Теоретические основы построения спортивной техники

Ðисунок 5.10 Ãрàфическое изобрàжение периодического изменения физической величины

f(t) во времени t

Èз мàтемàтики известно, что периодическàя функция по времени с периодом повторения Ò1 может быть предстàвленà суммой синусоид с нàдлежàщим обрàзом подобрàнными àмплитудàми Àn и фàзàми φn, полученной нà основàнии преобрàзовàния Ôурье.

×àстоты этих синусоид (гàрмоник) крàтны основной чàстоте

Ω1 = 2π/Τ1, с которой повторяется по времени и периоду физическàя,

периодическàя функция f(t).

Òàким обрàзом, если входнàя физическàя величинà периодическàя, то

онà состоит из постоянной состàвляющей Àо, первой гàрмоники À1 cos(Ω1t

+ φ1), второй гàрмоники À2 cos(2Ω1t + φ2) и других высших гàрмоник с

чàстотàми 3Ω1, 4Ω1 и т. д. Ïолнàя суммà всех этих гàрмонических состàвляющих рàвнà входной величине и полностью описывàет изменение

перепàдов силы, покàзàнной нà рисунке 5.11 À, грàфический спектр этой последовàтельности изобрàжен нà рисунке 5.12 À.

Åдиничный перепàд физической величины обычно описывàется функцией включения, у которой при À = 1,0 и вырàжение (здесь функция по времени нàиболее удобнà для обобщения и понимàния) :

Òàкой перепàд физической величины, нàпример силы, грàфически, отрàжен нà рисунке 5.11 Á.

Ãрàфический спектр любой периодической последовàтельности

© 2015 ÁÍÒÓ

изменений физической величины изобрàжàется в виде вертикàльных отрезков (спектрàльных линий), рàвностоящих друг от другà. Òàкой спектр нàзывàется линейчàтым (рисунок 5.12 À).

Îднàко, любые физические величины всегдà огрàничены по времени и

поэтому не являются периодическими функциями времени. Íàпример, одиночное воздействие силы (импульс) существует лишь в течение времени t

(рисунок 5.11 Á). Ýто рàссмàтривàется кàк предельный случàй периодической

неогрàниченно сокрàщàется, à àмплитуды An уменьшàются до бесконечно мàлого знàчения.

Òàким обрàзом, спектрàльным предстàвлением непериодической функции является не дискретный ряд гàрмоник, à суммà бесконечно большого числà, бесконечно близких при чàстоте колебàний с исчезàюще мàлыми àмплитудàми.

Ðисунок 5.11 Ïериодическàя последовàтельность перепàдов физической величины – À и одиночный

перепàд физической величины – Á

Ñпектр тàкой функции является сплошным, тàк кàк состоит из непрерывной последовàтельности чàстот. Ïри грàфическом изобрàжении тàкого спектрà (рисунок 5.12 Á), вдоль оси ординàт отклàдывàют не àмплитуды состàвляющих (они бесконечно мàлы), à предел отношения àмплитуды An к полосе чàстот, отделяющей соседние спектрàльные линии. Ýтот предел нàзывàется спектрàльной плотностью àмплитуд Ô( Ω ).

Ïри àнàлизе рисунков 5.12 À и 5.12 Á видно, что огибàющие спектров нàчинàя в облàсти низких чàстот, уходят в облàсть бесконечно больших

© 2015 ÁÍÒÓ

чàстот. Íо, по мере ростà чàстот àмплитуд состàвляющих спектрàльные плотности уменьшàются, и, нàчинàя с некоторой чàстоты, они вносят нàстолько мàлый вклàд в общую сумму, что с ними можно не считàться.

Òàким обрàзом, любые перепàды физических величин являющихся функцией времени, следует считàть функциями с огрàниченным спектром. Èнтервàл чàстот, в котором рàзмещàется огрàниченный спектр, нàзывàется шириной спектрà.

Ïри прàктической оценке ширины спектрà импульсà (в отсутствии особых требовàний к его форме) допускàется отбрàсывàть высшие чàстотные состàвляющие спектрà, суммàрнàя энергия которых не превышàет 5 ÷ 10% энергии импульсà.

двигàтельных действий спортсменов, является метод электротензометрии. Ýто прямой метод, с помощь которого можно получить все мехàнические хàрàктеристики усилий движений телà или звеньев спортсменà в прострàнстве, хàрàктеристики взàимодействия телà и его звеньев с подвижной или неподвижной опорой (спортивные снàряды, средà, пàртнеры, противники).

Îсновой

мàтериàльных

мехàнической

электрического

© 2015 ÁÍÒÓ

деформàции, при условии, что обà телà жестко соединены друг с другом. Â общем виде, функционàльнàя схемà построения электротензометрического оборудовàния для исследовàния мышечной рàботы спортсменà может иметь вид покàзàнный нà рисунке 5.13.

Ðисунок 5.13 Ôункционàльнàя схемà электротензометрического оборудовàния

Ïреобрàзовàтель мехàнического движения ΔX(t), которое

определяется спецификой двигàтельного действия спортсменà, переводит это движение в нàгрузку x(t) деформирующую тензоэлемент. Óпругàя деформàция этого тензоэлементà изменяет омическое сопротивление одного, пàры или всех четырех электрических тензорезистивных элементов,

мостà и нà его выходе появляется нàпряжение (ток) ΔU(t). Óпрàвление режимàми рàботы тензоэлектрического измерительного мостà осуществляет бàлàнсировочное устройство, устàнàвливàющее и поддерживàющее нулевое знàчение нàпряжения (токà) в измерительной диàгонàли тензоэлектрического измерительного мостà, путем его бàлàнсировки, à тàкже мàсштàбирующее

устройство, создàвàя этàлонный рàзбàлàнс тензоэлектрического

измерительного мостà подключением, к одному из его плеч, соответствующего резисторà. Ïреобрàзовàтелем электрического сигнàлà, является нàпряжение (ток) ΔU(t), которое преобрàзуются в выходной сигнàл

ΔU, по пàрàметрàм достàточным для его использовàния другими регистрàционно-информàционными системàми.

Íà основе описàнного методà, широкое рàспрострàнение получили

тензоплàтформы – устройствà, позволяющие определять взàимодействие спортсменà с опорой при оттàлкивàнии. Ñостàвляющие реàкции опоры (вертикàльнàя и горизонтàльные) регистрируются незàвисимо от точки

тензометрической àппàрàтуры можно исследовàть тàкже перемещение точки приложения усилия к тензоплàтформе. Òàкое перемещение может происходить кàк из-зà передвижения испытуемого, тàк и из-зà изменения

© 2015 ÁÍÒÓ

положения его ÎÖÌ телà при перемене позы. Äля этих измерений требуется многокомпонентнàя тензоплàтформà, с помощью которой измеряются отдельно состàвляющие реàкции во всех опорàх, устàновленных по углàм плàтформы.

Ïри àкселерометрии, одной из нàиболее вàжных хàрàктеристик движения является линейное ускорение, где определять его тàкже можно с помощью тензометрической àппàрàтуры. Â дàнном случàе тензодàтчик регистрирует деформàцию упругой плàстины, связàнной с движущимся объектом. Òàк кàк мàссà дàтчикà (m) и упругость плàстины (C) величины постоянные, то перемещение мàссы дàтчикà относительно объектà будет пропорционàльно линейному ускорению объектà. Ïàрàметры àкселерометрà подбирàются тàким обрàзом, чтобы собственнàя чàстотà колебàний дàтчикà, былà в 3-4 рàзà больше мàксимàльной чàстоты изучàемого процессà.

Ãониометрия широко используется для измерений углов в сочленениях телà спортсменà. Ïри использовàнии методà электротензомерии, здесь вместо потенциометрà, о котором говорилось рàнее, устàнàвливàется специàльный тензоэлемент. Ïри этом, тензоэлемент, во время двигàтельного действия, сдàвливàется обрàзующими сустàвной угол плàнкàми с усилием пропорционàльным сустàвному углу конечности спортсменà. Òàкой метод определения сустàвных углов облàдàет высокой точностью измерения и большой скоростью реàгировàния нà изменения положений сустàвного углà.

5.6 Âходнàя информàция, основàннàя нà биоэлектрических и

биометрических сигнàлàх, хàрàктеризующих функционàльное

состояние спортсменà

Ñтыковàться со спортивным оборудовàнием могут и специàльные диàгностические приборы и комплексы, у которых входной величиной являются покàзàтели функционàльного состояния. Äля получения

электрокàрдиогрàфических, электромиогрàфических, реогрàфических сигнàлов, à тàкже сигнàлов связàнных с кожногàльвàнической реàкцией и тепловым излучением оргàнизмà используются рàзличные технологии.

Ýлектрокàрдиогрàммà - это кривàя изменения электрической àктивности сердцà, хàрàктеризующàя деятельность сердечной мышцы в функции времени зà период от поступления крови в предсердие до поступления ее в àорту. Íà грàфике этого изменения по вертикàли регистрируются изменения нàпряжения в милливольтàх, по горизонтàли – время в секундàх. Äля того чтобы получить электрокàрдиогрàмму (ÝÊÃ) достàточно нàложить нà нужные точки телà человекà двà электродà площàдью 40 ÷ 60 см²

Êàк прàвило электрокàрдиогрàммà снимàется с человекà с помощью

электрокàрдиогрàфà. Êонструктивно, он может быть оформлен в виде сàмостоятельного, отдельного приборà, либо кàк функционàльный элемент,

© 2015 ÁÍÒÓ

входящий в состàв некоторого тренировочного устройствà, нàпример специàлизировàнного велоэргометрà. Ýлектрокàрдиогрàф это прибор, позволяющий измерить нàпряжение сердечной мышцы в пределàх 0,01 ÷ 0,50 м с регистрàцией результàтà измерения в àнàлоговой (рисунок 5.14), либо в цифровой форме. Ýлектрокàрдиогрàф состоит из электродов нàклàдывàемых нà тело, широкополосного электронного усилителя с входным сопротивлением рàвным 500 кÎм ÷ 2,0 ÌÎм. Åсли рàзделить нàпряжение, соответствующее зубцу R нà кривой ÝÊÃ, рàвное 0,3 ÷ 05 м нà знàчение входного сопротивления, то знàчение входного токà будет нàходиться примерно в пределàх сотых долей микроàмпер.

Ðисунок 5.14 Íормàльнàя электрокàрдиогрàммà здорового человекà

Èнтервàл ², хàрàктеризуемый зубцом P – рàботà предсердия; интервàл ²², хàрàктеризуемый зубцàми Q, R,

S, T – рàботà желудочков

Çнàя ток и нàпряжение можно оценить электрическую энергию рàботы сердцà зà любой отрезок времени его рàботы. Äля спортà, при оценке рàботы сердцà, используется время между двумя зубцàми R. Ïо этому времени, определяется чàстотà сердечных сокрàщений (×ÑÑ), хàрàктеризующàя функционàльные особенности спортсменà, и являющàяся основной входной величиной оборудовàния для циклических видов спортà.

Ýлектромиогрàфия – способ регистрàции биоэлектрической àктивности мышц. Ñовременные беспроводные технологии дàют возможность получàть информàцию непосредственно при выполнении физического упрàжнения. Íàпример, в двигàтельных взàимодействиях двух спортсменов (рисунок 5.15). Â электромиогрàфии можно выделить три основных нàпрàвления использовàния изучения двигàтельной деятельности

© 2015 ÁÍÒÓ

человекà.

1.Õàрàктеристикà àктивности отдельных двигàтельных единиц мышц.

2.Îпределение àктивности отдельных мышц в рàзличных двигàтельных

àктàх.

3. Õàрàктеристикà соглàсовàния àктивности мышц, объединенных

общим учàстием в движении.

Äля решения биомехàнических зàдàч используются глàвным обрàзом

второе и третье нàпрàвления.

Ðисунок 5.15 Áеспроводной ÝÌÃ-комплекс Tringo для регистрàции и àнàлизà биоэлектрической

àктивности мышц

Ïри использовàнии электромиогрàфии для изучения спортивных движений обычно применяются нàкожные электроды. Íàкожные электроды могут быть моно- и биполярные. Â любом случàе электромиогрàммà может отрàжàть электрическую àктивность тех мышц, нàд которыми нàходятся электроды, либо (при монополярном отведении) àктивность мышц, которые нàходятся между àктивными и индифферентными электродàми. Ïреобрàзовàтели, (они же электронные усилители) àнàлогичны кàрдиогрàфическим, отличàются только системой фильтрàции для выделения нужного чàстотного сигнàлà, либо для выделения его постоянной состàвляющей (огибàющей). Ýто позволяет усиливàть сигнàлы с дàтчиков до уровня, достàточного для использовàния рàзнообрàзными регистрирующими приборàми. Íàпример, вычислительными устройствàми срàвнивàющими сигнàл с этàлоном (кàлибровочным сигнàлом) и по проводàм или с помощью рàдиотелеметрии передàющими результàт нà индикàтор. Â некоторых случàях измерительнàя системà не включàет в себя вычислительное устройство и

© 2015 ÁÍÒÓ

àнàлиз мàтериàлов производится отдельно с использовàнием полуàвтомàтических дешифрàторов или дàже вручную. Â тàких случàях о соблюдении принципà срочной информàции говорить не приходится. Ñледует учитывàть, что регистрируемàя величинà биопотенциàлов зàвисит от трех фàкторов. Îт положения электродов относительно мышцы – при рàсположении вдоль волокон, à тàкже вблизи от двигàтельной точки (место входà нервà в мышцу) потенциàлы больше. Îт электропроводности кожи – кожу следует тщàтельно обезжиривàть эфиром. Îт формы и рàзмеров электродов – следует пользовàться одними и теми же или, в крàйнем случàе, одинàковыми. Ýлектромиогрàфический сигнàл используется кàк основной покàзàтель, хàрàктеризущий состояние межмышечной координàции, вырàжàющийся в сорàзмерности и соглàсовàнности рàботы мышц при выполнении спортивных движений.

Ðеогрàфия — бескровный метод исследовàния динàмики пульсового кровенàполнения оргàнов и ткàней или отдельных учàстков телà нà основе грàфической регистрàции их суммàрного электрического сопротивления. Óвеличение кровенàполнения сосудов во время систолы приводит к уменьшению электрического сопротивления исследуемых отделов телà. Êолебàния электрического сопротивления регистрируются специàльным àппàрàтом (реогрàфом) с определенными дàтчикàми-электродàми. Ðàсполàгàя электроды нàд учàсткàми основных сосудистых бàссейнов рàзличных оргàнов или ткàней человекà, можно зàрегистрировàть реогрàмму конечностей (периферическàя реогрàммà или реовàзогрàммà), легких (реопульмоногрàммà), мозгà (реоэнцефàлогрàммà), сердцà (реокàрдиогрàммà) и др. Ïо форме реогрàммы оценивàют состояние кровообрàщения в сосудàх исследуемой облàсти телà. Íà вертикàли, грàфикà отрàжàющего реогрàмму, отклàдывàется электрическое сопротивление или проводимость исследуемого учàсткà телà облàсти. Íà горизонтàли время кровотокà. Ðеогрàфия используется, преимущественно, в специàльных лàборàторных условиях для оценки влияния тренировочных нàпгрузок нà отдельные облàсти телà и оргàны спортсменà.

Òепловидение – преобрàзовàние ÈÊ-излучения нàгретых тел в видимое, т.е. обеспечивàющее визуàлизàцию теплового поля нàгретых предметов. Îсуществляется полупроводниковыми фотоприемникàми, чувствительными в облàсти длин волн 3 ÷ 12 мкм.

Íà прàктике тепловидение применяется для бесконтàктной визуàлизàции теплового поля человекà, которое содержит обширную информàцию об интенсивности обменных процессов и состояния систем регулировàния оргàнàми. Ñтруктурà мехàнизмов формирующих, темперàтурное поле человекà отрàженà нà рисунке 5.16.

© 2015 ÁÍÒÓ

тàк кàк предполàгàет нàличие соглàсовàнных по спектрàльным хàрàктеристикàм, источникà и приемникà излучения. Ïричем, для исключения зеркàльной (поверхностной) состàвляющей отрàжения, по крàйней мере, один из элементов этой оптоэлектронной пàры устàнàвливàется непосредственно нà поверхности кожи (рисунок 5.17, à и б).

Ðисунок 5.17 Âозможные вàриàнты рàсположения элементов оптоэлектронных пàр в

корпусе дàтчикà устройствà для ÈÊ-зондировàния

1 – кожный покров; 2 – корпус дàтчикà; 3 – фотоприемник; источник ÈÊ-излучения.

 кàчестве примерà конструктивного исполнения устройствà для ÈÊзондировàния, можно использовàть бàзовую функционàльную схему, покàзàнную нà рисунке 5.18.

время кàждого импульсà зàмыкàется упрàвляющий электронный ключ 3, подключàющий светодиод 4 к источнику питàния. Ñветодиод 4, предстàвляющий собой кристàлл àрсенидà гàллия, нà кàждый импульс упрàвляющего токà, генерирует зондирующий импульс инфрàкрàсного светового потокà с длиной волны около 1 мкм. Çондирующие ÈÊ-импульсы рàспрострàняются в толще исследуемой биоткàни 1, и их диффузно отрàженнàя состàвляющàя воспринимàется кремниевым фотодиодом 5, вырàбàтывàющего последовàтельность импульсов фототокà с чàстотой зàдàющего генерàторà 2 и àмплитудой, пропорционàльной коэффициенту диффузного отрàжения биоткàни 1. Èмпульсы фототокà преобрàзуются в

© 2015 ÁÍÒÓ