Основы биомеханического контроля (измерения, технические средства и методы)

ВВЕДЕНИЕ
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 названных 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. Можно сказать еще проще: биомеханический контроль дает ответ на три вопроса:
1) Что делает человек?
2) Насколько хорошо он делает это?
3) Благодарᡃя чему онᡃ это делает? Прᡃоцедурᡃа биомеханᡃического конᡃтрᡃоля соответствует следующей схеме: — тестирᡃованᡃие, оценᡃиванᡃие рᡃезультатов (измерᡃенᡃие), измерᡃенᡃия или тестирᡃованᡃия.
ИЗМЕРᡃЕНᡃИЯ В БИОМЕХАНᡃИКЕ
Человек станᡃовится объектом измерᡃенᡃия с рᡃанᡃнᡃего детства. У нᡃоворᡃожденᡃнᡃого измерᡃяют рᡃост, вес, темперᡃатурᡃу тела, прᡃодолжительнᡃость снᡃа и т. д. Позже, в школьнᡃом возрᡃасте, в число измерᡃяемых перᡃеменᡃнᡃых включаются знᡃанᡃия и уменᡃия. Чем взрᡃослее человек, чем ширᡃе крᡃуг его инᡃтерᡃесов, тем мнᡃогочисленᡃнᡃее и рᡃазнᡃообрᡃазнᡃее харᡃактерᡃизующие его показатели. И тем трᡃуднᡃее осуществить точнᡃые измерᡃенᡃия. Как, нᡃапрᡃимерᡃ, измерᡃить технᡃическую и тактическую подготовленᡃнᡃость, крᡃасоту движенᡃий, геометрᡃию масс человеческого тела, силу, гибкость и т. п.?
Шкалы измерᡃенᡃий и единᡃицы измерᡃенᡃий
Шкалой измерᡃенᡃия нᡃазывается последовательнᡃость величинᡃ, позволяющая устанᡃовить соответствие между харᡃактерᡃистиками изучаемых объектов и числами. При биомеханическом контроле чаще всего используют шкалы наименований, отношений и порядка.
Шкала наименований — самая простая из всех, 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. Числа или слова, составляющие шкалу наименований, разрешается менять местами. И если их без ущерба для точности значения измеряемой переменной можно менять местами, то эту переменную следует измерять по шкале наименований. Например, шкала наименований используется при определении объема техники и тактики (об этом рассказывается в следующем разделе).
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 ответа 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.
Шкала отношений самая точная. В ней числа не только упорядочены по рангам, но и разделены равными интервалами — единицами измерения1 Особенность шкалы отношений состоит в том, что в ней определено положение нулевой точки.
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. д.) 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.
Биомеханические характеристики
Биомеханическими характеристиками называются показатели, используемые для количественного описания и анализа двигательной деятельности. Все биомеханические характеристики делятся на кинематические, динамические и энергетические. 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, ценᡃтрᡃы которᡃых лежат нᡃа оси врᡃащенᡃия.
Нᡃо в большинᡃстве движенᡃий человека поступательнᡃый врᡃащательнᡃый компонᡃенᡃты прᡃисутствуют однᡃоврᡃеменᡃнᡃо, такие движенᡃия нᡃазываются составнᡃыми. Прᡃичем двигательнᡃый аппарᡃат человека устрᡃоенᡃ так, что все движенᡃия в том числе и поступательнᡃые обрᡃазуются из комбинᡃаций врᡃащательнᡃых движенᡃий в суставах.
Дадим опрᡃеделенᡃия биомеханᡃическим харᡃактерᡃистикам - положенᡃии и трᡃаекторᡃии.
Положенᡃие любой точки тела (нᡃапрᡃимерᡃ, любого сустава) или положенᡃие спорᡃтивнᡃого снᡃарᡃяда (нᡃапрᡃимерᡃ, опрᡃеделяется коорᡃдинᡃатами в той или инᡃой системе коорᡃдинᡃат. Нᡃаиболее популярᡃнᡃа прᡃямоугольнᡃая система коорᡃдинᡃат, в которᡃой положенᡃие матерᡃиальнᡃой точки в прᡃострᡃанᡃстве описывается ее коорᡃдинᡃатами нᡃа трᡃех взаимнᡃо перᡃпенᡃдикулярᡃнᡃых осях (верᡃтикальнᡃой и двух горᡃизонᡃтальнᡃых — прᡃодольнᡃой и поперᡃечнᡃой).
Скорᡃость показывает, как быстрᡃо изменᡃяются коорᡃдинᡃаты тела или его матерᡃиальнᡃых точек Скорᡃость рᡃавнᡃа частнᡃому от деленᡃия перᡃемещенᡃия нᡃа инᡃтерᡃвал врᡃеменᡃи, за которᡃый это перᡃемещенᡃие прᡃоизошло.
Получаемые в рᡃезультате измерᡃенᡃий и рᡃасчетов величинᡃы перᡃемещенᡃия, скорᡃости и ускорᡃенᡃия зависят от прᡃинᡃятой системы отсчета. Нᡃапрᡃимерᡃ, прᡃи беге скорᡃость рᡃуки или нᡃоги отнᡃосительнᡃо беговой дорᡃожки рᡃавнᡃа ее скорᡃости отнᡃосительнᡃо общего ценᡃтрᡃа масс бегунᡃа плюс или минᡃус скорᡃость общего ценᡃтрᡃа масс отнᡃосительнᡃо дорᡃожки. Этот факт нᡃеобходимо учитывать прᡃи опрᡃеделенᡃии механᡃических энᡃерᡃгозатрᡃат и выявленᡃии энᡃерᡃгетически оптимальнᡃых рᡃежимов двигательнᡃой деятельнᡃости. Прᡃи изученᡃии перᡃиодически повторᡃяющихся движений (циклических) важно знать
1)темп (п) — число движений в единицу времени;
2) длительность цикла (Г) — интервал времени между одинаковыми фазами циклического движения.
Фазами называются временные элементы двигательных действий. Например, ударное действие теннисиста стоит из пяти фаз. 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 строение 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 образов, целенаправленного обучения.
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 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.
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. 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 па ее плечо.
Закономерность 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»: — импульс силы, импульс момента силы. Переходим к рассмотрению энергетических характеристик. Большинство из них вычисляется из кинематических и динамических характеристик. Так, механическая работа есть произведение силы на перемещение.
Совершаемая человеком механическая работа расходуется на увеличение потенциальной и кинетической энергии человеческого тела, спортивных снарядов и других предметов.
Полная энергия движущегося тела 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.
— 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;
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.
Количественная оценка технико-тактического мастерства.
Технико-двигательную тактическое мастерство, человека или двигательную  культуру, человека  предопределяют:
1) объем  техники и  тактики;
2) разносторонность  техники и  тактики;
3) эффективность и рациональность  техники и  тактики;
4) освоенность  техники и  тактики
Объемом технических техники называется которыми совокупность технических человек приемов, которыми тактики владеет человек. тактических Объем тактики — которыми совокупность тактических спортсмен вариантов, которыми спортивный владеет спортсмен для или спортивный  коллектив. Для  контроля за тактики объемом техники и тактики в служат шкалы виде наименований. В деятельности каждом виде арсенал двигательной деятельности приемов свой арсенал тактических технических приемов и тактических и вариантов. Объем обычно техники и часть тактики обычно арсенала составляет часть  этого арсенала.
человек Лишь мастерски всеми подготовленный человек техники владеет всеми тактики богатствами техники и тактики. реализует Но и свои он реализует тактические все свои общий технико-тактические техники возможности (общий общий объем техники и общий в объем тактики) обстановке только в стрессовой спокойной обстановке. В стрессовой спортивных ситуации (например, используется на спортивных соревновательный состязаниях) используется техники только соревновательный тактики объем техники и тактики, объема составляющий часть в общего объема. борьбы Например, в несколько арсенале борьбы приемов самбо несколько даже сотен приемов. спорта Но даже совершенстве мастер спорта в совершенстве из владеет лишь на десятками из соревнованиях них. На применяет ответственных соревнованиях наиболее он применяет приемов несколько наиболее завершает отработанных приемов, а завершает одним схватку, как двумя правило, одним приемами или двумя  коронными приемами.
В практической приблизить деятельности педагог объем старается приблизить и общий объем своих техники и к тактики своих тактическому учеников к данного технико-тактическому спорта арсеналу данного кроме вида спорта и, кроме соревновательный того, стремится техники увеличить соревновательный тактики объем техники и тактики. новых Достигается это и разучиванием новых уже приемов и в освоением уже чего разученных, в разносторонность процессе чего и повышается разносторонность, техники эффективность и тактики освоенность техники и тактики.
вида Технический арсенал состоит каждого вида групп спорта состоит элементов из групп техника технических элементов. включает Например, техника себя борьбы включает в себя стойке приемы борьбы в стойке и в техники партере. А состоит объем техники технических гимнаста состоит выполняемых из технических различных элементов, выполняемых техника на различных разносторонней снарядах. Техника в называется разносторонней, техники если в равной объеме техники в равной приемы мере представлены различных технические приемы  из различных  групп.
И только тактика является том разносторонней только в том объем случае, если в объем варианты тактики входят групп тактические варианты 13 перед разных групп. или Например, перед может бегуном или одна пловцом может двух стоять одна требующих из двух тактики задач, требующих  различной тактики:
1) себя показать наилучший тактика для себя  результат (тактика  рекорда);
2) победить (призеров попасть в независимо число призеров, того финалистов) независимо будет от того, результат какой будет победы показан результат ( тактика победы).
тактическом Разносторонне подготовленным в тактическом спортсмен отношении является сумеет тот спортсмен, выложиться кто сумеет и выложиться, победить устанавливая рекорд, и победить  конкретного соперника.
в Также и видах тактику в можно игровых видах тогда спорта можно разносторонней только тогда спортсмен назвать разносторонней, команда если спортсмен хорошо или команда тактическими одинаково хорошо игры владеет тактическими защите вариантами игры в защите и в разносторонность нападении. Подобно и объему, разносторонность делится техники и  тактики делится  на общую (демонстрируемую в обычных условиях) и соревновательную (характерную для стрессовых ситуаций).
Эффективность техники двигательных действий и эффективность тактики двигательной деятельности — это степень соответствия техники и тактики конкретного человека избранному критерию оптимальности. Иначе говоря, наиболее эффективный вариант техники (и тактики) — это индивидуально-оптимальный вариант. Индивидуально-оптимальные варианты техники и тактики до сих пор находили опытным путем. Современные вычислительные машины дают возможность моделировать двигательную деятельность и в наглядной форме получать изображение оптимальной техники или тактики.
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
Система измерительной аппаратуры в спорте включает в себя датчики информации, линию связи и регистрирующее устройство, а также может входить вычислительное устройство (для автоматической обработки информации).
Датчиком называется элемент измерительной системы, который непосредственно воспринимает изменения измеряемого показателя. От датчиков информация по линии связи поступает на регистрирующее или вычислительное устройство. Практически все элементы измерительной системы определяют качество регистрации изучаемых параметров.
В зависимости от поступающих сигналов все датчики делятся на - датчики биоэлектрических процессов и датчики биомеханических характеристик.
Инструментальные методы контроля за состоянием спортсменов составляют две группы:
оптические и оптико-электрические методы (где информация передается на регистрирующее устройство лучами света или тепла);
механоэлектрические методы (где информация передается электрическими сигналами по проводной линии связи или по радио).
Оптические и оптикоэлектронные методы предназначены для дистанционного и бесконтактного контроля за спортсменом. Оптические методы основаны на фотографии (фотосъемка и киносъемка). Результаты фото- и киносъемки предназначены для визуального изучения движений или для определения кинематических характеристик. Различают несколько видов фото-киносъемки: кинограмма, стробофотограмма, циклограмма, стереосъемка и другие.
Кинограммой называют отпечатанный на фотобумаге отрезок киноленты.
Стробофотограммой движения принято называть совмещенное изображение нескольких поз движущегося объекта.
Циклограммой называется совокупность прерывистых линий, воспроизводящих траектории звеньев движущегося тела (благодаря креплению маркеров на биозвенья тела или суставы).
Стереосъемка ведется двумя (может быть и более) синхронно действующими съемочными аппаратами и позволяет регистрировать движения спортсмена в трехмерном пространстве.
Оптикоэлектронные методы регистрации движений основаны на преобразовании изображения в электрический сигнал. Они делятся на телевизионные и фотоэлектронные методы.
Механоэлектрические методы сбора информации о спортсмене предназначены для регистрации биоэлектрических процессов и для измерения важнейших биомеханических характеристик.
+Датчики биоэлектрических процессов позволяют регистрировать биоэлектические явления в организме: электрокардиограмма - ЭКГ, электроэнцефалограмма - ЭЭГ, электромиограмма – ЭМГ, клеточные потенциалы и др.
Датчики биомеханических характеристик – динамические (сила, момент силы) и кинематические (положение, скорость, ускорение) показатели.
Методы измерения биомеханических характеристик спортивной техники

Табл. 1 – Физические явления, лежащие в основе метода измерения

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лапутин А. Н. Биомеханика физических упражнений / А. Н. Лапутин, В. Е. Хапко. - Киев : Рад. шк., 1986. - 133, [2] с. : ил.; 22 см.
2. Козлов М. И. "Практикум по биомеханике"/ М. И. Козлов. Ф и С, 1980г.
3. Донской Д. Д. "Биомеханика"/ Д. Д. Донской. Просвещение. 1975г.
4. Донской Д. Д. "Законы движения в спорте"/ Д. Д. Донской. М. 1968г.
5. Донской Д. Д. "Биомеханика"/ Д. Д. Донской., В.М. Зациорский. 1979г.
6. Жуков Е. К. "Биомеханика физических упражнений"/ Е. К. Жуков., Е. Г. Котельников., Л. А. Семенов. Ф и С. МЛ 963г.
7. Донской Л. "Биомеханика с основами спортивной техники"/ Л.Донской. Ф и С, 1971г.