // Теория и практика физической культуры. – 1993. – № 2. – С. 34-44; № 3 – С. 16-18.

8. Уткин В.А. Биомеханика физических упражнений: Учеб. пособие для ф-тов физвоспитания. – М.: Просвещение, 1989. – С. 56-79.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ БИОМЕХАНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ (2 часа)

Шкалы измерений (наименований, порядка, интервалов, отношений).

Задачи обработки биомеханических измерений. Обработка результатов проводится для оценки погрешности полученных данных, а также для определения расчетным путем непосредственно не измеряемых биомеханических характеристик.

Оценка погрешностей, а также их уменьшение путем дальнейшей обработки результатов измерений имеет в в биомеханических исследованиях спортивных движений первостепенное значение, поскольку специфические требования к методам исследования не позволяют применять высокоточные, но громоздкие измерения. Для решения этой задачи была разработана математическая теория ошибок измерений. Ниже в кратком виде будут даны основные рекомендации по оценке погрешностей и уменьшению их влияния на конечный результат.

Не все биомеханические характеристики могут быть непосредственно измерены с соблюдением требований, предъявляемым к методам измерения в спортивных исследованиях. Но использование функциональной связи между искомыми и измеряемыми характеристиками позволяет, как правило, определять все интересующие исследователя биомеханические характеристики. Этот метод взят из техники, где он широко распространен, и носит название «метод косвенных измерений».

Расчет искомых биомеханических характеристик по данным косвенных измерений может производиться как в процессе измерения с использованием средств вычислительной техники, так и в процессе анализа результатов измерений после эксперимента. И в том, и в другом случае наличие погрешностей измерения накладывает определенные ограничения на методы обработки результатов косвенных измерений.

Оценка погрешности измерений и правильное, то есть выполненное в соответствии с ГОСТом, представление материалов измерений дает возможность сопоставлять результаты исследований, проводимых с помощью разных методов измерения или различными авторами. А это, в свою очередь, позволяет резко сократить число дополнительных исследований одних и тех же явлений и тем самым сократить длительность и стоимость биомеханических исследований вообще.

Погрешности измерений, классификация, источники и методы устранения. Погрешность измерения – разность результата измерения Х i и истинного значения измеряемой величины Х ист. : e = Х i – Х ист.

По способу определения различают абсолютные и относительные; а по происхождению – систематические и случайные, а также грубые погрешности (промахи).

Способ определения абсолютных погрешностей мы только что описали. Абсолютная погрешность выражается в тех же единицах, что и измеряемая величина. За истинное значение обычно принимают результат, полученный с помощью более точного метода.

Относительная погрешность часто используется при проведении комплексного контроля, когда измеряются показатели разной размерности: e отн. = e / Х i *100%. Еще один довод за использование относительной погрешности – определение относительной погрешности необходимо для оценки возможности использования данной методики для исследования конкретного движения (ошибка не должна превышать ±5,0% измеряемой величины).

Систематические погрешности – это погрешности, значение которых остается неизменным (или меняется известным образом) от опыта к опыту. Следовательно, они могут быть исключены из окончательного результата, если их величина определена путем предварительной тарировки аппаратуры перед каждым экспериментом. Различают 4 группы систематических ошибок. 1. Причина возникновения известна и величина может быть определена достаточно точно (температурная погрешность, линейка с отломанным началом …). 2. Причина возникновения известна, а величина – нет. Эти ошибки зависят от класса измерительной аппаратуры и колеблются внутри предельной допустимой величины. Класс точности (1,0, 2,0 и т.д.) означает относительную погрешность измерений в процентах. 3. Происхождение и величина ошибки неизвестны. Такие ошибки проявляются в сложных измерениях, когда не удается учесть все источники возможных погрешностей. 4. ошибки, связанные со свойствами объекта измерения. Систематический контроль за спортсменами позволяет определить меру их стабильности и учитывать возможные погрешности измерений. Иначе трудно бывает отделить значимые сдвиги (например, при утомлении) от погрешностей измерения.

Для устранения систематических погрешностей используют два способа. Первый – это тарировка аппаратуры – проверка показаний приборов с использованием эталонов во всем диапазоне возможных значений измеряемой величины. Второй способ – это калибровка – определение погрешностей и величины поправок.

Случайные погрешности вызываются неконтролируемыми, изменяющимися от опыта к опыту причинами. Случайные погрешности проявляются при одновременном действии очень большого числа не зависимых друг от друга причин, каждая из которых оказывает малое влияние на результат измерения, но в совокупности эти причины дают заметный эффект. Случайная погрешность по самой своей природе не может быть учтена и компенсирована в процессе проведения эксперимента.

Грубые погрешности (промахи) по характеру существенно отличаются от случайных. Если случайные погрешности возникают при исправной аппаратуре и правильных действиях экспериментатора, то причиной возникновения промахов являются неисправности и (или) ошибки в работе. Грубые погрешности обнаруживаются по резкому выпадению результата из общего ряда полученных чисел, что, как правило, находится в резком противоречии с физической картиной явления.

Обработка результатов прямых и косвенных измерений биомеханических параметров и переменных. Методы оценки и уменьшения случайных погрешностей измерения биомеханических параметров и переменных существенно различаются.

Обработка результатов измерений биомеханических параметров. Основным способом уменьшения случайных погрешностей при измерении биомеханических параметров является проведение повторных измерений и обработка их результатов.

Обработка результатов прямых измерений биомеханических параметров. При отсутствии точных сведений о физических причинах наблюдаемого разброса результатов измерений за наиболее вероятное значение измеряемой величины принимают оценку математического ожидания результатов измерений, то есть. Степень достоверности полученного результата можно оценить величиной интервала ± q внутри которого с заданной вероятностью α будет находиться величина: = t * S x , где t – критерий Стьюдента для числа равного n -1; S x – средняя ошибка средней арифметической.

Обработка результатов косвенных измерений биомеханических параметров. В ряде случаев интересующая нас величина не измеряется непосредственно, а вычисляется как функция измеренных значений каких-то других величин. Например, то есть. В таких случаях для расчета средней арифметической и средней ошибки средней арифметической сначала определяют наиболее вероятные значения измеряемых параметров (угла и скорости вылета) и их средние ошибки. В дальнейшем предполагается, что погрешности определения параметров малы по сравнению с их истинными значениями, а измерения каждого из параметров проводились независимо друг от друга. Это допущение справедливо для подавляющего большинства случаев биомеханических косвенных измерений. Тогда наиболее вероятное значение длины полета вычисляется по средним значениям скорости и угла вылета: . Средняя ошибка рассчитывается так: .

Обработка результатов измерения биомеханических переменных. Биомеханические переменные (координаты, скорости, ускорения) в процессе движения представляют собой случайные функции времени. Результатом их измерения являются, как правило, таблицы значений, зафиксированных через определенные промежутки времени, либо графики, начерченные самописцем (осциллографом). Повторные измерения принципиальное не могут повысить точность результата из-за вариативности движений человека. Одновременное измерение искомой переменной с помощью нескольких однотипных приборов с последующей обработкой не рекомендуется из-за громоздкости аппаратуры и влияния этого фактора на измеряемый процесс.

Относительно простым способом повышения точности измерения биомеханических переменных является использование различия частотного состава измеряемого процесса и возникших при измерении случайных погрешностей (помех), то есть при работе аппаратуры на синусоиду процесса (1) накладывается синусоида ошибки (2).

Характер погрешностей при этом можно определить путем пробных записей в случае, когда измеряемая переменная равна нулю или постоянна. Например, при отсутствии движения.

Устранить погрешности при записи можно сглаживанием сигнала с помощью фильтра, коэффициент передачи которого определяется по формуле:, где f – частота входного сигнала, R – сопротивление резисторов, С – величина емкости конденсатора. Расчеты выполняются отдельно для частоты сигнала процесса и частоты сигнала помехи, затем сравниваются коэффициенты передачи измерения и помехи.

Сглаживанию можно подвергать и табличные данные. Эта процедура обязательно применяется тогда, когда по табличным данным рассчитывают производную измеренного сигнала, то есть по координатам рассчитывают скорости и ускорения. Практически это выполняется таким образом, что перемещения, а затем разности скоростей рассчитываются не между соседними кадрами, а через 1 или более кадров.

Если результат представлен в виде графика, на котором измеряемый процесс содержит высокочастотную погрешность, то можно выполнить графическое усреднение путем нанесения средней линии между высокочастотными колебаниями процесса.

Погрешность динамических измерений определяют экспериментально с помощью проверки измерительной аппаратуры (тарировка) в условиях близких к условиям ее практического использования (по силе, скорости процесса).

Щкалы измерений (наименований, порядка, интервалов, отношений).

Шкала	Характеристики	Математические методы	Примеры
Наименований (номинальная)	Объекты сгруппированы, а группы обозначены номерами. То, что номер одной бруппы больше или меньше номера другой группы, ничего не говорит об их свойствах, кроме того, что они различаются	Число случаев. Мода. Тетрахорические и полихорические коэффициенты корреляции	Номер спортсмена, амплуа, специализация, вид спорта и т.д.
Порядка (ранговая)	Числа присвоенные объектам, отражают количества свойств, принадлежащих данным объектам. Возможно установление соотношения «больше» или «меньше»	Медиана. ранговая корреляция. Ранговые критерии. проверка гипотез методами непараметрической статистики	Результаты ранжирования спортсменов в тесте
Интервалов	Существует единица измерений, при помощи которой объекты можно не только упорядочить, но и приписать им числа так, чтобы равные разности означали равные различия в количестве измеряемого свойства. Нулевая точка произвольна и не указывает на отсутствие свойства	Все методы статистики, кроме определения отношений (например, градусы не суммируют и не вычитают, градусы на градусы на делят и не умножают)	Температура тела, суставные углы
отношений	Числа, присвоенные объектам, обладают всеми свойствами интервальной шкалы. На шкале есть абсолютный нуль, который соответствует полному отсутствию какого-либо свойства у объекта. Отношения чисел, присвоенных объектам после измерений, отражают количественные отношения измеряемого свойства	Все методы статтистики	Длина, масса, скорости, ускорения, сила и т.д.

Представление результатов измерений. Правильное представление результатов биомеханических измерений является важным фактором обеспечения достоверности и наглядности результатов биомеханических исследований. При представлении результатов следует придерживаться следующих правил. 1. Все записи, касающиеся исследования, должны вестись полно и аккуратно, быть вполне понятными любому достаточно квалифицированному читателю. 2. Все результаты наблюдений (измерений), а также вычисленный по ним окончательный материал следует приводить вместе с погрешностями. Для каждой величины должна быть указана размерность в соответствии системой СИ. 3. Число и его погрешность следует записывать так, чтобы их последние цифры принадлежали к одному и тому же десятичному разряду. 4. Ошибка, получающаяся в результате вычислений должна быть примерно в 10 раз меньше погрешности измерений.

При изучении биомеханических переменных результаты могут быть представлены в виде графика. Основное достоинство графика – наглядность. График должен быть таким, чтобы можно было сразу охватить вид полученной зависимости, получить о ней количественное представление и отметить наличие различных особенностей – максимума, минимума, областей наибольшей и наименьшей скоростей изменения, периодичности и т.п. При вычерчивании графика следуют правилам. 1. График строят на миллиметровой бумаге, или бумаге с координатными сетками. 2. По оси абсцисс (Х) откладывают ту величину, которая вызывает изменения других величин (время – всегда). На осях обязательно указывают обозначение и размерность соответствующей величины. 3. Масштаб графика определяется погрешностью измерения величин, отложенных по осям (либо исходя из правил группировки данных). Масштабы по осям могут быть разными. Шкала должна легко читаться, поэтому одна клетка масштабной сетки должна соответствовать удобному числу (1, 2, 5, 10 …) единиц изображаемой на графике величины. 4. На графике приводится только экспериментально определенная область изменений показателей; не следует стремиться к тому, чтобы график начинался из точки с координатами 0; 0. 5. Что касается нанесения кривой, то есть два мнения. Одни считают, что линия должна быть плавной, другие считают, что точки на графике следует соединять прямыми линиями – то есть не заходить в гипотетические области (получается ломанная линия). 6. Заголовок должен указывать, что изображено. Кривые должны быть подписаны, либо объяснены в заголовке.

Тестирование и педагогическое оценивание в биомеханике.

Тест – измерение или испытание, проводимое для определения состояния или способностей спортсмена. В качестве тестов могут быть использованы лишь те испытания, которые удовлетворяют следующим метрологическим требованиям. 1. Должна быть определена цель тестирования. 2. Процедура должна быть стандартизирована. 3. Должна быть определена надежность и информативность теста. 4. Должна быть разработана система оценок результатов тестирования. 5. Должен быть указан вид контроля (оперативный, текущий, этапный).

В зависимости от цели тестирования тесты могут быть разделены на несколько групп. 1. Показатели, измеряемые в покое – оценка физического состояния или определение уровня «фона» для «динамических» исследований. 2. Стандартные тесты – все испытуемые выполняют одинаковые задания, нагрузка при этом не предельная и, таким образом, нет мотивации на достижение максимального результата. 3. Тесты с максимальной нагрузкой – их результат зависит от подготовленности и от мотивации.

В зависимости от количества факторов, определяющих результат теста, различают гетеро- и гомогенные тесты. Первых большинство.

Как правило, оценка уровня подготовленности проводится с помощью батареи тестов.

Определение цели тестирования выбирается исходя из существования трех разновидностей (оперативный, текущий, этапный) и трех направлений контроля (соревновательной деятельности, тренировочной деятельности, уровня подготовленности).

Разновидности и направления комплексного контроля в спорте

(по М. Годику, 1988)

Разновидности контроля	Направления контроля
	соревновательной деятельности	тренировочной деятельности	подготовленности (в лаборат. условиях)
Этапный	Измерение и оценка различных показателей на соревнованиях, завершающих к.-л. этап подготовки, либо на всех соревнованиях этапа	Построение и анализ динамики характеристик нагрузки на этапе подготовки. Суммирование нагрузок по всем показателям за этап и определение их соотношения	Измерение и оценка показателей и контроля в специально организованных условиях в конце этапа подготовки
Текущий	Измерение и оценка показателей на соревновании, завершающем микроцикл (или оно предусмотрено календарем)	Построение и анализ динамики характеристик нагрузки в микроцикле. Суммирование нагрузок по всем показателям за микроцикл и определение их соотношения	Регистрация и анализ повседневных изменений подготовленности спортсменов, вызванных систематическими тренировочными занятиями
Оперативный	Измерение и оценка показателей на любом соревновании	Измерение и оценка физических и физиологических характеристик нагрузки упражнений, серии упражнений, тренировочного занятия	Измерение и анализ показателей информативно отражающих изменение состояния спортсменов во время выполнения или срезу после выполнения упражнения или после занятия

Стандартизация измерительных процедур обуславливает точность результатов контроля. Достигается тем, что режим дня накануне тестирования, разминка, исполнители, схема и условия тестирования, интервалы отдыха и двигательная установка при тестировании должны быть неизменными.

Надежность и информативность теста. Надежность теста – степень совпадения результатов при повторном тестировании одних и тех же людей в одинаковых условиях. Наиболее простым способом определения надежности является расчет коэффициента парной корреляции результатов первого и второго тестирования. Надежность теста считается приемлемой при r ³ 0.70.

Информативность (валидность) теста – свойство теста достаточно полно отражать сущность изучаемого процесса. Информативность теста можно определить логически и эмпирически. Суть логического метода состоит в логическом (качественном) сопоставлении характеристик критерия и теста. эмпирический метод заключается в проведении корреляционного анализа критерия и результата теста.

В качестве критерия могут быть использованы – 1. результат в соревновательном упражнении. 2. наиболее значимые элементы соревновательного упражнения. 3. результаты тестов, информативность которых доказана. 4. сумма очков испытуемого при выполнении батареи тестов.

При использовании в качестве критерия спортивной квалификации, сравнивают средние значения показателей у спортсменов различной квалификации (применяют t -критерий Стьюдента). Если различия достоверны – тест информативен.

Помимо надежности и информативности тесты характеризуются также стабильностью, эквивалентностью и согласованностью.

Стабильность – разновидность надежности в случае значительного разведения во времени теста и ретеста. Высокая стабильность теста свидетельствует о стабильности исследуемого качества.

Эквивалентность теста – степень совпадения результата в данном тесте с результатами в других тестах при исследовании одного и того же признака (например, подтягивания и отжимания, прыжки с места в длину и в высоту).

Согласованность тестов – независимость результатов тестирования от личных качеств исследователя. Даже при проведении инструментальных исследований кто-то может лучше мотивировать испытуемых, что и определяет величину согласованности.

Педагогическое оценивание – завершающий этап процедуры тестирования. Заключается в: 1. подборе шкалы для перевода результатов теста в очки. 2. преобразовании результатов в баллы. 3. сравнении достижений с нормами и выведении итоговой оценки.

Результаты можно просто ранжировать, но это не всегда справедливо. Поэтому нужно использовать специальные шкалы. Их может быть много. Основными считаются четыре шкалы: пропорциональная (а), прогрессирующая (б), регрессирующая (в), S -образная (сигмовидная) (г).

Выбор шкалы оценки зависит от того, в какой зоне следует стимулировать рост результатов.

В практике используют шкалы: стандартную, перцентильную, ГЦОЛИФКа.

В основе стандартной шкалы лежит пропорциональная. Стандартная шкала названа так потому, что масштабом в ней является стандартное отклонение (S ). При построении этой шкалы используется закон нормального распределения, гласящий, что все возможные значения признака содержатся в интервале (правило трех сигм для генеральной совокупности: ). В этом случае обычно выделяют следующие зоны оценки (уровни проявления исследуемого признака:

Но эта шкала не позволяет давать точную оценку явления.

Наиболее распространена Т-шкала, где Т – результат в очках, – результат i -го участника, – результат группы, S – стандартное отклонение. Эта шкала более справедлива по сравнению с простым ранжированием.

Перцентильная (процентная) шкала. В ее создании лежит следующая операция – каждый испытуемый получает за свой результат столько очков, сколько процентов соперников он опередил. Эта шкала наиболее пригодна для оценки больших групп людей. Рассчитывают какое количество результатов укладывается в один перцентиль (процент) или сколько процентов приходится на одного человека. Данная шкала внешне напоминает сигмовидную – наибольшие изменения приходятся на середину диапазона.

Шкала ГЦОЛИФКа применяется для оценки результатов тестирования одного и того же спортсмена в различные периоды цикла или этапа подготовки: n = (лучший результат – оцениваемый результат / лучший результат – худший результат) х 100 (баллов). В данном случае результат теста рассматривается не как отвлеченная величина, а в связи с лучшим и худшим результатами.

Оценка комплекса тестов. Может выполняться с использованием регрессионного анализа. Уравнение типа У= а + b 1 x 1 + b 2 x 2 +…+ b n x n позволяет определить результат в соревновательном упражнении (У) по результатам тестов (х 1 , х 2 , …). Но надо иметь ввиду, что тесты должны быть неравнозначными. Важность (весомость) теста можно определить тремя способами. 1. Экспертная оценка – для важного теста вводится повышающий коэффициент. 2. Коэффициенты устанавливаются на основе факторного анализа. 3. Количественной мерой весомости теста может быть коэффициент парной корреляции с результатом в соревновательном упражнении. Это способы получения «взвешенной» оценки тестирования.

Второй вариант оценки комплексного контроля – построение «профиля» спортсмена – то есть графическое изображение результатов оценивания в отдельных тестах батареи. График наглядно показывает сильные и слабые стороны подготовленности.

Таблицы очков. В них максимальное количество очков (1000-1200) дается за результат, превышающий мировой рекорд, а результат новички оценивается в 100 очков. Далее идет какая-то из основных шкал. Выбор чисто субъективен. Трудно сравнивать различные виды спорта. Но эти шкалы нужны для определения хода командных соревнований и их результатов, а не уровня развития того или иного признака.

Таким образом, биомеханический контроль (с точки зрения метрологии) состоит из нескольких этапов.

Определение цели тестирования исходя из существования трех разновидностей (оперативный, текущий, этапный) и трех направлений контроля (соревновательной деятельности, тренировочной деятельности, уровня подготовленности).

I. Выбор теста (тестов) – определение его (их) надежности, информативности, а также стабильности, эквивалентности и согласованности на основе изучения научно-методической литературы или с использованием методов математической статистики. Определение процедуры тестирования. Выбор аппаратуры. Определение систематической погрешности измерений.

II. Тестирование (измерение) – регистрация биомеханических процессов в ходе двигательной деятельности с использованием инструментальных методов. Борьба со случайными погрешностями.

III. Обработка результатов тестирования с использованием соответствующих методов математической статистики в зависимости оттого, что измерялось (параметры или переменные). Выявление погрешностей, борьба с ними.

IV. Представление результатов исследования в текстовой, табличной или графической форме.

V. Выбор шкалы для оценивания результатов тестирования (пропорциональная, прогрессирующая, регрессирующая, S -образная, Т-шкала, перцентильная, ГЦОЛИФКа и др.).

VI. Оценивание результатов тестирования.

Литература.

1. Годик М.А. Спортивная метрология: учебник для ИФК. – М.: Физкультура и спорт, 1988. С. 10-44.

2. 2. Практикум по биомеханике: Пособие для ин-тов физ. культ /Под общ. ред. к.б.н. И.М. Козлова. – М.: Физкультура и спорт, 1980. – С. 65-75.

3. Уткин В.А. Биомеханика физических упражнений: Учеб. пособие для факультетов физвоспитания. – М.: Просвещение, 1989. – С. 33-56.

Рис. 4. Определение объема движений в суставах: 1 измерение объема движений в плечевом суставе (а измерение угла отве­дения, б измерение угла сгибания); 2 измерение подвижности в локтевом суставе, 3 измерение угла приведения кисти, 4 измерение подвижности в та­зобедренном суставе, 5 измерение подвижности в тазобедренном суставе при сгибательной контрактуре, 6 измерение величины отведения бедра, 7 изме­рение угла сгибания в коленном суставе, 8 измерение подвижности стопы

Рис. 9. Расположение условной оси голеностопного сустава (а): 1 нормальное положение стопы; 2 отклонение стопы кнаружи; 3 отклонение стопы внутри. Нормальные и патофизиологические изменения стопы (черным помечены зоны контакта стопы с поверхностью) (б): 1 нормальное; 2 плоскостопие; 3 косолапость

Соотношение массы к поверхности тела ребенка в зависимости от возраста. Слайд 16 Таблица 1. Возраст Масса тела, кг Поверх­ ность тела, м 2 % к средним показателям взрослых масса телаповерхность тела Новорожденные 3,50, мес 5,00, » 7.50, год 10,00, года 15,00, лет 23,00, » -27,01, » , » * Взрослые 651,73100

Средние значения изометрической силы некоторых мышечных групп в зависимости от возраста (по Е. Азтиззеп, 1968). Слайд 17. Таблица 2. Показатель (кг) Возраст, лет 20"2535"4555 мужжен.муж.жен.муж.жен.г^жжен.мужжен. Сила кисти (±16%)* 55,937,559,938,558,838,055,635,651,632,7 Сила разгиба­ телей туловища (±16%) 81,656,6 -87,458,390,759,289,857,785,749,1 Сила сгибате­ лей туловища (±17%) 60,640,964,242,266,742,466,041,563,033,6 Сила разгиба­ телей ног сидя (±18,5%) 295" *. " * Коэффициент вариации

Рассмотрим один полуцикл ходьбы, т. к. во втором полуцикле фазы и граничные позы те же, только в их названиях правую ногу нужно заменить левой, а левую – правой: 1. - отрыв стопы правой ноги от опоры; I - подседание на левой (опорной) ноге, ееё сгибание в коленном суставе 2 – начало разгибания левой ноги; II – выпрямление левой ноги, ее разгибание в коленном суставе; 3. – момент, когда правая нога в процессе переноса начала опережать левую ногу; III – вынос правой ноги с опорой на всю стопу левой ноги; 4 - отрыв пятки левой ноги от опоры; IV – вынос правой ноги с опорой на носок левой ноги; 5 – постановка правой ноги на опору; V - двойная опора, переход опоры с левой ноги на правую; Слайд 18.

В случае, если речь идет о фазовом составе двигательного действия, имеют в виду движения всего тела. При рассмотрении фазового состава ходьбы или бега имеется в виду движения ног, что необходимо для выяснения механизмов этих локомоций, т.е. как и от чего человека двигается. В беге имеется четыре фазы (римские цифры) и четыре, отделенных друг от друга граничными позами: 1. - отрыв левой стопы от опоры; I. - разведение стоп; 2. – начало выноса левой ноги вперед; II – сведение стоп с выносом левой ноги вперед; 3. – постановка правой стопы на опору; III. – амортизация, или подседание со сгибанием правой (опорной ноги); 4. – начало разгибания правой ноги; IV. - отталкивание с выпрямлением правой ноги до отрыва от опоры. слайд 18

МИНИСТЕРСТВО СПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Кафедра ЕНДиИТ

СРС№2 на тему:
«Основы биомеханического контроля».

Работу выполнил студент
II курса ДО, группа 211
Шевцов Сергей

Волгоград- 2013

Измерение в биомеханике.

Список литературы.

Измерение в биомеханике.

Человек становится объектом измерения с раннего детства. У новорожденного измеряют рост, вес, температуру тела, продолжительность сна и т. д. Позже, в школьном возрасте, в число измеряемых переменных включаются I знания и умения. Чем взрослее человек, чем шире круг | его интересов, тем многочисленнее и разнообразнее характеризующие его показатели. И тем труднее осуществить точные измерения. Как, например, измерить техническую и тактическую подготовленность, красоту движений, геометрию масс человеческого тела, силу, гибкость и т. п.? Об этом рассказывается в настоящем разделе.
В англоязычной литературе по физическому восп итанию принят более широкий перечень двигательных качеств, в том числе способность выполнять упражнения на равновесие, танцевальные упражнения и т. д.
Шкалы измерений и единицы измерений
Шкалой измерения называется последовательность величин, позволяющая установить соответствие между характеристиками изучаемых объектов и числами. При биомеханическом контроле чаще всего используют шкалы наименований, отношений и порядка.
Шкала наименований - самая простая из всех. В этой шкале числа, буквы, слова или другие условные обозначения выполняют роль ярлыков и служат для обнаружения и различения изучаемых объектов. Например, при контроле за тактикой игры футбольной команды полевые номера помогают опознать каждого игрока.
Числа или слова, составляющие шкалу наименований, разрешается менять местами. И если их без ущерба для точности значения измеряемой переменной можно менять местами, то эту переменную следует измерять по шкале наименований. Например, шкала наименований используется при определении объема техники и тактики (об этом рассказывается в следующем разделе).
Шкала порядка возникает, когда составляющие шкалу числа упорядочены по рангам, ноу-интервалы между рангами нельзя точно измерить. Например, знания по биомеханике или навыки и умения на уроках физкультуры оцениваются по шкале: «плохо» - «удовлетворительно» - «хорошо» - «отлично». Шкала порядка дает возможность не только установить факт равенства или неравенства измеряемых объектов, но и определить характер неравенства в качественных понятиях: «больше - меньше», «лучше - хуже». Однако на вопросы: «На сколько больше?», «На сколько лучше?» - шкалы порядка ответа не дают.
С помощью шкал порядка измеряют «качественные» показатели, не имеющие строгой количественной меры (знания, способности, артистизм, красоту и выразительность движений и т. п.).
Шкала порядка бесконечна, и в ней нет нулевого уровня. Это и понятно. Какой бы неправильной ни была, например, походка или осанка человека, всегда можно встретить еще худший вариант. И с другой стороны, какими бы красивыми и выразительными не были -двигательные действия гимнастки, всегда найдутся пути сделать их еще прекраснее.
Шкала отношений самая точная. В ней числа не только упорядочены по рангам, но и разделены равными интервалами - единицами измерения". Особенность шкалы отношений состоит в том, что в ней определено положение нулевой точки.
По шкале отношений измеряют размеры и массу тела и его частей, положение тела в пространстве, скорость и ускорение, силу, длительность временных интервалов и многие другие биомеханические характеристики. Наглядными примерами шкалы отношений являются: шкала весов, шкала секундомера, шкала спидометра.
Шкала отношений точнее шкалы порядка. Она позволяет не только узнать, что один объект измерения (технический прием, тактический вариант и т. п.) лучше или хуже другого, но и дает ответы на вопросы, на сколько лучше и во сколько раз лучше. Поэтому в биомеханике стараются применять именно шкалы отношений и с этой целью регистрируют биомеханические характеристики.

Технические средства и методики измерений: видеоциклография, электромиография, акселерометрия, гониометрия, тензодинамометрия.

1. подометрия - измерение временных характеристик шага;
2. гониометрия - измерение кинематических характеристик движений в суставах;
3. динамометрия - регистрация реакций опоры;
4. элекромиография - регистрация поверхностной ЭМГ;
5. стабилометрия - регистрация положения и движений общего центра давления на плоскость опоры при стоянии.

Электромиографические методы измерения
Электромиография - метод исследования нервно мышечной системы, основанный на регистрации и анализе биоэлектрических потенциалов.
Электромиография стрессовой реакции включает в себя оценку влияния стрессовой реакции на поперечно полосатую мускулатуру. ЭМГ, в сущности, можно рассмотреть как косвенное определение мышечного напряжения. Оно является косвенным в том смысле, что измеряет электрохимическую активность нервов, иннервирующих данную поперечно полосатую мышцу, а не истинное напряжение, вызываемое сокращением мускулатуры. Активность поперечно полосатой мышцы стала рассматриваться как индикатор стрессовой реакции после одной из ранних работ Э. Якобсона (Edmund Jacobson, 1938), в которой он отметил существование высокой положительной корреляции между стрессовой активацией и напряжением поперечно полосатой мышцы.
Хотя и не безоговорочно, но многие исследователи пришли к заключе нию, что регистрация ЭМГ активности лобной области может быть полезным индикатором генерализованной активности симпатической нервной системы. Практическое преимущество использования ЭМГ регистрации стрессовой реакции состоит в доступности для измерения мышечных групп. Большинство клиницистов работает с лобной мускулатурой, но и трапециевидная (верхние отделы), плече лучевая и грудино-ключично сосковая группы мышц также могут использоваться для измерения стрессовой ситуации.
Амплитуды биопотенциалов колеблются в пределах от 10 мкВ до нескольких милливольт. Частотный диапазон сигналов от 1 до 20000 Гц (имеются ссылки некоторых авторов на наличие в ЭМГ составляющих с частотами порядка сотен килогерц).
В электромиографии используется два вида электродов по конструктивному исполнению - поверхностные (накожные) и игольчатые (подкожные).
Игольчатые электроды позволяют регистрировать потенциал действия одной или немногих близлежащих мышц. Такие электроды либо хирургически имплантируют, либо вводят с помощью иглы для подкожных инъекций. В полиграфе для съема ЭМГ используют поверхностные электроды, позволяющие измерить интерференционную (суммарную) ЭМГ. Поверхностные электроды можно разделить на металлические, емкостные, резистивные, резистивно-емкостные. В полиграфе наиболее удобно использовать плоские металлические электроды. Они представляют собой пластины или диски из серебра, стали, олова и т. д. площадью около 0,2–1 см2. Два таких электрода укрепляются на коже в том месте, где контурируется мышца, вдоль хода ее волокон. Для лучшего крепления на электроды накладывают эластическую манжету. Расстояние между электродами 2 см. Для стабилизации расстояния и более равномерного прижатия электродов к коже они вмонтированы в рамку из пластмассы. Для снижения межэлектродного сопротивления кожу перед наложением электрода протирают спиртом и смачивают изотоническим раствором хлорида натрия. Для снижения переходного сопротивления кожа - электрод на область кожно-электродного контакта наносят специальную электродную пасту.
Независимо от типа электродов различают два способа отведения электрической активности - моно и биполярный. В ЭМГ монополярным называется такое отведение, когда один электрод располагается непосредственно вблизи исследуемого участка мышц, а второй - в удаленной от него области. Преимуществом монополярного отведения является возможность определить форму потенциала исследуемой структуры и истинную фазу отклонения потенциала. Недостаток заключается в том, что при большом расстоянии между электродами в запись вмешиваются потенциалы от других отделов мышцы или даже от других мышц.
Биполярное отведение - это такое отведение, при котором оба электрода находятся на достаточно близком и одинаковом расстоянии от исследуемой области мышцы. Биполярное отведение в малой степени регистрирует активность от отдаленных источников потенциала, особенно при отведении игольчатыми электродами. Влияние на разность потенциалов активности, поступающей от источника на оба электрода, приводит к искажению формы потенциала и невозможности определить истинную фазу потенциала. Тем не менее, высокая степень локальности делает этот способ предпочтительным в клинической практике.
Кроме электродов, разность потенциалов которых подается на вход усилителя ЭМГ, на кожу исследуемого устанавливают поверхностный электрод заземления, который присоединяют к соответствую щей клемме на электродной панели электромиографа. Цепь этого электрода закорачивает емкостную разность потенциалов между телом больного и землей и способствует ликвидации емкостных токов, возникающих в результате действия полей переменного промышленного тока.
Современный электромиограф представляет собой сложное устройство, состоящее из электродов для снятия биопотенциалов мышц, усилительного блока, осциллоскопа, интегратора ЭМГ, анализатора, репродуктора, вычислительного устройства и устройства вывода цифровой и графической информации.
Часть электромиографа, состоящая из усилительного блока и осциллоскопа, называется миоскопом. Миоскоп имеет от одного до четырех независимых друг от друга усилительных блоков, что позволяет одновременно исследовать четыре электромиографических сигнала.
Интегратор ЭМГ применяют для обработки информации, заключенной на электромиограмме. Анализатор ЭМГ необходим для выделения амплитуды отдельных составляющих частотного спектра ЭМГ для последующей их обработки. В современных электромиографах обработка полученной информации осуществляется с помощью ЭВМ.

Акселерометрические методы измерения
Акселерометры представляют собой датчики линейного ускорения и в этом качестве широко используются для измерения углов наклона тел, сил инерции, ударных нагрузок и вибрации. Они находят широкое применение на транспорте, в медицине, в промышленных системах измерения и управления, в инерциальных системах навигации. С 1965 года начали создавать акселерометры на базе технологии МЭМС.Уменьшение в размерах привело к массовому серийному производству. В настоящее время промышленность изготавливает много разновидностей акселерометров, имеющих различные принципы действия, диапазоны измерения ускорений и другие функциональные характеристики, массу, габариты и цены. По принципу действия различают следующие типы акселерометров: емкостные, пьезорезистивные, пьезоэлектрические, тензорезистивные, тепловые, туннельные. Акселерометры емкостного типа являются наиболее простыми, надежным и легко реализуемыми, что обусловливает их широкое распространение. Принцип их работы заключается в следующем. При ускорении движения вдоль оси чувствительности, происходит деформирование упругой подвески, которая является подвижным электродом, при этом неподвижный электрод расположен на поверхности подложки. Таким образом, изменяется расстояние между электродами, а следовательно, емкость конденсатора, образованного ими.
При разработке и изготовлении микромеханических акселерометров емкостного типа необходимо проводить контроль их характеристик. Методики измерения характеристик являются неотъемлемой частью производственного цикла изделий и служат для оперативного внесения корректировок в конструкции и технологии устройств на стадии разработки. В настоящей работе предложена методика измерения характеристик микромеханических акселерометров емкостного типа, обеспечивающих измерение ускорений в диапазоне от 0 до 500 м/с2 с точностью 0,05 м/с2, при этом масса образцов в корпусе не должна превышать 10 г, а размеры в плоскости – 3 см х 3 см.
Перед началом измерений образцы акселерометров должны быть смонтированы в стандартный металлокерамический корпус. При этом контактные площадки на образцах должны быть приварены к контактным площадкам на корпусе при помощи ультразвуковой сварки.
Ускорение образца в установленном диапазоне измерения задают при помощи вибростенда посредством регулировки амплитуды и частоты вибрации столика с закрепленным экспериментальным образцом.

Метод оптической компьютерной топографии

Стереофотограмметрия с мнимым базисом. Геометрическая модель стереофотографии. Координаты фиксированной точки: X=90 , Y=112, Z=-24 мм.Важную информацию о геометрии тела человека, об особенностях и нарушении осанки можно получить при исследовании специальным методом компьютерной топографии. Этот современный и самый точный метод позволяет количественно с высокой точностью определить координаты любой анатомической точки поверхности тела. Продолжительность обследования составляет 1 - 2 минуты, поэтому этот метод с успехом применяется для массовых исследований.

Подография - регистрация времени опоры отдельных участков стопы при ходьбе с целью изучения функции переката исследуется при помощи специальных датчиков, вмонтированных в подошву обуви.

Стабилограмма попеременного стояния на правой и левой ноге. Стабилография - объективный метод регистрации положения и проекции общего центра масс на плоскость опоры - важный параметр механизма поддержания вертикальной позы. Обычно регистрируют площадь миграции общего центра масс (ОЦМ) в проекции горизонтальной плоскости, совмещенный с очерком стопы

Электрогониометрия
Для измерения значений суставных углов применяют приборы, называемые гониометры.
Гониометр-это две плоские прямоугольные пластинки, соединенные одним концом на одной оси. Для измерения углов в сочленениях звеньев тела при движении используют электрогониометры, которые обеспечивают преобразование угловых перемещений датчика в пропорциональное электрическое напряжение. Для оценки уровня гибкости необходимо измерить амплитуду движений в суставах.

Динамометрия-измерение усилий,развиваемых спортсменом при выпонении различных физических упражнений.
С помощью динамометрической платформы - это жесткая пластина или рама, опирающаяся на 4 силоизмерительных датчика. Спортсмен становится на платформ и с помощью этих датчиков измеряется сила действия на эту платформу.
С помощью кистевых динамометров измеряют силу мышц, сгибающих пальцы, с помощью станового динамометра - силу мышц, выпрямляющих туловище ("становая" сила), и т.д.

Биомеханический контроль в волейболе.

Тестирование в волейболе
Согласно определению, тестом называется измерение или испытание, проводимое с целью определения состояния или способностей спортсмена. Процедура тестирования требует от тренера понимания того, что он оценивает и на основе каких показателей, а также с какой точностью они зарегистрированы. Тестирование является инструментом проверки правильности выбора и обоснования методики тренировки.
Оценка прыжковой подготовленности волейболиста.
Оценке прыгучести спортсменов посвящено большое количество работ, хотя сам термин "прыгучесть" строго не определен. Высоту прыжка измеряют разными способами. Первый - по времени полета, зарегистрированного с помощью контактного устройства. Это время делят пополам, предполагая, что первую его половину тело летит вверх, а другую - вниз. Далее определяют высоту прыжка, подставляя время полета тела вверх в формулу: Но, во время отрыва стоп от контактного устройства спортсмен имеет одну позу (выпрямленные ноги и руки впереди - вверху), а при приземлении - другую позу (колени согнуты до 150е, руки опущены вниз), следовательно, движение вниз длилось дольше, чем движение вверх. А при вычислении почему-то делят общее время полета пополам. Отсюда возникает большая погрешность измерения, позволяющая признать этот метод некорректным. Во втором способе высоту прыжка измеряют по методу Абалакова. Вытягивание в прыжке сантиметровой ленты, привязанной к поясу спортсмена. Недостатки этого метода очевидны: - оценивается высота вылета точки крепления ленты, а не ОЦТ тела; - если спортсмен выпрыгивает не идеально вверх (а это именно так и происходит на практике), то, при равной высот е выпрыгивания, лепт а вытянется больше у того из двух спортсменов, кто отклонится от вертикального направления.
Одним из наиболее точных методов определения высоты прыжка считается ее расчет через импульс силы, зарегистрированный с помощью тензоплатформы: При проведении корреляционного анализа между высотой прыжка, измеренной одновременно данным способом (эталон) и способами, указанными выше была обнаружена слабая связь - г не более 0.7. Поэтому, согласно основам теории тест а, надежность этих измерений неудовлетворительная. Наибольшее предпочтение тренеры стали отдавать самому простому способу - касание в прыжке пальцами, намазанными мелом, стенд а. Из это й высоты вычитают высоту при вставании на носки с вытянутой вверх рукой.
Можно также определять высоту прыжка по киносъемке, рассчитав по теореме" Вариньона положение ОЦТ тела спортсмена в момент отрыва стоп от опоры и в высшей точке траектории. Тестирования с применением подобных методов регистрации высоты прыжка позволили получить ряд интересных данных прыжковой подготовки волейболистов. Например, показано статистически достоверное увеличение средней высоты прыжка с возрастом и с ростом мастерства юных волейболистов. Величина выпрыгивания увеличивается с 35.5 + 5.2 см (в 12 лет) до 48.3 ± з.з см (в 17 лет) . Аналогичные тенденции обнаружены и в работах. На основе этих тенденций рассчитаны контрольные нормативы физической подготовки юных волейболистов в прыжках вверх и в длину с места.Аналогичным способом оценивался уровень специальной физической подготовки высококвалифицированных волейболистов. С помощью оптических методов установлено, что при выполнении прыжка вверх с2 - 3 шагов разбега, средняя высота у волейболистов экстракласса достигает, по данным разных авторов, соответственно 0.71 ± 004 м (средний рост 1,85 ±о.о5 м) ,и 0.88 м (0.66 - 1.08)

4. Список литературы:

Донской Д.Д., Зациорский В.М. Биомеханика: Учебник для институтов физической культуры.-М. ФиС,1979-264
Биомеханические методы исследования в спорте: Учебное пособие для студентов ИФК.-М.,1976.275
Колодцев И.Х., Медведев В.В. Количественный анализ движения вращающихся мячей в волейболе.
Кравцев И.Н., Орлов В.П. Контрольно-измерительный комплекс ВНИИФКА,1982
Попов Г,И, и соавт. Опыт использования скоростной кинематографии в спортивных играх,1983

МИНИСТЕРСТВО СПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования.
«Волгоградская государственная академия физической культуры»

Кафедра ЕНДиИТ

Реферат на тему:
«Силы в движениях спортсменов».

Работу выполнил студент
II курса ДО, группа 211
Шевцов Сергей

Волгоград- 2013

ПЛАН.
1. Роль сил в движении человека.
2. Рабочие и вредные сопротивления.
3. Движущие и тормозящие силы.
4. Внешние и внутренние силы относительно тела человека и их проявления (плавание).
5. Силы действия среды.
6. Силы инерции в инерционных и неинерционных системах отсчета.
7. Использованная литература.

1. Роль сил в движении человека.
Все силы, приложены двигательному аппарату человека, составляют систему сил внешних и внутренних. Система внешних сил проявляется чаще в виде силы сопротивления. Для преодоления сопротивления затрачивается энергии напряжения мышц человека. Различают рабочие и вредные сопротивления. Преодоление рабочих сопротивлений нередко оставляют главную задачу движений спортсмена (например, в преодолении веса включается цель движений со штангой). Вредные сопротивления поглощают положительную работу.
Внешние силы используются человеком в его движениях как движущие. Для совершения необходимой работы для преодоления сил сопротивления могут использоваться вес, упругие силы и др. Внешние силы являются в этом случае "даровыми" источниками энергии, поскольку человек расходует меньше внутренних запасов энергии мышц.
Человек преодолевает силы сопротивления мышечным ответствующими внешними силами и совершает как бы две части работ: а) работу, направленную на преодоление всех сопротивлений (рабочих и вредных); б) работу, направленную на сообщение ускорения и перемещаемым внешним объектам.
В биомеханике сила действия человека - это сила воздействия на внешнее физическое окружение, передаваемое через рабочие точки тела. Рабочие точки, соприкасаясь с внешними телами, передают движение (количество движения, а также кинетический момент) и энергию (поступательного и вращательного движения) внешним телам.
Тормозящими силами, входящими в сопротивление, могут быть все внешние и внутренние силы, в том числе и мышечные. Какие из них будут играть роль вредных сопротивлений, зависит от условий конкретного упражнения. Только реактивные силы (силы реакции опоры и трения) не могут быть движущими силами; они всегда остаются сопротивлениями (как вредными, так и рабочими).
Все силы, независимо от их источника, действуют как механические силы, изменяя механическое движение. В этом смысле они находятся в единстве как материальные силы: можно производить (при соблюдении соответствующих условий) их сложение, разложение, приведение и другие операции.
Движения человека представляют собой результат совместного действия внешних и внутренних сил. Внешние силы, выражающие воздействие внешней среды, обусловливают многие особенности движений. Внутренние силы, непосредственно управляемые человеком, обеспечивают правильное выполнение заданных движений.
По мере совершенствования движений становится возможным лучше использовать мышечные силы. Техническое мастерство проявляется в повышении роли внешних и пассивных внутренних сил как движущих сил.
Основными задачами совершенствования движений, повышения их эффективности в самом общем виде является повышение результата ускоряющих сил и снижение действия вредных сопротивлений. Это особенно важно в спорте, где все двигательные действия направлены на рост технического мастерства и спортивного результата.
2. Рабочие и вредные сопротивления.
Система внешних сил проявляется чаще как силы сопротивления. Для преодоления сопротивления затрачивается энергия движения и напряжения мышц человека. Различают рабочие и вредны сопротивления.
Преодоление рабочих сопротивление нередко составляет главную задачу движений человека (например, в преодолении веса штанги и заключается цель движения со штангой).
Вредные сопротивления поглощают положительную работу; они, в принципе, неустранимы (например, сила трения лыж по снегу).
3. Движущие и тормозящие силы.
Силы, приложенные к звеньям тела человека, действуя динамически, приводят к различному результату. В зависимости от того, как направлены силы относительно скорости движущегося тела, различают:
- движущие силы, которые совпадают с направлением скорости (попутные) или образуют с ним острый угол и могут, совершать положительную работу;
- тормозящие силы, которые направлены противоположно направлению скорости (встречные) или образуют с ним тупой угол и могут совершать отрицательную работу;
- отклоняющие силы, перпендикулярные к направлению скорости и увеличивающие кривизну траектории;
- возвращающие силы, также перпендикулярные к направлению движения, но уменьшающие.кривизну траектории.
Обе последние группы сил непосредственно не изменяют величину тангенциальной (касательной) скорости.
От соотношения сил, приложенных к каждому звену тела, зависит и результат их действия.
Движущая сила - это сила, которая совпадает с направлением движения (попутная) или образует с ним острый угол и при этом может совершать положительную работу (увеличивать энергию тела).
Однако в реальных условиях движений человека всегда существует среда (воздух или вода), действуют опора и другие внешние тела (снаряды, инвентарь, партнеры, противники и др.). Все они могут оказывать тормозящее действие. Более того, ни одного реального движения без участия тормозящих сил просто не бывает.
Тормозящая сила направлена противоположно направлению движения (встречная) или образует с ним тупой угол. Она может совершать отрицательную работу (уменьшать энергию тела).
Часть движущей силы, равная по величине тормозящей уравновешивает последнюю - это уравновешивающая сила (Fyp).
Избыток же движущей силы над тормозящей - ускоряющая сила (Fуск) - вызывает ускорение тела с массой m согласно 2-му закону Ньютона (Fy=ma).
4. Внешние и внутренние силы относительно тела человека и их проявления (плавание).
Внешние силы – это силы, действующие на тело извне. Под влиянием внешних сил тело или начинает двигаться, если оно находилось в состоянии покоя, или изменяется скорость его движения, или направление движения. Внешние силы в большинстве случаев уравновешены другими силами и их влияние незаметно.
Внешние силы, действуя на твердое тело, вызывают изменения его формы, обуславливаемые перемещением частиц.
Внутренними силами являются силы, действующие между частицами, эти силы оказывают сопротивление изменению формы.
Изменение формы тела под действием силы называют деформацией, а тело, претерпевшее деформацию, называют деформированным.
Равновесие внутренних сил с момента приложения внешней силы нарушается, частицы тела перемещаются одна относительно другой до такого состояния и положения, когда возникающие между ними внутренние силы уравновешивают внешние силы и тело сохраняет приобретенную деформацию.
После удаления внешней силы, если она не превзошла некоторого определенного предела, тело принимает свою первоначальную форму.
Свойство сохранения телом приобретенной деформации после снятия нагрузки называется пластичностью, а деформация - пластической.
При соприкосновении два тела воздействуют друг на друга и деформируются. Недеформированных тел не существует. Всякое тело деформируется при воздействии на него сколько угодно малой силы. Величину внутренних сил характеризует прочность сцепления частиц данного тела.
Тело при движении преодолевает силы сопротивления, величины которых различны, от небольшого торможения до сопротивления, останавливающего движущееся тело. К числу сил сопротивления, кроме внутренних сил, относят сопротивление среды (воздух, вода), силы инерции, силы трения.
Действие силы на тело, заключающееся в изменении состояния этого тела, вполне определяется следующими тремя факторами: точкой приложения силы, направлением силы, величиной силы.
Точкой приложения силы называется точка данного тела, на которую сила непосредственно действует, изменяя состояние данного тела.
Под направлением силы понимают то направление движения, которое получит тело под действием этой силы. Линией направления данной силы называется линия действия этой силы.
Измерение величины силы означает сравнение ее с некоторой силой, принятой за единицу. Измеряют силу обычно динамометрами разных конструкций.
Сила - величина векторная, т. е. имеющая не только числовое значение, но и направление, поэтому действие силы на тело определяется не только ее величиной, но и ее направлением.
Плавание – локомоторное, циклическое движение в воде. Оно протекает в необычной для человека среде и в несвойственном для него горизонтальном положении. При этом тяжесть тела уменьшается на вес вытесняемой им воды.
В работе мышц при плавании статические усилия незначительны. В то же время динамическая нагрузка велика. Это связано с трудностью сохранить равновесие в воде, а также с тем, что отталкивание происходит от жидкой среды.
Сила тяжести тела, направленная вертикально вниз, и давление воды, направленное вертикально вверх, образуют "пару сил", в результате действия которых тело должно испытывать вращательные движения. Равновесие достигается, когда общий центр тяжести тела и центр его объема (находится выше) окажутся на одной вертикали. Для этого руки вытягиваются перед головой.
Большая плотность воды и трудность отталкивания от нее обусловливают небольшую скорость движения. Но при горизонтальном положении тела уменьшается поверхность сопротивления. Такое положение необычно для человека и затрудняет координацию движений.
5. Силы действия среды.
Спортсмену нередко приходится преодолевать сопротивление воздуха или воды. Среда, в которой движется человек, оказывает свое действие на его тело. Это действие может быть статическим (выталкивающая сила) и динамическим (лобовое сопротивление, нормальная реакция опоры).
Выталкивающая сила - это мера действия среды на погруженное в нее тело. Она измеряется весом вытесненного объема жидкости и направлена вверх.
Если выталкивающая сила (Q) больше силы тяжести тела (G), то тело всплывает. Если же сила тяжести тела больше выталкивающей силы, то оно тонет.
Лобовое сопротивление - это сила, с которой среда препятствует движению тела относительно нее. Величина лобового сопротивления (R x) зависит от площади поперечного сечения тела, его обтекаемости, платности и вязкости среды, а также относительной скорости тела:
R x =S M C x pv 2 ; = MLT -2
где S M - площадь наибольшего поперечного сечения тела (мидель), С х - коэффициент лобового сопротивления, зависящий от формы тела (обтекаемости) и его ориентации относительно направления движения в среде, р - плотность среды (воды - 1000 кг/м 3 , воздуха- 1,3 кг/м 3), v- относительная скорость среды и тела.
Изменяя площадь поперечного сечения тела, можно изменить и действие среды. Так, у лыжника при спуске с горы в высокой стойке эта площадь почти в 3 раза больше, чем в низкой стойке. Значит, сопротивление воздуха при спуске можно изменять почти в 3 раза. Принимая в воде позы с лучшей обтекаемостью, нужно уменьшать сопротивление воды. Как известно, с увеличением скорости передвижения сопротивление воды или воздуха резко увеличивается (примерно пропорционально квадрату скорости).
Нормальная реакция среды - это сила, действующая со стороны среды на тело, расположенное под углом к направлению его движения. Она зависит от тех же факторов, что и лобовое сопротивление:
Ry = S M C y pv 2 ; = MLT -2
где Су - коэффициент нормальной реакции среды (в полете ее называют подъемной силой).
Нормальная реакция среды при гребке направлена перпендикулярно силе лобового сопротивления. С.) нормальной реакцией среды как с подъемной силой приходится считаться (например, пловцу во время продвижения по дистанции, прыгуну на лыжах с трамплина во время полета в во
и т.д.................

В четвертой лекции по дисциплине "Биомеханика двигательной деятельности" описываются методы исследования в биомеханике (кино- и видеосъемка, динамометрия, акселерометрия и электромиография), этапы измерений и состав измерительной системы. При анализе биомеханических методов обсуждаются положительные и негативные особенности и методов, а также погрешности измерений. Совершенствование биомеханических методов исследования позволило разработать полностью автоматические системы, позволяющие анализировать движения в реальном времени.

Лекция 4

Методы исследования в биомеханике

4.1. Понятие метода исследования

Метод (греч. methodos – путь к чему-либо) – в самом общем значении – способ достижения цели, определенным образом упорядоченная деятельность.

Метод исследования выбирают исходя из условий проведения и задач исследования. К методу исследования и обеспечивающей его аппаратуре предъявляют следующие требования:

• Метод и аппаратура должны обеспечивать получение достоверного результата, то есть степень точности измерений должна соответствовать цели исследования;
• Метод и аппаратура не должны влиять на исследуемый процесс, то есть искажать результаты и мешать испытуемому;
• Метод и аппаратура должны обеспечивать оперативность получения результата.

Пример. Тренер и спортсмен поставили цель улучшить результат в беге на 100 м на 0,1 с. Спринтер пробегает дистанцию 100 м за 50 шагов, следовательно, время каждого шага должно в среднем быть уменьшено на 0,002 с. Очевидно, для получения достоверного результата, погрешность измерения длительности шага не должна превышать 0.0001 с.

4.2. Этапы измерений

В исследовании какого-либо явления существуют три этапа:

1. Измерение механических характеристик.

Измерение механических характеристик осуществляется на основе описываемых в этой лекции методов.

1. Обработка результатов исследования.

В настоящее время для обработки результатов используют специальные компьютерные программы. Так. Например, компьютерная программа Video Motion, предназначенная для атлетизма, позволяет на основе данных видеосъемки рассчитать траекторию, скорость и ускорение движения любой точки тела спортсмена, в том числе и грифа штанги.

1. Биомеханический анализ и синтез.

На заключительном этапе измерений на основе полученных механических характеристик оценивается техника двигательных действий спортсмена и даются рекомендации по ее совершенствованию.

4.3. Состав измерительной системы

Измерительная система включает в себя:

• Датчик информации;
• Линию связи;
• Регистрирующее устройство;
• Компьютер;
• Устройство для вывода данных.

Датчик – элемент измерительной системы, который непосредственно измеряет (воспринимает) определенную биомеханическую характеристику движения спортсмена. Датчики могут крепиться на спортсмене, спортивном инвентаре и оборудовании, а также опорных поверхностях.

Линия связи служит для передачи информации от датчика к регистрирующему устройству. Линия связи может быть проводной и телеметрической. Проводная связь представляет собой передачу информации через многожильный кабель. Ее достоинством является простота и надежность, недостатком – помехи движениям спортсмена. Телеметрическая связь – передача данных через радиоканал. В этом случае на спортсмене чаще всего расположена передающая антенна, а у регистрирующего устройства есть приемная антенна, посредством которой сигнал воспринимается.

Регистрирующее устройство – прибор, в котором происходит процесс регистрации биомеханических характеристик движений спортсмена.

Долгое время существовала аналоговая форма записи сигнала. Например, аналоговая запись сигнала в видеокамерах на магнитную ленту. В настоящее время широко распространена цифровая форма записи сигнала (в виде последовательности цифр на определенный цифровой носитель, например, DVD-диск).

АЦП – аналого-цифровой преобразователь – устройство, преобразующее аналоговый сигнал в цифровую форму.

ПК – персональный компьютер, в котором происходит обработка поступающего сигнала посредством определенной компьютерной программы. После этого информация о биомеханических характеристиках спортсмена выводится на принтер или монитор.

В настоящее время в области атлетизма (тяжелая атлетика, пауэрлифтинг, бодибилдинг) нашли широкое применение следующие методики исследования:

• Оптические методы (кино- и видеосъемка с последующим анализом, оптоэлектронная циклография);
• динамометрия;
• акселерометрия;
• электромиграфия.

Именно об этих методах мы поговорим подробнее.

4.4. Оптические методы исследования

Киносъемка – оптический метод исследования. Этот метод относится к бесконтактным средствам измерения. Основы этого метода заложили Ж.Л.Дагер, Э.Ж.Маре, Э. Майбридж. Это особенно важно, поскольку система не мешает спортсмену при выполнении двигательных действий. Основным техническим средством является кинокамера. Для проведения биомеханических исследований чаще всего применяется кинокамеры с высокой частотой съемки (от 100 кадров в секунду и выше). Недостаток киносъемки является необходимость специальной обработки кинопленки. Поэтому в настоящее время в биомеханических исследованиях чаще всего применяются два других оптических метода: видеосъемка и оптоэлектронная циклография.

Видеосъемка – оптический метод исследования, позволяющий фиксировать двигательное действие на видеопленке или электронной матрице видеокамеры. В настоящее время для биомеханических исследований применяют высокоскоростные видеокамеры, позволяющие выполнять съемку до 1000 кадров в секунду и выше.

Примером такой камеры может служить цифровая фотокамера CASIO EXILIM PRO EX-F1 (рис.4.1), позволяющая выполнять скоростную съемку с частотой до 1200 кадр/с. Разрешение матрицы фотокамеры составляет 6,6 Мегапикселов. Для регистрации выполнения спортсменом силовых упражнений данной камерой может использоваться видеосъемка, которую нужно производить с разрешением 1920x1080 пикселей с частотой кадров 60 кадр/с.

Рис. 4.1. Цифровая фотокамера Casio Exlim Pro EX F1

Важнейшей деталью механических динамометров является пружина, которая должна работать в области линейной деформации. Это означает, что измеряемая сила прямо пропорциональна удлинению пружины. При измерениях в спорте очень часто применяются кистевые и становые (рис. 4.2) динамометры. Так, например, для измерения силы тяги в пауэрлифтинге используется становой динамометр. Диапазон измерений составляет от 100 Н до1800 Н с погрешностью +/-2 % по всей шкале. Вес 1.8 кг, размер 25,4х6,35 см. Ручка из прочного алюминия с удобным местом для захвата.

Рис.4.2. Становой динамометр

Недостатком механических динамометров является оценка одного, чаще всего максимального значения силы. В связи с этим, если необходимо изучить изменение усилия, развиваемого мышечной группой или спортсменом, применяются электронные динамометры. В этом случае датчиком является не пружина, а тензодатчик, а сама методика называется тензодинамометрия.

Метод тензодинамометрии позволяет зарегистрировать усилия, развиваемые спортсменом при выполнении различных физических упражнений.

В процессе выполнения спортивных движений спортсмен оказывает механическое воздействие на самые разнообразные предметы: спортивный снаряд, пол, дорожку, которые в результате этого деформируются. Для того, чтобы измерить значения развиваемых спортсменом усилий, используют специальные тензодатчики, преобразующие механическую деформацию в электрический сигнал. В основе работы тензодатчиков лежит тензоэффект. Суть тензоэффекта – изменение сопротивления проводника при его удлинении.

Тензодатчик представляет собой заклеенную между двумя полосками бумаги проволоку диаметром 0.02-0,05 мм. Он наклеивается на упругий элемент, воспринимающий усилие, задаваемое спортсменом.

В 1938 году были разработаны первые тензодатчики, которые работали на основе тензоэффекта. В 1947 году тензометрия впервые стала применяться в физических исследованиях

В спорте впервые в 1954 году М.П. Михайлюк закрепил тензодатчик на грифе штанги, П.И. Никифоров (1957) разработал тензоплатформу для записи усилий при отталкивании в прыжках в высоту. В 1963 году В.К. Бальсевич использовал тензодинамометрические стельки для анализа бега спринтеров различной квалификации. Им было установлено несколько типов отталкивания.

Методика тензодинамометрии активно применяется в тяжелой атлетике. Одна из ключевых задач тренера заключается в предоставлении информации об ошибках, то есть обратная связь от тренера к спортсмену. Обратная связь является важным элементом обучения. Спортсмен должен получать на регулярной основе информацию, которая позволяет сравнить собственную деятельность с идеалом или моделью. В результате такого сравнения, спортсмен получит знания о своей деятельности и имеет возможность работать на исправление своих ошибок.

Такая методика разработана А.Н. Фураевым (1988) и модернизирована И.П. Кожекиным (1998). Автоматизированный стенд включает в себя тензодинамометрическую платформу, АЦП (аналого-цифровой преобразователь) и компьютер. В экспертной системе компьютера заложены образцы, характеризующие правильное и неправильное выполнение двигательного действия (рывка, прыжка вверх и прыжка в глубину. Сопоставляя полученные результаты, экспертная система, построенная на анализе тензодинамограммы, позволяет спортсмену в реальном масштабе времени получить информацию об ошибках в технике двигательного действия и ввести корректировки чтобы их устранить.

4.6. Акселерометрия

Акселерометрия – биомеханический метод регистрации ускорений движения тела спортсмена, или его отдельных частей, а также ускорений спортивных снарядов. Например, в тяжелой атлетике информативным показателем техники движений спортсмена является ускорение центра масс штанги.

В качестве датчиков используются специальные акселерометры. Принцип действия датчика-акселерометра следующий. К исследуемому объекту прикрепляется масса при помощи связи, обладающей определенной жесткостью. Затем на основе известной массы и жесткости связи определяется ускорение. Основными характеристиками акселерометров являются диапазон и предельная частота изменения измеряемых ускорений.

Если используется трехкомпонентный акселерометр, можно зарегистрировать три составляющих ускорения. Выполняя дифференцирование полученного сигнала, можно рассчитать скорость и перемещение спортивного снаряда, например, грифа штанги. Используя трехкомпонентный акселерометрический датчик А.В.Самсонова с соавт. (2015) зарегистрировали ускорение головы спортсмена при выполнении силовых приемов в хоккее с шайбой.

4.7. Электромиография

Электромиографи я – способ регистрации и анализа биоэлектрической активности мышц.

Суть явления заключается в регистрации электрических потенциалов мышц, которые появляются при возбуждении мышцы. Таким образом, электромиография, является надежным методом регистрации активности мышц.

Чаще всего регистрируются следующие параметры ЭМГ (электромиограммы); длительность электрической активности мышц, частота биопотенциалов, амплитуда биопотенциалов и суммарная электрическая активность мышц.

Длительность электрической активности мышц характеризует время, в течение которого мышца была возбуждена.

Частота и амплитуда биопотенциалов мышцы характеризует степень возбуждения мышцы и характер активности различных ДЕ. Суммарная электрическая активность дает представление об общем уровне напряжения и силы развиваемой мышцей. Чем больше суммарная электрическая активность, тем больше степень напряжения, развиваемая мышцей.

Датчиками, используемыми для регистрации электрической активности, служат серебряные электроды, выполненные в виде небольших кружков (чашечек). Их диаметр составляет не более 10 мм. Внутри этих чашечек для лучшей электропроводности помещается специальная электропроводящая паста. В настоящее время регистрирующим прибором является персональный компьютер, рис.4.3.

Рис.4.3. Электромиографическая методика

Одной из первых работ, в которой электромиографическая методика применялась в исследовании двигательных действий штангиста, следует признать диссертационную работу А.С. Степанова (1957). В этом исследовании А.С. Степанов (1957) подверг детальному электромиографическому анализу основные соревновательные упражнения штангистов: толчок, рывок и жим.

В исследовании С.С. Лапенкова (1985) был проведен биомеханический анализ тяжелоатлетических и вспомогательных упражнений с использованием методики электромиографии. При сравнительном анализе движений использовались следующие характеристики ЭМГ: время электрической активности, которое характеризует длительность приложения усилий, развиваемых мышцами, средняя амплитуда ЭМГ, которая взаимосвязана с уровнем развития мышечных усилий. Использование ЭМГ методики и структурного метода распознавания образов позволило оценить эффективность вспомогательных упражнений.

За рубежом серьезные исследования силовых упражнений с применением электромиографической методики были предприняты R.F. Escamilla et al. (2001). Подробному электромиографическому и биомеханическому анализу были подвергнуты присед со штангой на плечах и жим ногами лежа (рис. 4.4).

Рис.4.4. ЭМГ-регистрация силового упражнения жим лежа с верхней и нижней расстановкой стоп (R.F. Escamilla et al., 2001)

Было установлено, что при выполнении приседания активность четырехглавой мышцы бедра и мышц задней поверхности бедра выше, чем при выполнении жима ногами. При этом присед, выполняемый с узкой расстановкой стоп, вызывает большую электрическую активность икроножной мышцы по сравнению с широкой расстановкой стоп.

Был проведен также анализ работы мышц при выполнении силовых упражнений: приседа со штангой на плечах (Н.Б. Кичайкина, А.В. Самсонова, Г.А. Самсонов, 2011). Установлено, что в нижней точке (НТ) электрическая активность большой ягодичной мышцы и мышц-разгибателей бедра (двуглавой бедра и полусухожильной) минимальна . А.В. Самсонова (2010) изучала особенности электрической активности мышц нижних конечностей при выполнении силовых упражнений. Полученные результаты свидетельствуют о том, что при выполнении силового упражнения увеличение массы внешнего отягощения приводит к уменьшению доли суммарной электрической активности четырехглавой мышцы бедра, соответствующей эксцентрическому режиму. При выполнении силовых упражнений в "отказном цикле" значительно увеличивается длительность и амплитуда электрической активности широкой латеральной мышцы бедра рис.4.5.

Рис. 3. Суммарная электрическая активность m. vastus lateralis при выполнении 2, 3 и 4 стандартных циклов (А) и отказного цикла (Б) силового упражнения с отягощением в 40% от 1ПМ. Вертикальные линии соответствуют началу цикла (А.В.Самсонова, Е.А.Косьмина, 2011)

Положительной особенностью электромиографии являлось то, что она позволяла в разных движениях оценить степень активности скелетных мышц. С этой целью чаще всего применяется изучение суммарной электрической активности мышцы. Кроме того, появилась возможность оценить последовательность активности мышц при выполнении двигательного действия.

Однако электромиографическая методика не позволяет сопоставить напряжение, развиваемое разными мышцами спортсмена при выполнении силового упражнения. То есть количественно оценить, какая мышца проявляет большее или меньшее усилие. Это связано с тем, что на уровень силы, оцениваемой по ЭМГ, влияет ряд технических факторов, а именно, качество наклейки электродов, сопротивление кожи, степень усиления и т.д. Поэтому только на основе регистрации электрической активности мышц при выполнении силового упражнения очень сложно сопоставить «вклад» каждой мышцы в результат, тем не менее, электромиографическая методика остается до настоящего времени наиболее адекватной для решения этих проблем.

Литература

1. Биленко А.Г., Говорков Л.П., Ципин Л.Л. Измерения в биомеханике физических упражнений. Практический курс: Учебное пособие /А.Г. Биленко, Л.П. Говорков, Л.Л. Ципин /НГУ физической культуры, спорта и здоровья им. П.Ф. Лесгафта, 2010.– 166 с.
2. Биомеханические методы исследования в спорте: Учебное пособие /Под ред. Г.П. Ивановой.– Ленинград, 1976.– 96 с.
3. Кичайкина, Н.Б. Периферические механизмы организации движения в изучении техники приседания со штангой в пауэрлифтинге /Н.Б. Кичайкина, А.В. Самсонова, Г.А. Самсонов //Труды кафедры биомеханики Университета им. П.Ф. Лесгафта.- Вып. 5.– СПб, 2011.- С. 42-65.
4. Кожекин И.П. Совершенствование двигательных действий тяжелоатлетов методом управления их биомеханической структурой: 13.00.04: Автореф. дис. . канд. пед. наук / Кожекин Игорь Петрович. – Малаховка: МОГИФК, 1998. - 19 с.
5. Попов Г.И., Самсонова А.В. Биомеханика двигательной деятельности /Учебник для студентов учреждений высшего проф. Образования /Г.И. Попов. А.В. Самсонова.– М.: Академия, 2011.– 320 с.
6. Самсонова, А.В. История биомеханики /А.В. Самсонова // Труды кафедры биомеханики: Междисциплинарный сборник статей /НГУ им. П.Ф. Лесгафта, Санкт-Петербург; сост. А.В. Самсонова, С.А. Пронин.- СПб.: Из-во "Олимп", 2009.– Вып.2.– С. 4-15.
7. Самсонова А.В. Характеристика суммарной электрической активности мышц при выполнении силовых упражнений //Вiсник Чернiгiвського державного педагогiчного унiверситету. Випуск 81. Серiя: Педагогiчнi науки. Фiзичне виховання та спорт.- Чернiгiв, 2010.- 427-431.
8. Самсонова, А.В. Срочные тренировочные эффекты воздействия силовых упражнений методом до "отказа" на скелетные мышцы человека / А.В. Самсонова, Е.А. Косьмина //Вiсник Чернiгiвського державного педагогiчного унiверситету. Випуск 91. Том 1 Серiя: Педагогiчнi науки. Фiзичне виховання та спорт.- Чернiгiв, 2011.– 407-410.
9. Самсонова, А.В. Ускорение головы спортсмена при выполнении силовых приемов в хоккее с шайбой / А.В.Самсонова, Л.В.Михно, Л.Л.Ципин, Г.А.Самсонов, И.А.Чичелов // Российский журнал биомеханики, 2015.- Т.19.- № 3.- С. 307-315.
10. Фураев А.Н. Оперативное регулирование тренировочного процесса тяжелоатлетов с использованием автоматизированной системы контроля биомеханических параметров.: Автореф. дис… канд. пед. наук / А.Н. Фураев.– М.: Малаховка: 1988.–23 с.
11. Escamilla, R.F. Effects of technique variations on knee biomechanics during the squat and leg press / R.F. Escamilla, G.S. Fleisig, N. Zheng, J.E. Lander, S.W. Barrentine, J.R. Andrews, B.W. Bergemann, C.T. Moorman III //Med. Sci Sports Exerc., 2001.– V.33.– N. 9.– P. 1552-1566.