Лекция 1 Предмет и задачи курса Спортивная метрология
 Скачать 0.56 Mb.
|
|
ЛЕКЦИЯ 1 Предмет и задачи курса «Спортивная метрология» В повседневной практике человечества и каждого индивида измерение — вполне обычная процедура. Измерение наряду с вычислением непосредственно связано с материальной жизнью общества, так как оно получило развитие в процессе практического освоения мира человеком. Измерение, так же как счет и вычисление, стало неотъемлемой частью общественного производства и распределения, объективной отправной точкой для появления математических дисциплин, и в первую очередь геометрии, а отсюда и необходимой предпосылкой развития науки и техники. В самом начале, в момент своего возникновения, измерения, сколь бы различными они ни были, носили, естественно, элементарный характер. Так, исчисление множества предметов определенного вида основывалось на сравнении с числом пальцев. Измерение длины тех или иных предметов строилось на сравнении с длиной пальца руки, стопы или шага. Этот доступный способ являлся изначально в буквальном смысле «экспериментальной вычислительной и измерительной техникой». Он уходит своими корнями в далекую эпоху «детства» человечества. Прошли целые столетия, прежде чем развитие математики и других наук, появление измерительной техники, вызванное потребностями производства и торговли, коммуникациями между отдельными людьми и народами, привело к появлению хорошо разработанных и дифференцированных методов и технических средств в самых различных областях знания. Сейчас трудно себе представить какую-либо деятельность человека, в которой не использовались бы измерения. Измерения ведутся в науке, промышленности, сельском хозяйстве, медицине, торговле, военном деле, при охране труда и окружающей среды, в быту, спорте и т.д. Благодаря измерениям возможно управление технологическими процессами, промышленными предприятиями, подготовкой спортсменов и народным хозяйством в целом. Резко возросли и продолжают расти требования к точности измерений, быстроте получения измерительной информации, измерению комплекса физических величин. Увеличивается число сложных измерительных систем и измерительно-вычислительных комплексов. Измерения на определенном этапе своего развития привели к возникновению метрологии, которая в настоящее время определяется как «наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и требуемой точности». Это определение свидетельствует о практической направленности метрологии, которая изучает измерения физических величин и образующие эти измерения элементы и разрабатывает необходимые правила и нормы. Слово «метрология» составлено из двух древнегреческих: «метро» — мера и «логос» — учение, или наука. Современная метрология включает три составляющие: законодательную метрологию, фундаментальную (научную) и практическую (прикладную) метрологию. Спортивная метрология — это наука об измерениях в физическом воспитании и спорте. Ее следует рассматривать как конкретное приложение к общей метрологии, как одну из составляющих практической (прикладной) метрологии. Однако как учебная дисциплина спортивная метрология выходит за рамки общей метрологии по следующим обстоятельствам. В физическом воспитании и спорте некоторые из физических величин (время, масса, длина, сила), на проблемах единства и точности которых сосредоточивают основное внимание специалисты-метрологи, также подлежат измерению. Но более всего специалистов нашей отрасли интересуют педагогические, психологические, социальные, биологические показатели, которые по своему содержанию нельзя назвать физическими. Методикой их измерений общая метрология практически не занимается, и поэтому возникла необходимость разработки специальных измерений, результаты которых всесторонне характеризуют подготовленность физкультурников и спортсменов. Особенностью спортивной метрологии является то, что в ней термин «измерение» трактуется в самом широком смысле, так как в спортивной практике недостаточно измерять только физические величины. В физической культуре и спорте кроме измерений длины, высоты, времени, массы и других физических величин приходится оценивать техническое мастерство, выразительность и артистичность движений и тому подобные нефизические величины. Предметом спортивной метрологии являются комплексный контроль в физическом воспитании и спорте и использование его результатов в планировании подготовки спортсменов и физкультурников. Вместе с развитием фундаментальной и практической метрологии происходило становление законодательной метрологии. Законодательная метрология — это раздел метрологии, включающий комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений. Законодательная метрология служит средством государственного регулирования метрологической деятельности посредством законов и законодательных положений, которые вводятся в практику через Государственную метрологическую службу и метрологические службы государственных органов управления и юридических лиц. К области законодательной метрологии относятся испытания и утверждение типа средств измерений и их поверка и калибровка, сертификация средств измерений, государственный метрологический контроль и надзор за средствами измерений. Метрологические правила и нормы законодательной метрологии гармонизированы с рекомендациями и документами соответствующих международных организаций. Тем самым законодательная метрология способствует развитию международных экономических и торговых связей и содействует взаимопониманию в международном метрологическом сотрудничестве. 1.2. Измеряемые величины Предметом познания, как известно, являются объекты, свойства и явления окружающего мира. Таким объектом, например, служит окружающее нас пространство, а его свойством — протяженность. Она может характеризоваться различными способами. Общепринятой характеристикой (мерой) пространственной протяженности служит длина. Однако протяженность реального физического пространства — сложное свойство, которое не может характеризоваться только длиной. Для полного описания пространства рассматривается его протяженность по нескольким направлениям (координатам) или используются еще такие меры, как угол, площадь, объем. Таким образом, пространство многомерно. Любые события и явления в реальном мире не происходят мгновенно, а имеют некоторую длительность. Это свойство окружающего нас мира качественно отличается от пространственной протяженности. Его также можно характеризовать по-разному, но общепринятой мерой здесь является время. Свойство тел сохранять в отсутствие внешних воздействий состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью. Мерой инертности служит масса. Свойство тел, состоящее в том, что они, нагретые до некоторого состояния, качественно отличаются от предыдущего, могло бы характеризоваться средней скоростью теплового движения молекул, но распространение получила мера нагретости тел — термодинамическая температура. Общепринятые или установленные законодательным путем характеристики (меры) различных свойств, общих в качественном отношении для многих физических объектов (физических систем, их состояний и происходящих в них процессов), но в количественном отношении индивидуальных для каждого из них, называются физическими величинами. Кроме длины, времени, температуры, массы к физическим величинам относятся плоский и телесный угол, сила, давление, скорость, ускорение, электрическое напряжение, сила электрического тока, индуктивность, освещенность и многие другие. Все они определяют некоторые общие в качественном отношении физические свойства, количественные характеристики которых могут быть совершенно различными. Получение сведений об этих количественных характеристиках как раз и является задачей измерений. Переход к количественным методам исследований на основе измерительной информации в биологии, психологии, спорте, искусстве, медицине, педагогике, социологии и т.д. стал отличительной чертой нашего времени. Привычным стало измерение знаний учащихся, мастерства спортсменов и исполнителей художественных произведений, вдохновения, красоты, таланта и других свойств, общих в качественном, но индивидуальных в количественном отношении. Между измеряемыми величинами существуют связи и зависимости, В подобных зависимостях одни величины выступают как основные, а другие — как производные от них. Основные величины независимы друг от друга, но они могут служить основой для установления связей с другими физическими величинами, которые называют производными от них. Основными принято называть единицы, величины которых определяют по специальным образцам — эталонам. Выбрав несколько основных единиц, вводят связанные с ними производные единицы измерения. Производные единицы измерения могут быть получены из основных путем несложных арифметических преобразований или формул. Так, единица измерения длины (метр — м) и единица измерения времени (секунда — с) — основные единицы, а единица измерения скорости (метр за секунду — м/с) — производная единица измерения. Словом «величина» часто пытаются выразить размер данной конкретной физической величины. Говорят: величина давления, величина скорости, величина напряжения. Это неправильно, так как давление, скорость, напряжение в правильном понимании этих слов являются величинами, и говорить о величине величины нельзя. В приведенных выше случаях применение слова «величина» — лишнее. Действительно, зачем говорить о большой или малой «величине» давления, когда можно сказать большое или малое давление и т.п. Единица физической величины — физическая величина, которой по определению придано значение, равное единице. Можно сказать также, что единица физической величины — такое ее значение, которое принимают за основание для сравнения с ним физических величин того же рода при их количественной оценке. Количественная оценка конкретной физической величины, выраженная в виде некоторого числа единиц данной величины, называется значением физической величины. Отвлеченное число, входящее в «значение» величины, называется числовым значением. Первоначально единицы физических величин выбирались произвольно, без какой-либо связи друг с другом, что создавало большие трудности. Значительное число произвольных единиц одной и той же величины затрудняло сравнение результатов измерений, произведенных различными наблюдателями. В каждой стране, а иногда даже в каждом городе создавались свои единицы. Перевод одних единиц в другие был очень сложен и приводил к существенному снижению точности результатов измерений. Основой системы мер в древнерусской практике послужили древнеегипетские единицы измерений, а они, в свою очередь, были заимствованы в Древней Греции и Риме. Естественно, что каждая система мер отличалась своими особенностями, связанными не только с эпохой, но и с национальным менталитетом. Наименования единиц и их размеры соответствовали возможности осуществления измерений «подручными» способами, не прибегая к специальным устройствам. Так, на Руси основными единицами длины были пядь и локоть, причем пядь служила основной древнерусской мерой длины и означала расстояние между концами большого и указательного пальцев взрослого человека. Позднее, когда появилась другая единица — аршин, пядь ('/ 4 аршина) постепенно вышла из употребления. Мера «локоть» пришла к нам из Вавилона и означала расстояние от сгиба локтя до конца среднего пальца руки (иногда — сжатого кулака или большого пальца). С XVIII в. в России стали применяться дюйм, заимствованный из Англии (назывался он «палец»), и английский фут. Особыми русскими мерами были сажень, равная трем локтям (около 152 см), и косая сажень (около 248 см). Пожалуй, каждый мальчишка знает размеры футбольных ворот: ширина 7,32 и длина 2,44 м. Странные цифры? Почему 7,32, а не ровно 7 или 7,5 м? А потому, что у родоначальников футбола — англичан — 7,32 м это ровно 24 фута, а 2,44 м — ровно 8 футов. Фут по-английски значит нога, ступня (рис 1). Он равен 0,305 метра. Указом Петра 1 русские меры длины были согласованы с английскими, и это по существу стало первой ступенью гармонизации российской метрологии с европейской. Рис. 1. Наглядное значение «древних» единиц «фута» и «косой сажени» По мере развитая техники, а также международных связей трудности использования результатов измерений возрастали и тормозили дальнейший научно-технический прогресс. Положение осложнялось еще и тем, что соотношения между дольными и кратными единицами были необычайно разнообразны. В качестве примера приведем некоторые единицы, применявшиеся в России до Октябрьской революции, и соотношения между ними и метрическими мерами: 1 аршин = 16 вершкам = 28 дюймам = 0,71120 м; 1 дюйм = 25,4 мм; 1 сажень = 3 аршинам = 7 футам = 2,1336 м; 1 фут = 12 дюймам = 304,8 мм; 1 пуд = 40 фунтам = 16,38 кг; 1 фунт = 96 золотникам = 409,5 г; 1 золотник = 96 долям = 4,266 г. Во второй половине XVIII в. в Европе насчитывалось до сотни футов различной длины, около полусотни различных миль, свыше 120 различных фунтов. 1.3. Параметры, измеряемые в физической культуре и спорте Наличие различных приборов и технических устройств, применяемых в исследованиях специалистами педагогических, биомедицинских и психологических дисциплин спорта, позволяет получать информацию более чем о 3000 отдельных параметров. Все параметры, измеряемые в науке о спорте, подразделяются на четыре уровня: интегральные, отражающие суммарный (кумулятивный) эффект функционального состояния различных систем организма (например, спортивное мастерство); комплексные, относящиеся к одной из функциональных систем организма спортсмена (например, физическая подготовленность); дифференциальные, характеризующие только одно свойство системы (например, силовые качества); единичные, раскрывающие одну величину (значение) отдельного свойства системы (максимальная сила мышц). Исследования показывают, что количество измеряемых комплексных параметров в спорте колеблется от 11 до 13 (табл. 1). Данные табл. 1 свидетельствуют о плавно убывающем ряде соотношений частотности использования измеряемых в спорте параметров - различия между соседними цифрами незначительны. Обращает на себя внимание соотношение энергетикофункциональных и анатомо-морфологических параметров. Параметры внешней формы и состава тела, используемые в спорте для диагностики физического состояния и в других це лях, употребляются в 4,0— 4,5 раза реже, чем параметры тренировочной нагрузки, восстановления и физической подготовленности. Довольно слабо используются при измерениях такие важные компоненты подготовки спортсменов, как параметры тактических действий, сравнительно редко применяются измерения, помогающие изучать параметры влияния внешних условий на тренировочный процесс: атмосферы, воды, почвы, помещений, естественных сил природы. Таблица 1. Распределение частотности измеряемых в спорте комплексных параметров (за единицу приняты параметры состава тела) № п/п Комплексные параметры Частот ность 1 Тренировочной нагрузки и восстановления (физиологические, физические, психические величины) 4,57 2 Физической подготовленности (качества силы, быстроты, выносливости, ловкости и гибкости) 4,35 3 Сердечно-сосудистой системы (движение сердца и крупных сосудов, движение крови в сердце и сосудах, биопотенциалы сердца) 3,09 4 Размеров тела и конечностей (линейные и дуговые размеры тела) 2,92 5 Технической подготовленности (статика, кинематика, динамика, время и ритмика спортивных движений) 2,60 6 Дыхательной системы (легочные объемы, механика дыхания, газообмен) 2,48 7 Биофизических и биохимических проб (кровь и лимфа, моча и кал, мокрота, пот и слюна) 2,43 8 Нервно-мышечной системы (биоэлектрическая и биомеханическая деятельность мышц) 2,05 9 Тактической подготовленности (соревновательная активность и эффективность действий) 1,91 10 Отделов ЦН С (параметры головного мозга и отделов ЦНС) 1,82 11 Системы анализаторов (зрительный, вестибулярный, тактильный, слуховой, двигательный) 1,41 12 Внешней формы тела и пропорций (телосложение, осанка, стопа) 1,12 13 Состава тела (содержание жира, удельный вес и плотность тела) 1,00 Основными измеряемыми и контролируемыми параметрами в спортивной медицине, тренировочном процессе и в научных исследованиях по спорту являются следующие: • физиологические («внутренние»), физические («внешние») и психологические параметры тренировочной нагрузки и восстановления; • параметры качеств силы, быстроты, выносливости, гибкости и ловкости; • функциональные параметры сердечно-сосудистой и дыхательной систем; • биомеханические параметры спортивной техники; • линейные и дуговые параметры размеров тела. Для изучения этих параметров и контроля за ними широко используется объемная номенклатура разнообразных способов, приемов и методов измерений следующих физических величин: • силовых (это причины, вызывающие изменения в скорости и направлении движения тела: силы отталкивания, деформации, удары, броски и т.п., моменты сил и моменты вращения: раскачивания, размахивания, обороты и вращения при выполнении локомоторных и гимнастических упражнений; давление на спортивные снаряды и т.п.); • величин, относящихся к скорости (расход количества энергии в течение заданного времени; скорость разгона, перемещения, остановки и изменения направления в двигательных действиях; ускорение линейное и угловое при выполнении упражнений); • временных (промежутки времени и частота действий в единицу времени — момент времени, длительность действия, темп и ритм движений); • геометрических (положение спортсмена: координаты расположения тела или его звеньев в заданной системе; размеры: расстояния между двумя заданными точками при измерении результатов в прыжках, метаниях и др., контуров или форм при измерении правильности вычерчивания обязательных фигур в фигурном катании; при измерении осанки и плоскостопия); • характеризующих физические свойства (плотность, удельный вес тела человека; измерения влажности в спортивной гигиене; вязкость, твердость, пластичность костно-мышеч- ной системы); • количественных (масса и вес тела и отдельных его звеньев); • характеризующих химический состав (этих величин слишком много, чтобы их можно было здесь перечислить); • тепловых (температура тела и его теплопроводная способность, определяемая количеством тепла, выделяемого или поглощаемого телом при определенных условиях); • радиационных (ядерная радиация — радиоизотопные методы измерения массы отдельных звеньев тела человека и сканирование; определение костного возраста юных спортсменов; фотометрические измерения скелета и т.п.); • электрических (биопотенциалы различных органов: сердца, мышц, мозга и т.п.). Одним из перспективных подходов к решению проблемы выявления наиболее информативных параметров и методов обследований спортсменов служит метод моделирования различных сторон подготовленности, основная цель которого — определение и научное обоснование конкретных количественных модельных характеристик функциональной, технико- тактической, психологической подготовленности, при достижении которых данный спортсмен с наибольшей степенью вероятности может выиграть данные соревнования или установить рекорд. 1.4. Системы единиц физических величин В 1790 г. во Франции была создана система новых мер, «основанных на неизменном прототипе, взятом из природы, с тем чтобы ее могли принять все нации». Большое значение введения в России метрической системы мер, принятой во Франции, подчеркнул Д. И. Менделеев, предсказав большую роль всеобщего распространения метрической системы как средства содействия «будущему желанному сближению народов». В метрической системе за основную единицу длины был принят метр, за единицу веса (в то время не делали различий между понятиями «вес» и «масса») — вес 1 см 3 химически чистой воды при температуре около +4°С - грамм (позже — килограмм). В 1799 г. были изготовлены первые прототипы (эталоны) метра и килограмма. Кроме этих двух единиц метрическая система в своем первоначальном варианте включала еще и единицы площади (ар — площадь квадрата со стороной Юм), объем (стер, равный объему куба с ребром 10 м), вместимости (литр, равный объему куба с ребром 0,1 м). В этой первой системе единиц еще не было четкого подразделения единиц на основные и производные. Впервые понятие о системе единиц как совокупности основных и производных ввел немецкий ученый К. Ф. Гаусс в 1832 г. По его методу построения систем единиц различных величин сначала устанавливают или выбирают произвольно несколько величин независимо друг от друга. Единицы этих величин называют основными, так как они являются основой построения системы единиц других величин. Единицы, выраженные через основные единицы, называют производными. Полная совокупность основных и производных единиц, установленных таким путем, и является системой единиц физических величин. В качестве основных единиц в системе, предложенной К. Ф. Гауссом, были приняты: единица длины — миллиметр, единица массы — миллиграмм, единица времени — секунда. Эту систему единиц назвали абсолютной. Первоначально были созданы системы единиц, основанные на трех единицах, и предпочтение отдавалось системам, построенным на единицах длины-массы-времени. Это такие системы, как МКС: метр—килограмм— секунда; СГС: сантиметр-грамм-секунда. Наличие ряда систем единиц измерения физических величин, большое число внесистемных единиц и неудобства, возникающие на практике в связи с пересчетами при переходе от одной системы к другой, вызвали необходимость создания единой универсальной системы единиц, которая охватывала бы все отрасли науки и техники и была бы принята в международном масштабе. После многих предложений в 1960 г. XI Генеральная конференция по мерам и весам окончательно приняла новую систему, присвоив ей наименование Международная система единиц (Systeme International d’Unites — фр.) с сокращенным обозначением «SI», в русской транскрипции «СИ». В последующие годы Генеральная конференция приняла ряд дополнений и изменений, в результате чего в системе стало семь основных единиц (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела), дополнительные (табл. 2) и производные единицы физических величин (табл. 3). Таблица 2. Основные единицы международной системы единиц (СИ) Величина Единица обозначение Наименование Размер ность Рекомендуе мое обозначение Наименование русское междуна родное Основные Длина L 1 метр м ш Масса М m килограмм кг kg Время Т t секунда с S Сила электрического тока I I ампер А А Термодинамиче ская температура 0 Т кельвин К К Количество N n, V моль моль mol вещества Сила света J J кандела кд cd Дополнительные Плоский угол - - радиан рад rad Телесный угол - - стерадиан ср sr Для образования кратных и дольных единиц должны использоваться специальные приставки. Таблица 3. Производные единицы системы СИ, имеющие специальное название Организация объединенных наций по образованию, науке и культуре (ЮНЕСКО) призвала все страны - члены организации — принять эту Международную систему единиц. В нашей стране система СИ официально была принята путем введения в 1963 г. соответствующего государственного стандарта, причем следует учесть, что в то время все государственные стандарты имели силу закона и были строго обязательны для выполнения. На сегодняшний день система СИ действительно стала международной, но вместе с тем применяются и внесистемные единицы, например тонна, сутки, литр, гектар и др. Метрологи имеют дело с большим массивом так называемых внесистемных единиц, и поэтому возникает необходимость в классификации этих «единиц». Существует несколько подходов к решению этого вопроса. В Международном документе № 2 МОЗМ единицы, не вошедшие в СИ, группируются следующим образом: 1. Внесистемные единицы, допускаемые к применению наравне с единицами СИ. 2. Единицы и их наименования, которые временно могут применяться до срока, который должен быть установлен национальным предписанием, и которые не должны применяться там, где это не было принято. 3. Единицы и их наименования, которые изымаются из обращения и не должны применяться. Близкая к названной группировка приводится в словаре- справочнике основных терминов в области метрологии (1989): 1. Допускаемые к применению наравне с единицами СИ. 2. Допускаемые к применению в специальных областях. 3. Временно допускаемые. 4. Изъятые из употребления. В силу традиции в научных исследованиях и спортивной практике часто используются единицы измерения, не относящиеся ни к СИ, ни к какой-либо другой системе единиц измерения. Примеры таких единиц приведены в двух правых столбцах табл. 4. Основную единицу системы СИ — килограмм массы (кг) — не следует путать с килограммом силы (кГ), который в силу традиции еще используется при измерениях. Совершенствование методов спортивных измерений всегда связано с изобретением новых единиц измерения. Так, точность измерения выносливости значительно повысилась с тех пор, как техника газового анализа стала общедоступной и аэробные возможности спортсмена начали оценивать величиной максимального потребления кислорода в пересчете на массу спортсмена (мл/кг/мин). Таблица 4. Важнейшие единицы системы СИ и некоторые внесистемные единицы, по традиции используемые в физической культуре и спорте Вопросы для самоконтроля 1. Что такое метрология? 2. Каковы особенности спортивной метрологии? 3. Каковы задачи законодательной метрологии? 4. Что называют физической величиной? 5. Чем отличаются основные и производные величины? 6. Что называется единицей физической величины, а что ее значением? 7. Как создавалась метрическая система мер? 8. Что называется системой единиц физических величин? 9. Какие системы единиц физических величин вы знаете? |