3. Біомеханічні характеристики

Біомеханічними характеристиками називаються показники, використовувані для кількісного опису й аналізу рухової діяльності. Усі біомеханічні характеристики поділяються на кінематичні, динамічні й енергетичні (табл. 3). У них різне призначення: кінематичні характеризують зовнішню картину рухової діяльності, динамічні несуть інформацію про причини зміни рухів, енергетичні дають представлення про механічну продуктивність і економічність.

Біомеханічні характеристики описують поступальні й обертальні рухи. Поступальним називається такий рух, при якому усі точки тіла переміщаються по однакових траєкторіях. При обертальному русі точки тіла, що рухаються, переміщаються по кругових траєкторіях, центри яких лежать на осі обертання.

Але в більшості рухів людини поступальний і обертальний компоненти присутні одночасно, такі рухи називаються складеними. Причому руховий апарат людини улаштований так, що всі рухи (у тому числі і поступальні) утворяться з комбінацій обертальних рухів у суглобах.

Дамо визначення біомеханічним характеристикам, включеним у таблицю 2.1. Але спочатку про дві важливі характеристики, що не ввійшли в таблицю, – про положенні і траєкторії.

Положення будь-якої точки тіла (наприклад, будь-якого суглоба) чи положення спортивного снаряда (наприклад, м'яча) визначається координатами в тій чи іншій системі координат. Найбільш популярна прямокутна система координат, у якій положення матеріальної точки в просторі описується її координатами на трьох взаємно перпендикулярних осях (вертикальної і двох горизонтальних – поздовжньої і поперечної) (рис 2.2).

При виконанні рухової дії положення тіла або спортивного снаряду змінюється. При цьому їхні матеріальні точки рухаються у просторі по лініям, що звуться траєкторіями (рис 2.3).

Траєкторія може мати будь-яку,скільки угодно складну форму. На відміну від неї лінійне переміщення ( – відстань по прямій між кінцевим та початковим положенням тіла. Лінійне переміщення вимірюється в одиницях довжини (метрах).

Кутове переміщення (Δφ) – кут повороту тіла або окремого сегменту. Кутове переміщення вимірюється у градусах.

Швидкість показує, як швидко змінюються координати тіла або його матеріальних точок. Швидкість дорівнює частці від поділу переміщення (тобто різниці координат на інтервал часу, за який це переміщення відбулося:

• лінійна швидкість ;

• кутова швидкість .

Прискорення характеризує швидкість зміни швидкості:

• лінійне прискорення

• кутове прискорення

Таблиця 2.1

Класифікація біомеханічних характеристик та їх одиниці вимірювання

Біомеханічні характеристики
Кінематичні		Енергетичні	Динамічні
Для руху, що поступається	Для обертального руху	Для руху, що поступається та обертального руху	Для руху, що поступається	Для обертального руху
м переміщення град.		Робота, Дж	Маса, кг	Момент інерції, кг
с тривалість с		Енергія, Дж	Сила, Н	Момент сили, Н
м/с швидкість град/с		Потужність, Вт
м/с2 прискорення град/с2		Економічність (коеф. мех. ефект., %)	Импульс сили, Нс	Імпульс момента сили, Нмс
1/хв. темп – ритм 1/хв.		Економічна вартість, , та пульсова вартість, 1/м	Кількість руху,	Кінетичний момент,

Отримані в результаті вимірювань і розрахунків величини переміщення, швидкості та прискорення залежать від прийнятої системи відліку. Наприклад, при бігу швидкість руки або ноги відносно бігової доріжки дорівнює її швидкості відносно загального центру мас бігуна плюс або мінус швидкості загального центру мас відносно доріжки. Цей факт необхідно враховувати при визначенні механічних енерговитрат та виявленні енергетично оптимальних режимів рухової діяльності.

При вивченні рухів, що періодично повторюються (циклічних) важливо знати:

1. темп (n) – за одиницю часу;

2. тривалість (Т) – інтервал часу між однаковими фазами циклічного руху.

Темп і тривалість циклу зв’язані між собою відношенням . Наприклад, якщо брасист виконує 50 циклів за хвилину

Ми тільки-но зустрілися з новим і дуже важливим поняттям – фаза рухової дії. Фазами звуться часові елементи рухових дій. Наприклад, ударна дія тенісиста складається з 5 фаз, тривалість яких позначені Δt_1, Δt_2, Δt_3, Δt_4, Δt_5. Співвідношення тривалості фаз зветься ритмом рухової дії. Графічне відображення ритму зветься хронограмою.

Фазовий аналіз рухової діяльності – один із самих корисних методів, що застосовуються при біомеханічному контролі. Визначення тривалості фаз, побудова хронограми дозволяє “читати” і “записувати елементи рухової діяльності подібно тому, як за нотами можна записувати та відтворювати музику. Це дає можливість документування техніки і тактики, запам’ятовування та вивчення кращих зразків, цілеспрямованого навчання.

Переходимо до опису динамічних характеристик. На відміну від кінетичних їх неможливо оцінити за зовнішньою картиною рухів, на око. Тут завжди потрібна бути вимірювальна апаратура. Динамічні характеристики вимірюють тому, що саме вони допомагають розібратися в складних механізмах формування рухів і, отже, знайти шляхи оволодіння ними, їх удосконалення та виправлення можливих похибок. Адже похибки в кінематиці (зовнішньому малюнку рухів) завжди є наслідком несвоєчасних та нераціональних (недостатніх або надмірних) м’язових зусиль та евмілого використання зовнішніх сил.

Прискорення, набуте тілом, обернено пропорціональне його інертності і прямо пропорціональне силі, що діє:

• лінійне прискорення ;

• кутове прискорення .

Щоб знайти прискорення тіла в русі , що поступається, достатньо знати величини сили й маси. При обертальному русі ситуація складніша. По-перше інертність тіла, що обертається визначається не масою, а моментом інерції. По-друге, ефект дії сили у цьому випадку залежить не тільки від її величини, але й від місця докладання. Чим більше плече сили – найменша відстань від вісі обертання до лінії дії сили, тим більше момент сили, або обертальний момент (М), що дорівнює добутку сили на плече

Оскільки прискорення є прирощення швидкості в одиницю часу

вище формули можна переписати наступним чином:

• для руху, що поступається

• для обертального руху .

Тут нам відкривається закономірність, яку ми добре знаємо з повсякденного життя, але не завжди використовуємо при заняттях фізкультурою та спортом. ЇЇ суть в тому, що ефект дії сили (в даному випадку прирощення швидкості) залежить не тільки від величини сили а й тривалості її дії . У зв’язку з зазначеним ще дві біомеханічні характеристики отримали “права на існування” (рис. 2.5):

• імпульс сили

• імпульс моменту сили

де = t_к - t_п – інтервал часу від початку до кінця дії сили; та – середні величини сили та обертального моменту.

Переходимо до розгляду енергетичних характеристик. Більшість з них обчислюється із кінематичних та динамічних характеристик. Так, механічна робота є додаток сили на переміщення:

Наприклад, для того щоб піднятися по канату на висоту 5 м, хлопчик масою тіла в 30 кг виконує роботу близько 1500 Дж:

30 кг ∙ 9,8 м/с² ∙ 5 м 300 Н ∙ 5 м = 1500 Дж. (150 кг ∙ м).

Якщо цей підйом тривав 10 с, потужність, що розвивається дорівнює 1500 Дж : 10 с = 150 Вт.

Отже, потужність обчислюється за формулою

= F ∙ v.

Останній перехід у перетворенні формули особливо важливий. Він дає змогу визначити потужність коротких інтенсивних рухів (наприклад, ударів м’яч, боксерських ударів тощо), коли механічну роботу визначити важко, але можна виміряти силу й швидкість.

Так, при нанесенні удару класного футболі ста по м'ячу сила дії може досягати 400 Н, а швидкість вильоту м'яча 30 м/с. У цьому випадку потужність, що розвивається, складає 12000 Вт. Образно кажучи, при такому ударі на коротку мить запалюється 120 електричних лампочок, по 100 Вт кожна.

Чинена людиною механічна робота витрачається на збільшення потенційної і кінетичної енергії людського тіла, спортивних снарядів і інших предметів. Потенційна енергія (Е_п) і кінетична енергія тіла в поступальному і обертальному рухах визначаються за формулами:

=

де g=9,8 м/с² – прискорення тіла, що вільно падає h – висота центру мас тіла над поверхнею землі, v – лінійна швидкість, ω – кутова швидкість, т –маса, j – момент інерції.

Повна енергія тіла, що рухається відповідно до теореми Кенига дорівнює сумі його потенційної енергії і кінетичної енергії в поступальному й обертальному рухах:

+ .

Дотепер мова йшла про механічну роботу і потужність. Але, як відомо, у форму механічної енергії перетворюється менша частина енергії, що утвориться в м'язах. Велика її частина переходить у тепло.

Подібно до того як технічні машини (автомобіль, тепловоз) характеризуються коефіцієнтом корисної дії, економічність рухового апарата людини описується рядом аналогічних показників. У їхньому числі:

КМЕ =

де Е—кількість метаболічної енергії, Дж; –швидкість її витрачання, Вт.;

• енергетична вартість метра шляху чи одиниці корисної роботи; для того щоб визначити енергетичну вартість бігу, потрібно розділити швидкість витрати метаболічної енергії на швидкість бігу:

= ;

– пульсова вартість метра шляху чи одиниці корисної роботи; наприклад, пульсова вартість ходьби, бігу й інших циклічних локомоцій обчислюється за формулою

ПВ = .

Пульсову вартість простіше вимірити, ніж енергетичну. І крім того, у деяких ситуаціях пульсова вартість інформативніша за енергетичну (наприклад, при біомеханічному контролі за руховою діяльністю в умовах жари).

Біомеханічні характеристики – одне з хрестоматійних питань біомеханіки. Без вільного володіння відомостями про біомеханічні характеристики так само не можна розраховувати на успіх у вивченні і практичному застосуванні біомеханіки, як неможливо читати книгу, не знаючи алфавіту.