Биомеханическая структура физического упражнения

Структура физического упражнения

Содержание

Системно-структурные свойства спортивных упражнений [ править | править код ]

Внешняя структура упражнения — это его видимая часть, те движения, которые необходимо выполнить для решения двигательной задачи. Внутренняя структура содержит невидимую часть упражнения — те физиологические процессы, которые протекают в организме во время выполнения упражнения: повышение ЧСС и АД, изменение реакции крови, особенности газообмена и т.п. Внешняя и внутренняя структура составляют форму упражнения. Некоторые авторы понимают под внутренней структурой содержание упражнения. В более частом смысле содержание упражнения — это те спортивные или физические качества, которые тренируются с помощью данного упражнения.

Помимо собственно физических и биологических закономерностей, при изучении спортивных упражнений, рассматриваемых как предмет изучения, важную роль играют наиболее универсальные — системно-структурные закономерности построения спортивных движений, единые для множества упражнений независимо от существа двигательной задачи, принципиального механизма ее решения, координации действий, занятости мышечных групп, пространственной формы движения. Прежде всего это относится к упражнениям динамического, мощностного характера, одной из главных задач в которых является выполнение программного движения на возможно более высоком энергетическом уровне. Такие упражнения составляют ядро большинства видов спорта, требующих атлетизма. Существование инвариантной методики структурного анализа таких движений играет важную роль как в плане совершенствования их биомеханики, техники исполнения, так и при обучении упражнениям.

Спортивное движение как биомеханическая система [ править | править код ]

Рационально построенные спортивные движения, технические приемы, упражнения, требующие атлетизма и максимальных энергетических проявлений (прыжки, броски, удары и др.), как правило, носят лавинообразный характер, характеризующийся пофазным нарастанием мощности действий, которая достигает максимума лишь на пике «лавины», когда и выполняются действия, определяющих успешность всего упражнения.

Лавинообразный характер спортивного движения имеет характерное параметрическое выражение. Существует типовая структура спортивного упражнения, отраженная в его кинематике, динамике, энергетических показателях. Кинематическая структура движения описывается в показателях линейных и угловых смещений, скоростей, ускорений, временных и темпо-ритмических характеристиках. Динамическая, энергетическая структура — в показателях конкретных силовых взаимодействий и энергетического обмена (силовое поле, кинетическая и потенциальная энергия, общая энергия системы и ее звеньев).

Структурный анализ спортивного упражнения, выполняемый на основе объективного физического исследования, необходим как средство описания движения, играющего важную роль в процессе практического освоения и совершенствования упражнения. Наиболее показателен системно-структурный анализ ациклических спортивных упражнений, к числу которых могут быть отнесены не только упражнения из собственно ациклических видов спорта (легкоатлетические и акробатические прыжки, броски в борьбе, гимнастические упражнения на снарядах и т.п.), но и ключевые компоненты циклических видов (шаговый, гребковый циклы и др.). Во всех случаях может быть выделена типовая структура, включающая в себя как инвариант ряд характерных стадий движения.

Подготовительные действия — исходная стадия упражнения, в которой решаются две основные задачи. Первая из них — предварительное энергонасыщение движения посредством действий типа выхода в рациональное исходное положение, разбега или разгона под действием силы тяготения и т.п. Вторая задача — подготовка ОДА и, в особенности, мышц, занятых в исполнении решающих действий упражнения, к наиболее эффективной работе. Такими элементами подготовительных действий являются действия типа замаха, подседа и т. п. Подготовительные действия — важнейший компонент техники спортивного упражнения. Без полноценной подготовки практически никакое упражнение не может быть освоено и выполнено эффективно, что зачастую равноценно его невыполнению. Проверка подготовительных действий на предмет полноценности и их коррекция — одна из первейших задач процедуры освоения и совершенствования спортивного упражнения.

Основные действия — стадия, включающая в себя действия, без которых спортивное упражнение неисполнимо в принципе. Это, прежде всего, энергообеспечивающие и управляющие двигательные действия, составляющие главный механизм данного движения. На данной стадии упражнения этот механизм должен «сработать», обеспечивая тем самым выполнение программного движения. Структура основных действий определяется физической природой двигательного действия и заданной программой последнего. В этом смысле преобладающая часть двигательных действий в спорте, которые можно было бы отнести к категории основных действий, имеет относительно несложную, как правило, двухфазную структуру, соответствующую динамике действий типа отталкиваний в прыжках и локомоциях, бросков и ударов, а также активных маховых движений в гимнастических упражнениях. Действия этого типа строятся, как правило, по схеме: ускорение периферических, неопорных звеньев системы (с перемещаемым снарядом или без него) и — целевое перераспределение накопленной энергии движения в системе с целью выполнения программного движения.

Действия реализации носят показательно-результирующий характер, по которому оценивается эффект исполнения упражнения — сила и точность удара, дальность полета снаряда, высота прыжка, качество выполнения гимнастического упражнения (особенно с полетной фазой движения) и др. В технико-эстетических видах спорта (гимнастика, акробатика, батут, фигурное катание, прыжки в воду, акробатика на лыжах и т.д.) действия реализации имеют «базовую» и «надстроечную» компоненты. Первая из них определяет физический потенциал движения — траекторию, фазовое время движения, интенсивность вращения тела и др., вторая — программу и качество выполнения усложняющих действий, «накладывающихся» на базовое движение — «сальтовых» вращений тела, изменений позы и др.

Завершающие действия — заключительная стадия упражнения, в которой решаются (по необходимости и возможности) задачи необходимой оперативной коррекции движения и рационального связующего перехода к последующим действиям.

Структурно-параметрические отношения между движениями и их классифицирование [ править | править код ]

Обучение спортивным упражнениям базируется на эффектах переноса двигательного навыка. Это особенно важно для полимоторных видов спорта типа многоборий (технико-эстетические виды, легкоатлетические многоборья и т.п.), в которых спортивное совершенствование идет по пути освоения многочисленных структурно разнообразных, прогрессивно усложняющихся движений. Успех освоения каждого упражнения и технической оснащенности спортсмена в этом случае существенно зависит от верного понимания существа структурно-параметрических отношений между упражнениями-предшественниками и целевым упражнением. Возникающие при этом методические задачи решаются посредством научного классифицирования упражнений, прежде всего — по признаку биомеханической идентификации действий-движений. С формально-логической точки зрения, существуют классификации спортивных упражнений разных аналитических уровней. Наиболее примитивны искусственные классификации, для которых используется второстепенный признак, не отражающий коренных свойств упражнений, как, например, их группировка по формальному терминологическому признаку. Более продуктивны вспомогательные классификации, выполняемые на основе выбора отдельных необходимых структурно-технических признаков, например, технических элементов, нуждающихся в совершенствовании, специальных двигательных качеств и др. Такие классификации нередко используются в учебно-методических разработках по спорту. Наиболее совершенны естественные классификации гимнастических упражнений, в основе которых лежит биомеханически обоснованная система структурно-технических признаков, в совокупности определяющая все наиболее существенные свойства классифицируемых упражнений, взятые в их соотношении. Это позволяет на объективной научной основе строить методические цепочки обучающих упражнений, а также выявлять ранее неизвестные формы движений и с высокой вероятностью предсказывать технику их исполнения.

Программность спортивных движений [ править | править код ]

В сравнении с естественными бытовыми движениями, локомоциями, трудовыми действиями и т.п., спортивные упражнения носят искусственно культивированный характер, позволяющий реализовать богатые резервные возможности моторики человека, не занятые в повседневности. В зависимости от двигательной специфики данного вида спорта, движения тела спортсмена носят некоторый программный характер, а реализация заданной программы обеспечивается системой технических действий, носящих строгий причинно-следственный характер. Программность спортивных движений наиболее ярко выражена в технико-эстетических видах спорта, где исходная двигательная задача всегда связана с воспроизведением внешней (кинематической) формы заранее заданного движения. Но в том же смысле практически всякое спортивное упражнение может быть описано посредством совокупности кинематических программ движения, которые могут, в принципе, не только с исчерпывающей полнотой отобразить существо двигательной задачи, подлежащей решению при обучении и исполнении упражнения, но и стать основой для точного аналитического описания движения в терминах механики. Любое спортивное движение может быть представлено в виде трех независимых кинематических программ. Программа места представляет собой программу перемещения о.ц.т. тела спортсмена по заданной траектории. Программа ориентации задает необходимое вращение тела вокруг главной центральной оси тела. Программа позы обусловливает характер одновременных и последовательных изменений суставных углов, что является решающим причинным компонентом действий-движений в упражнении, и без чего в принципе невозможно выполнение последнего. Наконец, совокупность названных программ представляет собой общую программу движения, дающую полную его кинематическую картину. Описанный подход к анализу движения не только дает возможность детального его описания, имеющего педагогическое значение, но и может быть использовано для строгих биомеханических, расчетно-аналитических, в том числе компьютерных, исследований.

Источник

Лекция 3. Биомеханический анализ движений человека

В третьей лекции по дисциплине «Биомеханика двигательной деятельности» описан биомеханический анализ движений человека Биомеханический анализ движений человека начинается с регистрации и определения различных механических характеристик движущегося или покоящегося тела: кинематических, динамических, энергетических и др. Некоторые из этих характеристик определяются экспериментально, а остальные – расчетным путем.

Лекция 3

Биомеханический анализ движений человека

3.1. Понятие о биомеханическом анализе

Биомеханический анализ движений человека всегда начинается с определения различных характеристик движущегося тела. Этими характеристиками могут быть различные механические характеристики (например, перемещение, скорость, ускорение) и биологические характеристики (сила тяги мышцы, время суммарной электрической активности мышцы). Некоторые из этих характеристик определяются экспериментально, а остальные – расчетным путем. В биомеханике широко используются механические характеристики движущегося тела. Прежде чем перейти к описанию механических характеристик введем ряд понятий, характеризующих механическое движение тел.

3.2. Механическое движение тела

Механическое движение тела – это изменение положения тела в пространстве относительно других тел. Механическое движение является неотъемлемым компонентом функционирования человеческого организма. Чтобы определить положение какого-либо тела в пространстве, прежде всего, нужно выбрать тело отсчета.

Тело отсчета – тело, которое условно считается неподвижным и относительно которого рассматривается движение данного тела.

Выбор тела отсчета определяется соображениями удобства для изучения данного движения. Обычно за тело отсчета принимается тело, неподвижное относительно поверхности Земли.

Система отсчета состоит из тела отсчета, системы координат и часов, синхронно идущих во всех точках пространства.

Физические величины бывают скалярными и векторными.

Векторная величина отображается отрезком прямой со стрелкой на одном конце. Длина отрезка в выбранном масштабе выражает числовое значение векторной величины, а стрелка указывает ее направление. Векторную величину обозначают буквой с черточкой над ней (или стрелкой) или жирным шрифтом. В настоящей лекции векторные величины будут обозначаться жирным шрифтом.

Скалярная величина (от лат. scalaris — ступенчатый) в механике – величина, каждое значение которой может быть выражено одним числом. То есть скалярная величина определяется только своим значением, в отличие от векторной, которая кроме значения имеет направление. К скалярным величинам относятся длина, площадь, время, температура и т. д.

Тело человека – это не материальная точка, а очень сложная биомеханическая система переменной конфигурации. При изучении кинематики движений человека мы можем исследовать движение отдельных точек его тела (например, центров суставов) и производить анализ и оценку их движений с помощью механических характеристик. При изучении движений отдельных звеньев тела человека мы можем вычленить и наблюдать наиболее простые формы движения тела – поступательное и вращательное.

Поступательным движением тела называется такое движение, при котором всякая прямая, проведенная в этом теле, перемещается, оставаясь параллельной самой себе. Поступательное движение не следует смешивать с прямолинейным. При поступательном движении тела траектории его точек могут быть как прямолинейными, так и криволинейными (например, траектория полета ядра или траектория ОЦТ тела человека в полетной фазе бегового шага).

При поступательном движении тела все его точки движутся по одинаковым и параллельно расположенным траекториям и имеют в каждый момент времени равные скорости и равные ускорения. Поэтому поступательное движение тела вполне определяется движением какой-либо его одной точки, а, значит, задача изучения поступательного движения тела сводится к изучению движения любой его точки.

Вращательным движением тела называется такое движение, при котором какие-либо две его точки остаются все время неподвижными. Прямая, проходящая через эти точки, называется осью вращения. Траекторией движения любой точки тела при вращательном движении будет окружность.

3.3. Классификация механических характеристик движения человека

Исследуя движения человека, измеряют количественные показатели механического состояния тела человека или его движения, а также движения звеньев тела, то есть регистрируют механические характеристики движения.

Механические характеристики движения человека – это показатели и соотношения, используемые для количественного описания и анализа двигательной деятельности человека.

Механические характеристики делятся на две группы:

• кинематические (описывают внешнюю картину движений);
• динамические (несут информацию о причинах возникновения и изменения движения человека, а также показывают, как меняются виды энергии при движениях и происходит сам процесс изменения энергии).

3.4. Кинематические характеристики движения человека или спортивных снарядов

Кинематические характеристики движения человека делятся на следующие группы:

3.4.1. Пространственные характеристики

Для простоты, будем считать, что тело человека является твердым телом. Тогда положение тела в пространстве будут характеризовать следующие пространственные характеристики:

Координаты тела – это пространственная мера местоположения тела относительно системы отсчета.

Положение тела в пространстве может быть описано с помощью декартовых и полярных координат. Для определения положения точки на плоскости в декартовой системе координат достаточно двух линейных координат: x и y, в пространстве – трех: x, y, z.

Перемещение тела (ΔS) – вектор, соединяющий начальное положение точки (тела) с его конечным положением. При прямолинейном движении перемещение тела совпадает с траекторией движущегося тела. При криволинейном – не совпадает.

А.В.Самсоновой с соавт. (2016) изучалось влияние «моста» на характеристики движения штанги. Авторами установлено, что «сведение лопаток» позволяет уменьшить значение модуля перемещения штанги из положения «штанга на вытянутых руках» в положение «штанга на груди» на 2,5 см, а «мост» — на 6,7 см. Применение технических приемов позволяет уменьшить механическую работу по подъему штанги массой 144 кг на 43,7 Дж и 88,8 Дж соответственно (рис.3.1)

Рис.3.1. Перемещение штанги из положения «штанга на вытянутых руках» в положение «штанга на груди» (А.В.Самсонова с соавт., 2016)

Траектория движения тела – это геометрическое место положений движущегося тела в рассматриваемой системе координат.

В тяжелой атлетике одним из критериев мастерства является траектория движения штанги. На рис.3.2 представлены различные варианты траектории штанги. Считается, что ширина «коридора» в котором заключена траектория движения штанги не должна превышать 12 см.

Рис.3.2. Оптимальная (1) и нерациональные (2 и 3) траектории движения штанги при выполнении тяжелоатлетических упражнений.

Путь – физическая величина (скалярная), численно равная длине траектории движения точки или тела.

3.4.2. Временные характеристики

Временные характеристики раскрывают движение во времени. К временным характеристикам относятся:

Длительность движения тела – это временная мера, которая измеряется разностью моментов времени окончания и начала движения тела.

Фаза – это часть движения, в течение которой решается самостоятельная двигательная задача.

Например, в беге существуют фаза опоры и фаза полета. Каждая из этих фаз характеризуется определенной длительностью.

Темп движений определяется количеством движений звена человека (например руки или ноги) в единицу времени. Эта характеристика определяется для повторных (циклических движений). Темп движений – величина, обратная длительности движений. Чем больше длительность движений, тем ниже темп. При педалировании в максимальном темпе спортсмен выполняет три цикла в секунду, при беге – 2,8 циклов в секунду, при беге на коньках – 1,8 циклов в секунду.

В атлетизме темп выполнения силовых упражнений существенно влияет на гипертрофию скелетных мышц. Установлено, что эксцентрические упражнения, выполняемые в высоком темпе, оказывают большее повреждающее действие на скелетные мышцы по сравнению с умеренным темпом. Вследствие этого степень гипертрофии мышц при выполнении силовых упражнений в высоком темпе будет больше.

Ритм движений – временная мера соотношения частей (фаз) движения.

Пример. В беге отношение фазы опоры к фазе полета характеризует ритм движений бегуна. Это отношение называется ритмическим коэффициентом. У детей 5-6 лет ритмический коэффициент равен двум, то есть фаза опоры значительно превышает фазу полета. У взрослых мужчин 20-29 лет этот значение ритмического коэффициента равно 1,4. У сильнейших спринтеров этот показатель равен 0,8.

Во многих видах спорта, например, толкании ядра, барьерном беге ритм является важнейшим критерием технического мастерства спортсмена.

3.4.3. Пространственно-временные характеристики

К пространственно-временным характеристикам относят:

Поступательное движение тела

Скорость тела (V) – это векторная величина, определяющая быстроту и направление изменения положения тела в пространстве с течением времени. Скорость измеряется отношением перемещения тела (ΔS) к затраченному времени V= ΔS/Δt.

В спорте скорость движения человека или снаряда является критерием спортивного мастерства. Существует ряд видов спорта, в которых чем выше скорость перемещения спортсмена, тем выше результат, табл. 3.1.

Источник