Модуль Биомеханические основы двигательного аппарата и двигательных действий

• Название: Модуль Биомеханические основы двигательного аппарата и двигательных действий
• Дата: 15.11.2021
• Размер: 1.34 Mb.
• Имя файла: modul_1_biomehanika (1).doc
• Тип: Документы; #272882
• страница: 6 из 8

Перемещение точки, тела и системы тел.

Перемещение показывает, в каком направлении, и на какое расстояние сместилась точка, или тело.

Перемещение, это вектор, соединяющий начальную и конечную точки траектории, по которой двигалась материальная точка в некоторый промежуток времени. Линейным или поступательным, считается такое перемещение, при котором любая часть тела или все тело в целом перемещается, оставаясь параллельной своему первоначальному положению в течение всего движения. В том случае если все части тела испытывают неодинаковое перемещение, тело поворачивается. Перемещение (линейное) находят по разности координат точки в момент начало и окончания движения (в одной и той же системе отсчета расстояния):

∆S = S_кон. - S_нач.

Перемещение определяет размах и направление движения, это не само движение, а лишь его окончательный результат. Перемещение тела можно складывать по правилам сложение векторов.

Элементарное перемещение (ds) точки, это перемещение из данного положения в положение, бесконечно близкое к нему. На криволинейной траектории элементарное перемещение считают равным пути. Перемещение тела при поступательном и вращательном движении измеряется различно.

К простейшим движениям твердого тела относятся поступательное и вращательное движение вокруг неподвижной оси. Поступательным движением называется такое движение твердого тела, при котором любая намеченная прямая, перемещается, оставаясь параллельной самой себе.

При поступательном движении твердого тела все его точки описывают одинаковые траектории, и в каждый момент времени имеют одинаковые скорости и ускорении. Поэтому чтобы изучить перемещение твердого тела при поступательном движении, нужно изучить движения любой его точки.

Движение твердого тела называют вращательным, если в движущемся теле или вне его имеется ось вращения, которая при вращении остается неподвижной, а плоскость, проведенная через эту ось и произвольную точку тела, совершает поворот вокруг оси. Уравнение вращательного движения тела вокруг неподвижной оси, называют равенство, при помощи которого задается угол поворота тела φ как функция времени, т.е.

φ=f (t).

Угловое перемещение определяется по углу поворота и измеряется в градусах:

∆φ=φ_кон.– φ_нач.

Сочетание поступательного (линейного) и вращательного (углового) движений в одной плоскости называется плоским движением, и включает в себя вращение вокруг перемещающейся точки. Если такое движение происходит более чем в одной плоскости, речь идет о перемещении в пространстве (трехмерном перемещении). В большинстве движений сегменты тела человека участвуют в выполнении как линейного, так и углового перемещения. При описании вращательных движений, как правило, применяют угловые единицы, а поступательных – линейные единицы. Следует отметить, что наиболее сложным является определение движения биомеханической системы, которая непрерывно изменяет свою конфигурацию. В самых простых случаях, для того, чтобы определить движение тела человека, проводят наблюдения за перемещением общего центра масс (ОЦМ). Такие наблюдения, позволяют определить общий результат двигательной деятельности человека. Вместе с тем получить общую картину движения всех сегментов тела и всех составляющих элементов тела на сегодняшний день практически невозможно. Поэтому исследователи в области биомеханики идут по пути некоторого упрощения.



Вопросы контроля знаний.

1.Что изучает кинематика, и какие характеристики относятся к кинематическим характеристикам?

2. При каких условиях тело человека можно рассматривать как точку, тело и систему тел?

3. Как определить положение многозвенной биосистемы, которая может изменять свою конфигурацию?

4. Какой существует способ определения положения биомеханической

системы в пространстве?

5. Что необходимо знать, чтобы определить движение биомеханической системы, изменяющей свою конфигурацию? Временные характеристики.

Следует отметить, что при определении временных характеристик движений устанавливают начало и конец движения (момент времени), как долго оно длилось (длительность движений) как часто выполнялось движение (темп), как движения были построены во времени (ритм).

Момент времени– это временная мера положения точки тела и системы. Момент времени определяют не только для начала и окончания движений, но и на разных его фазах. При этом необходимо различать два понятия: момент времени, и промежуток врем момента (начало отсчета времени). За начала отсчета времени обычно принимают момент начала движения тела или момент, с которого началось наблюдение за движением. Начало времени может принимать любые значения:

а) нуль (начальный момент), на оси – это точка, для которой t = 0;

б) положительные (моменты, последующие за начальным), на оси – точки, лежащие правее точки t =0.

Промежуток времени – отрезок оси между двумя последовательными моментами времени t₁ - t₂. Промежуток времени – всегда положительная величина. По отношению к выбранной системе отсчета различные точки тела могут двигаться различно.

Момент времени – определенная точка на оси или число единиц времени (сек., мин, часы), отделяющие данный момент времени от некоторого начального. По моментам времени определяют длительность движения.

Длительность движений – это временная мера, которая измеряется разностью моментов времени окончания и начала движения в одной и той же системе отсчета с единой мерой измерения:

∆t = t_кон. - t_нач.

Момент времени, не имея длительности, выполняет функцию границы между двумя смежными промежутками времени.

Темп движений – величина, обратная длительности движений, чем больше длительность, тем меньше темп, и наоборот: N =1/∆t.

Другими словами можно сказать, что темп движений, это количество движений за единицу времени. Между темпом движения и длительностью движения существует обратная, пропорциональная зависимость – чем больше длительность движения, тем меньше темп движения.

В движениях циклического характера, темп характеризует их протекание во времени. Темп движений зависит уровня физической подготовленности спортсмена, от его текущего функционального состояния и от степени утомления. При этом проявление утомлении на темпе может сказываться по-разному (либо этот показатель повышается, либо понижается) в различных видах движений. В отдельных случаях темп движений может характеризовать уровень квалификации спортсмена (плавание, гребля, бег, лыжный спорт и т.д.).

Ритм движений, временной (соразмерность, размеренность) – это временная мера соотношения частей системы движений и определяется по их длительности. В биомеханике, как и в спорте, термин “ритм” означает частоту движений, измеряется в герцах и вычисляется по формуле:

R = ∆t₀: ∆t₁;∆t₂ :∆t₃; …. и т. д.

Числа, обозначающие длительности фаз, записывают по порядку, ставя между соседними фазами знак деления.

Чтобы определить ритм, выделяют фазы, которые различаются по задаче движения, по его направлению, скорости ускорению и другим характеристикам. Фазами, называются временные элементы движений. Соотношение длительностей фаз отражает соотношение, обуславливающих их усилий Ритм отражает прилагаемые усилия, зависит от их величины, времени приложения и других особенностей движений. Каждое движение, которое рассматривается в биомеханике, имеет свой ритм, т.к. каждое движение состоит из частей, характеризующихся определенной длительностью. «Неритмичные» движения – это движения, в которых не соблюдается заданный ритм.

Ритм движений характеризует, например, отношение времени опоры к времени полета в беге или времени амортизации (сгибание колена) к времени отталкивания (выпрямляя ноги) при опоре. С изменением темпа, изменяется ритм, например, с изменением темпа шагов изменяется и их ритм. Кроме временных показателей ритма можно определить еще и пространственные (например, отношение длины выпада в шаге на лыжах к длине скольжения).
Вопросы контроля знаний .

1. Какие характеристики называются временными характеристиками движения?

2. Какую функцию выполняет момент времени?

3.Дать определение темпу движения и указать какая существует зависимость между темпом и длительностью движения?

4.Что означает в биомеханике термин «ритм», и что он отражает? Какие движения называют неритмичными?

5. Какие ещё существуют показатели ритма кроме временных показателей?

Пространственно-временные характеристики.

По этим характеристикам определяют скорость и ускорение движения человека. Скорость как кинематическая характеристика движения показывает, как быстро изменяется положение тела и в каком направлении тело перемещается. Для определения направления движения независимо от траектории оказывается целесообразным скорость считать векторной величиной, т.е. приписывать ей определенное направление в пространстве. Поэтому скорость является вектором, направление, которого совпадает с направлением перемещения тела, а величина характеризует величину перемещения. Иными словами быстрота изменения положения тела в пространстве с течением времени называется скоростью. В случае прямолинейного движения вектор скорости направлен по траектории в ту сторону, куда движется точка, При криволинейном движении точки за направление скорости целесообразно принимать направление касательной к траектории в данном положении движущейся точки. Каждому способу задания движения точки или тела отвечает свой способ определения скорости. При естественном способе задаются уравнения траектории y = f (x) и закон движения по траектории S = f (t). Модуль скорости определяется как производная от функции расстояния по времени:

V = ds/dt

При этом, еслиds/dt >0, то движение происходит в сторону положительного отсчета расстояния; если ds/dt =0, то точка не движется; если же ds/dt <0, то движение происходит в сторону отрицательного отсчета расстояния.

Направление скорости определяется касательной к траектории в данной точке:

tgα= dy/dx.

При координатном способе задания движения уравнения будут следующими:

x = f₁ (t), y= f₂ (t), z= f₃ (t).

Продифференцировав по времени эти уравнения, получают три составляющие скорости по осям координат: V_x= dx/dt;V_y = dy/dt; V_z = dz/dt.

При движении в пространстве модуль полной скорости определяется по правилу геометрического сложения:

v = √ v²_x + v²_y+ v²_z.

При движении на плоскости модуль полной скорости равен: v = √ v²_x + v²_y.

Для определения направления вектора полной скорости в пространстве и на плоскости вычисляют косинусы углов между вектором скорости и положительными направлениями осей координат (v,x; v,y; v,z).

Поскольку скорость движений человека величина переменная, то определяют, так называемую мгновенную скорость. Мгновенная скорость это скорость равномерного движения на очень малом участке траектории около данной точки траектории. Она определяется пределом отношения вектора перемещения (∆s) к соответствующему промежутку времени (∆t) в данной системе отсчета, когда этот промежуток стремится к нулю:

v = lim ∆s/∆t,

при ∆t →0.

Средняя скорость – средняя скорость, есть та скорость, которую должна иметь точка, если бы из одного положения в другое (например, из точки А в точку Б) она двигалась прямолинейно и равномерно в течение некоторого промежутка времени ∆t. Средняя скорость позволяет сравнивать неравномерные движения. При вращательном движении точек тела определяют угловую скорость (ω), которая является пространственно-временной характеристикой быстроты изменения положения тела: ω = dφ/dt.

Чем больше расстояние, на котором находятся точки тела от оси вращения, тем больше их линейная скорость. Отношение линейных скоростей всех вращающих точек твердого тела к их радиусам одинаковое. Это величина (ω), угловая скорость и характеризует быстроту вращательного движения тела:

v/r = ω.

Исходя из этой формулы, линейную скорость точки можно определить как произведение угловой скорости (ω) и радиуса вращения (r): v=ω∙r.

Часто определяют линейные скорости точек звеньев тела (проекций осей суставов на поверхность тела). Кроме того, при изменениях позы определяют угловые скорости звеньев тела относительно суставных осей: эти скорости обычно изменяются по ходу движения. Для биомеханического обоснования техники нужно в каждом конкретном случае выбрать, какие скорости и каких звеньев и точек следует определить.

Линейное и угловое ускорение точки и тела.

Физическая величина, характеризующая быстроту изменения во времени скорости движения или тела, называется ускорением. Ускорение в данный момент времени равно производной от вектора скорости: a = dv/dt.

При координатном способе задания движения точки или тела: x = f₁ (t), y = f₂(t), z = f₃ (t).

проекции вектора ускорения точки на координатные оси равны первой производной по времени от соответствующих проекций скорости движущейся точки: a = dv_x/dt,

a = dv_y/dt,

a = dv_z/d.

Модуль ускорения будет равен:

а = √ а²_x + а²_y+ а²_z.

Для движения на плоскости модуль ускорения определяется по формуле:

а = √ а²_x + а²_y

Ускорение при естественном способе задания движения точки.

Движение точки можно рассматривать не только относительно неподвижной декартовой системы координат, но и относительно подвижных естественных осей, связанных с самой движущейся точкой. Вектор ускорения можно разложить на составляющие: а) касательное ускорение, направленное вдоль касательной к траектории в данной точке; б) нормальное ускорение, направленное перпендикулярно к вектору скорости внутрь кривизны. Нормальное ускорение а_n характеризует изменение вектора скорости по направлению, тангенциальное ускорение а_r характеризует изменение скорости по модулю:

a_{r =} dv/dt, a_n = v²/r_k, где r_k – радиус кривизны в данной точке траектории.

Нормальное ускорение всегда положительно. Касательное ускорение будет положительным, когда направление вектора скорости совпадает с вектором ускорения, и отрицательным, когда не совпадает. В том случае если касательное ускорение равно нулю, то скорость по величине будет постоянной. Если нормальное ускорение будет равно нулю, то направление скорости постоянное. Модуль ускорения определяют по правилу геометрического сложения: а = √ а²_n + а²_r.

Угловое ускорение тела, вращающегося вокруг неподвижной оси.

Угловое ускорение тела (ε) характеризует скорость изменения угловой скорости во времени. Угловое ускорение в данный промежуток времени равно первой производной от угловой скорости:

ε = dω/dt

За единицу углового ускорения принимают радиан за секунду в квадрате (рад/с²). Угловое ускорение может быть положительным (убыстрение вращения) и отрицательным (замедление вращения). В сложном движении тела, когда одновременно имеют место поступательное и вращательное движения изменение скорости определяют, учитывая линейное и угловое ускорение ОЦМ. Ускорение, также как и угловую скорость, изображают скользящим вектором, направленным по оси вращения. Отношение линейного ускорения каждой точки вращающегося тела к ее радиусу равно угловому ускорению (ε). Это отношение одинаково для всех точек вращающегося тела, за исключением точек, лежащих на оси. Следовательно, линейное ускорение любой точки вращающегося тела равно по величине его угловому ускорению, умноженному на радиус вращения этой точки: а = ε∙r.

Определить ускорение биомеханической системы, изменяющей свою конфигурацию, представляет собой еще более сложный процесс, чем определения ее скорости, но необходимый, т. к. движений тела человека без ускорений не бывает.