Основы биомеханического контроля

МИНИСТЕРСТВО  СПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования.

«Волгоградская  государственная академия физической культуры»

Кафедра ЕНДиИТ

СРС№2 на тему:

«Основы биомеханического контроля».

Работу выполнил студент

II курса ДО, группа 211

Шевцов Сергей

Волгоград- 2013

ПЛАН:

1. Измерение в биомеханике.

2. Технические средства и методики измерений: видеоциклография, электромиография, акселерометрия, гониометрия, тензодинамометрия.

3. Биомеханический контроль в волейболе.

4. Список литературы.

1. Измерение в биомеханике.

Человек становится объектом измерения с раннего  детства. У новорожденного измеряют рост, вес, температуру тела, продолжительность сна и т. д. Позже, в школьном возрасте, в число измеряемых переменных включаются I знания и умения. Чем взрослее человек, чем шире круг | его интересов, тем многочисленнее и разнообразнее характеризующие его показатели. И тем труднее осуществить точные измерения. Как, например, измерить техническую и тактическую подготовленность, красоту движений, геометрию масс человеческого тела, силу, гибкость и т. п.? Об этом рассказывается в настоящем разделе.

 В англоязычной  литературе по физическому воспитанию принят более широкий перечень двигательных качеств, в том числе способность выполнять упражнения на равновесие, танцевальные упражнения и т. д.

Шкалы измерений  и единицы измерений

Шкалой  измерения называется последовательность величин, позволяющая установить соответствие между характеристиками изучаемых объектов и числами. При биомеханическом контроле чаще всего используют шкалы наименований, отношений и порядка.

Шкала наименований — самая простая из всех. В этой шкале числа, буквы, слова или другие условные обозначения выполняют роль ярлыков и служат для обнаружения и различения изучаемых объектов. Например, при контроле за тактикой игры футбольной команды полевые номера помогают опознать каждого игрока.

Числа или слова, составляющие шкалу наименований, разрешается менять местами. И если их без ущерба для точности значения измеряемой переменной можно менять местами, то эту переменную следует измерять по шкале наименований. Например, шкала наименований используется при определении объема техники и тактики (об этом рассказывается в следующем разделе).

Шкала порядка  возникает, когда составляющие шкалу  числа упорядочены по рангам, ноу-интервалы между рангами нельзя точно измерить. Например, знания по биомеханике или навыки и умения на уроках физкультуры оцениваются по шкале: «плохо» — «удовлетворительно» — «хорошо» — «отлично». Шкала порядка дает возможность не только установить факт равенства или неравенства измеряемых объектов, но и определить характер неравенства в качественных понятиях: «больше — меньше», «лучше — хуже». Однако на вопросы: «На сколько больше?», «На сколько лучше?» — шкалы порядка ответа не дают.

С помощью шкал порядка измеряют «качественные» показатели, не имеющие строгой количественной меры (знания, способности, артистизм, красоту и выразительность движений и т. п.).

Шкала порядка  бесконечна, и в ней нет нулевого уровня. Это и понятно. Какой бы неправильной ни была, например, походка или осанка человека, всегда можно встретить еще худший вариант. И с другой стороны, какими бы красивыми и выразительными не были -двигательные действия гимнастки, всегда найдутся пути сделать их еще прекраснее.

Шкала отношений  самая точная. В ней числа не только упорядочены по рангам, но и  разделены равными интервалами  — единицами измерения'. Особенность  шкалы отношений состоит в том, что в ней определено положение нулевой точки.

По шкале  отношений измеряют размеры и  массу тела и его частей, положение  тела в пространстве, скорость и  ускорение, силу, длительность временных  интервалов и многие другие биомеханические характеристики. Наглядными примерами шкалы отношений являются: шкала весов, шкала секундомера, шкала спидометра.

Шкала отношений  точнее шкалы порядка. Она позволяет  не только узнать, что один объект измерения (технический прием, тактический вариант и т. п.) лучше или хуже другого, но и дает ответы на вопросы, на сколько лучше и во сколько раз лучше. Поэтому в биомеханике стараются применять именно шкалы отношений и с этой целью регистрируют биомеханические характеристики.

2. Технические средства и методики измерений: видеоциклография, электромиография, акселерометрия, гониометрия, тензодинамометрия.

1. подометрия — измерение временных характеристик шага;

2. гониометрия — измерение кинематических характеристик движений в суставах;

3. динамометрия — регистрация реакций опоры;

4. элекромиография — регистрация поверхностной ЭМГ;

5. стабилометрия — регистрация положения и движений общего центра давления на плоскость опоры при стоянии.

Электромиографические методы измерения

   Электромиография  — метод исследования нервно мышечной системы, основанный на регистрации и анализе биоэлектрических потенциалов.

   Электромиография  стрессовой реакции включает  в себя оценку влияния стрессовой реакции на поперечно полосатую мускулатуру. ЭМГ, в сущности, можно рассмотреть как косвенное определение мышечного напряжения. Оно является косвенным в том смысле, что измеряет электрохимическую активность нервов, иннервирующих данную поперечно полосатую мышцу, а не истинное напряжение, вызываемое сокращением мускулатуры. Активность поперечно полосатой мышцы стала рассматриваться как индикатор стрессовой реакции после одной из ранних работ Э. Якобсона (Edmund Jacobson, 1938), в которой он отметил существование высокой положительной корреляции между стрессовой активацией и напряжением поперечно полосатой мышцы.

   Хотя  и не безоговорочно, но многие  исследователи пришли к заключению, что регистрация ЭМГ активности лобной области может быть полезным индикатором генерализованной активности симпатической нервной системы. Практическое преимущество использования ЭМГ регистрации стрессовой реакции состоит в доступности для измерения мышечных групп. Большинство клиницистов работает с лобной мускулатурой, но и трапециевидная (верхние отделы), плече лучевая и грудино-ключично сосковая группы мышц также могут использоваться для измерения стрессовой ситуации.

   Амплитуды  биопотенциалов колеблются в  пределах от 10 мкВ до нескольких  милливольт. Частотный диапазон  сигналов от 1 до 20000 Гц (имеются ссылки некоторых авторов на наличие в ЭМГ составляющих с частотами порядка сотен килогерц).

   В электромиографии  используется два вида электродов  по конструктивному исполнению — поверхностные (накожные) и игольчатые (подкожные).

   Игольчатые  электроды позволяют регистрировать  потенциал действия одной или немногих близлежащих мышц. Такие электроды либо хирургически имплантируют, либо вводят с помощью иглы для подкожных инъекций. В полиграфе для съема ЭМГ используют поверхностные электроды, позволяющие измерить интерференционную (суммарную) ЭМГ. Поверхностные электроды можно разделить на металлические, емкостные, резистивные, резистивно-емкостные. В полиграфе наиболее удобно использовать плоские металлические электроды. Они представляют собой пластины или диски из серебра, стали, олова и т. д. площадью около 0,2–1 см2. Два таких электрода укрепляются на коже в том месте, где контурируется мышца, вдоль хода ее волокон. Для лучшего крепления на электроды накладывают эластическую манжету. Расстояние между электродами 2 см. Для стабилизации расстояния и более равномерного прижатия электродов к коже они вмонтированы в рамку из пластмассы. Для снижения межэлектродного сопротивления кожу перед наложением электрода протирают спиртом и смачивают изотоническим раствором хлорида натрия. Для снижения переходного сопротивления кожа — электрод на область кожно-электродного контакта наносят специальную электродную пасту.

   Независимо  от типа электродов различают  два способа отведения электрической  активности — моно и биполярный. В ЭМГ монополярным называется  такое отведение, когда один электрод располагается непосредственно вблизи исследуемого участка мышц, а второй — в удаленной от него области. Преимуществом монополярного отведения является возможность определить форму потенциала исследуемой структуры и истинную фазу отклонения потенциала. Недостаток заключается в том, что при большом расстоянии между электродами в запись вмешиваются потенциалы от других отделов мышцы или даже от других мышц.

   Биполярное  отведение — это такое отведение,  при котором оба электрода находятся на достаточно близком и одинаковом расстоянии от исследуемой области мышцы. Биполярное отведение в малой степени регистрирует активность от отдаленных источников потенциала, особенно при отведении игольчатыми электродами. Влияние на разность потенциалов активности, поступающей от источника на оба электрода, приводит к искажению формы потенциала и невозможности определить истинную фазу потенциала. Тем не менее, высокая степень локальности делает этот способ предпочтительным в клинической практике.

   Кроме электродов, разность потенциалов которых подается на вход усилителя ЭМГ, на кожу исследуемого устанавливают поверхностный электрод заземления, который присоединяют к соответствую щей клемме на электродной панели электромиографа. Цепь этого электрода закорачивает емкостную разность потенциалов между телом больного и землей и способствует ликвидации емкостных токов, возникающих в результате действия полей переменного промышленного тока.

   Современный электромиограф  представляет собой сложное устройство, состоящее из электродов для снятия биопотенциалов мышц, усилительного блока, осциллоскопа, интегратора ЭМГ, анализатора, репродуктора, вычислительного устройства и устройства вывода цифровой и графической информации.

   Часть электромиографа,  состоящая из усилительного блока и осциллоскопа, называется миоскопом.  Миоскоп имеет от одного до четырех независимых друг от друга усилительных блоков, что позволяет одновременно исследовать четыре электромиографических сигнала.

   Интегратор ЭМГ  применяют для обработки информации, заключенной на  электромиограмме. Анализатор ЭМГ необходим для выделения амплитуды отдельных составляющих частотного спектра ЭМГ для последующей их обработки. В современных электромиографах обработка полученной информации осуществляется с помощью ЭВМ.

Акселерометрические методы измерения

Акселерометры представляют собой датчики линейного ускорения  и в этом качестве широко используются для измерения углов наклона  тел, сил инерции, ударных нагрузок и вибрации . Они находят широкое применение на транспорте, в медицине, в промышленных системах измерения и управления, в инерциальных системах навигации. С 1965 года начали создавать акселерометры на базе технологии МЭМС .Уменьшение в размерах привело к массовому серийному производству. В настоящее время промышленность изготавливает много разновидностей акселерометров, имеющих различные принципы действия, диапазоны измерения ускорений и другие функциональные характеристики, массу, габариты и цены. По принципу действия различают следующие типы акселерометров: емкостные, пьезорезистивные, пьезоэлектрические, тензорезистивные, тепловые, туннельные. Акселерометры емкостного типа являются наиболее простыми, надежным и легко реализуемыми, что обусловливает их широкое распространение. Принцип их работы заключается в следующем. При ускорении движения вдоль оси чувствительности, происходит деформирование упругой подвески, которая является подвижным электродом, при этом неподвижный электрод расположен на поверхности подложки. Таким образом, изменяется расстояние между электродами, а следовательно, емкость конденсатора, образованного ими.

            При разработке и изготовлении  микромеханических акселерометров емкостного типа необходимо проводить контроль их характеристик. Методики измерения характеристик являются неотъемлемой частью производственного цикла изделий и служат для оперативного внесения корректировок в конструкции и технологии устройств на стадии разработки. В настоящей работе предложена методика измерения характеристик микромеханических акселерометров емкостного типа, обеспечивающих измерение ускорений в диапазоне от 0 до 500 м/с2 с точностью 0,05 м/с2, при этом масса образцов в корпусе не должна превышать 10 г, а размеры в плоскости – 3 см х 3 см.

Перед началом измерений  образцы акселерометров должны быть смонтированы в стандартный металлокерамический корпус. При этом контактные площадки на образцах должны быть приварены к контактным площадкам на корпусе при помощи ультразвуковой сварки.

Ускорение образца в установленном  диапазоне измерения задают при помощи вибростенда посредством регулировки амплитуды и частоты вибрации столика с закрепленным экспериментальным образцом.

Метод оптической компьютерной топографии

Стереофотограмметрия  с мнимым базисом. Геометрическая модель стереофотографии. Координаты фиксированной точки: X=90 , Y=112, Z=-24 мм.Важную информацию о геометрии тела человека, об особенностях и нарушении осанки можно получить при исследовании специальным методом компьютерной топографии. Этот современный и самый точный метод позволяет количественно с высокой точностью определить координаты любой анатомической точки поверхности тела. Продолжительность обследования составляет 1 — 2 минуты, поэтому этот метод с успехом применяется для массовых исследований.

Подография — регистрация времени опоры отдельных участков стопы при ходьбе с целью изучения функции переката исследуется при помощи специальных датчиков, вмонтированных в подошву обуви.

Стабилограмма попеременного стояния на правой и левой ноге. Стабилография — объективный метод регистрации положения и проекции общего центра масс на плоскость опоры — важный параметр механизма поддержания вертикальной позы. Обычно регистрируют площадь миграции общего центра масс (ОЦМ) в проекции горизонтальной плоскости, совмещенный с очерком стопы

Электрогониометрия

Для измерения  значений суставных углов применяют  приборы, называемые гониометры.

Гониометр-это две плоские прямоугольные пластинки, соединенные одним концом на одной оси. Для измерения углов в сочленениях звеньев тела при движении используют электрогониометры, которые обеспечивают преобразование угловых перемещений датчика в пропорциональное электрическое напряжение. Для оценки уровня гибкости необходимо измерить амплитуду движений в суставах.

Динамометрия-измерение усилий,развиваемых спортсменом при выпонении различных физических упражнений.

С помощью динамометрической  платформы - это жесткая пластина или рама, опирающаяся на 4 силоизмерительных  датчика. Спортсмен становится на платформ и с помощью этих датчиков измеряется сила действия на эту платформу.

С помощью кистевых динамометров измеряют силу мышц, сгибающих  пальцы, с помощью станового динамометра — силу мышц, выпрямляющих туловище ("становая" сила), и т.д. 

3. Биомеханический контроль в волейболе.

Тестирование в волейболе

Согласно определению,  тестом называется измерение или испытание,  проводимое с целью определения состояния или способностей спортсмена.  Процедура тестирования требует от тренера понимания того,  что он оценивает и на основе каких показателей,  а также с какой точностью они зарегистрированы. Тестирование является инструментом проверки правильности выбора и обоснования методики тренировки.

Оценка прыжковой подготовленности волейболиста.

Оценке прыгучести спортсменов посвящено большое количество работ,  хотя сам термин "прыгучесть" строго не определен. Высоту прыжка измеряют разными способами. Первый - по времени полета,  зарегистрированного с помощью контактного устройства. Это время делят пополам,  предполагая,  что первую его половину тело летит вверх, а другую - вниз. Далее определяют высоту прыжка,  подставляя время полета тела вверх в формулу: Но,  во время отрыва стоп от контактного устройства спортсмен имеет одну позу (выпрямленные ноги и руки впереди - вверху),  а при приземлении - другую позу  (колени согнуты до 150е,  руки опущены вниз),  следовательно, движение вниз длилось дольше,  чем движение вверх.  А при вычислении почему-то делят общее время полета пополам. Отсюда возникает большая погрешность измерения,  позволяющая признать этот метод некорректным. Во втором способе высоту прыжка измеряют по методу Абалакова.  Вытягивание в прыжке сантиметровой ленты,  привязанной к поясу спортсмена. Недостатки этого метода очевидны : - оценивается высота вылета точки крепления ленты, а не ОЦТ тела; - если спортсмен выпрыгивает не идеально вверх (а это именно так и происходит на практике), то, при равной высот е выпрыгивания, лепт а вытянется больше у того из двух спортсменов, кто отклонится от вертикального направления.

Одним из наиболее точных методов определения высоты прыжка считается ее расчет через импульс силы,  зарегистрированный с помощью тензоплатформы: При проведении корреляционного анализа между высотой прыжка,  измеренной одновременно данным способом  (эталон)  и способами,  указанными выше была обнаружена слабая связь - г не более 0.7.  Поэтому,  согласно основам теории тест а,  надежность этих измерений неудовлетворительная. Наибольшее предпочтение тренеры стали отдавать самому простому способу - касание в прыжке пальцами,  намазанными мелом,  стенд а.  Из это й высоты вычитают высоту при вставании на носки с вытянутой вверх рукой.

Можно также определять высоту прыжка по киносъемке,  рассчитав по теореме'  Вариньона положение ОЦТ тела спортсмена в момент отрыва стоп от опоры и в высшей точке траектории. Тестирования с применением подобных методов регистрации высоты прыжка позволили получить ряд интересных данных прыжковой подготовки волейболистов. Например,  показано статистически достоверное увеличение средней высоты прыжка с возрастом и с ростом мастерства юных волейболистов.  Величина выпрыгивания увеличивается с 35.5 + 5.2 см (в 12 лет) до 48.3 ± з.з см (в 17  лет) .  Аналогичные тенденции обнаружены и в работах . На основе этих тенденций рассчитаны контрольные нормативы физической подготовки юных волейболистов в прыжках вверх и в длину с места .Аналогичным способом оценивался уровень специальной физической подготовки высококвалифицированных волейболистов. С помощью оптических методов установлено, что при выполнении прыжка вверх с2  - 3  шагов разбега,  средняя высота у волейболистов экстракласса достигает,  по данным разных авторов,  соответственно 0.71 ±   004  м (средний рост 1,85  ±о.о5 м) ,и 0.88  м (0.66 - 1.08)

4. Список литературы:

1. Донской Д.Д., Зациорский В.М. Биомеханика: Учебник для институтов физической культуры.-М. ФиС,1979-264
2. Биомеханические методы исследования в спорте: Учебное пособие для студентов ИФК.-М.,1976.275
3. Колодцев И.Х., Медведев В.В. Количественный анализ движения вращающихся мячей в волейболе.
4. Кравцев И.Н., Орлов В.П. Контрольно-измерительный комплекс ВНИИФКА,1982
5. Попов Г,И, и соавт. Опыт использования скоростной кинематографии в спортивных играх,1983

МИНИСТЕРСТВО  СПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования.

«Волгоградская  государственная академия физической культуры»

Кафедра ЕНДиИТ

Реферат на тему:

«Силы в движениях спортсменов».

Работу выполнил студент

II курса ДО, группа 211

Шевцов Сергей

Волгоград- 2013

ПЛАН.

1. Роль сил  в движении человека.

2. Рабочие и  вредные сопротивления.

3. Движущие и  тормозящие силы.

4. Внешние и  внутренние силы относительно тела человека и их проявления (плавание).

5. Силы действия  среды.

6. Силы инерции в инерционных и неинерционных системах отсчета.

7. Использованная  литература.

1. Роль сил в движении человека.

Все силы, приложены  двигательному аппарату человека, составляют систему сил внешних и внутренних. Система внешних сил проявляется чаще в виде силы сопротивления. Для преодоления сопротивления затрачивается энергии напряжения мышц человека. Различают рабочие и вредные сопротивления. Преодоление рабочих сопротивлений нередко оставляют главную задачу движений спортсмена (например, в преодолении веса включается цель движений со штангой). Вредные сопротивления поглощают положительную работу.

Внешние силы используются человеком в его движениях  как движущие. Для совершения необходимой  работы для преодоления сил сопротивления  могут использоваться вес, упругие силы и др. Внешние силы являются в этом случае "даровыми" источниками энергии, поскольку человек расходует меньше внутренних запасов энергии мышц.

Человек преодолевает силы сопротивления мышечным ответствующими внешними силами и совершает как  бы две части работ: а) работу, направленную на преодоление всех сопротивлений (рабочих и вредных); б) работу, направленную на сообщение ускорения и перемещаемым внешним объектам.

В биомеханике  сила действия человека — это сила воздействия на внешнее физическое окружение, передаваемое через рабочие точки тела. Рабочие точки, соприкасаясь с внешними телами, передают движение (количество движения, а также кинетический момент) и энергию (поступательного и вращательного движения) внешним телам.

Тормозящими силами, входящими в сопротивление, могут быть все внешние и внутренние силы, в том числе и мышечные. Какие из них будут играть роль вредных сопротивлений, зависит от условий конкретного упражнения. Только реактивные силы (силы реакции опоры и трения) не могут быть движущими силами; они всегда остаются сопротивлениями (как вредными, так и рабочими).

Все силы, независимо от их источника, действуют как механические силы, изменяя механическое движение. В этом смысле они находятся в единстве как материальные силы: можно производить (при соблюдении соответствующих условий) их сложение, разложение, приведение и другие операции.

Движения человека представляют собой результат совместного  действия внешних и внутренних сил. Внешние силы, выражающие воздействие  внешней среды, обусловливают многие особенности движений. Внутренние силы, непосредственно управляемые человеком, обеспечивают правильное выполнение заданных движений.

По мере совершенствования  движений становится возможным лучше  использовать мышечные силы. Техническое мастерство проявляется в повышении роли внешних и пассивных внутренних сил как движущих сил.

Основными задачами совершенствования движений, повышения  их эффективности в самом общем виде является повышение результата ускоряющих сил и снижение действия вредных сопротивлений. Это особенно важно в спорте, где все двигательные действия направлены на рост технического мастерства и спортивного результата.

2. Рабочие и вредные сопротивления.

Система внешних  сил проявляется чаще как силы сопротивления.  Для преодоления  сопротивления затрачивается энергия  движения и напряжения мышц человека. Различают рабочие и вредны сопротивления. 

   Преодоление  рабочих сопротивление нередко   составляет главную задачу движений человека (например, в преодолении  веса штанги и заключается цель движения со штангой).

   Вредные  сопротивления поглощают положительную   работу; они, в принципе, неустранимы  (например, сила трения лыж по  снегу).

3. Движущие и тормозящие силы.

   Силы, приложенные  к звеньям тела человека, действуя  динамически, приводят к различному результату. В зависимости от того, как направлены силы относительно скорости движущегося тела, различают: 

— движущие силы, которые совпадают с направлением скорости (попутные) или образуют с ним острый угол и могут, совершать положительную работу; 

— тормозящие силы, которые направлены противоположно направлению скорости (встречные) или  образуют с ним тупой угол и  могут совершать отрицательную работу; 

— отклоняющие  силы, перпендикулярные к направлению  скорости и увеличивающие кривизну траектории; 

— возвращающие силы, также перпендикулярные к направлению  движения, но уменьшающие .кривизну траектории. 

       Обе последние группы сил непосредственно  не изменяют величину тангенциальной (касательной) скорости. 

От соотношения сил, приложенных к каждому звену тела, зависит и результат их действия. 

Движущая сила — это сила, которая совпадает с направлением движения (попутная) или образует с ним острый угол и при этом может совершать положительную работу (увеличивать энергию тела).

   Однако  в реальных условиях движений  человека всегда существует среда  (воздух или вода), действуют опора  и другие внешние тела (снаряды,  инвентарь, партнеры, противники и др.). Все они могут оказывать тормозящее действие. Более того, ни одного реального движения без участия тормозящих сил просто не бывает.

   Тормозящая  сила направлена   противоположно    направлению движения (встречная) или образует с ним тупой угол. Она может совершать   отрицательную работу (уменьшать энергию тела).

   Часть  движущей силы, равная по величине тормозящей уравновешивает последнюю — это   уравновешивающая сила (Fyp).

   Избыток  же движущей силы над тормозящей  —  ускоряющая сила   (Fуск)  — вызывает ускорение тела  с массой m согласно 2-му закону  Ньютона (Fy=ma).

4. Внешние и внутренние силы относительно тела человека и их проявления (плавание).

Внешние силы – это силы, действующие на тело извне. Под влиянием внешних сил тело или начинает двигаться, если оно находилось в состоянии покоя, или изменяется скорость его движения, или направление движения. Внешние силы в большинстве случаев уравновешены другими силами и их влияние незаметно.

Внешние силы, действуя на твердое тело, вызывают изменения  его формы, обуславливаемые перемещением частиц.

Внутренними силами являются силы, действующие между частицами, эти силы оказывают сопротивление изменению формы.

Изменение формы  тела под действием силы называют деформацией, а тело, претерпевшее деформацию, называют деформированным.

Равновесие  внутренних сил с момента приложения внешней силы нарушается, частицы тела перемещаются одна относительно другой до такого состояния и положения, когда возникающие между ними внутренние силы уравновешивают внешние силы и тело сохраняет приобретенную деформацию.

После удаления внешней силы, если она не превзошла некоторого определенного предела, тело принимает свою первоначальную форму.

Свойство сохранения телом приобретенной деформации после снятия нагрузки называется пластичностью, а деформация - пластической.

При соприкосновении  два тела воздействуют друг на друга и деформируются. Недеформированных тел не существует. Всякое тело деформируется при воздействии на него сколько угодно малой силы. Величину внутренних сил характеризует прочность сцепления частиц данного тела.