1) Предмет биомеханика спорта и ее задачи.
Главная задача биомеханики-овладеть знаниями основных общих закономерностей строения двигательного аппарата и выполнения движений.
Предмет науки – совокупность объектов или процессов, которые изучает данная наука.
Биомеханика двигательных действий изучает свойства и функции опорно-двигательного аппарата и двигательные действия человека с позиции классической механики (на основе понятий, принципов и законов классической механики).
Биомеханика – смежная наука. Она возникла на «стыке» двух наук: биологии – науки о жизни и механики – науки о механическом движении материальных тел и происходящих при этом взаимодействиях между телами.
Объектом познания биомеханики являются двигательные действия как системы взаимно связанных активных движений и положений тела че Задачи:
Общая: оценка эффективности приложения сил для более совершенного достижения поставленной цели.
Частные:
1)изучение и объяснение самих движений человека в той или иной области
2)изучение и объяснение движений физических объектов, перемещаемых человеком
3)результатов решения двигательной задачи
4)условий, в которых они осуществляются
5)развития движений человека в результате обучения и тренировки.
2) Содержание биомеханики спорта (теория биомеханики спорта, метод биомеханики спорта).
Современная теория биомеханики имеет в своей основе системно-структурный подход к рассмотрению явлений и процессов (как конкретизацию диалектико-материалистического понимания):субстрата движений(тело человека), самих процессов движения (двигательные действия) и их развития.
Системно-структурный подход представляет собой принцип научного познания целостности сложных объектов и процессов, исходя из взаимодействия элементов, из которых они состоят.
Для изучения двигательных действий опорно-двигательный аппарат рассматривают как биомеханическую систему.
Для теории биомеханики большое значение имеет рассмотрение движений человека как систем движений. Рассматриваются особенности движений и их взаимосвязи, влияющие на эффективность двигательных действий.
В процессе обучения двигательным действиям происходит перестройка систем, возникают их новые особенности. Закономерности управления движениями накладывают особый отпечаток на сами движения. Только человек, в отличие от всех других существ может активно познавать законы природы и правильно их применять, управляя движениями.
Метод биомеханики-системный анализ и системный синтез движений на основе их количественных характеристик, в частности кибернетическое моделирование движений.
-это способ исследования, путь познания закономерностей в биомеханике.
Рассматривая сложное двигательное действие как систему движений, необходимо установить её состав. для этого используют количественные характеристики. Чтобы установить состав системы используют системный анализ. (Расчленение системы на отдельные части)
В понятие системы один её структура как закон взаимодействия элементов в системе.
Для выявления структуры системы используют системный синтез-выявление причин целостности системы.
Системный анализ и системный синтез неразрывно связаны между собой и взаимно дополняются в системно-структурном исследовании.
Количественные характеристики движений позволяют строить модели системы движений.
Закономерности, устанавливаемые при изучении движений имеют статистический характер ( вероятностный). Он обусловлен зависимостью следствий от многих причин.
Используют методы наблюдения, эксперимента, лабораторного эксперимента и тд.
3) Кинематические характеристики движений человека (пространственные, временные и пространственно-временные).
пространственные характеристики( координаты, траектории) - можно измерять , а результаты измерения записывать по ходу исполнения движения как непрерывно, так и в отдельные и моменты времени.(дискретно) Определения этих характеристик сводиться к измерению расстояния . Измерения расстояний производиться непосредственным путем и замерами на уменьшенных( масштабно) изображениях( материалы фоторегистрации). Пространственные характеристики позволяют определить каково исходное и конечное положения при движении какова между ними разница насколько они изменились и через какие промежуточные положения выполнилось движение.
Временные характеристики- момент времени, длительность движения, темп,и ритм) можно измерять и фиксировать, отмечая нужные моменты времени и определяя соответствующие его промежутки. Момент времени это временная мера положения точки, тела и системы. Момент времени определяют промежутком времени до него начала отсчета. длительность движений- это временная мера которая измеряется разностью моментов времени окончания и начала движения. темп- это временная мера повторности движении. Он измеряется количеством движении, повторяющихся в единицу времени. Ритм – это временная мера соотношения частей движения. Определяется по соотношению промежутков времени..
(используют механические и электросекундомеры)
Пространственно-временные (скорости и ускорения) – определяют как изменяются положения и движения тела человека во времени, как быстро человек изменяет свои положения ( скорость) и движение( ускорение)
4) Динамические характеристики движений человека (инерционные и силовые характеристики).
Для того, чтобы раскрыть причины изменения движений, механизм движений, используют динамические характеристики.
1)Инерционные характеристики (особенность самих движущихся тел). 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, которое проявляется в сохранении движения, а также в особенностях изменения его под действием сил. Понятие об инерции раскрывается в первом законе Ньютона: Всякое тело сохраняет своё состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока внешние приложенные силы не заставят его изменить это состояние. Масса тела- это мера инертности тела при поступательном движении. Она измеряется отношением приложенной силы к вызываемому ею ускорению. Момент инерции- это мера инертности тела при вращательном движении. Момент инерции тела равен отношению момента силы относительно данной оси к вызываемому им угловому ускорению. Момент инерции тела больше, когда его частицы дальше от оси вращения.
2) Силовые характеристики. Сила- это мера механического воздействия одного тела на другое в данный момент времени. Численно она определяется произведением массы тела на его ускорение, вызванного данной силой. Закон Ньютона: действию всегда существует равное противодействие, иначе говоря, действия двух тел друг на друга всегда равны и противоположны по направлению. Момент силы- это мера вращающего действия силы на тело. Он определяется произведением силы на ее плечо. Поворот тела против часовой стрелки- сила положительная.
5. Превращение и преобразование метаболической энергии в полезный результат деятельности человека.
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 характеризует состояние системы, изменяющейся вследствие работы. Энергетические характеристики показывают, как меняются виды энергии при движениях и протекает сам процесс изменения энергии. Работа силы - это мера действия силы на тело при некотором его перемещении под действием этой силы. Если сила направлена в сторону движения, то она совершает положительную работу, увеличивая энергию движения тела. Когда же сила направлена навстречу движению (или под тупым углом к его направлению) , то работа силы отрицательная и энергия движения тела уменьшается. Энергия - это запас работоспособности системы. Механическая энергия определяется скоростями движений тел в системе и их взаимным расположением; значит, это энергия перемещения и взаимодействия. Кинетическая энергия тела - это энергия его механического движения, определяющая возможность совершить работу. Потенциальная энергия тела -это энергия его положения, обусловленная взаимным относительным расположением тел или частей одного и того же тела и характером их взаимодействия. Энергия как мера движения материи переходит из одного вида в другой. Химическая энергия в мышцах превращается в механическую. Порожденная ею сила тяги мышц совершает работу и преобразует потенциальную энергию в кинетическую энергию движущихся звеньев тела и внешних тел. Механическая энергия внешних тел (кинетическая), передаваясь при их действии на тело человека его звеньям, преобразуется в потенциальную энергию растягиваемых мышц-антаганистов и в рассеивающуюся тепловую энергию.
На примере плавания:
При спортивном плавании метаболическая энергия на первом этапе с потерями трансформируется в тотальную внешнюю механическую мощность, а на втором этапе с дополнительными потерями тотальная внешняя механическая мощность трансформируется в полезную внешнюю механическую мощность, которая тратится на преодоление лобовой компоненты силы активного гидродинамического сопротивления. В результате чего и возникает та или иная скорость плавания. Этот процесс формализован в виде математической модели установившегося нестационарного движения пловца:
где v0 = полезный результат деятельности, т.е. скорость плавания на какой-то дистанции или ее мерном отрезке (м/с);
Pai = мощность метаболических процессов, которая является суммой мощностей 3-х основных энергетических систем организма (окислительная, фосфогенная, лактацидная) (Вт);
Eg = Pto/Pai – коэффициент механической эффективности, который является отношением тотальной внешней механической мощности к мощности метаболических процессов (коэф. явл-ся безразмерным);
ер – безразмерный коэф. продвигающей эффективности, т.е. отношение полезной внешней механической мощности к Pto (тотальная внешняя механич. мощность) (ер = Рuo/ Pto);
Fr (fd) – сила лобовой компоненты активного гидродинамического сопротивления (Н) (1 кг силы=9,8 Н)
Суммарная метаболическая мощность, которая возникает в результате проявления максимальной двигательной активности, создается тремя энергосистемами: окислительной, фосфогенной и лактацидной.
Мощность активного энергетического метаболизма отражает уровень функциональной подготовленности,
Коэфициент механической эффективности отражает уровень специальной силовой подготовленности,
Коэфициент продвигающей эффективности и лобовая компонента отражают уровень специальной технической подготовленности.
Представленное уравнение позволяет количественно оценивать факторы, влияющие на скорость плавания, поэтому основная задача тренировочного процесса заключается не в максимальном количественном достижении какого-либо фактора, а в их оптимальной балансировке.
6) Строение и функции биомеханической системы двигательного аппарата.
1. соединение звеньев тела.
Опорно-двигательный аппарат состоит из органов опоры и движения. Твердую основу двигательного аппарата составляет его костный осевой скелет. Все кости соединяются в скелет посредством суставов. Мышцы, прикрепляющиеся к костям, обуславливают движения человека. Таким образом, подвижно соединенные кости скелета под действием мышц обеспечивают двигательную функцию. Такая упрощенная модель тела человека называется биомеханической системой. На ней удобно изучать закономерности движения.
Два костных звена, соединенные суставом, образуют биокинематическую пару . В скелете человека больше всего вращательных пар (т.е. шарнирных соединений). Винтовая пара (т.е. вращение с поступательным перемещением) имеется только в голеностопном суставе. И совсем нет поступательных пар. Несколько биокинематических пар, соединенных последовательно, образуют биокинематическую цепь. Различают замкнутые и незамкнутые биокинематические цепи. Незамкнутая - имеет свободное (конечное) звено. Здесь возможны изолированные движения в отдельно взятом звене. В замкнутых - нет свободного конечного звена. Здесь изолированные движения в одном звене не возможны, т.к. в движение неизбежно вовлекаются и другие соединения. Незамкнутая связь может перейти в замкнутую, если звено получит связь с другим звеном посредством опоры или захвата.
2. степени свободы в биокинематических цепях.
Количеством степеней свободы тела называется количество независимых координат, которые определяют перемещение тела в пространстве. Тело может передвигаться относительно трех взаимно-перпендикулярных осей поступательно и совершать вокруг них вращательные движения. Если закрепить свободное тело в одной точке, то у него останется 3 степени свободы, т.к. оно может вращаться вокруг трех осей. Если закрепить еще одну точку, то тело будет иметь только одну степень свободы - вращение вокруг оси. Если закрепить еще одну точку, то тело будет закреплено неподвижно и совсем не будет иметь степеней свободы. В теле человека закрепление части тела в одной точке имеет шаровидный сустав. Так в плечевом суставе звено может только вращаться вокруг трех осей. В открытых (разомкнутых) биокинематических цепях степени свободы суммируются. Так, у бедра, относительно таза 3 степени свободы, у голени относительно бедра - 2 степени, значит у голени относительно таза уже 5 степеней свободы. Поэтому возможности комбинаций всех траекторий движения во всех суставах больше.
В спортивной практике ограничивают число степеней свободы для рационального движения и экономии движения.
3. ЗВЕНЬЯ тела как рычаги и маятники.
Кости, соединенные подвижно в суставах, представляют собой, с точки зрения механики, рычаги. Сустав представляет собой точку опоры рычага. Если силы приложены по обе стороны от точки опоры рычага, то рычаг называется двухплечным или рычагом I рода, если по одну сторону, то II рода. Рычаг имеет следующие элементы: - точку опоры О; - точку приложения сил; - плечи рычага; - плечи сил.
Мерой действия сил на рычаг является момент относительно точки опоры, т.е. произведение величины силы на ее плечо:. Для равновесия рычага необходимо чтобы противоположно направленные моменты сил относительно оси рычага были равны. Если момент движущихся сил преобладает над моментом тормозящих сил, то звено приобретает положительное ускорение. В противном случае приобретается отрицательное ускорение и звено тормозится. Если мышцы сокращаются, то это движение преодолевающее. Если мышцы выполняют отрицательную работу и тормозят движение, то мышцы растягиваются и движение называется уступающим. Если сила приложена под острым или тупым углом к рычагу, ее можно разложить на тангенциальную (касательную) F1 и нормальную Fn составляющие. Биомеханическую систему человека в целом можно представить как систему соединенных между собой рычагов, которые являются еще и маятниками (прямыми или обратно перевернутыми) поэтому в каждом движении (шаге) моменты мышечных сил необходимо приспосабливать к переменным механическим условиям, чтобы обеспечить относительное постоянство движения тела.