Тема 5. Кинематические характеристики движений человека

1. Системы отсчета расстояния и времени 2. Пространственные характеристики 3. Временные характеристики 4. Пространственно-временные характеристики 5. Кинематические особенности движений человека.

1. Системы отсчета расстояния и времени

Движение физического объекта обнаруживается только в сопостав­лении положений объекта с положением другого тела (тела отсчета), т. е. как относительное.

1.1. Выбор тела отсчета

Телом отсчета называют условно выбранное тело, от которого отсчитывают расстояние при определении изучаемого относитель­ного движения.

Движение выражается в изменении с течением времени взаимного положения тел. Его можно наблюдать и отсчитывать только относи­тельно других реальных тел (например, при прыжке в длину—отно­сительно бруска) или условных (например, в старте яхт — относительно линии створа).

В зависимости от условий задачи выбирается та или иная система отсчета. При отсчете расстояний надо установить: а) начало, б) направление и в) единицы отсчета. Систему от­счета связывают с определенным физическим телом отсчета. Очень важно целесообразно выбрать тело и начало отсчета.

На отсчет расстояний в изучаемом движении совершенно не влияло бы движение тела отсчета без ускорения; но тел, движущихся без уско­рения, в природе просто не существует. Условно принято считать «неподвижным», неускоряемым (и н е р ц и а л ь н ы м) телом от­счета такое тело, ускорение которого столь мало, что не сказывается заметно па отсчете данного наблюдаемого движения.

Например, годовое и суточное движение Земли незаметно при отсчете движений в спортивной практике, хотя скорости движений Земли значительны: скорость точки, находящейся, например, на широте Москвы, при суточном вращении Земли вокруг оси равна 0,261 км/сек, а при годовом вращении по ее орбите вокруг Солнца — 30 км/сек. Землю и неизменно связанные с нею тела (например, спортивные соору­жения) и выбирают как практически инерциальные тела отсчета.

Иногда целесообразен или просто неизбежен выбор «подвижных», т. е. ускоряемых, тел отсчета (неинерциальных). Они дви­жутся с такими ускорениями, которые существенно влияют на отсчет движения. Например, определяя, каковы особенности движений ног в тазобедренных суставах у гимнаста при махе на кольцах, можно вести отсчет относительно таза, который сам тоже движется.

От выбора тела отсчета зависят многие характеристики изучаемого движения. Характер движения всех инерциальных тел отсчета, нахо­дящихся в относительном покое или прямолинейном и равномерном движении, не влияет на изучаемые характеристики, тогда как характер движения неинерциальных тел отсчета влияет на них, причем по-раз­ному в зависимости от ускорений.

Само тело отсчета условно рассматривается как абсолютно твердое, т. е. не изменяющее своей формы при любых воздействиях.

1.2. Начало и направление отсчета расстояния

На теле отсчета устанавливают начало и направление измерения расстояния.

Физические тела, в том числе и тело человека, в некоторых случаях можно рассматривать как материальные точки.

Это возможно, если расстояние, на которое они передвигаются, несравнимо больше их собственных размеров и если можно пренебречь вращательным движением тела (например, при полете диска по траектории). Для точного определения спортив­ного результата правила соревнований строго предусматривают, по какой точке (пункт отсчета) ведется отсчет (по уровню лыжных креплений, по выступающей точке грудной клетки спринтера, по заднему краю следа приземляющегося прыгуна . и т. п.).

Итак, либо все движущееся тело рассматривают как материальную точку, до которой измеряют расстояние, либо на нем выделяют пункты отсчета. Расстояние измеряется от начала отсчета до пункта отсчета. В качестве такого пункта выбирается определенная точка движущегося тела человека. В случае вращательного движения выбирают линию отсчета.

Существует три основных способа определения движения точки: естественный, координатный и векторный.

При естественном способе заранее известна траектория точки; на ней следует выбрать начало (о) отсчета (например, контрольный пункт на трассе дистанции). Тогда положение точки (например, гон­щика) на траектории определяется расстоянием ее от начала отсчета (естественная координата). Надо еще указать, с какой стороны от на­чала отсчета (знаком + или —) расположена на траектории точка (рис. 17, а). Положение точки на линии определяется всего одним чис­лом со знаком + или —.

Координатный способ позволяет определить положение точки в ко­ординатах на плоскости и в пространстве. Чаще применяют прямоугольные координаты.

Рис. 17, Способы отсчета движения точки:

а — естественный способ; бвгде — координатный способ: и — на плоскости, в — в пространстве, г — полярные, д — цилиндрические, е — сфериче­ские; ж — векторный способ (ориг.)

Расстояние от начала коор­динат до проекции точки на все три оси (Мх, Му, А1,)— это три линейные коор­динаты: абсцисса, ордината и аппликата , полностью определяющие по­ложение точки в простран­стве. Можно пользоваться также и угловыми ко­ординатами: на плоско­сти — в системе полярных координат (см. рис. 17, г), а в пространстве — в системах цилиндри­ческих (см. рис. 17, д) и сферических координат (см. рис. 17, е).

Векторный способ сводится к установлению расстояния точки от начала отсчета, а также направления радиуса-вектора (рис. 17, ж)¹.