Биомеханика конспект лекций донской. Лекция. Биомеханика двигательных действий как систем целенаправленных движений
 Скачать 0.93 Mb.
|
ЛЕКЦИЯ . БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Применение биомеханических методов исследования в спортивной практике Цели задачи и методики исследования. Биомеханические исследования осуществляются с помощью биомеханических методов с привлечением методов, применяемых в других областях человеческих знаний (механики, математики, физиологии, медицины и т.д. и т.п.). Дело в том, что для решения главной задачи биомеханики недостаточно изучения самого движения (хотя это тоже сложная проблема), а необходимо знания многих и многих факторов, влияющих на эффективность решения двигательной задачи. Применение методов решающих задачи биомеханических исследований требуют от исследователей высокой эрудиции в различных областях человеческих знаний. Подчас для решения задач биомеханики требуется настолько большое количество знаний, что решение их одним человеком просто невозможно. Поэтому в нашей науке в почете коллективный труд ученых биологов и математиков, механиков и врачей, специалистов радиоэлектроники и космонавтов - их совместный труд помогает нам постигать тайны движений живого мира. Немалая доля труда в исследованиях движений человека принадлежит специалистам биомеханики спорта. Методы и методики исследования, применяемые для исследования в спортивной практике используются в медицине, космонавтике, эргономике и других отраслях человеческого знания. Как и для всякого научного исследования перед проведением исследования необходимо уточнить цельисследования, поставить задачу исследования, выбрать метод исследования, подготовить аппаратуру и испытуемых. Цель исследования движений человека состоит в выявлении закономерностей в движениях, в оценке эффективности использования двигательного аппарата для решения двигательной задачи. Задач биомеханического исследования много. Необходимо отметить, что постановка и уточнение задач очень важный этап в исследовании. От правильно поставленной задачи зависит многое во всем исследовании. Постановкой задач исследования занимаются наиболее опытные и квалифицированные специалисты. Методику исследования выбирают исходя из задач исследования. Методики могут быть использованы из других отраслей знаний, если они там применялись, однако для решения некоторых задач может не быть аналогов, в этом случае требуется время для разработки методики. Для разработки методик исследования необходимо привлечение специалистов той отрасли техники, которая решает задачу разработки, конструирования, настройки и эксплуатации комплексов. Это значительно ускоряет процесс подготовки и проведения эксперимента. Описание некоторых методик, требования предъявляемые к ним, виды экспериментов, принцип действия приборов, способы оформления обработки материалов исследования изучается в дисциплине «Методы научных исследований». Условно процесс исследования можно разделить на 3 этапа: 1 .Регистрация данных 2.Обработка данных 3. Анализ. 6.2, РЕГИСТРАЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИЖЕНИЯ Регистрация характеристик завершает путь сигнала с объекта до устройства записи информации (механический, звуковой, радио, проводной, лазерный) датчик преобразователь Канал связи дешифратор индикатор Пространственные характеристики движения (координаты, перемещения траектории) измеряются и регистрируются как непрерывно, так и дискретно. Измерение расстояний и угловых перемещений, может проводиться как непосредственно (натуральную величину, так и с использованием соответствующего масштабного коэффициента. Измерения расстояний в спортивных упражнениях применяется в подготовке мест соревнований (проверка на соответствие размеров сооружения правилам соревнований), так и в измерениях результата выступления (высота, длина в прыжках, дальность в метаниях и т.д.). Приборы, предназначенные для измерения расстояний могут быть как простые (рулетка, циркуль-измеритель, оптический визир), и сложные (лазерный измеритель дальности длины метаний, гидролокатор аквалангиста). При измерении угловых перемещений в суставах используются гониометры. Наиболее современна и перспективна электрогониография, позволяющая непрерывно регистрировать суставные углы. При сближении или отдалении двух ветвей гониографа изменяется электрическое сопротивление, и изменения тока фиксируются на ленте (пленке) осциллографа. При использовании системы электрогониографов можно получить записи одновременных изменений ряда суставных углов в разных плоскостях. Однако, в некоторых случаях целесообразнее применить для измерения угловых перемещений фотограмометрические методы (хронофотография, циклография, стробофотография). Способы фоторегистрации применяются с экспозицией однократной и многократной. При однократной экспозиции (фото - или киноаппаратом) получается одиночный фотоснимок (фотография), на которой запечатлен человек в данный момент времени (положение и поза тела). Если прикрепить к телу на уровне суставов или в рабочей точке; светящиеся лампочки накаливания и держать затвор аппарата открытым в течение всего движения, то на негативе получатся непрерывные траектории точек. В затененном помещении фотограмма получается более ясной. Фотограмма позволяет получить проекции траекторий точек на плоскость, перпендикулярную оптической оси объектива аппарата. Но определить в какой момент времени, движущаяся точка была в каком-либо пункте траектории нельзя. При повторной (многократной экспозиции) можно получит на одном негативе двойной, тройной и т.д. фотоснимок (несколько положений). Используя «обтюратор» получают хронофотограмму - рядизображений через одинаковые промежутки времени на одной и той же пленке (или пластинке). Если с применением обтюратора фотографировать человека, оснащенного светящимися лампочками - на негативе будет циклограмма, ряд точечных траекторий с расстояниями между точками одной траектории через равные промежутки времени. Наконец, прерывая луч света, падающий на объект съемки, также получают на одном негативе ряд поз освещенного человека - стробофотограмму. Последний способ позволяет получать позы на фотограмме с большой частотой (сотни и тысячи герц) при значительной точности временных промежутков. Циклография нередко применяются двусторонняя (с двумя аппаратами); зеркальная циклосъёмка дает прямые и отраженные траектории (как съемка из двух пунктов). В практике исследователей большое распространение получила кинорегистрация, причем наибольшей точностью обладает рапидная съёмка (ускоренная). Кинорегистрация (киносъемка) производится, как известно, путем экспозиции на последовательные участки перемещающейся кинопленки (кинокадры). При всех видах киносъемки первичный материал регистрации -кинопленка (негативная или позитивная); в дальнейшем она может быть использована для демонстрации на экране (нормальная проекция, замедленное изображение кинокадров ускоренной съемки), а также для получения ряда характеристик путем измерений и расчетов. На каждой кадре фиксируются лишь одно положение, по которому можно определить позу и координаты точек тела в соответствующий момент времени. Временные характеристики движения регистрируется с помощью различных устройств, хранения информации и фиксации времени (часы, хронометр, электросекундомер, хронограф). Пространственно-временные характеристики (скорость, ускорение) измеряются с помощью датчиков ускорений и скорости. Вообще говоря, зная закон изменения пути, и применение дифференцирующие устройства можно получить значения скоростей и ускорений движущего объекта. Регистрация динамических характеристик осуществляется как довольно простыми методами (взвешивание, динамометрия, так и современными (тензометрия вектординамография). Метод электрической тензометрии основан на изменении электрических свойств датчиков (тензодатчики), наклеенных на деформируемые спортсменами снаряды (гриф-штанги перекладина, рукоять весла, ручка теннисной ракетки и т.п.) или платформу. Тензометрические платформы получили широкое распространение для регистрации силы отталкивания в прыжках, ходьбе, беге, метаниях, борьбе и мн. др. видах спорта. Метод вектординамографии основан на электротензометрической регистрации деформаций платформы (или другого объекта) в вертикальном и горизонтальном направлении. Популярной среди исследователей в последнее время стала электромиография, регистрация электрической активности возбужденных мышц. По электромиограмме можно определить момент включения и момент выключения мышцы из активного состояния, т.е. длительность активности. Кроме того, информация содержится в амплитуде и частоте сигнала эл ектроми ограммы. Применение портативных биоточных усилителей позволяет записывать активность многих мышц в сложных условиях выполнения упражнений (прыжки с шестом лыжные ходы барьерный бег, плавание и др.) при высоких спортивных результатах. Методы регистрации движений непрерывно совершенствуются. Обработка данных регистрации характеристик движения проводится расчетным и графическим путями. При расчетном пути обработки данных по формулам, имея исходные величины, получают расчетно. При графическом пути обработки по исходным данным получают на чертеже новые величины и представляют один и тот же момент движения -сравнительная контурограмма. Однако все контурограммы непригодны для измерений; на них должны быть нанесены опознавательные точки (пункты отсчета). Лучше всего, чтобы эти точки были нанесены на поверхность тела (или костюм) спортсмена еще до съемки. При такой же проекции как в накладной контурограмме прорисовывают только эти точки; получается то же, что и на циклограмме - траектория точек (киноциклограмма). Если соединить линиями соответствующие опознавательные точки (проекции осей суставов в данный момент), то получатся схематические позы тела. Все эти графические материалы - контурограммы с точками, траектории точек и схематические позы уже пригодны для измерения координат и углов; поэтому они называются промерами. К промерам относится также кинограмма ряд отпечатков на фотобумаге с негативной киноплёнки - если на последней имеются опознавательные точки (промерная кинограмма). Изготавливается последовательная кинограмма как ряд одиночных отпечатков с каждого кадра в отдельности а накладная кинограммав - это отпечатки с последовательных кадров на одном листе бумаги, с соблюдением правильной ориентации поз в пространстве. Таким образом, задача определения пространственныххарактеристик по материалам фото-, кино, - цикло - или стробофотосъёмки сводится к изготовлению промеров и определению на них координат точек относительно избранной системе отсчета. Координаты точек могут быть считаны не только на промере, но и на каждом кадре промерной кинограммы. Тогда по этим координатам впоследствии строят промер - схематические позы. Любым путем - проекцией схематических поз и последующим считыванием координат на промере, либо считыванием координат на каждом кадре и построением по ним схематических поз, - получают промер и таблицу координат. Это результат первого этапа обработки, который даст пространственные координаты (в определенные моменты времени) как исходный материал для последующего расчёта скоростей и ускорений. По промеру можно определить и углы в некоторых суставах (таблица суставных углов). 6.3. Биомеханический анализ положений и движений Биомеханический анализ направлен на решение конкретных задач данного исследования путём выявления биомеханических закономерностей. В основу анализа положено представление о структурности движений в двигательном действии спортсмена. Исходя, из принципа структурности намечается определенная последовательность описания и объяснения движений. При этом аналитическое выявление состава системы движений сочетается с синтетическим воссозданием её структуры. Единая последовательность вряд ли может быть применена при различных задачах исследования. Однако, излагаемая ниже общий логический ход исследования и дальнейшее использование его результатов могут служить основой анализа в каждом конкретном случае. Последовательность анализа положений и движений
Далее следует регистрация характеристик, их обработка и приведение в удобный для анализа вид. Графический материал, как правило, более нагляден, чем табличный. Учитывая результаты первичной обработки нужно составить план дальнейшего анализа.
на изученных характеристиках, определяют элементы движений: а) суставные движения звеньев и систем звеньев и б) фазы движений. Нужно установить, из каких положений в каких суставах выполняются движения, в каких направлениях, с каким размахом; какова их согласованность во времени и пространстве и последовательность. Иначе говоря, какова внешняя картина движений в целом. Вслед за этим (а часто и одновременно) выделяют, вычленяют составные части движений звеньев, фазы подготовительные, рабочие, заключительные. Аналитическая детализация движений по характеристикам позволяет установить, из каких движений состоит целостная система движений.
взаимные связи и зависимости элементов друг от друга. После более или менее обстоятельного установления состава основное внимание переключается на структуру. Рассматривают, как форма и характер движений, их кинематическая структура, связана с динамикой, с механизмом движений. Динамическая структура выясняется, начиная с определения механических условий сохранения положений и выполнения движений. Рассматривается внешнее силовое поле, внешние силы, приложенные к телу спортсмена; его собственные усилия, проявляющиеся как его воздействие на собственные части тела и внешние тела. Выявление внешней и внутренней динамики столь важная задача в исследовании движений, что ее нередко выделяют как биодинамический анализ. Конечно, без кинематических данных и без изучения изменения движений под действием сил невозможно изучать биодинамику. Но в этом случае ведущим является рассмотрение взаимосвязей силовых и инерционных характеристик и особенно сопоставление действия сил с изменением движений. Задача исследования структуры системы движений направлена на воссоздание целостного процесса двигательного действия, выявление объединяющей роли структурных связей. 4.0ценкаэффективности движений. Чтобы оценить эффективность движений, следует установить как успешность решения двигательной задачи, так и «стоимость» её решения; насколько рационально, с использованием закономерностей биомеханики достигнута цель. Для этого изучаются и результаты движения, и условия выполнения движений, и соответствие движений достижению цели и конкретным возможностям. На этом этапе исследования необходимо широкое сопоставление возможностей и их осуществление. 6,4. Применение биомеханического анализа в спортивной практике
Особенности телосложения размеры тела и его частей, их соотношения, форма и масса во многих спортивных упражнениях существенно влияют на результат. В зависимости от них находится ряд особенностей техники наиболее целесообразной для спортсменов. Такое же значение имеет уровень развития двигательных качеств (сила, быстрота, выносливость). Биомеханическое исследование позволяет установить уровень физической и технической подготовленности и дать ему оценку.
Во многих спортивных упражнениях, а в особенности в связи с их непрерывным совершенствованием, все еще не установлено, находятся в стадии разработки основные требования к технике. Рост уровня тренированности спортсменов, совершенствование методики спортивной подготовки всегда будут способствовать эволюции техники. 3 .Оценка качества выполнения действий. Качество выполнения спортивного упражнения отражается на уровне спортивного результата. Но не всегда по результату можно судить о технике; другие факторы (физического, психологического, тактического порядка) могут существенно изменить зависимость результата от техники. Биомеханическое исследование особенно важно в сравнительном изучении выполнения в различных условиях, при различном состоянии, при различных вариантах техники, целесообразность особенностей техники установить далеко не всегда просто. Бывает необходимо длительное и разностороннее изучение техники для обоснованного суждения о качестве выполнения.
Для имитационных упражнений, выполняемых обычно в иных условиях среды, чем для основных, неизбежны определенные различия между ними. Необходимо, чтобы эти различия не влияли вредно на основные упражнения, не приводили бы к появлению новых ошибок.
Определение эффективности средств и методов обучения технике и совершенствования в ней сводится к систематическому изучению их влияния на технику. Периодические исследования могут показать сдвиги, изменения в технике. Но они не всегда могут показать, отчего эти сдвиги появились, и главное, как они связаны с особенностями применяемых средств и методов. Только длительное систематическое изучение, как самих средств, так и особенностей их влияния может дать надежные основания для оценки их эффективности. |