Реферат на тему элементы биомеханических рычагов
Обновлено: 05.07.2024
2. Звенья тела как рычаги и маятники , их роль в осуществлении двигательных действий.
Звенья тела как рычаги и маятникиРазбиение тела человека на звенья позволяет представить эти звенья как механические рычаги и маятники, потому что все эти звенья имеют точки соединения, которые можно рассматривать либо как точки опоры (для рычага), либо как точки отвеса (для маятника).
Рычаг характеризуется расстоянием между точкой приложения силы и точкой вращения. Рычаги бывают первого и второго рода.
Рычаг первого рода или рычагравновесия состоит только из одного звена. Пример – крепление черепа к позвоночнику.
Рычаг второго рода характеризуется наличием двух звеньев. Условно можно выделить рычаг скорости и рычаг силы в зависимости от того, что преобладает в их действиях. Рычаг скорости дает выигрыш в скорости при совершенствовании работы. Пример – локтевой сустав с грузом на ладони. Рычаг силы дает выигрыш в силе.Пример – стопа на пальцах.
Поскольку тело человека выполняет свои движения в трехмерном пространстве, то его звенья характеризуются степенями свободы, т.е. возможностью совершать поступательные и вращательные движения во всех измерениях. Если звено закреплено в одной точке, то оно способно совершать вращательные движения и мы можем сказать, что оно имеет три степени свободы.
Закрепление звена приводит кобразованию связи, т.е. связанному движению закрепленного звена с точкой закрепления.
Поскольку руки и ноги человека могут совершать колебательные движения, то к механике их движения применимы те же формулы, что и для простых механических маятников. Основные вывод их них – собственная частота колебаний не зависит от массы качающегося тела, но зависит от его длины (при увеличении длины частотаколебаний уменьшается).
Делая частоту шагов при ходьбе или беге или гребков при плавании или гребле резонансной (т.е. близкой к собственной частоте колебаний руки или ноги), удается минимизировать затраты энергии. При наиболее экономичном сочетании частоты и длины шагов или гребков человек демонстрирует существенный рост работоспособности. Простой пример: при беге.
Биомеханические пары и цепи (незамкнутые, замкнутые, разветвленные). Биомеханическая система состоит из биомеханических пар и цепей – подвижно соединенных частей (сегментов) тела. Биокинематическая пара – это подвижное (кинематическое) соединение двух костных звеньев, в котором возможности движений определяются строением этого соединения и управляющим воздействием мышц. Биокинематическая цепь – это последовательное (разветвленное) незамкнутое, либо замкнутое соединение ряда кинематических пар.
В незамкнутых цепях есть конечное свободное звено, входящее в одну пару. В замкнутой цепи каждое звено входит в две пары. Поэтому в незамкнутой цепи возможны изолированные движения в каждом суставе. В замкнутой цепи в движение одновременно вовлекаются все соединения.
Степени свободы и связи в биокинематических цепях. Степень свободы – возможность выполнить движение в каком-либо направлении. Степень связи – невозможность выполнить движение в каком-либо направлении. Различают связи геометрические (постоянные препятствия, например, костные ограничения) и кинематические (ограничение скорости, например, мышцей-антагонистом).
Если у физического тела нет никаких ограничений, оно может двигаться в пространстве в трех измерениях и вращаться вокруг трех осей. Такое тело имеет 6 степеней свободы. Каждая связь уменьшает число степеней свободы. Фиксация одной точки свободного тела лишает его трех степеней свободы (линейных перемещений вдоль осей координат). Закрепление двух точек оставляет одну степень свободы – вращение вокруг продольной оси тела.
Звенья тела как рычаги и маятники. Основу биокинематической цепи составляют кости – твердые негибкие звенья. Костные рычаги ( звенья тела подвижно соединенные в суставах) под действием приложенных сил могут либо сохранять свое положение, либо изменять его. Костные рычаги служат для передачи работы и движения на расстояние. Силы, действующие на рычаг можно объединить в две группы. 1. Силы или их составляющие, лежащие в плоскости оси рычаг, не влияют на вращение вокруг этой оси. 2. Силы или их составляющие, лежащие в плоскости перпендикулярной оси рычага, могут рассматриваться как силы движущие и как силы сопротивления (тормозящие).
Рычаги в биокинематических цепях. Мерой действия силы на рычаг служит ее момент относительно точки опоры: M = Fd .
По характеру расположения оси вращения, точек приложения равнодействующей сил сопротивления ( P ), и движущих сил ( F ) различают костные рычаги трех видов:
А – рычаг первого рода (двуплечий). Б – рычаг второго рода (одноплечий), рычаг силы. В – рычаг третьего рода (одноплечий), рычаг скорости.
В теле человека практически все рычаги – это рычаги третьего рада. Исключение составляют голова, таз в положении основной стойки и стопа – рычаги первого рода.
Условия равновесия и ускорения костных рычагов. Если противоположные относительно оси сустава моменты сил равны, звено сохраняет свое положение, либо продолжает свое движение с прежней скоростью. Но если один из моментов сил больше другого, звено получает ускорение в направлении его действия. В реальных условиях равновесие встречается редко, поэтому движения выполняются с ускорением (замедлением).
Во всех движениях угол между направлением равнодействующей силы и осью звена (рычага) меняется. Плечо рычага при этом постоянно, а плечо силы меняется, меняется и сама сила. Большинство рычагов в теле человека – это рычаги скорости, работающие с проигрышем в силе. Этот проигрыш возникает по трем основным причинам: прикрепление мышцы вблизи сустава; тяга мышцы не под прямым, а под острым или тупым углом к оси рычага; напряжение мышц-антагонистов.
Биокинематические маятники. Звено, движущееся по инерции, имеет сходство с маятником. Угловое ускорение звена как маятника:
ε = M/J = Fd/mR 2 инерции .
Составные маятники ведут себя гораздо сложнее.
Биодинамика мышц. Механические свойства мышц. Биомеханические свойства мышц это их: сократимость, упругость, жесткость, прочность и релаксация. Основная функция мышц состоит в преобразовании химической энергии в механическую работу или силу. Главные биомеханические показатели, характеризующие деятельность мышцы это – сила, регистрируемая на ее концах (сила тяги) и скорость изменения длины. Механические свойства мышцы обусловлены свойствами ее элементов и их расположении в мышце.
Современная модель мышцы представляет ее как комбинацию упругих и сократительных компонентов. Упругие компоненты аналогичны пружинам. Энергия упругой деформации такой пружины Пд = С( D l ) 2 /2 равна механической работе, которая была затрачена на ее растягивание.
Различают параллельные упругие компоненты – соединительнотканные образования, составляющие оболочку мышцы и ее пучков. И последовательные упругие компоненты – сухожилия, места перехода миофибрилл в соединительную ткань.
Сократительные компоненты соответствуют тем участкам мышечного волокна (саркомера), где актиновые и миозиновые нити (миофиламенты) перекрывают друг друга. Именно эти участки обеспечивают изменение длины и натяжение мышцы при ее возбуждении.
Покоящаяся мышцы обладает упругими свойствами – стремится восстановить свою длину после прекращения растягивания (то есть принимает равновесную длину). При этом ее упругие силы равны нулю. В живом организме этого не наблюдается – длина мышцы всегда больше равновесной, мышцы находятся в тонусе.
При принудительном растягивании мышцы сила ее тяги изменяется неравномерно, достигая максимума при некоторой длине (длине покоя) и затем уменьшается, так как при чрезмерном удлинении уменьшается количество актин-миозиновых мостиков. Сила тяги мышцы падает не только при при значительном увеличении ее длины, но и при уменьшении (сокращении) – механизм тот же.
Упругие силы, то есть энергия упругой деформации параллельных и последовательных упругих компонентов вносит весьма значительный вклад в осуществление преодолевающего движения, так как существенно увеличивают силу сокращения мышцы.
Для мышц характерно и такое свойство как релаксация – снижение силы упругой деформации с течением времени. Если преодолевающее движение по каким-либо причинам не выполняется, то примерно через 0,12 с упругие силы превращаются в тепло и рассеиваются. Так выполнение прыжка с места (отталкивания, броска) сразу после подседа (амортизации, замаха) повышает мощность преодолевающей работы мышц. Но задержка в подседе, амортизации, замахе снижает результат в упражнении. Также известно, что повторное частое растягивание мышцы позволяет удлинить ее больше, чем одноразовое за счет рассеивания упругих сил.
Механика мышечного сокращения. По признаку «сила тяги – длина мышцы выделяют следующие режимы мышечного сокращения. Изометрический – сила тяги равна внешнему сопротивлению и длина мышцы не изменяется. Концентрический (миометрический, преодолевающий) – сила тяги больше внешнего сопротивления, мышцы укорачивается. Эксцентрический (плиометрический, уступающий) – сила тяги меньше внешних сил, мышца удлиняется.
В лабораторных условиях (при использовании специальных устройств) можно создать режим, когда мышца сокращается при неизменной силе тяги – изотонический режим.
Изолированные режимы сокращения мышц встречаются очень редко. Как правило, при выполнении бытовых и спортивных движений мышцы сокращаются в комбинированных режимах. То есть имеет место анизотонический режим, при котором мышца сначала принудительно удлиняется, затем укорачивается.
Если принять за основу модель мышцы, то следует считать, что тяга на концах мышцы возникает тогда, когда параллельные и последовательные упругие компоненты уже не в состоянии растягиваться. В пользу этого предположения говорит тот факт, что в спринтерском беге удлинение и укорочение трехглавой мышцы голени осуществляется за счет сухожилий, так как брюшко мышцы работает в изометрическом режиме (И.М. Козлов, 1983; В.С. Топчиян, 1980).
Влияние внешнего сопротивления на механические показатели мышечного сокращения. Механические характеристики мышечного сокращения зависят от величины внешнего сопротивления. При его увеличении (стимуляции) отмечается следующее. 1. Латентный период возбуждения мышцы увеличивается. Это связано с увеличением времени, необходимого для достаточного растяжения последовательно упругих компонентов, чтобы сила тяги мышцы превысила внешнее сопротивление. 2. Величина укорочения мышцы уменьшается. 3. Скорость укорочения мышцы падает.
При одной и той же степени стимуляции мышцы ее сила тяги зависит от длины мышцы в данный момент; скорости изменения длины; времени от начала стимуляции.
При сокращении мышца расходует энергию, которая превращается в работу и тепло. В изометрическом режиме, когда механическая работа равна нулю, вся энергия превращается в тепло. Отношение выполненной работы ко всем затратам энергии (к.п.д.) максимально при скорости сокращения мышцы примерно равной 20% от максимума. КПД пропорционален скорости сокращения мышцы. Кроме того, возвращаясь к изометрическому сокращению мышцы следует отметить, что в чистом виде оно не существует. Несмотря на неизменную общую длину мышцы, брюшко ее укорачивается при удлинении последовательных упругих компонент.
Механические, анатомические и физиологические условия тяги мышц. Основным механическим условием, определяющим тягу мышц, является нагрузка. Она растягивает мышцу при уступающей работе, против нее мышца выполняет работу преодолевающую. С ростом нагрузки сила тяги мышцы растет, но не беспредельно. Нагрузка может быть представлена весом отягощения, силой инерции, упругости, трения. Поэтому более корректно говорить о внешнем сопротивлении.
Движение звеньев в кинематической цепи как результат тяги мышц зависит также от закрепления звеньев; соотношения движущих сил и сил сопротивления; начальных условий движения.
Из анатомических условий проявления силы тяги мышц наиболее важными являются: строение мышцы и ее расположение в данный момент времени. Физиологический поперечник (площадь сечения через все волокна) определяет суммарную тягу и величину упругой деформации волокон. расположение мышцы в каждый момент движения определяет угол ее тяги относительно костного рычага и величину растягивания, что влияет на величину момента силы тяги мышцы. При углах, отличающихся от прямого, кроме вращающей, есть и укрепляющая составляющая силы тяги. Величины вращающей и укрепляющей составляющих находятся в обратной зависимости.
Физиологические условия можно свести к возбуждению и утомлению мышцы. Кроме того, величина тяги мышцы существенно зависит от быстроты ее продольной деформации. При преодолевающей работе с ростом скорости укорочения мышцы ее сила тяги падает. При уступающей работе – наоборот. Кроме того, известно, что на ударное ускорение продолжительностью от 0,001 до 0,008 с тело человека реагирует как жесткое тело; на ускорения длительностью от 0,06 до 0,10 с – как эластическое. Это связано с длительностью латентного периода самых быстрых рефлексов, связанных с ориентацией тела человека в пространстве.
Разновидности работы мышц определяются сочетанием их силы тяги и длины. Виды работы мышц (преодолевающая, уступающая, статическая) определяются только характером изменения длины всей мышцы: укорочением, удлинением, сохранением. Для каждого из этих трех случаев существует возможность как минимум трех вариантов изменения силы тяги: увеличение, уменьшение, сохранение. Отсюда выделяют 9 типичных разновидностей работы мышц.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Реферат на тему:
Методы исследования в биомеханике
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В БИОМЕХАНИКЕ. 4
1.1. Понятие метода исследования. 4
1.2. Этапы измерений. 4
1.3. Состав измерительной системы. 5
ГЛАВА 2. ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. 7
2.1. Киносъемка. 7
2.2. Видеосъемка. 7
2.3. Оптоэлектронная циклография. 8
2.4. Динамометрия. 8
2.5. Акселерометрия. 10
2.6. Электромиография. 11
ГЛАВА 3.МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В БИОМЕХАНИКЕ ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНОГО АППАРАТА. 14
СПИСОК использованных источников. 17
Биомеханика является сложной дисциплиной, она объединяет знания из разных областей науки. Поэтому методы биомеханики можно рассматривать с разных позиций: медицинской и механической. Исходя из медицинской точки зрения, методы биомеханики - это, в первую очередь, методы диагностики, которые включают в себя клинические тесты, нахождение механических свойств изучаемого объекта, визуализацию внутренних органов, инвазивные процедуры. Клинические тесты применяются медицинскими сотрудниками при первичном осмотре. К методам визуализации относятся магнитно-резонансная томография, рентгенография, видеорентгенография и т.д. Инвазивный метод диагностики - это процедура, при которой происходит проникновение через кожный покров с целью поставить диагноз. Наиболее часто этот метод применяют для электрофизиологического исследования сердца, двигательной функции позвоночника и генетической проверки эмбриона.
А с позиции механики - это моделирование и численные методы. Моделирование - это процесс создания модели для конкретной задачи. Он включает в себя выявление качественных особенностей изучаемого объекта, а также количественные характеристики, полученные из экспериментов.
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В БИОМЕХАНИКЕ
1.1. Понятие метода исследованиЯ
Метод (греч. methodos – путь к чему-либо) – в самом общем значении – способ достижения цели, определенным образом упорядоченная деятельность.
Метод исследования выбирают исходя из условий проведения и задач исследования. К методу исследования и обеспечивающей его аппаратуре предъявляют следующие требования:
Метод и аппаратура должны обеспечивать получение достоверного результата, то есть степень точности измерений должна соответствовать цели исследования;
Метод и аппаратура не должны влиять на исследуемый процесс, то есть искажать результаты и мешать испытуемому;
Метод и аппаратура должны обеспечивать оперативность получения результата.
Пример. Тренер и спортсмен поставили цель улучшить результат в беге на 100 м на 0,1 с. Спринтер пробегает дистанцию 100 м за 50 шагов, следовательно, время каждого шага должно в среднем быть уменьшено на 0,002 с. Очевидно, для получения достоверного результата, погрешность измерения длительности шага не должна превышать 0.0001 с.
1.2. Этапы измерений
В исследовании какого-либо явления существуют три этапа:
Измерение механических характеристик.
Измерение механических характеристик осуществляется на основе описываемых в этой лекции методов.
Обработка результатов исследования.
В настоящее время для обработки результатов используют специальные компьютерные программы. Так. Например, компьютерная программа Video Motion, предназначенная для атлетизма, позволяет на основе данных видеосъемки рассчитать траекторию, скорость и ускорение движения любой точки тела спортсмена, в том числе и грифа штанги.
Биомеханический анализ и синтез.
На заключительном этапе измерений на основе полученных механических характеристик оценивается техника двигательных действий спортсмена и даются рекомендации по ее совершенствованию.
1.3. Состав измерительной системы
Измерительная система включает в себя:
Устройство для вывода данных.
Датчик – элемент измерительной системы, который непосредственно измеряет (воспринимает) определенную биомеханическую характеристику движения спортсмена. Датчики могут крепиться на спортсмене, спортивном инвентаре и оборудовании, а также опорных поверхностях.
Линия связи служит для передачи информации от датчика к регистрирующему устройству. Линия связи может быть проводной и телеметрической. Проводная связь представляет собой передачу информации через многожильный кабель. Ее достоинством является простота и надежность, недостатком – помехи движениям спортсмена. Телеметрическая связь – передача данных через радиоканал. В этом случае на спортсмене чаще всего расположена передающая антенна, а у регистрирующего устройства есть приемная антенна, посредством которой сигнал воспринимается.
Регистрирующее устройство – прибор, в котором происходит процесс регистрации биомеханических характеристик движений спортсмена.
Долгое время существовала аналоговая форма записи сигнала. Например, аналоговая запись сигнала в видеокамерах на магнитную ленту. В настоящее время широко распространена цифровая форма записи сигнала (в виде последовательности цифр на определенный цифровой носитель, например, DVD-диск).
АЦП – аналого-цифровой преобразователь – устройство, преобразующее аналоговый сигнал в цифровую форму.
ПК – персональный компьютер, в котором происходит обработка поступающего сигнала посредством определенной компьютерной программы. После этого информация о биомеханических характеристиках спортсмена выводится на принтер или монитор.
В настоящее время в области атлетизма (тяжелая атлетика, пауэрлифтинг, бодибилдинг) нашли широкое применение следующие методики исследования:
Оптические методы (кино- и видеосъемка с последующим анализом, оптоэлектронная циклография);
Именно об этих методах мы поговорим подробнее.
ГЛАВА 2. ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Киносъемка – оптический метод исследования. Этот метод относится к бесконтактным средствам измерения. Это особенно важно, поскольку система не мешает спортсмену при выполнении двигательных действий. Основным техническим средством является кинокамера. Для проведения биомеханических исследований чаще всего применяется кинокамеры с высокой частотой съемки (от 100 кадров в секунду и выше). Недостаток киносъемки является необходимость специальной обработки кинопленки. Поэтому в настоящее время в биомеханических исследованиях чаще всего применяются два других оптических метода: видеосъемка и оптоэлектронная циклография.
Видеосъемка – оптический метод исследования, позволяющий фиксировать двигательное действие на видеопленке или электронной матрице видеокамеры. В настоящее время для биомеханических исследований применяют высокоскоростные видеокамеры, позволяющие выполнять съемку до 1000 кадров в секунду и выше.
Примером такой камеры может служить цифровая фотокамера CASIO EXILIM PRO EX-F1 (рис.4.1), позволяющая выполнять скоростную съемку с частотой до 1200 кадр/с. Разрешение матрицы фотокамеры составляет 6,6 Мегапикселов[1]. Для регистрации выполнения спортсменом силовых упражнений данной камерой может использоваться видеосъемка, которую нужно производить с разрешением 1920×1080 пикселей с частотой кадров 60 кадр/с.
2.3. Оптоэлектронная циклография
Оптоэлектронная циклография – оптический метод исследования, состоящий в том, что на суставах спортсмена крепятся активные маркеры – миниатюрные излучатели, работающие в инфракрасном диапазоне спектра электромагнитных волн. Инфракрасный сигнал от датчиков поступает в телевизионную камеру, матрица которой преобразует поступающие сигналы в цифровой вид и передает в компьютер. Посредством оптоэлектронной циклографии в настоящее время двигательные действия спортсменов изучаются не в плоскости, а в трехмерном пространстве. С этой целью вокруг спортсмена устанавливают несколько регистрирующих камер.
Динамометрия – метод, применяемый для оценки силовых способностей спортсмена. Информативным показателем силовых способностей является сила, развиваемая определенной мышечной группой. Для измерения силы мышц используются динамометры, которые делятся на механические и электронные.
Важнейшей деталью механических динамометров является пружина, которая должна работать в области линейной деформации. Это означает, что измеряемая сила прямо пропорциональна удлинению пружины. При измерениях в спорте очень часто применяются кистевые и становые (рис. 4.2) динамометры. Так, например, для измерения силы тяги в пауэрлифтинге используется становой динамометр. Диапазон измерений составляет от 100 Н до1800 Н с погрешностью +/-2 % по всей шкале. Вес 1.8 кг, размер 25,4х6,35 см. Ручка из прочного алюминия с удобным местом для захвата.
Недостатком механических динамометров является оценка одного, чаще всего максимального значения силы. В связи с этим, если необходимо изучить изменение усилия, развиваемого мышечной группой или спортсменом, применяются электронные динамометры. В этом случае датчиком является не пружина, а тензодатчик, а сама методика называется тензодинамометрия.
Метод тензодинамометрии позволяет зарегистрировать усилия, развиваемые спортсменом при выполнении различных физических упражнений.
В процессе выполнения спортивных движений спортсмен оказывает механическое воздействие на самые разнообразные предметы: спортивный снаряд, пол, дорожку, которые в результате этого деформируются. Для того, чтобы измерить значения развиваемых спортсменом усилий, используют специальные тензодатчики, преобразующие механическую деформацию в электрический сигнал. В основе работы тензодатчиков лежит тензоэффект. Суть тензоэффекта – изменение сопротивления проводника при его удлинении.
Тензодатчик представляет собой заклеенную между двумя полосками бумаги проволоку диаметром 0.02-0,05 мм. Он наклеивается на упругий элемент, воспринимающий усилие, задаваемое спортсменом.
В 1938 году были разработаны первые тензодатчики, которые работали на основе тензоэффекта. В 1947 году тензометрия впервые стала применяться в физических исследованиях
В спорте впервые в 1954 году М.П. Михайлюк закрепил тензодатчик на грифе штанги, П.И. Никифоров (1957) разработал тензоплатформу для записи усилий при отталкивании в прыжках в высоту. В 1963 году В.К. Бальсевич использовал тензодинамометрические стельки для анализа бега спринтеров различной квалификации. Им было установлено несколько типов отталкивания.
Методика тензодинамометрии активно применяется в тяжелой атлетике. Одна из ключевых задач тренера заключается в предоставлении информации об ошибках, то есть обратная связь от тренера к спортсмену. Обратная связь является важным элементом обучения. Спортсмен должен получать на регулярной основе информацию, которая позволяет сравнить собственную деятельность с идеалом или моделью. В результате такого сравнения, спортсмен получит знания о своей деятельности и имеет возможность работать на исправление своих ошибок.
Такая методика разработана А.Н. Фураевым (1988) и модернизирована И.П. Кожекиным (1998). Автоматизированный стенд включает в себя тензодинамометрическую платформу, АЦП (аналого-цифровой преобразователь) и компьютер. В экспертной системе компьютера заложены образцы, характеризующие правильное и неправильное выполнение двигательного действия (рывка, прыжка вверх и прыжка в глубину. Сопоставляя полученные результаты, экспертная система, построенная на анализе тензодинамограммы, позволяет спортсмену в реальном масштабе времени получить информацию об ошибках в технике двигательного действия и ввести корректировки чтобы их устранить.
Акселерометрия – биомеханический метод регистрации ускорений движения тела спортсмена, или его отдельных частей, а также ускорений спортивных снарядов. Например, в тяжелой атлетике информативным показателем техники движений спортсмена является ускорение центра масс штанги.
В качестве датчиков используются специальные акселерометры. Принцип действия датчика-акселерометра следующий. К исследуемому объекту прикрепляется масса при помощи связи, обладающей определенной жесткостью. Затем на основе известной массы и жесткости связи определяется ускорение. Основными характеристиками акселерометров являются диапазон и предельная частота изменения измеряемых ускорений.
Если используется трехкомпонентный акселерометр, можно зарегистрировать три составляющих ускорения. Выполняя дифференцирование полученного сигнала, можно рассчитать скорость и перемещение спортивного снаряда, например, грифа штанги.
Электромиография – способ регистрации и анализа биоэлектрической активности мышц.
Суть явления заключается в регистрации электрических потенциалов мышц, которые появляются при возбуждении мышцы. Таким образом, электромиография, является надежным методом регистрации активности мышц.
Чаще всего регистрируются следующие параметры ЭМГ (электромиограммы); длительность электрической активности мышц, частота биопотенциалов, амплитуда биопотенциалов и суммарная электрическая активность мышц.
Длительность электрической активности мышц характеризует время, в течение которого мышца была возбуждена.
Частота и амплитуда биопотенциалов мышцы характеризует степень возбуждения мышцы и характер активности различных ДЕ. Суммарная электрическая активность дает представление об общем уровне напряжения и силы развиваемой мышцей. Чем больше суммарная электрическая активность, тем больше степень напряжения, развиваемая мышцей.
Датчиками, используемыми для регистрации электрической активности, служат серебряные электроды, выполненные в виде небольших кружков (чашечек). Их диаметр составляет не более 10 мм. Внутри этих чашечек для лучшей электропроводности помещается специальная электропроводящая паста. В настоящее время регистрирующим прибором является персональный компьютер.
Одной из первых работ, в которой электромиографическая методика применялась в исследовании двигательных действий штангиста, следует признать диссертационную работу А.С. Степанова (1957). В этом исследовании А.С. Степанов (1957) подверг детальному электромиографическому анализу основные соревновательные упражнения штангистов: толчок, рывок и жим.
В исследовании С.С. Лапенкова (1985) был проведен биомеханический анализ тяжелоатлетических и вспомогательных упражнений с использованием методики электромиографии. При сравнительном анализе движений использовались следующие характеристики ЭМГ: время электрической активности, которое характеризует длительность приложения усилий, развиваемых мышцами, средняя амплитуда ЭМГ, которая взаимосвязана с уровнем развития мышечных усилий. Использование ЭМГ методики и структурного метода распознавания образов позволило оценить эффективность вспомогательных упражнений.
За рубежом серьезные исследования силовых упражнений с применением электромиографической методики были предприняты R.F. Escamilla et al. (2001). Подробному электромиографическому и биомеханическому анализу были подвергнуты присед со штангой на плечах и жим ногами лежа.
Было установлено, что при выполнении приседания активность четырехглавой мышцы бедра и мышц задней поверхности бедра выше, чем при выполнении жима ногами. При этом присед, выполняемый с узкой расстановкой стоп, вызывает большую электрическую активность икроножной мышцы по сравнению с широкой расстановкой стоп.
Был проведен также анализ работы мышц при выполнении силовых упражнений: приседа со штангой на плечах (Н.Б. Кичайкина, А.В. Самсонова, Г.А. Самсонов, 2011). Установлено, что в нижней точке (НТ) электрическая активность большой ягодичной мышцы и мышц-разгибателей бедра (двуглавой бедра и полусухожильной) минимальна.
Положительной особенностью электромиографии являлось то, что она позволяла в разных движениях оценить степень активности скелетных мышц. С этой целью чаще всего применяется изучение суммарной электрической активности мышцы. Кроме того, появилась возможность оценить последовательность активности мышц при выполнении двигательного действия.
ГЛАВА 3.МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В БИОМЕХАНИКЕ ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
В настоящее время биомеханика опорно-двигательного аппарата обладает значительным арсеналом методов исследования локомоторной функции, как в статике, так и в динамике, причем изучается не только внешняя картина движения, но и механизмы управления, жизнеобеспечение организма, что дает возможность выявить целый комплекс параметров, характеризующих опорно-двигательный образ. В это понятие включаются не только внешние (механические) проявления движения и реакций окружающей среды, но и условия организации управления движениями, согласованная деятельность всех органов и систем организма. Получаемая в результате биомеханических исследований информация служит основой для определения нормы, позволяет количественно определить степень нарушения локомоторной функции при различных патологических состояниях. Биомеханические исследования достаточно широко используются не только в клинической медицине (функциональная диагностика, ортопедия, травматология, протезирование), но и в спорте, и при разработке различных антропоморфных механизмов (роботы, манипуляторы), и при решении других прикладных задач. Методическая база биомеханических исследований постоянно совершенствуется, используя новейшие достижения науки.
Методы исследования, получившие наибольшее распространение в настоящее время, в клинической биомеханике могут быть классифицированы следующим образом:
I. Соматометричские: антропометрия, фотограмметрия, рентгенография.
II. Кинезиологические: оптические, потенциометрия, электроподография, тензометрия, ихнография.
III. Клинико-физиологические: калориметрия, электромиография, электроэнцефалография и другие методы функциональной диагностики.
Движение лежит в основе жизнедеятельности человека. Разнообразные химические и физические процессы в клетках тела, работа сердца и течение крови, дыхание, пищеварение и выделение; перемещение тела в пространстве и частей тела относительно друг друга; сложнейшая нервная деятельность, являющаяся физиологическим механизмом психики, восприятие и анализ внешнего и внутреннего мира - все это различные формы движения материи.
Основным условием жизни вообще является взаимодействие живого организма с окружающей средой. В этом взаимодействии существенную роль играет двигательная деятельность. Только передвигаясь, животное может находить себе пищу, защищать свою жизнь, производить потомство и обеспечивать его существование. Только при помощи разнообразных и сложных движений человек совершает трудовую деятельность, общается с другими людьми, говорит, пишет и пр. Определенным образом организованная двигательная деятельность является основой физического воспитания и основным содержанием спорта.
Наиболее элементарной формой движения материи является механическое движение, т.е. перемещение тела в пространстве. Закономерности механического движения изучаются механикой. Предметом механики как науки является изучение изменений пространственного расположения тел и тех причин, или сил, которые вызывают эти изменения.
Вскрывая и описывая условия, необходимые для осуществления того или иного механического движения, механика является важной теоретической основой техники, в особенности техники построения разнообразных механизмов. Механическая точка зрения может быть использована и при изучении механических движений человека.
Двигательная деятельность человека практически осуществляется при участии всех органов тела. Однако непосредственным исполнителем функции движения является двигательный аппарат, состоящий из костей, скелета, связок и мышц с их иннервацией и кровеносными сосудами. С механической точки зрения, двигательный аппарат совмещает в себе рабочую машину и машину-двигатель.
Устройство двигательного аппарата является предметом изучения анатомии. Изучение двигательного аппарата как машины-двигателя производится, главным образом, биохимией и физиологией. Изучение его как рабочей машины является задачей особой научной дисциплины - биомеханики.
1.Определение, предмет, задачи и основная теория биомеханики.
Биомеханика(bios – жизнь и mechanike – наука о машинах) – наука о законах механического движения в живых системах, к которым относятся целостные организмы, их отдельные части (органы и ткани), а также объединения организмов (например, в спорте взаимодействующие акробаты, борцы, гребцы).
В биомеханике сочетается применение принципов и методов теоретической механики к изучению строения и функций биологических систем. Как и все тела, живые системы подчинены всем законам, действующим на земле (Всемирного тяготения, законы Ньютона, волновые процессы). Перемещение тела и его отдельных звеньев в пространстве обеспечивается работой мышц, что уже является биологическим по природе.
Область исследований, связанная с приложением механических и биомеханических закономерностей применительно к спорту, стала называться биомеханика спорта.
Биомеханика спорта - изучает движения человека в процессе выполнения физических упражнений.
Биомеханика спорта подразделяется на:
- общую (изучает общие закономерности двигательной деятельности в процессе выполнения физических упражнений);
- частную, которая рассматривает конкретные вопросы выполнения технических действий в отдельных видах спорта;
- дифференциальную (в зависимости от возраста, пола, квалификации, состояния здоровья, уровня физической подготовленности).
Общая задача биомеханики изучить и оценить эффективность приложения сил для достижения поставленной цели. В спорте необходимо изучить, определить эффективность и найти эффективные способы выполнения физических упражнений.
Частные задачи биомеханики спорта состоят в изучении следующих вопросов:
1. Строение, свойства и двигательные функции тела спортсмена. Изучают с точки зрения механики строение и свойства опорно-двигательного аппарата.
2. Изучение, поиск, моделирование рациональных вариантов техники движений.
3. Прогнозирование тенденций изменения параметров техники выполнения спортивных упражнений с ростом мастерства и спортивной результативности, оценки этапных и конечных показателей на различных этапах подготовки.
4. Выявление биомеханических закономерностей выполнения спортивных движений.
5. Биомеханический контроль техники с целью исправления ошибок и повышения спортивно-технического мастерства.
6. Разработка и выбор наиболее эффективных специальных упражнений.
7. Разработка биомеханически целесообразных тренажеров и технических устройств.
8. Изучение и контроль физической и технической подготовленности спортсменов, соревновательной деятельности.
9. Совершенствование спортивного инвентаря, спортивных снарядов и оборудования.
10. Изучение причин и профилактика травм и заболеваний.
Знания по спортивной биомеханики важны не только людям, непосредственно выполняющих спортивные движения, но и тренерам, спортивным врачам, конструкторам спортивного инвентаря.
В ряде задач стоит вопрос об изучении и анализе двигательных действий. В основе, и как основная теория биомеханики, заложен системно-структурный подход, разработанный Д.Д.Донским. Заключается в том, что целостное действие состоит из отдельных движений (это структура), которые взаимодействуют между собой при целостном выполнении этого движения (образуют систему). В основе системно-структурного подхода лежат принципы структурности построения системы движений; целостности – все движения представляют собой единое целое, цельную систему движений, направленное на достижение цели; и принцип целенаправленности – сознательное достижение цели через выполнение двигательных действий.
2. Примеры биомеханики
Давайте рассмотрим простой пример первого случая. Предположим, что в качестве тренера вы наблюдаете, что ваша гимнастка испытывает трудности с выполнением двойного сальто в упражнении на полу. Вы могли бы предложить три гимнастки, чтобы помочь ей успешно завершить трюк: (1) прыгать выше, (2) сделать более плотный обхват и (3) более энергично размахивать руками перед взлетом. Эти предложения могут привести к повышению производительности и основаны на биомеханических принципах. Прыжок выше даст гимнастке больше времени пребывания в воздухе, чтобы завершить сальто. Более плотный обхват приведет к тому, что гимнастка будет вращаться быстрее из-за сохранения углового момента. Еще более энергично размахивая руками перед взлетом, он будет генерировать больше углового момента, что также приведет к тому, что гимнастка будет вращаться быстрее. В общем, это наиболее распространенный тип ситуации, когда биомеханика влияет на результат. Тренеры и учителя используют биомеханику, чтобы определить, какие действия могут улучшить результат.
Вторая общая ситуация, в которой биомеханика способствует повышению эффективности благодаря усовершенствованной технике, возникает, когда исследователи биомеханики разрабатывают новые и более эффективные методы. Несмотря на общее убеждение, что новые и революционные методы регулярно разрабатываются, такие разработки встречаются довольно редко. Возможно, причина в том, что биомеханика как дисциплина — относительно новая наука. Гораздо более общий результат исследований биомеханики — открытие небольших усовершенствований в технике.
Одним из примеров исследований биомеханики, которые значительно повлияли на технику в спорте, произошло в плавании в конце 60-х и начале 70-х годов. Исследование, проведенное Ronald Brown и James "Doc" Counsilman (1971), показало, что подъемные силы, действующие на руку, когда она проходит сквозь воду, имеют гораздо более важное значение для того, чтобы продвигать пловца, чем считалось ранее. Это исследование показало, что вместо того, чтобы тянуть руку по прямой линии назад через воду, пловец должен быстрыми действиями перемещать руку назад и чуть вперед, когда он оттягивается назад для создания тяговых сил подъема (см. фото ниже). Этот метод в настоящее время используется учителями и тренерами по плаванию по всему миру.
Биомеханика занимает особое положение среди наук в физическом воспитании и спорте. Она базируется на анатомии, физиологии и фундаментальных научных дисциплинах - физике (механике), математике, теории управления. Взаимодействие биомеханики с биохимией, психологией и эстетикой дало жизнь новым научным направлениям, которые, едва родившись, уже приносят большую практическую пользу. В их числе "психобиомеханика", энергостатические и эстетические аспекты биомеханики. Более других - медико - биологических и педагогических дисциплин биомеханика использует достижения электронно-вычислительной техники. Но главное, биомеханика служит связующим звеном между теорией и практикой физического воспитания, спорта и массовой физической культурой. Опираясь на знания биомеханики, педагогу лучше учить своих воспитанников различным движениям и анализировать их двигательную деятельность. В связи с тем, что в биомеханике тесто связаны другие науки, сложились различные направления развития биомеханики, т.е. комплексы изучения движений, определенных законов движения, причин и оценки движения как всей живой системы, так и отдельных ее частей.
Список использованной литературы:
1. Ашмарин Б.А., Виноградов Ю.А., Вяткина З.Н., и др. Теория и методика физического воспитания: учеб. Для студентов фак. культ. пед. Ин-тов по спец.03.03. – М.: просвещение, 1990. – 287с.
2. Н.А. Бернштейн Биомеханика и физиология движений. М.: МОДЭК, МПСИ. – 2004 г. . – 688 стр.
3. Основные направления научных исследований в области биомеханики спорта за рубежом (1980-1986): Обзор. информ. / ВНИИ физ. культуры; Подгот. М.П. Дементьевой 33 с.20 см М. Отд. исслед. и разраб. НТИ "Спорт" 1986 1987
Читайте также: