Биомеханика физических упражнений ( PDFDrive ) — копия. 1. предмет и методы биомеханики

• Название: 1. предмет и методы биомеханики
• Дата: 05.12.2020
• Размер: 239.62 Kb.
• Имя файла: Биомеханика физических упражнений ( PDFDrive ) — копия.docx
• Тип: Документы; #157296
• страница: 3 из 7

2.2. Инструментальные методы регистрации движений 2.2.1. Электрическая тензометрия

В биомеханике метод электрической тензометрии применяется для реги страции силы реакции опоры при выполнении соревновательных упражнений. Широкое распространение метод электротензометрии получил для регистрации силы отталкивания в прыжках, ходьбе, беге, метаниях и многих других видах спорта.

Метод электрической тензометрии основан на изменении электрических свойств датчиков (тензодатчиков) при деформации. При деформации тензо датчика меняется его электрическое сопротивление, а, следовательно, и выход ная величина электрического тока при постоянном напряжении, пропускаемого через тензодатчик. Тензодатчики наклеиваются на деформируемые спортсме ном части снарядов (гриф штанги или перекладины, рукоять весла, ручка тен нисной ракетки и т.п.) или на измерительные устройства (стальные кольца, пла стины и др.).

Выходная величина тока регистрируется осциллографом и электрические сигналы, пропорциональные изменению величины силы реакции опоры, остав ляют на экране осциллографа светящийся след в виде кривой, отражающей из менение величины силы реакции опоры. Для сопоставления величины измене ния электронного луча и силы реакции опоры предварительно выполняют та рировку тензометрического устройства. Тарировку выполняют в несколько эта пов:

1. Регистрируется начальный уровень электронного луча при отсутствии нагрузки на тензометрическом устройстве (перекладина, тензометрическая платформа и т.п.).

2. Регистрируется уровень электронного луча при определенной нагрузке на тензометрическое устройство. Например, спортсмен весом 70 кГ принял вис на тензометрической перекладине, что вызвало смещение электронного луча на 5 см. Следовательно, смещение электронного луча на 1 см вызывается действи

ем силы равной 14 кг (14=70/5).

3. Зависимость между величиной нагрузки и смещением электронного лу ча считается линейной (14 кг/см) и используется в дальнейшем для определе ния величины силы реакции опоры по измеренному на тензограмме смещению кривой относительно исходного уровня (при отсутствии нагрузки).

32

2.2.2. Вектординамография

Модификацией электротензометрии является метод вектординамографии, позволяющий регистрировать вертикальную и горизонтальную составляющие силы реакции опоры (взаимно перпендикулярные составляющие деформации тензометрической платформы или другого тензометрического устройства). Электрический сигнал, соответствующий горизонтальной составляющей иссле

дуемого усилия, подается на горизонтальные пластины электронного осцилло скопа: сигнал, соответствующий вертикальной составляющей усилия, – на вер тикальные пластины.

В результате одновременного воздействия двух сигналов электронный луч вычерчивает на экране след, отражающий годограф этих усилий (результиру ющая силы реакции опоры). Следует отметить возможность получения на спе циальной бумаге твердой копии кривой электронного луча, что и позволяет в дальнейшем определить, по временным отметкам тензограммы и киносъемки упражнения, позу спортсмена и соответствующие данному положению спортс мена величину и направление приложенных к тензометрической платформе усилий.

2.2.3. Электромиография

Электромиография – метод регистрации электрической активности воз буждения мышц – применяется для определения начала и окончания мышечных усилий и величины их активности.

Сущность методики (ЭМГ) состоит в регистрации контактным способом с поверхности мышцы (глобальные ЭМГ) или изнутри (локальные ЭМГ) разно сти потенциалов ее электрического поля. Для отведения глобальных ЭМГ при меняют поверхностные посеребренные электроды, прикрепляемые к изучаемой мышце или группе мышц. Для регистрации локальных ЭМГ используют иголь чатые электроды из платины.

Электрические потенциалы возбужденной мышцы (тысячные доли вольта) изменяются чрезвычайно быстро (тысячные доли секунды). Для их регистрации биопотенциалы мышц усиливают в тысячи раз и подают на безынерционный осциллограф.

33

На фотопленке или бумажной ленте одновременно регистрируются: 1. Электромиограммы группы мышц.

2. Отметка времени (обычно до 0,02 сек).

3. Предварительно записывается калибровочный сигнал, чтобы при де шифровке электромиограммы определить величины биопотенциалов. Применение портативных усилителей позволяет записывать электромио граммы в сложных условиях выполнения соревновательных упражнений (прыжки с шестом, барьерный бег, сложные гимнастические упражнения на снарядах, плавание и др.) при высоких спортивных результатах. Модификацией метода электромиографии является метод телемиографии, основанный на передаче по радио сигнала биопотенциала работающих мышц. К недостаткам методики ЭМГ можно отнести невысокую точность изме рений, что обусловлено, в частности, тем, что зависимость между электриче ской активностью мышцы и исследуемыми компонентами моторики спортсме на (мышечной деятельности) не линейна, что усложняет получение количе ственных характеристик мышечной деятельности.

2.2.4. Электрогониометрия

Гониометрией называется способ измерения суставных углов при помощи транспортира, скрепленного с линейкой.

Электрогониометрией называется способ измерения суставных углов при помощи датчика угловых перемещений.

Как правило, датчик угловых перемещений (типа ППЗ-43) представляет собой потенциометр, электрически связанный с регистрирующим прибором (самописцем) типа Н-700 или К-109. Основная погрешность данной методики заключается в изменении положения места закрепления потенциометра по от

ношению к измеряемому суставному углу, особенно при выполнении упражне ний скоростно-силового характера. Эта погрешность может достигать 15–20%.

2.2.5. Спидография, акселерография

Спидография – метод регистрации скорости движущегося объекта (сег ментов, звеньев и непосредственно перемещающегося тела спортсмена). Из из-

34

вестных приборов для регистрации скорости передвижения спортсмена наибо лее распространенным является спидограф А.В.Абалакова. Принцип действия этого прибора основан на измерении с помощью тахометра скорости враща тельного движения фрикционного шкива, приводимого в движение гибкой ни тью, прикрепленной к перемещающемуся спортсмену.

Измерение скорости движения спортсмена с помощью акселерометра вы годно отличается от измерения скорости с помощью спидографа отсутствием связи спортсмена с регистрирующим (показывающим) прибором. При исполь зовании интегрирующего акселерометра непосредственная механическая связь с показывающим прибором отсутствует.

Интегрирующий акселерометр, имеющий малый вес и габариты, прикреп ляется к спортсмену, что позволяет при помощи телеметрического устройства измерять ускорения и скорость при любом движении, в том числе и криволи нейном.

Запись скорости и ускорения производится либо на шлейфных осцилло графах типа К-105, Н-320, Н-700, или более современных, например, Н-041, ли бо на самописце, к примеру, тира Н-320-5. Обработка результатов тестирования производится по тарировочной сетке вручную или с вводом необходимых дан ных в ПЭВМ.

Акселерометрия – метод измерения ускорения. В качестве регистрирую щего прибора используется акселерометр или акселерограф.

Ускорение воспринимается маятниковым устройством, в котором при из менении скорости возникает отклонение маятника от положения равновесия (величину отклонения показывает стрелка на шкале, отградуированной в еди ницах ускорения).

В электромеханическом способе маятник связан непосредственно с тензо датчиком, изменяющим свой электрический параметр (сопротивление, индук тивность или емкость) в зависимости от механической деформации, пропорци ональной ускорению.

Как правило, при проведении акселерометрических измерений используют следующий комплекс приборов:

1. Датчик ускорений.

2. Тензометрический усилитель (например, ТУ-ЧИ, ТОПАЗ, УТ-4-1, тен зостанция УТС-12 и др.).

3. Регистрирующее устройство (например, Н-700, К-105, Н-320).

35

Основной аппаратурной погрешностью является неточность ориентации датчика и перемещение датчика на теле спортсмена, что может вызвать по грешность измерения в пределах 20–30%. Для проверки акселерометра про мышленностью выпускается специальный «Виброэлектродинамический стенд» типа ВЭДС-10А.

Контрольные вопросы

1. Какие три этапа включает в себя биомеханическое исследование движе ний человека?

2. Какие две большие группы биомеханических методов регистрации дви гательных действий существуют в настоящее время в биомеханике и что они в себя включают?

3. В чем различие между методами биомеханики и биомеханическими ме тодами исследования?

4. Какова технология проведения киносъемки упражнений?

5. Чем фотоциклосъемка отличается от киносъемки?

6. Что такое «промер» упражнения и как он выполняется по киноматериа лам киносъемки, фотоциклосъемки?

7. В чем заключается различие между фотоциклосъемкой и светодиодной фотоциклосъемкой?

8. В чем сущность стробоскопической фотоциклосъемки?

9. Какой из методов оптической регистрации движений приходит в насто ящее время на смену киносъемке упражнений и каким образом этот метод сты куется с компьютерными технологиями.

10. Какие биомеханические характеристики регистрируются с помощью электрической тензометрии и что такое «тарировка»?

11. Какой из инструментальных методов используется для регистрации электрической активности возбуждения мышц и в чем сущность данного мето да?

12. С помощью каких инструментальных методов можно зарегистрировать пространственно-временные характеристики движений (угловые параметры, скорость, ускорение)?

36

3. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАБОТЫ МЫШЕЧНОГО АППАРАТА

3.1. Биокинематические пары, цепи, степени свободы

Изучая движения человека необходимо знать, как устроен опорно двигательный аппарат: его пассивная часть – кости и их соединения и активная – мышечная система. В биомеханических исследованиях невозможно учесть строение и функции тела во всех его особенностях (изменение момента инер ции сегмента при мышечном сокращении, деформацию костной ткани, положе ние центра масс мышцы в расслабленном и напряженном состоянии и т.п.). Для изучения движений человека строят модель тела – биомеханическую систему.

Биомеханическая система обладает основными свойствами, существенны ми для выполнения двигательной функции, и не включает в себя множество частных деталей. Таким образом, биомеханическая система – это упрощенная копия, модель тела человека, на которой можно изучать закономерности движений.

Кинематические цепи. Множество частей тела, система звеньев, соединен ных подвижно и образующих между собой кинематические пары – кинемати ческие цепи. Кинематические пары и цепи – понятия заимствованные из теории механизмов и машин. В живых организмах их правильнее называть биокине матическими.

Биокинематическая пара – это подвижное (кинематическое) соединение двух соприкасающихся костных звеньев, в котором возможности движения определяются строением соединения и управляющим воздействием мышц. Ки нематическую пару можно определить также как соединение двух соприкаса ющихся звеньев, допускающее их относительное движение. В этом определе нии подчеркивается, что подвижность соединения звеньев состоит в возможно сти их относительного движения.

Строение соединений в биокинематических парах определяет постоянные степени связи, которые ограничивают движение в кинематической паре. Стро ение всех суставов (кроме одноосных) определяет также и то количество сте пеней свободы, которое оставляет неопределенность возможных движений.

37

Управляющие воздействия мышц накладывают дополнительные степени связи и оставляют только одну степень свободы (полносвязный механизм). Следовательно, управляющие воздействия мышц выделяют из множества возможных движений именно заданное управляемое движение. Почти все био кинематические пары в основном вращательные; лишь немногие допускают чисто поступательное скольжение относительно друг друга и одна пара (голе ностопный сустав) – винтовое движение.

Биокинематические цепи. Биокинематическая цепь – последовательное (или разветвленное) соединение ряда кинематических пар.

Все кинематические цепи подразделяются на плоские и пространствен ные. В плоской кинематической цепи при закреплении одного из звеньев все другие совершают плоское движение параллельное одной и той же неподвиж ной плоскости. На рис. 3.1 показаны кинематические цепи, в которых плоское движение получается при параллельности осей всех вращательных пар.

Выделяют следующие структуры биокинематических цепей (см. рис. 3.1): − неразветвленные (А);

− разветвленные (Б, С);

− замкнутые (С, Б – нижняя часть кинематической цепи);

− незамкнутые (А, Б – верхняя часть кинематической цепи).

А Б С

Рис. 3.1. Плоские кинематические цепи

38

В незамкнутой цепи имеется последнее («свободное») звено, входящее лишь в одну пару. В незамкнутой цепи возможны изолированные движения в каждом отдельном суставе. Например, вис на перекладине – неразветвленная, незамкнутая биокинематическая цепь. Ноги – свободное звено; в тазобедрен

ных суставах возможны изолированные сгибательно-разгибательные движения. В замкнутой цепи изолированные движения в одном суставе невозможны: в движение неизбежно вовлекаются и другие соединения. Незамкнутая цепь может стать замкнутой, если конечное свободное звено получит связь в виде: 1. Опоры, захвата с другим звеном цепи. Например, из стойки ноги врозь руки в стороны (руки – свободные звенья – незамкнутая цепь) – руки на пояс (цепь замкнулась, рис. 3.1, С).

2. Опоры через какое-либо тело. Например, в положении выпада две ноги замыкают цепь через опору.

Значительная часть незамкнутых биокинематических цепей оснащена мно госуставными мышцами, и движения в одних суставах, через такие мышцы, связаны с движениями в других суставах. При точном управлении во многих случаях эту взаимную связь можно преодолеть, «выключить». В замкнутых же цепях такая связь непреодолима и действия мышц передаются на отдаленные суставы.

Степени свободы движения в биокинематических цепях. Число степеней свободы звена соответствует количеству его независимых перемещений: − линейных;

− угловых.

Положение твердого тела, свободно движущегося в пространстве, полно стью определяется шестью независимыми координатами, за которые можно принять три координаты начала подвижной системы координат, связанной с телом, и три угла Эйлера, определяющие расположение осей подвижной систе мы координат относительно неподвижной. Их принято называть обобщенными, так как они определяют положение всего твердого тела относительно непо движной системы координат.

Если на физическое тело не наложено никаких ограничений (связей) оно может свободно перемещаться:

1. Относительно любой из трех взаимно перпендикулярных осей декарто вой системы координат (поступательное движение) – три степени свободы.

39

2. Совершать вращательное движение относительно любой из трех взаим но перпендикулярных осей декартовой системы координат – три степени сво боды.

Следовательно, свободное материальное тело имеет шесть степеней свобо ды, обусловливающих его возможное пространственное перемещение. Каждая наложенная связь уменьшает количество степеней свободы: 1. Зафиксировав одну точку свободного тела, сразу лишают его трех сте пеней свободы – возможных поступательных (линейных) перемещений относи тельно трех осей декартовой системы координат. Например, в шаровидном су ставе осталось три степени свободы из шести (вращательное движение относи тельно трех осей).

2. Закрепление двух точек тела оставляет одну степень свободы – враща тельное движение тела относительно оси, проходящей через закрепленные точ ки. Пример подобного ограничения – одноосный сустав.

3. При закреплении тела в трех точках, не лежащих на одной прямой, тело полностью лишается свободы движения. Такое соединение к суставам не отно сится.

3.2. Трехзвенная модель опорно-двигательного

аппарата тела человека

Многие соревновательные упражнения, например, в гимнастике, выпол няются с использованием сгибательно-разгибательных движений в двух суста вах. К примеру, большинство оборотовых упражнений на перекладине постро ено на выполнении сгибательно-разгибательных движений в плечевых и тазо бедренных суставах. Поэтому при исследовании техники упражнений, постро енных на сгибательно-разгибательных движениях в двух суставах, можно огра ничиться использованием трехзвенной модели опорно-двигательного аппарата

тела человека. Однако в гимнастике существует также широкий класс движе ний с использованием сгибательно-разгибательных движений и в других суста вах: лучезапястных, локтевых, коленных, голеностопных. Трехзвенная модель опорно-двигательного аппарата тела спортсмена в этом случае не способна ре шить задачу анализа движения с одновременным изменением угла сразу в не скольких суставах. С этой целью необходимо использовать модель, в которой

40

количество звеньев системы на единицу больше числа суставов, в которых про исходят сгибательно-разгибательные движения.

Для построения расчетных моделей анализа движений биомеханических систем с произвольным количеством звеньев рассмотрим кинематическую схе му трехзвенной модели опорно-двигательного аппарата тела человека (рис. 3.2), в которой руки – первое звено, туловище с головой – второе, ноги – третье зве но.



Рис. 3.2. Кинематическая схема трехзвенной модели

опорно-двигательного аппарата тела человека

С помощью данной модели можно исследовать кинематику и динамику вращательных движений спортсмена в условиях опоры. В процессе выполнения упражнений спортсмен не теряет контакта с опорой, к примеру, с грифом пере кладины. Поэтому расположим кисти рук спортсмена в начале неподвижной системы координат Оху, а ее в свою очередь совместим с торцом грифа пере кладины.

На принятую модель наложены ограничения:

1. Звенья тела человека и гриф перекладины считаются абсолютно твер дыми телами.

2. Суставы, посредством которых звенья тела человека соединяются друг с другом, моделируются цилиндрическими шарнирами.

3. Трение в шарнирах отсутствует.

4. Центры масс звеньев модели расположены на прямой, соединяющей их оси вращения в шарнирах.

Введем в кинематическую схему модели обозначения:

41

L₁ – длина первого звена;

L₂ – длина второго звена;

L₃ – длина третьего звена;

S₁ – расстояние от оси вращения (гриф перекладины) до центра масс пер вого звена;

S₂ – расстояние от оси вращения (плечевые суставы) до центра масс второ го звена;

S₃ – расстояние от оси вращения (тазобедренные суставы) до центра масс третьего звена;

φ₁ – угол, образованный первым звеном с осью Ох;

φ₂ – угол, образованный вторым звеном с осью Ох;

φ₃ – угол, образованный третьим звеном с осью Ох.

Для модели с произвольным количеством звеньев системы введем буквен ную индексацию для обозначения номера звена. При этом индекс может быть выражен, если это не оговорено заранее, любой буквой латинского алфавита. Например, запись

X _i, X _j, X _z , . . . , X _s,

означает совершенно одно и то же, т.е. элемент под номером, соответ ствующим буквенному индексу одномерного массива X. Для принятой модели имеем:

L_i – длина i-го звена;

S_i – расстояние от оси вращения i-го звена до его центра масс; φ_i – угол наклона i-го звена к оси Ох;

i – буквенный индекс, используемый для обозначения номера звена (i = 1, 2, ... , N);

N – количество звеньев модели.

Как известно, в процессе выполнения соревновательных упражнений из меняется взаимное расположение звеньев биосистемы и положение тела в про странстве в определенные моменты времени. Допустим, координаты движу щейся системы регистрируются с некоторым постоянным шагом по времени,

равным ∆t, а номер шага по времени равен k. В частности, за k можно принять номер кинокадра на промере. Необходимо для любого k-го номера кинокадра

42

определить кинематические характеристики движений для N-звенной модели опорно-двигательного аппарата тела человека. Нас, по крайней мере, в первую очередь будет интересовать траектория следующих точек: центра масс отдель ных звеньев модели и центра шарниров. Как будет видно из дальнейшего, вы бор именно этих точек звеньев модели обусловлен алгоритмами построения расчетных моделей динамической структуры исследуемых упражнений.