Что относится к временным характеристикам в биомеханике несколько вариантов
Что относится к временным характеристикам в биомеханике несколько вариантов
В.Л.Уткин «Биомеханика физических упражнений»
ГЛАВА 3. ОСНОВЫ БИОМЕХАНИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Наука начинается с тех пор, как начинают измерять.
Точное знание немыслимо без меры.
От интуиции — к точному знанию!
Двигательное мастерство человека, его умение в любых условиях двигаться быстро, точно и красиво, зависит от уровня физической, технической, тактической, психологической и теоретической подготовленности. Эти пять факторов культуры движений являются ведущими и в спорте, и в физическом воспитании школьников, и при занятиях массовыми формами физкультуры. Для совершенствования двигательного мастерства и даже для сохранения его на прежнем уровне необходим контроль за каждым из на званных факторов.
Объектом биомеханического контроля служит моторика человека, т. е. двигательные (физические) качества и их проявления. Это означает, что в итоге биомеханического контроля мы получаем сведения:
1) о технике двигательных действий и тактике двигательной деятельности;
2) о выносливости, силе, быстроте, ловкости и гибкости, должный уровень которых является необходимым условием высокого технико-тактического мастерства ( В англоязычной литературе по физическому воспитанию принят более широкий перечень двигательных качеств, в том числе способность выполнять упражнения на равновесие, танцевальные упражнения и т. д. ).
Можно сказать еще проще: биомеханический контроль дает ответ на три вопроса:
1) Что делает человек?
2) Насколько хорошо он делает это?
3) Благодаря чему он это делает?
Процедура биомеханического контроля соответствует следующей схеме:
ИЗМЕРЕНИЯ В БИОМЕХАНИКЕ
Человек становится объектом измерения с раннего детства. У новорожденного измеряют рост, вес, температуру тела, продолжительность сна и т. д. Позже, в школьном возрасте, в число измеряемых переменных включаются знания и умения. Чем взрослее человек, чем шире круг его интересов, тем многочисленнее и разнообразнее характеризующие его показатели. И тем труднее осуществить точные измерения. Как, например, измерить техническую и тактическую подготовленность, красоту движений, геометрию масс человеческого тела, силу, гибкость и т. п.? Об этом рассказывается в настоящем разделе.
Шкалы измерений и единицы измерений
Шкалой измерения называется последовательность величин, позволяющая установить соответствие между характеристиками изучаемых объектов и числами. При биомеханическом контроле чаще всего используют шкалы наименований, отношений и порядка.
Шкала наименований — самая простая из всех. В этой шкале числа, буквы, слова или другие условные обозначения выполняют роль ярлыков и служат для обнаружения и различения изучаемых объектов. Например, при контроле за тактикой игры футбольной команды полевые номера помогают опознать каждого игрока.
Шкала порядка возникает, когда составляющие шкалу числа упорядочены по рангам, но интервалы между рангами нельзя точно измерить. Например, знания по биомеханике или навыки и умения на уроках физкультуры оцениваются по шкале: “плохо” — “удовлетворительно” — “хорошо” — “отлично”. Шкала порядка дает возможность не только установить факт равенства или неравенства измеряемых объектов, но и определить характер неравенства в качественных понятиях: “больше — меньше”, “лучше — хуже”. Однако на вопросы: “На сколько больше?”, “На сколько лучше?” — шкалы порядка ответе не дают.
С помощью шкал порядка измеряют “качественные” показатели, не имеющие строгой количественной меры (знания, способности, артистизм, красоту и выразительность движений и т. п.).
Шкала порядка бесконечна, и в ней нет нулевого уровня. Это и понятно. Какой бы неправильной ни была, например, походка или осанка человека, всегда можно встретить еще худший вариант. И с другой стороны, какими бы красивыми и выразительными не были двигательные действия гимнастки, всегда найдутся пути сделать их еще прекраснее.
По шкале отношений измеряют размеры и массу тела и его частей, положение тела в пространстве, скорость и ускорение, силу, длительность временных интервалов и многие другие биомеханические характеристики. Наглядными примерами шкалы отношений являются: шкала весов, шкала секундомера, шкала спидометра.
Шкала отношений точнее шкалы порядка. Она позволяет не только узнать, что один объект измерения (технический прием, тактический вариант и т. п.) лучше или хуже другого, но и дает ответы на вопросы, на сколько лучше и во сколько раз лучше. Поэтому в биомеханике стараются применять именно шкалы отношений и с этой целью регистрируют биомеханические характеристики.
Биомеханическими характеристиками называются показатели, используемые для количественного описания и анализа двигательной деятельности. Все биомеханические характеристики делятся на кинематические, динамические и энергетические (табл. 3). У них разное назначение: кинематические характеризуют внешнюю картину двигательной деятельности, динамические несут информацию о причинах изменения движений, энергетические дают представление о механической производительности и экономичности.
Биомеханические характеристики описывают поступательные и вращательные движения. Поступательным называется такое движение, при котором все точки тела перемещаются по одинаковым траекториям. При вращательном движении движущиеся точки тела перемещаются по круговым траекториям, центры которых лежат на оси вращения.
Но в большинстве движений человека поступательный и вращательный компоненты присутствуют одновременно, такие движения называются составными. Причем двигательный аппарат человека устроен так, что все движения (в том числе и поступательные) образуются из комбинаций вращательных движений в суставах (рис. 18).
Дадим определения биомеханическим характеристикам, включенным в таблицу 3. Но сначала расскажем о двух важных характеристиках, которые не вошли в таблицу,— о положении и траектории.
Положение любой точки тела (например, любого сустава) или положение спортивного снаряда (например, мяча) определяется координатами в той или иной системе координат. Наиболее популярна прямоугольная система координат, в которой положение материальной точки в пространстве описывается ее координатами на трех взаимно перпендикулярных осях (вертикальной и двух горизонтальных— продольной и поперечной) (рис. 19).
Задание для самопроверки знаний:
На рис. 19 определите координаты выделенных точек (центра масс головы и т. д.).
Рис. 18. Поступательные движения человеческого тела и его частей как результат вращательных движений; например, прямолинейное движение боксерской перчатки образуется из движений в локтевом, плечевом и тазобедренном суставах; прямая линия — траектория центра масс кисти правой руки в перчатке
Рис. 19. Схематическое изображение (в прямоугольных координатах) гимнастки, выполняющей упражнение на равновесие: справа —вид спереди (фронтальная проекция); слева —вид. сбоку (саггитальная проекция)
Рис. 20. Траектория полета мяча при ударе футболиста (пунктир); сплошной линией показано перемещение мяча (расстояние по прямой от ноги футболиста до линии ворот). Обратите внимание на возможность забить гол с углового удара, если “закрутить” мяч, как это показано в прямоугольном фрагменте рисунка. Крутясь, мяч приводит во вращение близлежащие слои воздуха (см. круговые стрелки). Их скорость складывается со скоростью воздушного потока справа от мяча и вычитается из нее слева от мяча. По закону Бернулли давление воздуха меньше там, где выше скорость. Поэтому возникает сила (одинарная стрелка), направленная в ту сторону, где давление меньше
При выполнении двигательного действия положение тела или спортивного снаряда изменяется. При этом их материальные точки движутся в пространстве по линиям, которые называются траекториями (рис. 20).
Траектория может иметь любую, сколь угодно сложную форму. В отличие от нее линейное перемещение
— расстояние по прямой ( Точнее, вектор, поскольку, говоря о перемещении, необходимо указывать не только расстояние, но и направление. ) между конечным и начальным положением тела. Линейное перемещение измеряется в единицах длины (метрах).
— угол поворота тела или отдельного сегмента. Угловое перемещение измеряется в градусах.
Задание для самоконтроля знаний: рассматривая рис. 18, приведите примеры линейного и углового перемещений. Затем придумайте другие примеры.
Скорость показывает, как быстро изменяются координаты тела или его материальных точек. Скорость равна частному от деления перемещения (т. е. разности координат) на интервал времени, за который это перемещение произошло:
Ускорение характеризует быстроту изменения скорости:
Получаемые в результате измерений и расчетов величины перемещения, скорости и ускорения зависят от принятой системы отсчета. Например, при беге скорость руки или ноги относительно беговой дорожки равна ее скорости относительно общего центра масс бегуна плюс или минус скорость общего центра масс относительно дорожки. Этот факт необходимо учитывать при определении механических энергозатрат и выявлении энергетически оптимальных режимов двигательной деятельности.
При изучении периодически повторяющихся движений (циклических) важно знать:
1) темп (n)— число движений в единицу времени;
2) длительность цикла (Т) — интервал времени между одинаковыми фазами циклического движения.
Темп и длительность цикла связаны между собой соотношением
Например, если брассист выполнит 50 циклов в минуту
, то длительность цикла равна:
Мы только что встретились с новым и очень важным понятием — фаза двигательного действия. Фазами называются временные элементы двигательных действий. Например, ударное действие теннисиста (см. рис. 2) состоит из пяти фаз, длительности которых обозначены
Соотношение длительностей фаз называется ритмом двигательного действия. Графическое изображение ритма называется хронограммой.
Фазовый анализ двигательной деятельности — один из самых полезных методов, применяемых при биомеханическом контроле. Определение длительностей фаз, ритма и построение хронограммы позволяют “читать” и “записывать” элементы двигательной деятельности подобно тому, как по нотам можно записывать и воспроизводить музыку. Тем самым возникает возможность документирования техники и тактики, запоминания и изучения лучших образцов, целенаправленного обучения.
Переходим к описанию динамических характеристик. В отличие от кинематических их невозможно оценить по внешней картине движений, на глаз. Здесь всегда требуется измерительная аппаратура. Динамические характеристики измеряют потому, что именно они помогают разобраться в сложных механизмах формирования движений и, следовательно, найти пути овладения ими, их совершенствования и исправления возможных ошибок. Ведь ошибки в кинематике (внешней картине движений) всегда есть следствие несвоевременных и нерациональных (недостаточных или чрезмерных) мышечных усилий и неумелого использования внешних сил.
Ускорение, приобретаемое телом, обратно пропорционально его инертности и прямо пропорционально воздействующей силе:
Рис. 21. Пример из борьбы, показывающий, что, чем длиннее плечо силы, тем больше момент силы M=F-e, вызывающий круговое движение, в данном случае опрокидывающий момент (е)
Чтобы найти ускорение тела в поступательном движении, достаточно знать величины силы и массы. При вращательном движении ситуация сложнее. Во-первых, инертность вращающегося тела определяется не массой, а моментом инерции (см. в главе 2). Во-вторых, эффект действия силы в этом случае зависит не только от ее величины, но и от места приложения. Чем длиннее плечо силы— кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия силы, тем больше момент силы, или вращающий момент (М), равный произведению силы на ее плечо (рис. 21).
Поскольку ускорение есть приращение скорости в единицу времени
приведенные выше формулы можно переписать следующим образом:
— для поступательного движения
— для вращательного движения
Здесь нам открывается закономерность, которую мы хорошо знаем в повседневной жизни, но не всегда используем при занятиях физкультурой и спортом. Она состоит в том, что эффект действия силы (в данном случае приращение скорости) зависит не только от величины силы, но и от продолжительности ее действия
В связи со сказанным еще две биомеханические характеристики получили “права гражданства” (рис. 22 ):
— интервал времени от начала до окончания действия силы;
— средние величины силы и вращающего момента.
Переходим к рассмотрению энергетических характеристик. Большинство из них вычисляется из кинематических и динамических характеристик. Так, механическая работа есть произведение силы на перемещение:
Например, для того чтобы подняться по канату на высоту 5 м, мальчик с массой тела в 30 кг выполняет работу около 1500 джоулей:
30 кг ∙ 9,8 м/с 2 · 5 м ≈ 300 Н · 5 м = 1500 Дж.
Если этот подъем длился 10 с, развиваемая мальчиком мощность равна 1500 Дж : 10 с=150 Вт. Это значительная мощность (вспомните, как ярко светит такая электрическая лампочка).
Итак, мощность вычисляется по формуле
Последний переход в преобразовании формулы особенно важен. Он дает возможность определить мощность коротких интенсивных движений (например, ударов по мячу, боксерских ударов и других ударных действий), когда механическую работу определить трудно, но можно измерить силу и скорость. Так, при ударе классного футболиста по мячу сила действия может достигать 400 Н, а скорость вылета мяча 30 м/с. В этом случае развиваемая мощность составляет 12000 Вт. Образно говоря, при таком ударе на короткий миг зажигается 120 электрических лампочек, по 100 Вт каждая.
Рис. 22. Динамограмма отталкивания спринтера от стартовых колодок; импульс силы равен интегралу силы по времени, или произведению средней величины силы (пунктир) на продолжительность ее действия (площадь заштрихованной фигуры равна величине импульса силы); слева — тарировочный график, позволяющий отсчитывать величины силы в ньютонах
Совершаемая человеком механическая работа расходуется на увеличение потенциальной и кинетической энергии человеческого тела, спортивных снарядов и других предметов. Потенциальная энергия (Е п ) и кинетическая энергия тела в поступательном (Е к пост ) и вращательном (Ек вр ) движениях определяются по формулам:
где g = 9,8 м/с 2 — ускорение свободнопадающего тела, h — высота центра масс тела над поверхностью земли, v — линейная скорость, w — угловая скорость, т — масса, J — момент инерции.
Полная энергия движущегося те л а согласно теореме Кенига равна сумме его потенциальной энергии и кинетической энергии в поступательном и вращательном движениях:
До сих пор речь шла о механической работе и мощности. Но, как известно, в форму механической энергии превращается меньшая часть энергии, образующейся в мышцах. Большая ее часть переходит в тепло.
Подобно тому как технические машины (автомобиль, тепловоз) характеризуются коэффициентом полезного действия, экономичность двигательного аппарата человека описывается рядом аналогичных показателей. В их числе:
где Е — количество метаболической энергии ( Метаболическая энергия образуется в клетках нашего тела в результате трех типов биохимических реакций: креатинкиназной, анаэробного гликолиза и окислительного фосфорилирования. Подробнее об этом можно прочитать в учебниках по биохимии и физиологии, а также в научно-популярной литературе (например: Я к о в л е в Н. Н. Химия движений. — Л., 1983). ), Дж; Ё — скорость ее расходования, Вт;
—энергетическая стоимость метра пути или единицы полезной работы; для того чтобы определить энергетическую стоимость бега, нужно разделить скорость расходования метаболической энергии на скорость бега:
—пульсовая стоимость метра пути или единицы полезной работы; например, пульсовая стоимость ходьбы, бега и других циклических локомоций вычисляется по формуле
Пульсовую стоимость проще измерить, чем энергетическую. И кроме того, в некоторых ситуациях пульсовая стоимость информативнее энергетической (например, при биомеханическом контроле за двигательной деятельностью в условиях жары).
Биомеханические характеристики — один из хрестоматийных вопросов биомеханики. Без свободного владения сведениями о биомеханических характеристиках так же нельзя рассчитывать на успех в изучении и практическом применении биомеханики, как невозможно читать книгу, не зная алфавита.
Биомеханические характеристики движений.
Биомеханические характеристики движений.Различают про-
странственные, временные, пространственно-временные и динамические ха-
Пространственные характеристики.К ним относятся положение
тела и его частей (исходное, промежуточное и конечное положение в процес-
се выполнения движения), траектория движения (форма, направление, ам-
Временные характеристики. К ним относятся длительность движений
Длительность движения — это время, затраченное на его выполнение.
В технике физических упражнений большое значение имеет длительность от-
дельных частей, фаз, циклов, элементов движений или движений отдельных
частей тела. От длительности зависят практические достижения во многих
двигательных действиях. Длительность упражнения в целом определяет ве-
личину его воздействия (нагрузку).
Темп движения — это частота относительно равномерного повторения
каких-либо движений, например, шагов в беге, гребков в гребле, и т.п.
Пространственно-временные характеристики — это скорость и
ускорение. Они определяют характер перемещения тела и его частей в про-
странстве. От скорости движений зависят их частота (темп), величина нагруз-
ки в процессе выполнения упражнения, результат многих двигательных дей-
ствий (ходьбы, бега, прыжков, метаний и др.).
Скорость движения – это отношение длины пути, пройденного телом
(или какой-то частью тела) к затраченному на этот путь времени.
Изменение скорости в
единицу времени называют ускорением.
14. Эффекты воздействия физических упражнений.
В суперкомпенсаторной фазе следовой эффект упражнения выражается
не только в возмещении рабочих трат, но и в компенсации их ≪с избытком≫,
превышении уровня оперативной работоспособности над исходным уровнем.
В редукционной фазе следовой эффект упражнения теряется, если вре-
мя между занятиями слишком продолжительно. Чтобы этого не произошло,
необходимо проводить последующие занятия или в фазе относительной нор-
мализации, или в суперкомпенсаторной фазе. В таких случаях эффект преды-
дущих занятий будет ≪наслаиваться≫ на эффект последующих.
В результате возникает качественно новый эффект системного исполь-
зования упражнений — кумулятивный эффект. Он является, таким образом,
общим результатом интеграции (соединения) следовых эффектов регулярно
воспроизводимого упражнения (или системы различных упражнений).
Двигательная деятельность→Срочный эффект→Следовой эффект→Кумулятивный
Кумулятивный эффект упражнений лежит в основе повышения уровня
тренированности, сохранении и дальнейшем улучшении физической подготовленности. Но кумуляция эффекта упражнения может привести и к отрица-
тельным последствиям, если нарушаются закономерности физического вос-
питания, в частности, хронически допускаются чрезмерные нагрузки. Следствием этого могут быть перенапряжение, перетренированность и т.д.
В зависимости от того, в какой стадии отдыха будут выполняться на-
грузки, выделяют четыре основных варианта построения занятия.
Классификация физических упражнений.
Классификация физических упражнений — это разделение их на груп-
пы (классы) в соответствии с определенным классификационным признаком.
С помощью классификации учитель, преподаватель, тренер могут определять
характерные свойства тех или иных физических упражнений, их образова-
тельно-воспитательный потенциал, а следовательно, более целенаправленно и
эффективно подбирать те упражнения, которые в большей мере отвечают ре-
шению конкретных педагогических задач, индивидуальным и возрастным
особенностям занимающихся, характеру физкультурной деятельности и усло-
виям проведения занятий.
Классификация физических упражнений по признаку исто-
Рически сложившихся систем физического воспитания (гимнастика,
игра, туризм, спорт).По этой классификации физические упражнения делят-
ся на четыре группы: гимнастические упражнения, характеризующиеся
многообразием искусственно созданных движений и действий, эффектив-
ность которых оценивается избирательностью воздействия на строение и
функции организма, а также правильностью, красотой и координационной
сложностью всех движений; игровые упражнения, состоящие из естествен-
ных видов действий (бега, бросков и т. п.), которые выполняются в разно-
образных вариантах в соответствии с изменяющейся игровой ситуацией и
оцениваются по эффективности влияния на организм в целом и по конечному
результату действия (выше прыгнуть, точнее бросить и т. п.); туристические
физические упражнения, включающие ходьбу, бег, прыжки, преодоление пре-
пятствий, ходьбу на лыжах, езду на велосипеде, греблю в естественных при-
родных условиях, эффективность которых оценивается комплексным воздей-
ствием на организм и результативностью преодоления расстояния и препят-
ствий на местности; спортивные упражнения объединяют ту группу дей-
ствий, исполнение которых искусственно стандартизировано в соответствии с
Единой всесоюзной спортивной классификацией и является предметом спе-
циализации для достижения максимальных спортивных результатов.
Классификация упражнений по преимущественной целевой
направленности их использования. По этому признаку упражнения подраз-
деляются на общеразвивающие, профессионально-прикладные, спортивные,
восстановительные, рекреационные, лечебные, профилактические и др. В
свою очередь, в зависимости от значимости их в соответствующем виде физ-
культурной деятельности, они могут иметь различные разновидности. Напри-
мер, спортивные упражнения подразделяются на соревновательные, специ-
ально-подготовительные и общеподготовительные.
Соревновательные упражнения представляют собой двигательные дей-
ствия, которые являются предметом спортивной специализации и выполня-
ются в соответствии с правилами соревнований по данному виду спорта. Спе-
циально-подготовительные упражнения — это упражнения, представляющие
те или иные варианты соревновательного упражнения. Обязательным призна-
ком этих упражнений является существенное сходство с соревновательным
действием как по форме, так и по характеру проявления усилий. Общеподго-
товительные упражнения — это все остальные упражнения, включаемые в
спортивную тренировку и служащие, прежде всего, средствами общей подго-
Классификация упражнений по их преимущественному воздей-
ствию на развитие отдельных качеств (способностей) человека.По этому
признаку выделяют упражнения для развития скоростных, силовых, скорост-
но-силовых и координационных способностей, выносливости, гибкости, сен-
сорно-перцептивных, интеллектуальных, эстетических и волевых способно-
Классификация упражнений по преимущественному проявлению
определенных двигательных умений и навыков. Здесь обычно различают
акробатические, гимнастические, игровые, беговые, прыжковые, метательные
и другие упражнения.
5. Классификация упражнений по структуре движений. В этом слу-
чае упражнения подразделяются на циклические, ациклические и смешанные.
В группу циклических упражнений входят ходьба, бег, плавание, гребля,
передвижение на велосипеде и на лыжах, бег на коньках и др. Их характерны-
ми признаками являются закономерная последовательность, повторяемость и
связь самих циклов. К ациклическим упражнениям относятся: метания диска
и молота, толкание ядра, прыжки с места, гимнастические упражнения на сна-
рядах, рывок и толчок штанги и др. Здесь каждое упражнение представляет
собой законченное действие, а если оно будет многократно повторяться, то не
станет циклическим, так как повторение не вытекает из сущности самого дей-
ствия. К смешанным упражнениям относятся такие, в которых сочетаются
действия циклического и ациклического типа. В эту группу входят прыжки в
длину с разбега, прыжки с шестом, метание копья с разбега и т.д.