Дать оценку и сделать анализ всему комплексу кинематических характеристик (пространственным, временным и пространственно-временным)

РАЗДЕЛ III. БИОМЕХАНИКА

 

1. Тело человека как биомеханическая система: биозвенья, биопары и биоцепи. Дать определение, привести примеры.

Биомеханика изучает в теле человека, в его опорно-двигательном аппарате, те особенности строений и функций, которые имеют значение для совершенства движений. Отвлекаясь от деталей анатомического строения и физиологических механизмов двигательного аппарата, рассматривают упрощенную модель тела человека – биомеханическую систему.

Она обладает основными свойствами существенными для выполнения двигательной функции, но не включает в себя множество частных деталей. Таким образом, биомеханическая система – это упрощенная копия, модель тела человека, на которой можно изучать закономерности движений.

Биозвеном называется часть тела, расположенная между двумя соседними суставами или между суставом и дистальным концом.

Например, биозвеньями являются: предплечье, плечо, голова.

Биомеханическая система тела человека состоит из биокинематических цепей, образованных биокинематическими парами – подвижными (кинематическими) соединениями двух костных звеньев, в котором возможности движений определяются его строением и управляющим воздействием мышц.

Одни возможности движений не ограничены (их характеризуют степени свободы движения), другие полностью ограничены (они определяются степенями свободы). Различают связи:

а) геометрические (постоянные препятствия перемещению в каком-либо направлении, например костное ограничение в суставе);

б) кинематические (ограничение скорости, например мышцей-антагонистом).

Кинематические пары бывают:

а) поступательные – одно звено может перемещаться поступательно по другому (например, боковые движения нижней челюсти);

б) вращательные (например, повороты в наиболее распространенных в теле человека цилиндрических и шаровидных суставах);

в) винтовые с сочетанием поступательного и вращательного движений (например, в голеностопном суставе).

Соединения, допускающие поворот звеньев пары, называют шарнирами.

Итак, биокинематическая цепь – это последовательное либо незамкнутое (разветвленное), либо замкнутое соединение ряда биокинематических пар. Кинематическую цепь, в которой конечное звено свободно, называют незамкнутой, а цепь, в которой нет свободного конечного звена, – замкнутой.

В каждом соединении незамкнутой цепи возможны изолированные движения. Они геометрически независимы от движений в других соединениях. Например, свободные конечности, когда их концевые звенья свободны представляют незамкнутые цепи.

Незамкнутые цепи могут замыкаться, причем часто через опору. В замкнутой или замкнувшейся цепи невозможно одиночное изолированное движение, т.е. движение в одном соединении. Так, сгибая и выпрямляя ноги в выпаде, можно убедиться в том, что движение в любом суставе непременно вызывает движения и в других.

В замкнутых цепях возможностей движений меньше, но управление ими точнее, чем в незамкнутых.

2. Биозвенья как рычаги. Дать определение рычага, плеча силы мышцы. Момента сила тяги мышцы относительно оси соответствующего сустава.

Рычагом называется твердое тело, шарнирно закрепленное на некоторой оси.

Кости как твердые (негибкие) звенья, соединяясь подвижно, образуют основу биокинематических цепей. Приложенные силы действуют на звенья как на рычаги или маятники.

Костные рычаги – звенья тела, подвижно соединенные в суставах под действием приложенных сил, - могут либо сохранять свое положение, либо изменять его. Они служат для передачи движения и работы на расстояние. Все силы, приложенные к звену как рычагу, можно объединить в две группы:

а) силы или их составляющие, лежащие в плоскости оси рычага (они не могут повлиять на движение вокруг этой оси);

б) силы или их составляющие, лежащие в плоскости, перпендикулярной к оси рычага (они могут влиять на движение вокруг оси в двух противоположных направлениях).

Рассматривая действие сил на рычаг, учитывают только силы, направленные по ходу движения (движущие) и против него (тормозящие).

Когда группы сил приложены по обе стороны от оси (точки опоры) рычага, его называют двуплечим или рычагом первого рода, а когда по одну сторону – одноплечим, или рычагом второго рода.

Каждый рычаг имеет следующие элементы:

а) точку опоры (о);

б) точки приложения сил;

в) плечи рычага (расстояния от точки опоры до точек приложения сил – l);

г) плечи сил (расстояние от точки опоры до линий действия сил – опущенные на них перпендикуляры – d).

Мерой действия силы на рычаг служит ее момент относительно точки опоры (произведение силы на ее плечо).

М = F·d

Момент силы считается положительным, когда сила вызывает поворот тела против часовой стрелки, и отрицательным – при повороте по часовой стрелке (со стороны наблюдателя).

3. Биоцепи как маятники. Момент инерции в биоцепях. Привести примеры расчета момента инерции биозвена или всей биоцепи, относительно соответствующей оси вращения.

Иногда полезно рассматривать движения тела или его звеньев как маятников (например, движение ноги при ходьбе или беге). Звено тела, продолжающее после разгона движение по инерции, имеет сходство с физическим маятником. Маятник в поле силы тяжести, выведенный из равновесия, сначала под действием момента силы тяжести качается вниз, а далее, затрачивая приобретенную кинетическую энергию, поднимается по инерции вверх. Можно рассчитать период качания и ускорение звена. Составные маятники (несколько подвешенных друг к другу маятников) ведут себя намного сложнее. Именно поэтому в каждом шаге моменты мышечных сил нужно приспосабливать к переменным механическим условиям. Чтобы обеспечивать относительное постоянство шагов.

Инертность – это свойство физических тел, проявляющихся в постепенном изменении скорости со временем под действием сил. При выполнении вращательного движения мерой инертности является момент инерции. Эта характеристика (J) равна сумме произведений масс всех материальных точек тела на квадрат расстояния их от данной оси:

J=ƩmR²

На этом основывается очень важное для телесно-двигательных упражнений спортивного характера положение: момент инерции тела больше в том случае, если какая-то его часть наиболее удалена от оси вращения, например, прямая рука отведена точно в сторону. В этом случае, если тело вращается вокруг своей продольной оси, например тур на одной ноге, момент силы вызывает меньшее угловое ускорение в связи с большим инерционным сопротивлением отдаленной от оси тела руки, и вращение замедляется быстрее. Действия группирования или разгруппирования при выполнении, например, кувырков или сальто в группировке, есть пример деформации биомеханической системы тела спортсмена, при которой части тела приближаются или отдаляются от оси вращения. При отдалении момент инерции системы увеличивается – скорость вращения тела замедляется - и наоборот.

4. Двигательные характеристики. Дать определение. Кинематические и динамические характеристики. Привести примеры их использования в практике анализа движений.

Механическими движениями называется изменение взаимного положения материальных тел и отдельных их точек относительно друг друга с течением времени относительно неподвижной системы отсчета.

В кинематике изучается движение материальных объектов (тело человека, его отдельные части, приводимые в движение спортивные снаряды) без рассмотрения причин, вызывающих или изменяющих это движение.

Кинематические характеристики отражают форму и характер движений. При этом под формой понимается внешняя картина движений, их пространственное содержание, а под характером в качественном аспекте – особенности проявления движений, например: медленно, быстро, в среднем темпе, чаще, быстрее и т.п. Кинематические характеристики раскрывают суть движений во времени и в пространстве. Они подразделяются на пространственные, временные и пространственно-временные.

Основными единицами измерения кинематических характеристик в системе СИ (международная система единиц) являются метр, килограмм, секунда, градус.

Динамика – это раздел механики, в котором изучают механическое движение в связи с силами, приложенными к движущимся объектам.

Группа динамических характеристик подразделяется на три подгруппы: инерционные, позволяющие изучать особенности перемещения тела исполнителя и звеньев, которые он приводит в движение; силовые, которые применяются для познания особенностей взаимодействия частей и звеньев тела человека как биомеханической системы и ее взаимодействия с внешними телами; энергетические, посредством которых представляется возможным изучать особенности энергообеспечения работы человека как биомеханической системы, обмена энергией между нею и средой

РАЗДЕЛ III. БИОМЕХАНИКА

 

1. Тело человека как биомеханическая система: биозвенья, биопары и биоцепи. Дать определение, привести примеры.

Биомеханика изучает в теле человека, в его опорно-двигательном аппарате, те особенности строений и функций, которые имеют значение для совершенства движений. Отвлекаясь от деталей анатомического строения и физиологических механизмов двигательного аппарата, рассматривают упрощенную модель тела человека – биомеханическую систему.

Она обладает основными свойствами существенными для выполнения двигательной функции, но не включает в себя множество частных деталей. Таким образом, биомеханическая система – это упрощенная копия, модель тела человека, на которой можно изучать закономерности движений.

Биозвеном называется часть тела, расположенная между двумя соседними суставами или между суставом и дистальным концом.

Например, биозвеньями являются: предплечье, плечо, голова.

Биомеханическая система тела человека состоит из биокинематических цепей, образованных биокинематическими парами – подвижными (кинематическими) соединениями двух костных звеньев, в котором возможности движений определяются его строением и управляющим воздействием мышц.

Одни возможности движений не ограничены (их характеризуют степени свободы движения), другие полностью ограничены (они определяются степенями свободы). Различают связи:

а) геометрические (постоянные препятствия перемещению в каком-либо направлении, например костное ограничение в суставе);

б) кинематические (ограничение скорости, например мышцей-антагонистом).

Кинематические пары бывают:

а) поступательные – одно звено может перемещаться поступательно по другому (например, боковые движения нижней челюсти);

б) вращательные (например, повороты в наиболее распространенных в теле человека цилиндрических и шаровидных суставах);

в) винтовые с сочетанием поступательного и вращательного движений (например, в голеностопном суставе).

Соединения, допускающие поворот звеньев пары, называют шарнирами.

Итак, биокинематическая цепь – это последовательное либо незамкнутое (разветвленное), либо замкнутое соединение ряда биокинематических пар. Кинематическую цепь, в которой конечное звено свободно, называют незамкнутой, а цепь, в которой нет свободного конечного звена, – замкнутой.

В каждом соединении незамкнутой цепи возможны изолированные движения. Они геометрически независимы от движений в других соединениях. Например, свободные конечности, когда их концевые звенья свободны представляют незамкнутые цепи.

Незамкнутые цепи могут замыкаться, причем часто через опору. В замкнутой или замкнувшейся цепи невозможно одиночное изолированное движение, т.е. движение в одном соединении. Так, сгибая и выпрямляя ноги в выпаде, можно убедиться в том, что движение в любом суставе непременно вызывает движения и в других.

В замкнутых цепях возможностей движений меньше, но управление ими точнее, чем в незамкнутых.

2. Биозвенья как рычаги. Дать определение рычага, плеча силы мышцы. Момента сила тяги мышцы относительно оси соответствующего сустава.

Рычагом называется твердое тело, шарнирно закрепленное на некоторой оси.

Кости как твердые (негибкие) звенья, соединяясь подвижно, образуют основу биокинематических цепей. Приложенные силы действуют на звенья как на рычаги или маятники.

Костные рычаги – звенья тела, подвижно соединенные в суставах под действием приложенных сил, - могут либо сохранять свое положение, либо изменять его. Они служат для передачи движения и работы на расстояние. Все силы, приложенные к звену как рычагу, можно объединить в две группы:

а) силы или их составляющие, лежащие в плоскости оси рычага (они не могут повлиять на движение вокруг этой оси);

б) силы или их составляющие, лежащие в плоскости, перпендикулярной к оси рычага (они могут влиять на движение вокруг оси в двух противоположных направлениях).

Рассматривая действие сил на рычаг, учитывают только силы, направленные по ходу движения (движущие) и против него (тормозящие).

Когда группы сил приложены по обе стороны от оси (точки опоры) рычага, его называют двуплечим или рычагом первого рода, а когда по одну сторону – одноплечим, или рычагом второго рода.

Каждый рычаг имеет следующие элементы:

а) точку опоры (о);

б) точки приложения сил;

в) плечи рычага (расстояния от точки опоры до точек приложения сил – l);

г) плечи сил (расстояние от точки опоры до линий действия сил – опущенные на них перпендикуляры – d).

Мерой действия силы на рычаг служит ее момент относительно точки опоры (произведение силы на ее плечо).

М = F·d

Момент силы считается положительным, когда сила вызывает поворот тела против часовой стрелки, и отрицательным – при повороте по часовой стрелке (со стороны наблюдателя).

3. Биоцепи как маятники. Момент инерции в биоцепях. Привести примеры расчета момента инерции биозвена или всей биоцепи, относительно соответствующей оси вращения.

Иногда полезно рассматривать движения тела или его звеньев как маятников (например, движение ноги при ходьбе или беге). Звено тела, продолжающее после разгона движение по инерции, имеет сходство с физическим маятником. Маятник в поле силы тяжести, выведенный из равновесия, сначала под действием момента силы тяжести качается вниз, а далее, затрачивая приобретенную кинетическую энергию, поднимается по инерции вверх. Можно рассчитать период качания и ускорение звена. Составные маятники (несколько подвешенных друг к другу маятников) ведут себя намного сложнее. Именно поэтому в каждом шаге моменты мышечных сил нужно приспосабливать к переменным механическим условиям. Чтобы обеспечивать относительное постоянство шагов.

Инертность – это свойство физических тел, проявляющихся в постепенном изменении скорости со временем под действием сил. При выполнении вращательного движения мерой инертности является момент инерции. Эта характеристика (J) равна сумме произведений масс всех материальных точек тела на квадрат расстояния их от данной оси:

J=ƩmR²

На этом основывается очень важное для телесно-двигательных упражнений спортивного характера положение: момент инерции тела больше в том случае, если какая-то его часть наиболее удалена от оси вращения, например, прямая рука отведена точно в сторону. В этом случае, если тело вращается вокруг своей продольной оси, например тур на одной ноге, момент силы вызывает меньшее угловое ускорение в связи с большим инерционным сопротивлением отдаленной от оси тела руки, и вращение замедляется быстрее. Действия группирования или разгруппирования при выполнении, например, кувырков или сальто в группировке, есть пример деформации биомеханической системы тела спортсмена, при которой части тела приближаются или отдаляются от оси вращения. При отдалении момент инерции системы увеличивается – скорость вращения тела замедляется - и наоборот.

4. Двигательные характеристики. Дать определение. Кинематические и динамические характеристики. Привести примеры их использования в практике анализа движений.

Механическими движениями называется изменение взаимного положения материальных тел и отдельных их точек относительно друг друга с течением времени относительно неподвижной системы отсчета.

В кинематике изучается движение материальных объектов (тело человека, его отдельные части, приводимые в движение спортивные снаряды) без рассмотрения причин, вызывающих или изменяющих это движение.

Кинематические характеристики отражают форму и характер движений. При этом под формой понимается внешняя картина движений, их пространственное содержание, а под характером в качественном аспекте – особенности проявления движений, например: медленно, быстро, в среднем темпе, чаще, быстрее и т.п. Кинематические характеристики раскрывают суть движений во времени и в пространстве. Они подразделяются на пространственные, временные и пространственно-временные.

Основными единицами измерения кинематических характеристик в системе СИ (международная система единиц) являются метр, килограмм, секунда, градус.

Динамика – это раздел механики, в котором изучают механическое движение в связи с силами, приложенными к движущимся объектам.

Группа динамических характеристик подразделяется на три подгруппы: инерционные, позволяющие изучать особенности перемещения тела исполнителя и звеньев, которые он приводит в движение; силовые, которые применяются для познания особенностей взаимодействия частей и звеньев тела человека как биомеханической системы и ее взаимодействия с внешними телами; энергетические, посредством которых представляется возможным изучать особенности энергообеспечения работы человека как биомеханической системы, обмена энергией между нею и средой

Дать оценку и сделать анализ всему комплексу кинематических характеристик (пространственным, временным и пространственно-временным)

Пространственные характеристики. Выполнение любого телесно-двигательного упражнения основано на изменении положения тела спортсмена в пространстве в течение определенного времени. В то же время, в ходе выполнения упражнения тело спортсмена постоянно изменяет свою конфигурацию посредством различных суставных движений. Напомним, что под конфигурацией в общепринятом значении понимается взаимное расположение каких-либо предметов, соотношение отдельных частей сложных предметов, а также - очертание, форма чего-либо. Познание телесно-двигательного упражнения, в частности анализ спортивной техники, напрямую связан с определением положения тела исполнителя в пространстве и с описанием взаимного расположения частей и звеньев тела.

Положение механической системы, в нашем случае биомеханической системы человека, устанавливается определением каждой материальной точки, то есть изучаемой точки тела человека в пространстве. В простейшем случае, включая качественный биомеханический анализ техники, положение тела спортсмена определяется относительно некоторой системы отсчета, которая включает в себя точку отсчета, то есть относительно чего рассматривается перемещение тела, а также систему координат, применяемую для описания положения тела на количественном и качественном уровнях. Наглядными примерами точки отсчета при анализе упражнений могут быть: место (точка) отталкивания в различных прыжках в легкой атлетике и гимнастике; положение старта на дистанциях бега или плавания. От указанных точек отсчитываются перемещения тела спортсмена или его частей и звеньев (их центров масс). Положение тела человека (точки) относительно системы отсчета характеризуется его координатами, а также перемещением точки, тела, системы, траекторией точки.

Координата точки - это пространственная мера расположения точки относительно системы отсчета. Расположение точки определяется в системе координат по трем ее линейным координатам: Sx - по горизонтальной оси X; Sy – по вертикальной оси Y; Sz - по оси аппликат Z.

Перемещение точки (тела) - это пространственная мера изменения местонахождения точки. Линейное перемещение точки (тела) - это величина и направление отрезка прямой от начального положения точки до конечного.

Перемещение отражает направление движения и его размах, носит векторный характер и составляет разность начального и конечного положения тела. Перемещением определяется, как правило, конечный результат упражнения (длина прыжка, полет ядра, диска, упражнение, выполненное от начала до конца, и др.).

Определение положения тела в пространстве осуществляется тремя величинами (координатами) в прямоугольной системе координат. Таким образом получают высоту расположения точки относительно начала координат, ее отдаленность от начала в переднезаднем направлении, а также отклонение в какую-либо из сторон. Так, положение механической или биомеханической системы, состоящей из «п» материальных точек, определяется тремя «п» величинами тела и тремя так называемыми эйлеровыми углами. Под ними понимаются углы наклона тела в пространстве по отношению к осям системы прямоугольных координат. Исходя из отмеченного, свободное твердое тело обладает шестью степенями свободы как тремя возможностями перемещения в системе координат и тремя возможными углами наклона тела относительно осей X, Y, Z.

В процессе биомеханического анализа двигательных действий в упражнении пользуются тремя известными вариантами системы координат: линейной, плоскостной или пространственной. Линейная система носит одномерный характер, например: координата положения ОЦТ пловца (Xi) в определенной точке дистанции. Плоскостная система координат носит двумерный характер, например: величина линейного перемещения ОЦТ спортсмена от точки отсчета в конкретный момент времени (Xi) и высота подъема ОЦТ в этот же момент (Yi). Пространственная система координат носит трехмерный характер в соответствии с определением положения точки относительно трех осей (X, Y, Z).

Траектория точки является пространственной мерой ее движения. Это воображаемый след движущейся точки. Траектория точки определяет пространственный рисунок движения. Она характеризуется длиной и кривизной. Длина траектории - это путь, пройденный точкой.

Путь как биомеханическая характеристика определяется длиной части траектории, пройденной телом (точкой) за определенный промежуток времени.

Кривизна траектории (К) отражает форму движения в пространстве тела, его части, спортивного снаряда. Кривизну траектории характеризует радиус кривизны (R). По характеру кривизны траектории перемещения тела человека, снаряда в полете можно отличить качественные стороны выполненного упражнения при их сравнении с модельным или образцовым исполнением, что вполне возможно в процессе экспресс видеоанализа телесно-двигательного упражнения.

Временные характеристики - к ним относятся момент времени, длительность движения, темп, ритм.

Момент времени - это временная мера положения точки, тела, системы.

Моментом времени обозначаются начало и завершение движений, фаз. Например: момент завершения толчка ногами в кувырке; момент начала разгруппирования.

Длительность движения - это временная мера движения. Она измеряется разностью моментов времени окончания и начала движения:

Например: длительность отталкивания в кувырке - 1,33 с; длительность группирования - 0,34 с; длительность кувырка - 2,04 с.

Имея длительность движений, можно определить их темп и ритм.

Темп движений — это временная мера повторности движений или частота движений. Темп измеряется количеством однотипных и повторяющихся движений в единицу времени. Чем меньше длительность однотипных повторяющихся движений, тем больше темп и наоборот. Применительно к гимнастическому упражнению «кувырок» можно сказать: «Темп выполнения трех кувырков быстрый; темп выполнения пяти кувырков медленный или средний».

Ритм движений - это временная мера соотношения частей движений. Ритм определяется по соотношению длительности частей движений, то есть по соотношению промежутков времени между ними.

О характеристике ритма в образцовом кувырке вперед можно сказать, что толчок ногами быстрый с полным выпрямлением ног; возможно долгое (до группирования) удержание ног прямыми; быстрое группирование; спокойное завершение упражнения.

Пространственно-временные характеристики. Характеристики этой группы определяют изменение положения точки, тела в пространстве и во времени, отражают взаимозависимость пространственных и временных показателей двигательных действий, то есть раскрывают скоростную картину упражнения. К ним относятся: скорость точки и тела, их ускорение.

Скорость точки - это пространственно-временная мера движения, отражающая быстроту изменения положения точки, тела. Скорость – величина векторная, характеризует быстроту перемещения тела или точки и его направление.

Ускорение точки - это быстрота изменения скорости по величине и направлению.

Положительное ускорение точки характеризует увеличение ее скорости без изменения направления движения. Отрицательное ускорение точки - при котором величина скорости точки становится меньше без изменения ее направления и направлено в сторону, противоположную скорости. При качественной оценке упражнения или двигательного действия уместно пользоваться понятием «движение ускоренное» при положительном ускорении и «движение замедленное» - при отрицательном.

Для линейных движений характерно линейное ускорение; для вращательных движений - угловое. Например, после толчка ногами в кувырке вперед тело исполнителя движется вперед с положительным линейным ускорением, а при завершении упражнения имеет место отрицательное ускорение. В этом же примере положительное угловое ускорение тела возникает при группировании, а отрицательное - при разгруппировании в конце упражнения.