Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биомеханика физических упражнений. Учебное пособие
.pdf
Тема 4. БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
4.1. Классификация биомеханических характеристик
Исследуя движения человека, измеряют количественные пока-
затели:
механического состояния и двигательной функции тела;
пространства состояний биомеханической системы (движений).
Механическое состояние и двигательные функции тела человека описываются большим набором характеристик (размеры,
пропорции, распределение масс сегментов и звеньев тела человека,
подвижность в суставах, величина силы тяги мышц и др.).
Механическое состояние биомеханической системы в движении
также описывается определенными характеристиками (пространственное положение, скорость, ускорение, координаты и траектория
отдельных звеньев биомеханической системы и общего центра масс
тела человека, кинетическая и потенциальная энергия и др.).
Биомеханические характеристики – это меры механического
состояния и изменения биосистемы.
Для системного анализа (определение состава системы) дви-
жений
разные движения, отличить одно движение от другого.
биомеханические характеристики дают возможность установить
закономерность изменения движений под воздействием различных
факторов. Иначе говоря, выяснить, например, как влияет последо-
вательность и величина (амплитуда) сгибательно-разгибательных
движений в суставах или их отсутствие на формирование
рии биомеханической системы? Или каким образом изменится траектория биомеханической системы при увеличении ее динамических ресурсов, к примеру, на 10, 20, 30%, а программное управление
кинематического уровня останется без изменений?
биомеханические характеристики позволяют различать
Для системного синтеза (определение структуры движения)
траекто-
81
Когда биомеханические характеристики измеряют или вычисляют, то получают количественные характеристики, с помощью
которых выполняют количественный биомеханический анализ исследуемых движений.
Когда характеристики описывают только словами (без измерения), то это – качественные характеристики. Педагогу во время
проведения урока некогда и нечем измерять и регистрировать количественные характеристики и поэтому он
чественный биомеханический анализ движений.
БИОМЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
обычно проводит ка-
КИНЕМАТИЧЕСКИЕ
Пространственные
Рис. 4.1. Классификационная схема биомеханических характеристик
Временные
Пространственно-временные
Силовые
ДИНАМИЧЕСКИЕ
Инерционные
Энергетические
Для описания движения в пространстве и во времени используют кинематические характеристики. Кинематические харак-
теристики описывают внешнюю картину движения, его про-
странственную форму (рисунок, узор) и характер изменения во
времени (быстрее, чаще и т.п.). Кинематические характеристики
включают три группы характеристик:
пространственные;
временные;
пространственно-временные.
Кинематические характеристики,
определяя геометрию движения, не учитывают движущиеся массы и действующие силы и поэтому не в состоянии дать ответ на вопрос о причинах возникновения и изменения движений. Причины возникновения и изменения
движений раскрывает динамика с использованием динамических
характеристик, включающих в себя три большие группы биоме-
ханических характеристик:
82
силовые;
инерционные;
энергетические.
Биомеханические характеристики двигательных действий,
включающие в себя структурные компоненты кинематических и
динамических характеристик, показаны на рис. 4.1.
Резюмируя вышесказанное, можно дать следующую обобщен-
ную классификацию биомеханических характеристик:
1. Качественные.
2. Количественные.
3. Характеристики сегментов и звеньев тела человека.
4. Характеристики движений:
кинематические;
динамические.
4.2. Биомеханические характеристики сегментов
тела человека
Для биомеханических расчетов динамических характеристик
исследуемых упражнений необходимы данные о масс-инерционных характеристиках (МИХ) сегментов тела человека, так как
соответствующие уравнения динамики включают в себя те или
иные численные значения, характеризующие геометрию масс тела
человека. В биомеханике под геометрией масс тела человека понимается массив показателей, характеризующий распределение
массы
являются массы, положение центра масс сегментов, моменты
инерции, длины сегментов.
является одной из масс-инерционных характеристик, наиболее
широко используемых при исследовании техники соревновательных упражнений. Определение траектории движения ОЦМ тела
спортсмена имеет большое значение при
сохранения устойчивого равновесия в приземлении после выпол-
как всего тела, так и его сегментов. Такими показателями
Так, например, общий центр масс биомеханической системы
исследовании вопросов
83
нения соскоковых упражнений в гимнастике, оптимизации движений, построения эффективной программы места и позы спортсмена
в динамических упражнениях и в других случаях. В частности, по
траектории движения ОЦМ определяют эффективность решения
двигательных задач в упражнениях, связанных с вращением тела
относительно закрепленной оси, так как увеличение или уменьшение скорости вращательного
ся изменением радиуса вращения ОЦМ тела спортсмена.
Для определения положения ОЦМ биомеханической системы
необходимо знать масс-инерционные характеристики сегментов
тела человека и уметь определять общий центр масс системы тел,
моделирующих различную конфигурацию звеньев тела спортсмена в подводящих и соревновательных упражнениях.
Часто в учебно-методической и научной
встретить понятие «центр тяжести тела». Возникает вопрос: тождественны ли понятия «центр масс тела» и «центр тяжести тела»?
Здесь следует сделать пояснение. В любом случае центр масс тела
совпадает с координатами его центра тяжести, если тело находится
в однородном поле сил тяготения. Действительно, обозначим символами P
, Р2, Р3, Р4 силы, действующие на отдельные частицы тела,
1
а их равнодействующую – символом Р (рис. 4.2). В этом случае вес
тела равен модулю равнодействующей и определяется равенством
движения тела спортсмена определяет-
литературе можно
Р = P
+ Р2 +. . .+ Рn.
1
Если мысленно повернуть тело относительно любой оси пространственной системы координат, то силы P
остаются прило-
i
женными в одних и тех же точках параллельными друг другу и
сохраняют направление. Таким образом, равнодействующая Р сил
при любых положениях тела будет проходить через одну и ту
Р
i
же точку С, называемую центром тяжести тела.
Следовательно, центр тяжести твердого тела есть неизменно
связанная с этим телом точка, через которую проходит связанная с этим телом линия действия равнодействующих всех сил тяжести частиц данного тела при любом его
положении в простран-
стве. Этой точкой также будет определяться и центр масс тела.
84
x
z
p
p
2
1
p
Рис. 4.2. Равнодействующая сил
p
p
43
Таким образом, понятие центра тяжести имеет смысл только в
том случае, если тело находится в однородном поле силы тяжести.
Для любой же системы материальных тел, для которых равнодействующая всех внешних сил равна нулю, правомерно употребление понятия «центр масс». К примеру, в условиях невесомости
имеет смысл говорить о центре масс
тела, а не о центре тяжести.
В условиях же действия поля силы тяжести эти два понятия не
имеют принципиального различия, хотя понятие о центре масс тела в этом случае все же более корректно.
В математической модели движения человека, представленной
в виде системы дифференциальных уравнений второго порядка, в
качестве постоянных
коэффициентов при угловых (обобщенных)
скоростях и ускорениях звеньев модели используют динамические
коэффициенты. Численная величина динамических коэффициентов зависит от 4 параметров сегментов тела человека:
1) длина сегмента (кинематическая характеристика – простран-
ственная);
2) координата центра масс сегмента (кинематическая харак-
теристика – пространственная);
3) масса сегмента (динамическая характеристика – инерцион-
ная);
4) момент инерции сегмента (динамическая
характеристика –
инерционная).
85
F
В различных формульных выражениях для вычисления кинематических или динамических характеристик упражнений эти четыре параметра в той или иной мере также всегда имеют место. Поэтому важно знать их количественные показатели и уметь численно определить.
В соответствии с первым законом Ньютона всякое тело сохра-
няет свое состояние покоя
движения до тех пор, пока внешние приложенные к телу силы не
заставят его изменить это состояние. Иначе говоря, тело сохра-
няет свою скорость, а также под действием внешних сил изменяет
ее. В этом проявляется свойство инертности физических тел: противодействовать изменению скорости. Чем больше инертность,
труднее тело сдвинуть с места или затормозить его.
тем
Масса – это мера инертности тела при поступательном движении. Масса m измеряется отношением приложенной силы F к вызываемому силой ускорению a
Измерение массы по формуле (4.1) основано на втором законе
Ньютона: изменение движения пропорционально извне действую-
щей силе и происходит по тому направлению, по которому эта
сила приложена.
В процессе выполнения различных упражнений масса спортсмена не изменяется. При взвешивании определяется вес Р спортсмена в килограммах. В этом случае из формулы (4.2)
массу m спортсмена можно определить как
Здесь g – ускорение свободного падения тела, равное 9,806 м/с
Размерность массы – кг с
Центр масс сегмента. Биомеханический анализ техники соревновательных упражнений подразумевает учет не только величины массы, но и ее распределение в сегменте тела – центр масс
или равномерного и прямолинейного
. (4.1)
m
a
следует, что
P
. (4.2)
m
g
2
/м.
2
.
86
сегмента, точки – совпадающей с точкой центра тяжести этого
же сегмента (в условиях действия силы тяжести).
Момент инерции – это мера инертности тела во вращательном движении. Момент инерции J прямо пропорционален массе
тела m и квадрату расстояния r от центра масс тела до оси вращения:
2
J = mr
В основном в биомеханических исследованиях достаточно
знать параметры следующих сегментов тела человека: кисть,
предплечье, плечо, туловище, голова, бедро, голень, стопа.
Длина сегмента, как известно из курса анатомии, определяется
расстоянием от центра суставов, ограничивающих данный сегмент, и измеряется антропометрическим циркулем. Единица размерности длины – метр.
Остальные три параметра определяются экспериментальным
или аналитическим методами.
Аналитические методы определения геометрии масс тела человека. Определение координаты центра масс однородного стерж-
ня не представляет затруднений: расположение искомой точки
определяется половиной длины стержня. Сегменты тела человека
не являются стержнями, и координата их центра масс приближена
или удалена от суставов, его ограничивающих. Поэтому численно
координаты центра масс
сегментов тела человека можно определить или по среднестатистическим данным, или по уравнениям
множественной регрессии.
Среднестатистические данные являются одними из тех показателей, которые позволяют достаточно просто определить координаты центра масс тела человека: вес сегмента или расположение
его центра масс составляет определенный процент от веса тела
человека или от длины его сегмента. Например, вес кисти составляет 1% от веса тела человека или расстояние от плечевого сустава
до центра масс предплечья равно 43% от длины предплечья. Недостаток данной методики – неточность получаемых результатов:
погрешность может достигать 50–70%.
. (4.3)
87
Уравнения множественной регрессии позволяют определить
биомеханические характеристики сегментов тела человека с учетом веса и роста испытуемых. Коэффициенты в уравнениях множественной регрессии определены статистическими методами на
основе радиоизотопной методики определения геометрии масс
тела человека. Погрешность использования алгоритмов уравнений
множественной регрессии не превышает 3%.
Экспериментальное определение
Поскольку тело человека представляет собой биомеханическую
систему, состоящую из связанных сегментов, то прижизненное
экспериментальное определение их масс-инерционных характеристик связано со значительными трудностями. Первые экспериментальные данные о геометрии масс тела человека были получены
зарубежными исследователями (Braune, Fisher, 1889 и др.). Сегменты тела замороженных трупов рассекались по осям вращения
суставов, затем взвешивались
координаты центра масс сегментов и их моменты инерции. Полученные данные до недавнего времени являлись практически единственными, на основе которых выполнялись расчеты по динамике
двигательных действий человека.
В настоящее время потребность в повышенной точности выполнения биомеханических расчетов привела к необходимости
получения более точной информации о геометрии масс тела человека. И одним из наиболее корректных методов прижизненного
определения масс-инерционных характеристик тела человека, позволяющих получить искомые характеристики с достаточной точностью, является радиоизотопный метод. В лаборатории
ГЦОЛИФК кафедры биомеханики (Зациорский В.М., Аруин А.С.,
Селуянов В.Н., 1981) проблема практической реализации идеи радиоизотопного метода
была успешно решена. В серии проведенных экспериментов были получены уточненные данные о массинерционных характеристиках сегментов тела человека.
В табл. 4.1 приведены сведения об относительных весах m% и
координатах центра масс сегментов (ЦМ%) на их продольных
, и экспериментально определялись
88
i
осях. В результате экспериментальных исследований были установлены относительные весовые коэффициенты m%, определяющие с точностью не менее 3,7% массу сегментов тела в процентах
к массе тела в целом. Точность – достаточная для биомеханических исследований и педагогических рекомендаций.
Т а б л и ц а 4.1
Относительные веса и координаты центра масс сегментов
Сегмент m% ЦМ%
1 Стопа 1,371 44,1
2 Голень 4,330 40,5
3 Бедро 14,165 45,5
4 Кисть 0,614 37,0
5 Предплечье 1,625 42,7
6 Плечо 2,707 45,0
7 Голова 6,940 50,0
8 Туловище 43,457 44,5
Зная массу тела и используя относительные весовые коэффициенты, можно определить абсолютную массу сегмента тела спортсмена по формуле
= (m·m%i) / 100,
m
i
где m – масса тела спортсмена; m
– масса i-го сегмента.
i
Аналогичным образом определяются и координаты центра масс
сегментов на их продольной оси. Отсчет расстояния при этом выполняется от антропометрической точки сегмента (см. рис. 4.3).
Простота и доступность вычислений геометрии масс тела человека с помощью весовых и относительных коэффициентов создает
предпосылки для широкого внедрения этого метода
в биомеханические расчеты. Однако для более полного учета индивидуальных
особенностей строения опорно-двигательного аппарата тела человека авторами разработанной радиоизотопной методики определения геометрии масс тела человека предложено использовать уравнения множественной регрессии.
Дело в том, что взаимосвязь между весом сегмента и весом те-
ла, между относительным расстоянием от антропометрической
89
точки сегмента до его центра масс и длиной сегмента не может
быть выражена уравнением вида
Y = AX,
где Y – вес сегмента или положение его центра масс; А – весовой или
относительный коэффициенты; Х – вес или длина сегментов тела.
Результаты определения геометрии масс тела человека с помощью радиоизотопной методики свидетельствуют о том,
простейшем случае искомая связь имеет вид Y = А
0
что даже в
+ A1X1.
Рис. 4.3. Антропометрические точки сегментов тела человека
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]