Биомеханика физических упражнений ( PDFDrive ) — копия. 1. предмет и методы биомеханики
 Скачать 239.62 Kb.
|
|
Частные задачи биомеханики Частные задачи биомеханики состоят в изучении следующих основ ных вопросов: 1. Строение, свойства и двигательные функции тела спортсмена. 2. Рациональная спортивная техника. 3. Техническое совершенствование спортсмена. Первая группа частных задач направлена на выяснение вопроса об особенностях строения опорно-двигательного аппарата, его механических и функциональных свойств, особенностях работы мышечного аппарата. 19 Вторая группа задач ориентирована на изучение ныне существующей техники соревновательных упражнений, а также на разработку новой, бо лее рациональной техники для конкретного исполнителя. − Третья группа задач – биомеханическое обоснование технической подготовки спортсменов, подразумевает: − определение особенностей и уровня двигательной и физической подготовленности тренирующихся; − построение оптимальной (наилучшей) спортивной техники; − подбор вспомогательных упражнений и создание тренажеров для специальной физической и технической подготовки; − оценка и контроль эффективности применяемых методов трениров ки. 1.4. Взаимосвязь биомеханики с другими учебными дисциплинами Биомеханика, как одно из научных направлений, опирается на теоре тические данные ряда смежных наук и собственными исследованиями обо гащает их. Первоначально биомеханика развивалась как раздел биофизики, возникший на стыке физических и биологических областей знаний. Посте пенно биомеханика, как одна из биологических наук нового типа, сближа ется по методам исследования с точными науками. И, в настоящее время, по реестру научных направлений, биомеханика относится к техническим наукам (раздел – механика). Можно выделить следующие основные научные направления, с кото рыми тесно связана биомеханика: 1. Биологические науки: − анатомия; − спортивная морфология; − физиология физических упражнений. 2. Технические науки: − аналитическая механика и устойчивость движения; − динамика механических систем; 20 − теория управления движением; − теория машин и роботов. 3. Физико-математические науки: Математика: − дискретная математика; − дифференциальные уравнения; − математическая кибернетика. Информатика: − математическое моделирование; − теория оптимизации; − теория программирования. 4. Педагогика. Анатомия, спортивная морфология, физиология физических упражне ний содействуют пониманию конкретных специфических особенностей формы, строения и функции тела человека. Идеи и подходы технических наук обогащают механико математический аппарат биомеханики для анализа и синтеза движений биомеханических систем, дают необходимое обоснование в области тео рии управления двигательными действиями. Математические дисциплины и информатика вооружают исследова телей в области биомеханики двигательных действий собственными мето дами исследований, хорошо разработанными в данных областях науки. В настоящее время, особенно широкое применение в биомеханических ис следованиях находят различные вычислительные алгоритмы кинематиче ских и динамических характеристик физических упражнений с помощью средств компьютерной техники. С помощью специальных компьютерных программ материалы видеосъемки соревновательных упражнений оцифро вываются и записываются в память ПЭВМ, что позволяет, в дальнейшем, использовать их в качестве исходных данных для вычисления биомехани ческих характеристик исследуемых упражнений. Методы обучения, разработанные и принятые на вооружение в педа гогике, успешно используются биомеханикой для разработки эффектив ных методов обучения двигательным действиям. 21 Связь биомеханики с другими научными направлениями имеет дву сторонний характер, обеспечивающий взаимное обогащение теории и ме тодов исследования. Метод биомеханики – это способ исследования, путь познания зако номерностей двигательных действий в биомеханике. Теория биомеханики дает обоснование ее методу, метод же определяет возможности получения новых данных о биомеханике исследуемых упражнений. В наиболее общем виде метод биомеханики имеет в своей основе: − системный анализ; − системный синтез. 1.5. Характеристика анализа движений биомеханических систем, как метода биомеханики Рассматривая сложное двигательное действие, необходимо мысленно выделить в этой системе ее составные элементы, установить состав эле ментов системы. Выделение состава элементов системы – этап познания целостности двигательного действия. Биомеханика, как наука экспериментальная, опи рается на опытное изучение движений. При помощи биомеханических ме тодов исследования регистрируются количественные особенности двига тельных действий (биомеханические характеристики), которые позволя ют различать движения, отличить одно движение, элемент, деталь от дру гого, сравнивать их между собой. Рассматривая характеристики, мысленно расчленяют систему движений на составные элементы, части; таким об разом, устанавливают ее состав. В этом заключается системный анализ действий. Биомеханический анализ направлен на выявление биомеханических закономерностей движений. В основу биомеханического анализа положено представление о структурности движений в двигательном действии чело века. Исходя из принципа структурности, намечается определенная после довательность описания и объяснения движений. Единая последовательность операций вряд ли может быть рекомендо вана при различных задачах исследования. Однако в качестве основной 22 схемы анализа в каждом конкретном случае можно принять следующую схему: 1. Определение характеристик. По биомеханическим характеристи кам движений судят об их выполнении. Эти характеристики регистрируют, данные регистрации обрабатывают, сопоставляют, анализируют. 2. Установление двигательного состава. Основываясь на проанали зированные биомеханические характеристики определяют элементы дви жений: − Главные и корректирующие управляющие движения (суставные движения звеньев и систем звеньев). − Динамическая осанка – движение с сохранением позы спортсмена. − Фазы движений (временная форма организации элементов двига тельного действия). Устанавливают: из каких положений и в каких суставах выполняется движение, в каких направлениях и с какой амплитудой; какова последова тельность и согласованность сгибательно-разгибательных движений спортсмена в суставах в пространстве и во времени. Иначе говоря, опреде ляют внешнюю картину движения в целом. Параллельно вычленяют и составные части движений звеньев: − подготовительная фаза; − рабочая фаза; − заключительная фаза. 3. Анализ структуры движений. Установив состав движений, основ ное внимание переключают на установление структуры движений (способ взаимодействия элементов и подсистем системы): − Кинематическая структура (пространственная, временная, про странственно-временная, ритмическая, фазовая, координационная). − Динамическая структура (силовая, энергетическая, инерционная). − Вещественная структура (анатомическая – опорно-двигательный аппарат тела человека). − Управляющая структура (информационная, сенсорная, психологи ческая, эффекторная). 4. Оценка эффективности движений. Устанавливают насколько успешно решена двигательная задача и какова «стоимость» ее решения, насколько рационально достигнута цель движения. 23 1.6. Характеристика синтеза движений биомеханических систем как метода биомеханики Система движений как целое не просто сумма ее составляющих. Горсть гороха, рассыпанная по столу – не система. В системе все ее эле менты подчинены определенным связям: 1. Физические связи, посредством которых осуществляется конструк тивная связь элементов системы. Например, физическая связь сегментов тела спортсмена осуществляется с помощью суставов (пространственное расположение элементов системы – вещественная система – опорно двигательный аппарат тела человека). 2. Формализованные физические связи – описание физических связей математическим аппаратом, который математически описывает координа ты суставов сегментов тела человека с использованием обобщенных коор динат.(углы наклона звеньев тела спортсмена к оси Ох декартовой систе мы координат) и длины сегмента. 3. Законы механики – отражают в формульных выражениях зависи мость кинематических характеристик от динамических характеристик движения, например, в форме математической модели движения нераз ветвленной биомеханической системы в условиях опоры. Многочисленные взаимосвязи, объединяющие части системы, прида ют системе новые свойства, не свойственные ее частям качества (систем ные свойства). Изучая изменения количественных характеристик, выяв ляют, как элементы влияют друг на друга и систему в целом, определяют причины целостности системы. В этом и проявляется системный синтез двигательного действия. Используя компьютерную технику, можно с помощью имитационного моделирования движений человека на ПЭВМ вычленить отдельные су ставные движения, выявить их роль и вклад в формирование той или иной траектории движения, найти оптимальную технику для конкретного ис полнителя в зависимости от его росто-весовых (антропометрических) ха рактеристик и уровня развития физических качеств (силового потенциала, в частности). Синтез движений спортсмена выполняется как на теоретическом уровне (математическое моделирование движений человека на ПЭВМ), 24 так и практически в процессе овладения техникой изучаемого упражне ния. Контрольные вопросы 1. Что является объектом познания и областью изучения в биомехани ке? 2. В чем проявляется системно-структурный подход исследования движений в биомеханике? 3. В каких компонентах простые формы движения материи отличают ся от сложных форм? 4. В чем принципиальное отличие естественных движений от целена правленных и к какому из этих подклассов движений относятся двигатель ные действия человека? 5. В чем проявляется сущность цели движения и каким образом фор мулируется цель движения? 6. Какие три этапа включает в себя технология решения общей задачи биомеханики? 7. В каких аспектах рассматривается содержание частных задач био механики? 8. Какие научные дисциплины являются смежными с биомеханикой? 9. В чем проявляется сущность одного из методов биомеханики – си стемный анализ? 10. В чем проявляется сущность одного из методов биомеханики – си стемный синтез? 25 2. БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В биомеханических исследованиях, в том числе и при исследовании раци ональных форм техники соревновательных упражнений, условно различают три этапа: 1. Регистрация данных (биомеханических характеристик). 2. Обработка результатов регистрации. 3. Биомеханический анализ. Регистрация характеристик движений человека и движимых им тел вы полняется с целью получения количественных характеристик исследуемого двигательного действия. Обработка данных (результатов регистрации) позволяет получить новые данные, которые не были непосредственно зарегистрированы. Например, по данным перемещения звеньев тела спортсмена (пройденного пути) и времени, затраченного на этот путь, вычисляют скорость и ускорение. Биомеханический анализ направлен на установление биомеханических за кономерностей построения техники исследуемых упражнений, на обоснование выводов и рекомендаций. В биомеханике выделяют две большие группы биомеханических методов регистрации двигательных действий: − оптические методы регистрации движений; − инструментальные методы регистрации движений. К основным оптическим методам регистрации движений относятся: − кинорегистрация (киносъемка); − фоторегистрация (фотоциклосъемка); − светодиодная фотоциклосъемка; − стробоскопическая фотоциклосъемка; − видеомагнитофонная запись движений; К основным инструментальным методам регистрации движений относятся: − электротензометрия; 26 − вектординамография; − электромиография; − электрогониография; − спидография, акселерография. 2.1. Оптические методы регистрации движений 2.1.1. Киносъемка Кинорегистрация (киносъемка) производится путем экспозиции на после довательные участки кинопленки (кинокадры), перемещающейся в кинокамере. В дальнейшем кинопленка может быть использована: 1) для демонстрации на экране отснятых упражнений. 2) для выполнения промера упражнения с целью получения численных значений биомеханических характеристик двигательного действия. На каждом кинокадре фиксируется лишь одно положение, по которому можно определить: − позу спортсмена и координаты избранных точек (суставы) тела; − момент времени, к которому соотносится тот или иной кинокадр. Для определения позы и координат точек тела спортсмена предварительно выполняется промер упражнения. Технология выполнения промера заключает ся в следующем. 1. Кинопленку вставляют в фотоувеличитель, устанавливают начальный кинокадр выполнения упражнения и проецируют его на лист миллиметровой бумаги, расположенный на столе перпендикулярно фотопроекции кинокадра. 2. На листе миллиметровой бумаги отмечают перпендикулярными линия ми расположение внешней системы отсчета (неподвижное тело – оконный проем, спортивный снаряд в гимнастике, растяжки и торец грифа перекладины и т.п.). 3. Передвижением кинопленки в фотоувеличителе совмещают избранную внешнюю систему отсчета с системой отсчета на листе миллиметровой бумаги. 4. Отмечают крупными точками каждый сустав звеньев тела спортсмена на листе миллиметровой бумаги (для одного кинокадра). 27 5. Соединяют линиями отмеченные на листе бумаги точки (суставы) и ме сто контакта опорного звена с опорой (если упражнение выполнялось в услови ях опоры). 6. Перемещают в фотоувеличителе кинопленку упражнения на один сле дующий кинокадр и совмещают избранную внешнюю систему отсчета кино кадра с системой отсчета на листе миллиметровой бумаги. На листе миллимет ровки отмечают номер кинокадра. 7. Повторяют пункты 4-5-6 до окончания выполнения упражнения или до того кинокадра, на котором следует завершить выполнение промера в соответ ствии с задачами исследования. Полученная в результате выполнения промера кинематическая схема рас положения звеньев тела спортсмена называется кинетограммой упражнения. Иначе говоря, кинетограмма представляет собой модель траектории реального движения. Считанные координаты суставов заносят в специальную таблицу, для вычисления, в дальнейшем, численных значений биомеханических харак теристик исследуемого упражнения. Дополнительно, по промеру, определяют углы наклона звеньев тела спортсмена к оси Ох декартовой системы координат (обобщенные координа ты). Условия кинорегистрации: 1. Предварительно разрабатывается схема расположения киноаппаратуры относительно места выполнения упражнений (оптическую ось объектива аппа рата располагают перпендикулярно плоскости снимаемого движения). 2. Выполняют маркировку (разметку) фона и объекта съемки. Обычно для всех видов съемки используют в качестве фона полотно белого или черного цвета с нанесенными на нем перпендикулярными полосами черного или белого цвета (противоположными цвету фона). На суставы спортсмена крепятся круж ки лейкопластыря (или две перпендикулярные полоски лейкопластыря) с нане сенными на них черными отметками, которые на промере и представляют со бой проекцию центра сустава. 3. Для получения точного масштаба фотографируют масштабную линейку, помещенную в плоскости движения или расположенную на фоне. С этой же це лью можно предварительно измерить длины звеньев (сегментов) тела спортс мена. 28 4. Определяют условия освещения и скорость снимаемого объекта для вы бора чуствительности пленки и времени экспозиции. 2.1.2. Фотоциклосъемка На тело испытуемого (проекции центров суставов) прикрепляются светя щиеся лампочки накаливания. При однократной экспозиции получается оди ночный фотоснимок (фотография). Если держать затвор фотоаппарата откры тым в течение всего движения, то на негативе получаются непрерывные траек тории точек (фотограмма). Для лучшей ясности и четкости изображения съем ку желательно выполнять в затемненном помещении. По фотограмме невозможно определить временные характеристики дви жения и в силу этого рассматриваемый метод регистрации движений был мо дифицирован, когда на одном негативе можно получить двойной (тройной и т.д.) фотоснимок (несколько положений). Этот метод получил название «фото циклосъемка». Технология выполнения фотоциклосъемки следующая: 1. Перед объективом фотоаппарата расположен вращающийся диск (обтю ратор) с прорезями. Выдержка фотоаппарата по времени установлена на дли тельность выполнения снимаемого движения. 2. Вращающемуся диску задают определенную скорость вращения. В тот момент времени, когда прорезь диска пересекает ось объектива фотоаппарата на пленке «запечатлевается» движение. 3. На фотопленке получают хронофотограмму – ряд изображений на од ной и той же пленке через равные интервалы времени. Хронофотограмму назы вают также и циклограммой. Промер упражнения выполняется также, как и с использованием кино пленки. 2.1.3. Светодиодная фотоциклосъемка Киносъемка соревновательных упражнений имеет определенные погреш ности, связанные с недостаточно точным определением частоты киносъемки. Если механический привод (пружина) или электрический привод (батарея) под сели, то киносъемка выполняется не в соответствии со стандартом задаваемой частоты киносъемки. К тому же необходимо учитывать и инерционность обтю ратора кинокамеры и желательно включать кинокамеру на 2–3 с заранее по от- 29 ношению к времени начала выполнения упражнения, чтобы была достигнута необходимая частота киносъемки. Если стандарт частоты киносъемки не был выдержан, то в результате вы числений по промеру угловой скорости и ускорения звеньев тела спортсмена и линейной скорости точек звеньев (суставы, центр масс звена или сегмента) по лучаются большие погрешности вычислений. Светодиодная фотоциклосъемка освобождена от погрешности, связанной с недостаточно точным определением шага по времени экспозиции движения. Светодиоды, имеющие величину рисового зернышка, обладают свойством безынерционности, и частота их миганий (мерцаний) может достигать 1 милли она герц в секунду. Поэтому, задавая с помощью определенного прибора часто ту миганий светодиода, к примеру, 25 Гц в секунду, можно быть уверенным в точности воспроизведения временных интервалов светодиодной фотоцикло съемки. Светодиоды, с помощью лейкопластыря прикрепляются к суставам испы туемого. Исследуемое упражнение снимается на фотоаппарат при максимально возможном сумеречном освещении. Выдержка устанавливается в соответствии с длительностью выполнения упражнения. На негативе фотопленки через рав ные промежутки времени, заданные определенной частотой мигания светодио дов, получают в виде точек изображения светодиодов. Так как светодиоды при крепляются к суставам испытуемого, то при выполнении промера точки соеди няют прямой линией и получают кинетограмму упражнения. Считывая коорди наты суставов, получают исходную таблицу чисел для вычисления, в дальней шем, пространственно-временных характеристик изучаемого упражнения (уг ловые и линейные скорости и ускорения сегментов, звеньев и определенных точек сегментов и звеньев). 2.1.4. Стробоскопическая фотоциклосъемка Стробоскопическая фотоциклосъемка выполняется на фотоаппарат с пре рыванием внешнего источника света, падающего на объект съемки. В качестве внешнего источника света используют стробоскопические лампы накаливания, частоту миганий которых можно регулировать в большом диапазоне: до сотни и тысячи герц в секунду. 30 На одном негативе получают ряд поз освещенного человека – стробофо тограмму. По конечному результату стробоскопическая фотоциклосъемка сходна с хронофотограммой фотоциклосъемки, выполняемой с применением обтюратора. Роль обтюратора, перекрывающего объектив фотоаппарата, в стробоскопической фотоциклосъемке выполняют стробоскопические лампы, которые можно гасить и включать с большой частотой. Достоинством стробоскопической фотоциклосъемки является большая точность временных промежутков регистрации позы в движениях испытуемых, что позволяет получить и более точные данные о кинематической картине дви жения. Промер упражнения выполняется так же, как и в фотоциклосъемке. 2.1.5. Видеомагнитофонная запись движений В настоящее время видеомагнитофонная запись движений находит все бо лее широкое применение. Технология ее проведения, по условиям установки видеокамеры, условиям освещенности, маркировки испытуемых и фона анало гична киносъемке упражнений. Дальнейшие операции по использованию видеопленки просматриваются в двух направлениях: 1. Демонстрация видеопленки через видеомагнитофон с остановкой в не обходимом положении с помощью кнопки «стоп-кадр». 2. Оцифровка видеопленки с помощью компьютерной технологии и запись в видео файл, что позволяет в дальнейшем использовать полученный видео файл для выполнения промера упражнения (считывание координат суставов исполнителя) на компьютере с помощью стандартных графических редакторов. Например, с помощью стандартного графического редактора «Paint». Получен ные в результате выполнения промера координаты суставов используются, в дальнейшем, для вычисления кинематических и динамических характеристик упражнений. Однако очень широкого распространения второе направление использова ния видеомагнитофонной записи движений в настоящее время еще не получило в виду дорогостоящего интерфейсного оборудования (например, видеоплата «Miro Video DC 10», необходимая для оцифровки видеоизображения, стоит около 200-220 долларов США). 31 |