Кинематические характеристики физических упражнений это энергетические

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

Кинематические характеристики физических упражнений это энергетические

В.Л.Уткин «Биомеханика физических упражнений»

ГЛАВА 3. ОСНОВЫ БИОМЕХАНИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

Наука начинается с тех пор, как начинают измерять.

Точное знание немыслимо без меры.

От интуиции — к точному знанию!

Двигательное мастерство человека, его умение в любых условиях двигаться быстро, точно и красиво, зависит от уровня физической, технической, тактической, психологической и теоретической подготовленности. Эти пять факторов культуры движений являются ведущими и в спорте, и в физическом воспитании школьников, и при занятиях массовыми формами физкультуры. Для совершенствования двигательного мастерства и даже для сохранения его на прежнем уровне необходим контроль за каждым из на званных факторов.

Объектом биомеханического контроля служит моторика человека, т. е. двигательные (физические) качества и их проявления. Это означает, что в итоге биомеханического контроля мы получаем сведения:

1) о технике двигательных действий и тактике двигательной деятельности;

2) о выносливости, силе, быстроте, ловкости и гибкости, должный уровень которых является необходимым условием высокого технико-тактического мастерства ( 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. ).

Можно сказать еще проще: биомеханический контроль дает ответ на три вопроса:

1) Что делает человек?

2) Насколько хорошо он делает это?

3) Благодаря чему он это делает?

Процедура биомеханического контроля соответствует следующей схеме:

ИЗМЕРЕНИЯ 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 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.

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, но 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 ответе 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 1 . 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.

Биомеханическими характеристиками называются показатели, используемые для количественного описания и анализа двигательной деятельности. Все биомеханические характеристики делятся на кинематические, динамические и энергетические (табл. 3). У них разное назначение: кинематические характеризуют внешнюю картину двигательной деятельности, динамические несут информацию о причинах изменения движений, энергетические дают представление о механической производительности и экономичности.

Биомеханические характеристики описывают поступательные и вращательные движения. Поступательным называется такое движение, при котором все точки тела перемещаются по одинаковым траекториям. При вращательном движении движущиеся точки тела перемещаются по круговым траекториям, центры которых лежат на оси вращения.

Но в большинстве движений человека поступательный и вращательный компоненты присутствуют одновременно, такие движения называются составными. Причем двигательный аппарат человека устроен так, что все движения (в том числе и поступательные) образуются из комбинаций вращательных движений в суставах (рис. 18).

Дадим определения биомеханическим характеристикам, включенным в таблицу 3. Но сначала расскажем о двух важных характеристиках, которые не вошли в таблицу,— о положении и траектории.

Положение любой точки тела (например, любого сустава) или положение спортивного снаряда (например, мяча) определяется координатами в той или иной системе координат. Наиболее популярна прямоугольная система координат, в которой положение материальной точки в пространстве описывается ее координатами на трех взаимно перпендикулярных осях (вертикальной и двух горизонтальных— продольной и поперечной) (рис. 19).

Задание для самопроверки знаний:

На рис. 19 определите координаты выделенных точек (центра масс головы и т. д.).

Рис. 18. Поступательные движения человеческого тела и его частей как результат вращательных движений; например, прямолинейное движение боксерской перчатки образуется из движений в локтевом, плечевом и тазобедренном суставах; прямая линия — траектория центра масс кисти правой руки в перчатке

Рис. 19. Схематическое изображение (в прямоугольных координатах) гимнастки, выполняющей упражнение на равновесие: справа —вид спереди (фронтальная проекция); слева —вид. сбоку (саггитальная проекция)

Рис. 20. Траектория полета мяча при ударе футболиста (пунктир); сплошной линией показано перемещение мяча (расстояние по прямой от ноги футболиста до линии ворот). Обратите внимание на возможность забить гол с углового удара, если “закрутить” мяч, как это показано в прямоугольном фрагменте рисунка. Крутясь, мяч приводит во вращение близлежащие слои воздуха (см. круговые стрелки). Их скорость складывается со скоростью воздушного потока справа от мяча и вычитается из нее слева от мяча. По закону Бернулли давление воздуха меньше там, где выше скорость. Поэтому возникает сила (одинарная стрелка), направленная в ту сторону, где давление меньше

При выполнении двигательного действия положение тела или спортивного снаряда изменяется. При этом их материальные точки движутся в пространстве по линиям, которые называются траекториями (рис. 20).

Траектория может иметь любую, сколь угодно сложную форму. В отличие от нее линейное перемещение

— расстояние по прямой ( Точнее, вектор, поскольку, говоря о перемещении, необходимо указывать не только расстояние, но и направление. ) между конечным и начальным положением тела. Линейное перемещение измеряется в единицах длины (метрах).

— угол поворота тела или отдельного сегмента. Угловое перемещение измеряется в градусах.

Задание для самоконтроля знаний: рассматривая рис. 18, приведите примеры линейного и углового перемещений. Затем придумайте другие примеры.

Скорость показывает, как быстро изменяются координаты тела или его материальных точек. Скорость равна частному от деления перемещения (т. е. разности координат) на интервал времени, за который это перемещение произошло:

Ускорение характеризует быстроту изменения скорости:

Получаемые в результате измерений и расчетов величины перемещения, скорости и ускорения зависят от принятой системы отсчета. Например, при беге скорость руки или ноги относительно беговой дорожки равна ее скорости относительно общего центра масс бегуна плюс или минус скорость общего центра масс относительно дорожки. Этот факт необходимо учитывать при определении механических энергозатрат и выявлении энергетически оптимальных режимов двигательной деятельности.

При изучении периодически повторяющихся движений (циклических) важно знать:

1) темп (n)— число движений в единицу времени;

2) длительность цикла (Т) — интервал времени между одинаковыми фазами циклического движения.

Темп и длительность цикла связаны между собой соотношением

Например, если брассист выполнит 50 циклов в минуту

, то длительность цикла равна:

Мы только что встретились с новым и очень важным понятием — фаза двигательного действия. Фазами называются временные элементы двигательных действий. Например, ударное действие теннисиста (см. рис. 2) состоит из пяти фаз, длительности которых обозначены

Соотношение длительностей фаз называется ритмом двигательного действия. Графическое изображение ритма называется хронограммой.

Фазовый анализ двигательной деятельности — один из самых полезных методов, применяемых при биомеханическом контроле. Определение длительностей фаз, ритма и построение хронограммы позволяют “читать” и “записывать” элементы двигательной деятельности подобно тому, как по нотам можно записывать и воспроизводить музыку. Тем самым возникает возможность документирования техники и тактики, запоминания и изучения лучших образцов, целенаправленного обучения.

Переходим к описанию динамических характеристик. В отличие от кинематических их невозможно оценить по внешней картине движений, на глаз. Здесь всегда требуется измерительная аппаратура. Динамические характеристики измеряют потому, что именно они помогают разобраться в сложных механизмах формирования движений и, следовательно, найти пути овладения ими, их совершенствования и исправления возможных ошибок. Ведь ошибки в кинематике (внешней картине движений) всегда есть следствие несвоевременных и нерациональных (недостаточных или чрезмерных) мышечных усилий и неумелого использования внешних сил.

Ускорение, приобретаемое телом, обратно пропорционально его инертности и прямо пропорционально воздействующей силе:

Рис. 21. Пример из борьбы, показывающий, что, чем длиннее плечо силы, тем больше момент силы M=F-e, вызывающий круговое движение, в данном случае опрокидывающий момент (е)

Чтобы найти ускорение тела в поступательном движении, достаточно знать величины силы и массы. При вращательном движении ситуация сложнее. Во-первых, инертность вращающегося тела определяется не массой, а моментом инерции (см. в главе 2). Во-вторых, эффект действия силы в этом случае зависит не только от ее величины, но и от места приложения. Чем длиннее плечо силы— кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия силы, тем больше момент силы, или вращающий момент (М), равный произведению силы на ее плечо (рис. 21).

Поскольку ускорение есть приращение скорости в единицу времени

приведенные выше формулы можно переписать следующим образом:

— для поступательного движения

— для вращательного движения

Здесь нам открывается закономерность, которую мы хорошо знаем в повседневной жизни, но не всегда используем при занятиях физкультурой и спортом. Она состоит в том, что эффект действия силы (в данном случае приращение скорости) зависит не только от величины силы, но и от продолжительности ее действия

В связи со сказанным еще две биомеханические характеристики получили “права гражданства” (рис. 22 ):

— интервал времени от начала до окончания действия силы;

— средние величины силы и вращающего момента.

Переходим к рассмотрению энергетических характеристик. Большинство из них вычисляется из кинематических и динамических характеристик. Так, механическая работа есть произведение силы на перемещение:

Например, для того чтобы подняться по канату на высоту 5 м, мальчик с массой тела в 30 кг выполняет работу около 1500 джоулей:

30 кг ∙ 9,8 м/с 2 · 5 м ≈ 300 Н · 5 м = 1500 Дж.

Если этот подъем длился 10 с, развиваемая мальчиком мощность равна 1500 Дж : 10 с=150 Вт. Это значительная мощность (вспомните, как ярко светит такая электрическая лампочка).

Итак, мощность вычисляется по формуле

Последний переход в преобразовании формулы особенно важен. Он дает возможность определить мощность коротких интенсивных движений (например, ударов по мячу, боксерских ударов и других ударных действий), когда механическую работу определить трудно, но можно измерить силу и скорость. Так, при ударе классного футболиста по мячу сила действия может достигать 400 Н, а скорость вылета мяча 30 м/с. В этом случае развиваемая мощность составляет 12000 Вт. Образно говоря, при таком ударе на короткий миг зажигается 120 электрических лампочек, по 100 Вт каждая.

Рис. 22. Динамограмма отталкивания спринтера от стартовых колодок; импульс силы равен интегралу силы по времени, или произведению средней величины силы (пунктир) на продолжительность ее действия (площадь заштрихованной фигуры равна величине импульса силы); слева — тарировочный график, позволяющий отсчитывать величины силы в ньютонах

Совершаемая человеком механическая работа расходуется на увеличение потенциальной и кинетической энергии человеческого тела, спортивных снарядов и других предметов. Потенциальная энергия (Е п ) и кинетическая энергия тела в поступательном (Е _к пост ) и вращательном (Е_к вр ) движениях определяются по формулам:

где g = 9,8 м/с 2 — ускорение свободнопадающего тела, h — высота центра масс тела над поверхностью земли, v — линейная скорость, w — угловая скорость, т — масса, J — момент инерции.

Полная энергия движущегося те л а согласно теореме Кенига равна сумме его потенциальной энергии и кинетической энергии в поступательном и вращательном движениях:

До сих пор речь шла о механической работе и мощности. Но, как известно, в форму механической энергии превращается меньшая часть энергии, образующейся в мышцах. Большая ее часть переходит в тепло.

Подобно тому как технические машины (автомобиль, тепловоз) характеризуются коэффициентом полезного действия, экономичность двигательного аппарата человека описывается рядом аналогичных показателей. В их числе:

где Е — количество метаболической энергии ( Метаболическая энергия образуется в клетках нашего тела в результате трех типов биохимических реакций: креатинкиназной, анаэробного гликолиза и окислительного фосфорилирования. Подробнее об этом можно прочитать в учебниках по биохимии и физиологии, а также в научно-популярной литературе (например: Я к о в л е в Н. Н. Химия движений. — Л., 1983). ), Дж; Ё — скорость ее расходования, Вт;

—энергетическая стоимость метра пути или единицы полезной работы; для того чтобы определить энергетическую стоимость бега, нужно разделить скорость расходования метаболической энергии на скорость бега:

—пульсовая стоимость метра пути или единицы полезной работы; например, пульсовая стоимость ходьбы, бега и других циклических локомоций вычисляется по формуле

Пульсовую стоимость проще измерить, чем энергетическую. И кроме того, в некоторых ситуациях пульсовая стоимость информативнее энергетической (например, при биомеханическом контроле за двигательной деятельностью в условиях жары).

Биомеханические характеристики — один из хрестоматийных вопросов биомеханики. Без свободного владения сведениями о биомеханических характеристиках так же нельзя рассчитывать на успех в изучении и практическом применении биомеханики, как невозможно читать книгу, не зная алфавита.

Русский стиль — поддержка студии Black Ice (c) 1999-2002

Источник