Что относится к временным характеристикам в биомеханике

ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Временные характеристики совместно с пространственно-времен­ными определяют характер движений человека.

Момент времени

Момент времени (или мгновение) — это временная мера положе­ния точки, тела и системы в начале, в ходе движения и в конце. Момент времени определяется промежутком времени до него от начала отсчета (положение на оси времени)

Определяя, где была точка в пространстве, необходимо опреде­лить, когда она там была.

Момент времени нужно определять не только для начала и окончания движения, но и для других важных мгновенных поло­жений. В первую очередь это моменты существенного изменения движения: заканчивается одна часть (фаза) движения и начина­ется следующая (например, отрыв от опоры—это момент окончания фазы отталкивания и начала фазы взлета).

Длительность движения

Длительность движения — это его временная мера. Она изме­ряется разностью моментов времени окончания и начала движения в неизменной системе отсчета.

Отвечая на вопрос: «Какое расстояние в пространстве пройдено в движении?»,— необходимо выяснить и другой: «Сколько времени затрачено на это?». Из значения момента времени окончания движения вычитается значение момента времени его начала. Полученная вели­чина промежутка времени характеризует длительность движения (длительность одной фазы движения, длительность ряда фаз или период движения, например период полета). Момент времени не имеет длительности. Он служит границей двух смежных промежутков вре­мени.

Естественно, что для определения длительности движения надо пользоваться одними и теми же началом отсчета времени и единицами отсчета.

При движении могут быть и остановки (паузы, перерывы в движе­нии). Следует также измерять их длительность.

3.3. Темп движений

Темп движений—это временная мера повторности движений1. Он измеряется количеством движений, повторяющихся в единицу времени:

При многократном повторении движений их длительность может быть одинаковой. В этих случаях понятием «темп» характеризуется протекание движения во времени.

Темп—величина, обратная длительности движений: эти понятия связаны обратно пропорциональной за­висимостью. В практических условиях темп проще определять, чем длительность. Темпы движений удобнее сравнивать, если брать более крупные единицы времени. Например, при длительности шагов лыж­ника-гонщика в 0,55 сек. и 0,51 сек. частота шагов будет 18,0 и 19,5 в 10 сек., или, что иногда удобнее для подсчета и сравнения, 108 и 117 шагов в одну минуту.

Темп движений может служить в отдельных случаях показателем совершенства владения техникой. У квалифицированных спортсменов (пловцов, гребцов, бегунов и др.) он выше, чем у неквалифицирован­ных, следовательно отдельные движения у первых чаще. На темпе движений может отражаться утомление: в одних видах движенийонповышается (учащение шагов при их укорочении в беге), в других — понижается (неспособность поддерживать заданный темп, например, в гребле).

Ритм движений

Ритм движений — это временная мера соотношения частей дви­жений. Он определяется по соотношению промежутков времени, затраченного на соответствующие части движения:

Ритм определяют как соотношение двух периодов времени (напри­мер, опоры и полета в беге) или длительности двух фаз периода (на­пример, фазы амортизации и фазы отталкивания в опорном периоде). Можно говорить и о ритме ряда фаз (например, соотношение длитель­ностей пяти фаз скользящего шага в лыжном ходе).

С точки зрения биомеханики в каждом движении есть ритм, посколь­ку имеются различающиеся части движений определенной длитель­ности. То, что в практике называется неритмичным движением, в биомеханике следует расценивать как ритм нерационального движе­ния или несоблюдение заданного ритма.

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Пространственно-временные характеристики определяют изменение положения и движения человека во времени.

Скорость точки и тела

Таким образом, скорость характеризует и быстроту, и направление движения2.

Если для расчета скорости берется все время движения и соответст­вующее суммарное перемещение (путь), то получается средняя скорость на данном участке пути. Такова же скорость в любое мгновение в любой точке траектории при постоянном (равномерном и прямолинейном) движении. Но у человека, как правило, движение точек тела переменное (неравномерное и криволинейное), поэтому модуль и направление скорости в течение движения изменяются. В таком случае движение на протяжении его выполнения более точно характеризуется мгновенными скоростями.

Мгновенная скорость точки — это мера быстроты изменения по­ложения точки в данный момент времени. Она измеряется преде­лом отношения вектора перемещения к соответствующему про­межутку времени (в данной системе отсчета), когда этот промежу­ток стремится к нулю:

Скорость точки (линейная) как вектор совпадает по направлению с вектором перемещения. Это наглядно видно в прямолинейном дви­жении. В криволинейном движении вектор мгновенной скорости, как предел элементарного перемещения (величина — хорда, направле­ние — секущая), совпадает с касательной в данной точке траектории и направлен в сторону движения.

Как положение тела определяется по положению его точек, так и скорость тела определяется по скоростям его точек. При посту­пательном движении скорости всех точек тела (линейные) одинаковы. При вращательном же чем дальше точка от оси вращения (больше радиус), тем больше ее линейная скорость. Отноше­ние линейных скоростей всех вращающихся точек твердого тела к их радиусам одинаково. Эта величина — угловая скорость (w)

Отсюда линейная скорость точки вращающегося тела равна произ­ведению угловой скорости и радиуса вращения: v=wr/

Угловая скорость тела (мгновенная) — это пространственно-временная мера быстроты изменения положения тела во враща­тельном движении. Она измеряется пределом отношения углового перемещения тела (угла поворота) к соответствующему промежут­ку времени (в данной системе отсчета), когда этот промежуток стремится к нулю.

Таким образом, угловая скорость тела может быть измерена по его угловому перемещению, а также по линейному перемещению какой-либо его точки и по ее радиусу вращения (радиус траектории в данный момент). Сложное движение твердого тела можно определить по линей­ной скорости ОЦТ и угловой скорости вращения тела вокруг оси, проходящей через его ОЦТ.

Угловая скорость недеформирующейся системы тел определяется и измеряется так же, как у твердого тела. Но человек, меняя позу, представляет собою биомеханическую систему, изменяющую свою конфигурацию. В этих условиях определение скоростей вращательных движений и их измерение очень затруднено.

Вследствие вращательного характера движений звеньев в суставах направление скоростей точек всегда переменно. Благодаря тяге мышц синергистов и антагонистов под действием множества других сил мо­дули линейных скоростей точек и угловых скоростей звеньев почтине бывают постоянными.

Таким образом, скорости звеньев все время из­меняются как по направлению, так и (почти всегда) по модулю.

Источник

Биомеханические характеристики

Специфической особенностью биомеханики являются биомеханические характеристики движений. Это показатели количественной оценки, описания и анализа механического состояния в результате двигательной деятельности. Все биомеханические характеристики делятся на кинематические, динамические и энергетические.

Самой простейшей системой отсчета является естественный способ отсчета расстояний, когда за исходную точку принимают точку на известной траектории перемещения (километровый указатель на дороге) (рис.1).

Используя несложные вычисления можно легко переходить от способа прямоугольных координат к полярному и наоборот. Зная координаты точки можно определить вектор и угол:

В систему отсчета времени входят определение начала движения и единицы отсчета продолжительности движения. За единицу отсчета времени принимают секунду, минуту, час, долю секунд (0,1; ).)1 и т.д.).

Рис.1 Способы отсчета расстояний. а) прямоугольных координат, б) естественный, в) векторный, г) полярный.

Временные характеристики раскрывают движение во времени. К ним относится момент времени, длительность, темп и ритм движения.

Например, количество шагов в секунду отображает количественную сторону движения.

Скорость равна отношению перемещения тела к промежутку времени, за который это перемещение произошло:

Ускорение характеризует быстроту изменения скорости:

— линейное ускорение :

— угловое ускорение :

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ДВИЖЕНИЙ ЧЕЛОВЕКА

Наблюдая движения человека, можно заметить, что мно­гие их особенности все время изменяются. Изменяется поло­жение звеньев тела, скорости движения и многое другое. Осо­бенности (или признаки) движения позволяют разделить слож­ное движение на составные части, заметить, как они влияют одна на другую, как помогают достичь цели. Для этого и изу­чают характеристики движений человека.

Различают качественные и количественные характеристики.

Педагогу при проведении урока нечем и некогда изме­рять и регистрировать количественные характеристики. Ему приходится пользоваться качественными характеристиками, он проводит качественный биомеханический анализ движе­ний каждого ученика.

Изучая движения с помощью измерительной и записыва­ющей аппаратуры, получают количественные характеристи­ки. Их обрабатывают, проводят вычисления для количествен­ного биомеханического анализа. Конечно, затем должен сле­довать и качественный анализ, чтобы понять законы движения и использовать их в физическом воспитании. Хорошо владея навыками количественного анализа, в повседневной практи­ческой работе можно с успехом пользоваться только каче­ственным анализом.

Вся сложность взаимосвязи характеристик, используемых для изучения движений человека, отражена в схеме.

Они описывают движения в пространстве и во времени. Соответственно различают характеристики:

Пространственные характеристики позволяют опре­делить, каково исходное и конечное положения при движении

(координата), какова между ними разница, насколько они из­менились (перемещение) и через какие промежуточные поло­жения выполнялось движение (траектория), т.е. простран­ственные характеристики в целом определяют пространствен­ную форму движений человека.

Координата точки — это пространственная мера мес­тоположения точки относительно системы отсчета.

Изучая движение нужно определить: 1) начальное поло­жение, из которого движение начинается; 2) конечное поло­жение, в котором движение заканчивается; 3) ряд мгновен­ных промежуточных положений, которые принимает тело при выполнении движения.

Пространственный рисунок движения точки дает ее тра­ектория. Длина траектории показывает, каков путь точки.

Путь точки в прямолинейном движении равен расстоя­нию от исходного до конечного положения.

При криволинейном движении путь точки равен ариф­метической сумме модулей ее элементарных перемещений.

Кривизна траектории показывает, какова форма движе­ния в пространстве. Чтобы определить кривизну траектории, измеряют радиус кривизны. Если траектория является дугой окружности, радиус кривизны постоянный. С увеличением кривизны ее радиус уменьшается, и, наоборот, с уменьшением кривизны, радиус увеличивается.

В совокупности ориентация, длина и кривизна траекто­рии позволяют определить направление, размах и форму дви­жения точки, а также начальное положение, конечное и все промежуточные.

Момент времени — это временная мера положения точ­ки тела и системы, определяемая промежутком времени до него от начала отсчета.

Момент времени определяют не только для начала и окон­чания движения, но и для других важных мгновенных положений. В первую очередь это моменты существенного изме­нения движения: заканчивается одна часть (фаза) движения и начинается следующая (например: отрыв стопы от опоры в беге — это момент окончания фазы отталкивания и начало фазы полета). По моментам времени определяют длитель­ность движения.

Длительность движения представляет собой количество времени, прошедшее между двумя ограничивающими его мо­ментами времени. Сами моменты (как границы между двумя смежными промежутками времени) длительности не имеют. Ясно, что измеряя длительность, пользуются одной и той же системой отсчета времени. Узнав путь точки и длительность ее движения, можно определить ее скорость. Зная длитель­ность движений, определяют также их темп и ритм.

Пространственно-временные характеристики определя­ют, как изменяются положения и движения человека во времени.

Скорость точки — это пространственно-временная мера движения. Она определяет быстроту изменения положения точки в пространстве с изменением времени.

Ускорение измеряется отношением изменения скорости (угловой скорости) к затраченному на него времени.

Инерционные характеристики раскрывают, каковы особенности тела человека и движимых им тел в их взаимо­действиях. От инерционных характеристик зависит сохране­ние и изменение скорости.

Все физические тела обладают свойством инертности (или инерции), которое проявляется в сохранении движения, а так­же в особенностях изменения его под действием сил.

Понятие инерции раскрывается в первом законе Ньюто­на: «Всякое тело сохраняет свое состояние покоя или равно­мерного и прямолинейного движения до тех пор, пока внешние приложенные силы не заставят его изменить это состояние».

Говоря проще: тело сохраняет свою скорость, а также под действием внешних сил изменяет ее.

Масса тела характеризует, как именно приложенная сила может изменить движение тела. Одна и та же сила вызовет большее ускорение у тела с меньшей массой, чем у тела с боль­шей массой.

Отсюда видно, что момент инерции тела больше, когда его частицы дальше от оси вращения, а значит угловое ускорение тела под действием того же момента силы меньше; если части­цы ближе к оси, то угловое ускорение больше, а момент инерции меньше. Значит, если приблизить тело к оси, то легче вызвать угловое ускорение, легче разогнать тело во вращении, легче и остановить его. Этим пользуются при движении вокруг оси.

Силовые характеристики. Известно, что движение тела мо­жет происходить как под действием приложенной к нему движу­щей силы, так и без движущей силы (по инерции), когда приложе­на только тормозящая сила. Движущие силы приложены не все­гда; без тормозящих же сил движения не бывает. Изменение движений происходит под действием сил. Сила не причина дви­жения, а причина изменения движения; силовые характеристики раскрывают связь действия силы с изменением движения.

Сила — это мера механического воздействия одного тела на другое в данный момент времени. Численно она определя­ется произведением массы тела и его ускорения, вызванного данной силой.

Чаще всего говорят про силу и результат ее действия, но это применимо только к простейшему поступательному дви­жению тела. В движениях человека как системы тел, где все движения частей тела вращательные, изменение вращатель­ного движения зависит не от силы, а от момента силы.

Момент силы обычно считают положительным, когда сила вызывает поворот тела против часовой стрелки, и отрицатель­ным при повороте по часовой стрелке.

Чтобы сила могла проявить свое вращающее действие, она должна иметь плечо. Иначе говоря, она не должна прохо­дить через ось вращения.

Во вращательном движении момент силы, действуя в те­чение определенного времени, создает импульс момента силы.

Количество движения — это мера поступательного дви­жения тела, характеризующая его способность передавать­ся другому телу в виде механического движения. Количество движения тела измеряется произведением массы тела на его скорость.

Энергетические характеристики. При движениях че­ловека силы, приложенные к его телу на некотором пути, со­вершают работу и изменяют положение и скорость звеньев тела, что изменяет его энергию. Работа характеризует процесс, при котором меняется энергия системы. Энергия же ха­рактеризует состояние системы, изменяющейся вследствие работы. Энергетические характеристики показывают, как ме­няются виды энергии при движениях и протекает сам про­цесс изменения энергии.

Понятие работы представляет собой меру внешних воз­действий, приложенных к телу на определенном пути, вызы­вающих изменения механического состояния тела.

От распределения масс частей тела зависят многие сопро­тивления, которые встречают силы, действующие на тело. Эти сопротивления определяются силами тяжести и моментами инерции частей тела.

Общий центр тяжести тела располагается в зависимости от телосложения человека. У людей с более развитыми нога­ми ОЦТ относительно ниже, чем у людей с более мощной мускулатурой туловища и рук. У длинноногих людей ОЦТ анатомически расположен ниже, но он дальше от земли, чем у коротконогих.

Само собой разумеется, что с изменением формы тела, вслед­ствие иного расположения его частей, изменяет свое положе­ние и ОЦТ. При перемещении какой-либо части тела и ОЦТ смешается в том же направлении. Если переметающаяся часть тела имеет большую массу, то и смещение ОЦТ больше.

Если средние данные более или менее близки, то данные отдельных людей могут значительно отличаться от этих сред­них в зависимости от телосложения.

Массы отдельных частей тела не остаются постоянными. В связи с тренировкой здесь могут происходить немалые из­менения. У спортсменов меньше отложения жира на тулови­ще и лучше развиты мышцы конечностей. Поэтому у них соотношение масс может быть иное, чем у людей, не занимаю­щихся спортом.

Массы тела могут также изменяться и в течение корот­ких промежутков времени. Например, прием пищи и воды может увеличить массу туловища; после разминки или со­ревнований прилив крови в расширенные сосуды мышц мо­жет увеличить массу конечностей.

Таким образом, относительные массы частей тела человека в конкретных случаях могут намного отличаться от точно вы­численных средних данных. Поэтому нет необходимости в очень большой точности при расчетах, производимых с практической целью. Вполне достаточно эти величины в процентах округ­лить, так как индивидуальные отклонения от них могут быть намного больше, чем на сотые и десятые доли процента.

Строго говоря, при изменении напряжения мышц и их кро­венаполнения распределение масс в конечностях также несколь­ко изменяется. Но значительно больше оно изменяется у туло­вища, способного очень сильно изменять свою форму.

Значит, при всех расчетах положения ОЦТ имеются очень большие погрешности, связанные с тем, что подвижно соеди­ненные части тела и части тела, в которых изменяется рас­пределение масс, принимаются за неизменяемые тела. Лишь у головы расположение центра тяжести сзади турецкого сед­ла клиновидной кости довольно постоянно, но и оно может измениться при движениях нижней челюсти.

Расположение ОЦТ обусловлено половыми и возрастны­ми особенностями. У детей, имеющих большую массу тулови­ща и головы, ОЦТ располагается выше, чем у взрослых. У женщин, в связи с присущей им пропорцией тела, в частности с более массивным тазовым поясом, ОЦТ располагается ниже, чем у мужчин.

Центр объема тела расположен в точке пересечения плос­костей, делящих тело на две равные по объему половины. С погружением в воду на тело действуют силы давления воды. Точка приложения равнодействующей всех сил давления воды на поверхность тела и называется центром объема тела. ЦО можно рассматривать так же, как ОЦТ объема воды, вытес­ненной погружением тела человека в воду и имеющей форму погруженных частей тела.

В то же время на тело действуют силы тяжести, равно­действующая которых приложена к ОЦТ. Когда ЦО и ОЦТ расположены на одной вертикали, тогда, в зависимости от со­отношения величин сил тяжести и давления воды, тело либо всплывает, либо тонет, либо остается неподвижным в воде. Если ЦО и ОЦТ находятся не на одной вертикали, то еще возникает пара сил, вызывающих вращение тела.

У человека ЦО расположен несколько выше его ОЦТ. Это объясняется тем, что содержащийся в грудной клетке воз­дух делает верхнюю половину тела более легкой, поэтому ОЦТ смещен несколько в сторону ног. В связи с этим человек при покойном положении на воде во время вдоха начинает пово­рачиваться, опускаясь ногами вниз. Если руки сместить в сто­рону головы, то можно совместить ЦО и линию тяжести; тог­да тело уравновесится.

По данным Иваницкого, ЦО расположен выше ОЦТ на 2-6 см, в зависимости от особенностей телосложения. Есте­ственно, что с изменением позы тела изменяется и располо­жение ЦО.

Во время движения человека со значительной скоростью через воздушную среду силы сопротивления воздушной среды зависят от площади лобовой поверхности тела. Равнодейству­ющая всех сил сопротивления среды приложена к центру по­верхности. Граница поверхности сопротивления определяется по проекции границы тела на плоскость, перпендикулярную направлению движения тела относительно среды.

У тела человека, стоящего в выпрямленном положении, ЦП тела при движении в переднезаднем направлении распо­лагается выше ОЦТ.

1. Для чего определяются характеристики движений че­ловека?

2. В чем различие кинематических и двигательных ха­рактеристик?

3. Зачем нужно выбирать систему отсчета и как ею пользо­ваться?

4. Дайте определение основных пространственных и вре­менных характеристик движений, скорости и ускорения то­чек тела и звеньев тела.

5. Что является мерой инертности тела при поступатель­ном и вращательном движении?

6. Что является причиной изменения движения? Какие характеристики относятся к силовым?

7. Раскройте энергетические характеристики.

Источник

Временные характеристики.

Временные характеристики раскрывают движение во времени: когда оно началось и закончилось (момент времени), как долго длилось (длительность движения), как часто выполнялось движение (темп), как они были построены во времени (ритм). Вместе с пространственно-временными характеристиками они определяют ха­рактер движений человека.

Определяя, где была точка в пространстве, необходимо определить, когда она там была.

Момент времени — это временная мера положения точки тела и системы. Момент времени ( t ) определяют промежутком времени до него от начала отсчета: [ t ] = Т.

Момент времени определяют не только для начала и окончания движения, но и для других важных мгновенных положений. В первую очередь это моменты существенного изменения движения: заканчива­ется одна часть (фаза) движения и начинается следующая (например, отрыв стопы от опоры в беге — это момент окончания фазы оттал­кивания и начала фазы полета). По моментам времени определяют длительность движения.

7.2. Длительность движения

Длительность движения — это его временная мера, которая из­меряется разностью моментов времени окончания и начала движения.

t = t кон — t нач, : [ t ] = Т.

Длительность движения представляет собой промежуток времени между двумя ограничивающими его моментами времени. Сами мо­менты (как границы между двумя смежными промежутками времени) длительности не имеют. Ясно, что, измеряя длительность, пользуются одной и той же системой отсчета времени. Узнав расстояние, прой­денное точкой, и длительность ее движения, можно определить ее скорость. Зная длительность движений, определяют также их темп и ритм.

В повторных движениях одинаковой длительности темп характе­ризует их протекание во времени.

Темп движений ‘ — это временная мера их повторности. Он из­меряется количеством движений, повторяющихся в единицу времени (частота движений):

Темп — величина, обратная длительности движений. Чем больше длительность каждого движения, тем меньше темп, и наоборот. В повторяющихся (циклических) движениях темп может служить пока­зателем совершенства техники. Например, частота движений у лыж­ников, пловцов, гребцов высокой квалификации (цри более высокой скорости передвижения) больше, чем у менее подготовленных. Из­вестно, что с утомлением темп движений изменяется: он может повышаться (например, при укорочении шагов в беге) или понижаться (например, при неспособности поддерживать его в лыжном ходе).

Ритм движений (временной) — это временная мера соотношения частей движений. Он определяется по соотношению длительности частей движения:

Ритм движений характеризует, например, отношение времени опоры к времени полета в беге или времени амортизации (сгибания колена) к времени отталкивания (выпрямления ноги) при опоре. Примером соотношения длительности и частей движения может служить ритм скользящего шага на лыжах (соотношение длительности пяти фаз шага). С изменением темпа шагов изменяется и их ритм (рис. 5). Кроме временных можно определить еще пространственные показатели ритма (например, отношение длины выпада в шаге на лыжах к длине скольжения).

Чтобы определить ритм (временной), выделяют фазы, которые различаются по задаче движения, по его направлению, скорости, ускорению и другим характеристикам. Ритм отражает прилагаемые усилия, зависит от их величины, времени приложения и других особенностей движений. Поэтому по ритму движений можно в из­вестной мере судить об их совершенстве. В ритме особенно важны акценты — большие усилия и ускорения — их размещение во времени. При овладении упражнениями иногда лучше сначала задать ритм, чем подробно описывать детали движений; это помогает быстрее понять особенности изучаемого упражнения, его построение во времени.

В каждом движении есть различающиеся части, например подго­товительные и исполнительные (основные) движения, разгон и тор­можение. Значит, ритм можно определить в каждом упражнении. Так_ называемые «неритмичные» движения — это не вообще лишенные рит-

ма движения, а движения с отклонениями от заданного рационального ритма. Иначе говоря, неритмичные движения — это движения без определенного постоянного ритма или с неправильным, нерациональ­ным ритмом.

Источник