Лабораторні роботи з курсу

БІОМЕХАНІКА

Методичний посібник для студентів факультету фізичної виховання і спорту

Ужгород - 2004

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Ужгородський національний університет

Кафедра твердотільної електроніки фізичного факультету

Кафедра фізичної реабілітації факультету фізичного виховання і спорту

БІОМЕХАНІКА

(Методичний посібник до лабораторних робіт для студентів факультету фізичного виховання і спорту)

Ужгород – 2004

Методичний посібник підготували:

Кандидат фізико-математичних наук, доцент Пинзеник В.П.,

Кандидат педагогічних наук, доцент Михайлович С.О.

Рецензенти:

ЗМІСТ

1.Лабораторна робота №1: Побудова біокінематичної схеми руху, рухової дії

по кінограмі (відеограмі)............................................................................................. 5

2.Лабораторна робота №2: Визначення часових характеристик рухів по кіно-

грамі, відеограмі і біокінематичній схемі ................................................................. 9

3.Лабораторна робота №3: Визначення лінійних швидкостей і прискорень ру-

ху біоланок по кінограмі і біокінематичній схемі ...................................................13

4.Лабораторна робота №4: Визначення горизонтальних та вертикальних скла-

дових лінійних швидкостей і прискорень руху точок біоланок по кінограмі,

відеограмі і біокінематичній схемі........................................................................... 16

5.Лабораторна робота №5: Визначення положення загального центру тяжіння

тіла людини розрахунковим методом........................................................................19

6.Лабораторна робота №6: Визначення положення загального центру тяжіння

тіла людини графічним методом...............................................................................23

7.Лабораторна робота №7: Визначення ступеня стійкості тіла людини по фото-

грамі..............................................................................................................................26

8. Використана і рекомендована література ............................................................30

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1

Побудова біокінематичної схеми руху, рухової дії по кінограмі (відеограмі).

Мета роботи: одержати навики побудови біокінематичних схем руху на основі кіно- або відеограм в зовнішній і соматичній системах відліку.

Знання та практичні навики, які одержує студент при виконанні роботи:

-практичні навики роботи з кіно- та відеоапаратурою;

-вміння будувати кіно- або відеограми;

-вміння будувати біокінематичні схеми руху;

-вміння описувати механічні рухи використовуючи зовнішню та внутрішню системи відліку.

Короткі теоретичні відомості та методика експерименту:

Рухи тіла людини можна виміряти, тільки порівнюючи положення його матеріальних точок із положенням тіла відліку (тілом, обраним для порівняння). Сукупність тіла відліку і системи координат називають системою відліку. Зручною системою відліку при вивченні біокінематичних характеристик рухової дії по кінограмі являється прямокутна система координат на площині в якій точка перетину координатних осей співставляється з тілом відліку. У процесі біокінематичного дослідження нерухома координатна система може бути співставлена з будь-яким відносно нерухомим на кінограмі орієнтиром (лінія старту, фінішу при бігу спортсмена, нерухомі орієнтири навколишнього середовища і т.д.). Така система відліку називається зовнішньою і використовується при визначенні положення всього тіла людини в якійсь площині.

При вивченні рухів із складною координаційною структурою, а також при оцінці рухливості в суглобах, при руховій реабілітації після перенесених травм або хірургічних втручань, при протезуванні кінцівок перед дослідниками виникають задачі по вивченню відносного взаємного розташування окремих біоланок, біокінематичних пар або ланцюгів тіла людини. Для рішення таких проблем використовується система координат, що зв`язана з певною матеріальною точкою на тілі людини. Таку систему відліку називають соматичною.

Якщо є необхідність вивчити рух точок тіла як у соматичній, так і в зовнішній системах відліку, то необхідно додатково використовувати відносні взаємні переміщення самих систем. Це спостерігається, наприклад, у бігу або ходьбі, коли одночасно вивчаються махові рухи кінцівок щодо всього тіла і переміщення спортсмена по дистанції щодо лінії фінішу.

Для біомеханічного дослідження природних локомоцій, а також специфічних рухів людини щодо обраної системи відліку потрібно насамперед скласти характерну розрахункову схему (або план) її рухової системи, що визначає біокінематичну структуру того чи іншого конкретного досліджуваного руху або дії. На біокінематичній схемі повинні бути зображені тільки ті особливості рухового апарату, що необхідні для визначення шляху, швидкості і прискорення руху певних його частин. Тому локомоторний апарат зображається на схемі у вигляді системи біоланок біокінематичних пар.

Біокінематична схема, за допомогою якої вивчають біокінематичні характеристики, виготовляється безпосередньо за матеріалами кіно- або відеозйомок. Для цього, після вибору масштабу, зображення поз людини по кадрово переносять (замальовують) на папір з міліметровою сіткою за допомогою проектора або фотозбільшувача. У кожному кадрі обов`язково повинен бути орієнтир із яким зв`язана побудова зовнішньої системи координат і визначення масштабу зображення. В лабораторних умовах для цього використовують масштабну лінійку, а в польових умовах може бути обраним будь-який предмет. Якщо необхідно досліджувати відносний взаємний рух біоланок, то на кінограмі позначається ще і соматична система відліку. Після цього вимірюють координати основних точок тіла спортсмена по кінограмі в зовнішній і соматичній системах відліку і по отриманих координатах в обраному масштабі ( в більшості випадків 1:5 ; 1:10) будують біокінематичні схеми.

Вибір площини для побудови біокінематичної схеми залежить від того, у якій площині

робилася кіно- або відеозйомка. Якщо предметом вивчення є рухи, найбільш значні амплітуди яких реалізуються в одній площині, застосовується одно площинна кінозйомка.

Для вивчення рухів із складним просторовим переміщенням біоланок і всього тіла людини ( метання молота, диска, вправи на коні в гімнастиці і т.д. ) використовують трьох площинну кіно- або відеозйомки. Три кіноапарати розташовуються на визначеній

віддалі один від одного так, щоб їх оптичні осі були взаємно перпендикулярні. Зйомка робиться збоку (у сагітальній площині), спереду або позаду ( у фронтальній площині) і зенітна кінозйомка ( у горизонтальній площині). При використанні трьох площинної кінозйомки будують три біокінематичні схеми, що представляють рух у кожній окремій площині. Якщо предметом вивчення являються рухи, найбільше значення амплітуди яких реалізується в одній площині то застосовується одно площинна кінозйомка.

При побудові кінограми і біокінематичної схеми руху або рухової дії на її основі рекомендується такий хід роботи:

- спроектувати перший кадр на лист паперу, установити масштаб зображення, викреслити по зображенню орієнтири (предмети нерухомо зв`язані з землею);

- позначити порядковий номер кадру (відповідно до порядкового номера цього кадру на кіноплівці), нанести досліджувані точки і замалювати контури першої фігури; плівку пересунути на наступний кадр до суміщення орієнтирів на кіноплівці і на папері, відзначити досліджувані точки і замалювати контури другої фігури і т.д. Таким чином, на міліметровому папері щодо орієнтирів розташовується схематичне зображення всіх положень тіла людини в

Рис.1. Кінограма рухової дії спортсмена, виготовлена по даним кінозйомки в сагітальній площині з частотою 16 кадрів.за секунду. (Масштаб: 1поділка на осях X і Y відповідає 0,5м.). Зовнішня система відліку.

різні моменти часу (дивись Рис.1). У залежності від цілей дослідження на схему проектують необхідну кількість поз людини.

- центри суглобів і центр тяжіння голови відзначити точками (антропометричні точки) і відповідно промаркірувати;

-у випадку вивчення відносних переміщень біоланок визначити центр соматичної системи відліку (дивись Рис 2);

- визначити координати точок тіла в зовнішній і соматичній системах відліку;

- перенести координати точок на міліметровий папір і з`єднати точки прямими лініями.

Завдання:

1.Провести кіно- або відеозйомку рухової дії і побудувати його кінограму.

2.На кінограмі (у випадку відсутності кіно- або відеообладнання запропонованій

Рис.2. Кінограма рухової дії спортсмена, виготовлена по даним кінозйомки в сагітальній площині з частотою 16 кадрів за секунду. Соматична система відліку. (Масштаб: 1 поділка на осях відповідає 1м).

викладачем) позначити антропометричні точки, необхідні для побудови біокінематичної схеми;

3.Визначити координати позначених точок, а отримані результати записати в таблицю:

№ кадрів

Центр тяжіння голови, м

Суглоб кисті, м

Плечевий суглоб, м

Тазостегн-овий суглоб, м

Колінний суглоб, м

Суглоб стопи, м

X

Y

X

Y

X

Y

X

Y

X

Y

X

Y

4.Зобразити на міліметровому папері зовнішню систему відліку, перенести на нього отримані координати антропометричних точок і з`єднати їх покадрово.

5.Отримані в процесі роботи результати оформити у вигляді звіту, який повинен включати:

- точну назву, мету і завдання роботи;

-короткі теоретичні відомості та порядок виконання роботи;

-таблицю координат антропометричних точок;

-біокінематичну схему рухової дії спортсмена.

Контрольні питання:

1.Що таке тіло відліку, система відліку?

2.Яка система координат називається зовнішньою?

3.Яка система координат називається соматичною (внутрішньою)?

4.В яких випадках використовують соматичну систему відліку?

5.Що являє собою біокінематична схема?

6.Опишіть хід виконання робіт при побудові біокінематичної схеми руху або рухової дії.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2

Визначення часових характеристик рухів по кінограмі, відеограмі і біокінематичній схемі.

Мета роботи: освоїти методику визначення часових характеристик рухової дії за результатами реєстрації рухів з допомогою кіно- або відеозйомки.

Знання та практичні навики, які одержує студент при виконанні роботи:

-вміння визначати тривалість всього руху та окремих фаз за даними біокінематичної схеми руху;

-вміння визначати темп та ритм циклічного руху;

-практичні навики в побудові хронограм рухової дії.

Короткі теоретичні відомості та методика експерименту:

Кожна рухова дія являє собою складну систему взаємозв’язаних рухових елементів. Важливим чинником, що об’єднує окремі рухові елементи в цілісну дію, являється час. Структура часу визначає не тільки зовнішню кінематичну картину рухової дії, але і загальний кінцевий ефект дії. Розрахунок часових характеристик проводиться за результатами кіно- або відеозйомки руху. При аналізі біокінематичної схеми враховується частота зйомки. Частотою зйомки називають фізичну величину, що дорівнює кількості кадрів зафіксованих на плівці за одиницю часу.

Тому тривалість часового інтервалу між сусідніми кадрами при обраній частоті буде дорівнювати:

де і - моменти часу, що відповідають n-му і n+1-му кадрам відповідно, а - частота зйомки.

Рух починається з визначеного положення тіла, яке приймається за початкове. Моменти часу, що відповідають кадрам з початковим і кінцевим положеннями тіла частини руху є межами фази. Тривалість фази знаходять по різниці моментів часу, що відповідають межам фази. Таким чином фазою називають проміжок часу за який виконується окремий фрагмент рухової дії, взаємозв’язаний із її цілісною структурою, протягом якого вирішується певна рухова задача. Наприклад, починається фаза на 12-у кадрі, а закінчується на 25-у кадрі. Тривалість фази визначається слідуючим чином:

Час усього руху відповідно знаходять як різницю моментів часу початку і закінчення руху або як добуток числа часових інтервалів між кадрами на тривалість одного часового інтервалу:

тут – число інтервалів між кадрами, а – частота зйомки.

Вивчення взаємозв’язку часових характеристик у структурі фізичної вправи становить інтерес для рішення багатьох теоретичних проблем біомеханіки і для обґрунтування методики навчання.

Для наглядності уявлення про отримані дані креслять діаграму фаз руху, яку називають хронограмою. По горизонтальній осі (або осі у вигляді кола) у певному масштабі відкладають тривалість окремих фаз в одиницях часу. На шкалі часу відзначають фази руху у вигляді довільних по ширині смуг ( або секторів на круговій хронограмі ) (див.Рис1).

Хронограма в наочній формі представляє співвідношення фаз і використовується для аналізу координаційної структури руху.

При побудові хронограм для визначення часових характеристик рухів рекомендується слідуюча послідовність операцій:

- переглянути кіно або відеограму і визначити початок відліку часу (нульове положення);

- виділити в русі фази відповідно до задач дослідження і підготувати протокол дослідження; якщо досліджуються фази окремих ланок то протокол складається для кожної ланки окремо, а перегляд руху починається з загального нульового кадру, тобто початок відліку часу повинен бути однаковим для всіх досліджуваних рухів.

- визначити початковий кадр руху, позначивши його t₀;

- записати в таблицю номери граничних кадрів, при цьому початок наступної фази

позначається кадром закінчення попередньої фази;

- зробити розрахунок тривалості часових інтервалів;

- підрахувати довірчий рівень отриманих результатів, виходячи з того, що похибка в один кадр до числа кадрів у фазі показує відсоток помилки;

- по даним таблиці накреслити лінійну або кругову хронограму руху.

Для циклічних рухів визначити частоту повторення рухів в одиницю часу – темп:

Знайти співвідношення часу фаз рухів (співвідношення часу фаз циклічного руху називається ритмом):

.

Зробити висновок про ступінь досконалості рухів на основі порівняння отриманих часових характеристик із такими для сильніших спортсменів.

Завдання:

1.Провести кіно- або відеозйомку і побудувати біокінематичну схему досліджуваного руху (рекомендується використати біокінематичну схему, побудовану при виконанні лабораторної роботи №1).

2.Виділити в досліджуваному русі фази відповідно до задач дослідження.

3.Розрахувати часові параметри рухової дії і похибку експерименту.

4.Отримані результати записати в слідуючу таблицю:

№ п/п	Фази	Момент часу		Час фази (с)	Похибка результату,(%)
		Початок фази (кадр)	Кінець фази (кадр)
1
2
3

Рис.1. Кругова хронограма бігу та лінійна хронограма опорного стрибка.

5.По даним таблиці накреслити на міліметровому папері хронограму.

6. Отримані в процесі роботи результати оформити у вигляді звіту, який повинен включати:

- точну назву, мету і завдання роботи;

-короткі теоретичні відомості та порядок виконання роботи;

-таблицю часових параметрів рухової дії;

- хронограму рухової дії спортсмена.

Контрольні питання:

1.Як визначається тривалість фази або всього руху?

2.Дайте визначення фази, темпу, ритму.

3.Які бувають хронограми?

4.Що являє собою хронограма?

5.В яких випадках будують кругові хронограми?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3