Курсовая работа: Біомеханіка при контролі фізичного навантаження

Звичайно ж, і процес визначення ГЦ, і процес її декомпозиції вирішується не тільки математичним шляхом. Математичні методи застосовуються до одержаного в результаті виміру рухів масиву даних таким чином, щоб не перекрутити біомеханічну думку розглядуваної вправи. При цьому враховується також не тільки суто фізичні параметри рухів, але й вагомість конкретної вправи як педагогічного засобу.

Як показує дослід моделювання фізичних вправ, більшість із них можна віднести до моноцільових багаторівневих біомеханічних структур. Відтак майже всі вправи мають у своїй біомеханічній структурі одну-єдину ціль (вирішують також одну основну рухову задачу). Явно, що в першу чергу якраз тому їх можна вважати педагогічними засобами переважно моноцільової взаємодії. Звичайно, таке уявлення надто умовне. Не можна ігнорувати всі інші (менш значні) цілі, які реалізується в процесі виконання кожної вправи. І все ж таки результативна ефективність взаємодії кожної вправи, в основному, визначається характером того впливу на організм людини, яке обумовлене реалізуючим при цьому ключовим його елементом, який входить до складу імморальної цілі. Це дозволяє розглядати кожну вправу як засіб цільової вибіркової взаємодії на організм. Таке положення виключає можливість утворення так званих загальнорозвиваючих вправ (фізичних), оскільки взаємодія кожної конкретної вправи не може бути загальною, воно завжди є конкретним, цілеспрямованим. Те, що педагогу-тренеру, на жаль, не завжди відома моноціль вправи, зовсім не означає, що у нього її нема. Більше того, якщо така, ціль не визначена раніше, ефект та осування вправи може бути найнеочікуванішим.

В залежності від характеру його моноцілі кожна фізична вправа класифікується як елементарна, проста комплексна та складна.

Елементарна вправа передбачає рухову дію, призначення якої вирішення рухової задачі, що може бути досягнута односуглобним рухом з реалізацією одного - трьох ступенів волі.

Прості вправи призначені для вирішення рухової задачі, яка забезпечується рухами двох чи більше суглобів одного біокінематичного ланцюга (наприклад, верхньої чи нижньої кінцівки).

При виконанні комплексних вправ вирішення рухової задачі забезпечується шляхом реалізації рухів одночасно в декількох біокінематичних ланцюгах рухового апарату.

Нарешті, в складних фізичних вправах моноціль досягається шляхом активного переміщення центру маси всього тіла людини у просторі відносно яких-небудь зовнішніх систем відліку.

Зазначені типи фізичних вправ можуть бути представлені в кожному класі (відповідно, серед оздоровчих, тренувальних, змагальних та показових вправ) та в усіх видах вправ. В залежності від моноцілі та рухових задач, вирішуваних засобами фізичного виховання, в кожному окремому випадку підбирається режим виконання вправ, який також може відрізнятися біомеханічними параметрами, рухами, що до нього входять, і мати оздоровчу, тренувальну, змагальну та показову направленість.

Сукупність фізичних вправ, що дозволяють вирішувати важливі рухові задачі в кожному конкретному виді спорту, спеціалісти об'єднують в специфічне поняття, характерне для сучасного розвитку фізичного виховання, - спортивну техніку.

Техніка фізичних вправ - складне, збірне найменування різноманітних за своєю біомеханічною структурою, рухових дій, цілі яких орієнтовані на досягнення високих спортивних результатів.

1.2.4 Використання біомеханічних основ в навчанні фізичним вправам

Фізичні вправи є основним предметом пізнання та освоєння в навчально-тренувальному процесі.

Навчання фізичним вправам як педагогічний процес характеризується змістовною та процесуальною сторонами діяльності.

До змісту діяльності входять: цілі, функції, орієнтація, дидактичні принципи, методи, характеристики моторики майбутніх спортсменів. Процесуальна сторона включає: організаційне керівництво, види роботи (діяльності), засоби, форми діяльності, ефективність процесу.

Цілі поділяються на загальні та приватні. Вони можуть мати різні функції в педагогічному процесі: теоретичну, практичну, власне виховну, оздоровчу, розвиваючу тощо. Оскільки кожна фізична вправа багатомірна, тому і цілі, які досягаються при її виконанні, можуть носити багатомірний характер.

Напрямки занять з навчання фізичним вправам можуть бути найрізноманітнішими, наприклад: на досягнення визначного рівня фізичного розвитку; на досягнення визначного спортивного результату; на формування трудових, виробничих навиків; на підготовку до обраного виду трудової чи якої-небудь іншої діяльності, зокрема, на освоєння техніки водіння автомобіля, керування космічним апаратом тощо.

Безперечно, що кожне заняття, кожне тренування має і відповідні виховні напрямки. Вони також можуть мати різну орієнтацію - наприклад, на виховання характеру учнів, підвищення їх психологічної стійкості до тих чи інших факторів середовища. Принципами навчання при цьому прийнято вважати вихідні керівні положення, які визначають хід викладання та навчання у відповідності з цілями виховання і закономірностями процесу навчання рухам. До таких педагогічних принципів, зокрема, можна віднести: виховний характер навчання; науковість, систематичність, доступність навчання: почуттєве пізнання в навчанні (наочність та використання наочності); свідомість та активність у навчанні; міцність знань, формуючих навички та уміння, а також індивідуалізація навчання тощо.

Метод навчання в широкому понятті розуміється як спосіб реалізації педагогічних принципів. Це спосіб діяльності педагога-тренера та адекватна цьому способу рухова діяльність спортсменів, яка дозволяє володіти заданими навичками рухів.

Метод навчання - це визначена форма теоретичного та практично-ні оволодіння спортивними рухами, виходячи із фізичного та духовного виховання і розвитку особистості фізкультурника та спортсмена.

Структура методу являє собою сукупність взаємозв'язаних сторін пізнавальної навчальної діяльності: гносеологічних, соціальних, психологічних, біомеханічних та ін. Зміст методу повинен завжди зберіганні діалектичну єдність цих сторін. Причому такий метод тільки тоді є педагогічним, коли визначено місце, значення та можливості кожного із компонентів у реалізації розвиваючої, освітньої та виховної функції навчання.

Той чи інший метод навчання завжди повинен бути зв'язаний із містом навчального матеріалу. В фізичному вихованні, як специфічному розділі педагогіки, центральною ланкою змісту є рух. Тому знання законів руху людини - обов'язкова умова для розробки того чи іншого методу навчання. Кожний етап пізнання рухів, кожний новий рівень цього пізнання повинен завжди супроводжуватися утворенням нових методів навчання.

Організаційне керівництво процесом навчання фізичним вправам обов'язок педагога-тренера. Він є організатором усіх сторін навчання, яке включає, зокрема, такі елементи цього процесу, як види робіт, способи, форми роботи. В свою чергу види робіт включають оцінку вихідного рівня моторики учнів, їх індивідуальних особливостей, біомеханічний аналіз вивчаючих рухів, розробку рухових завдань, безпосереднє проведення навчальних занять, педагогічний контроль тощо.

До важливих засобів фізичного виховання слід віднести: 1) фізичні вправи; 2) природні сили природи; 3) технічні засоби навчання; 4) методико-біологічні засоби оздоровлення та деякі ін.

Основними формами роботи педагога-тренера та підлеглих є урок, заняття, тренування, самопідготовка, самостійні заняття. Форми організації процесу фізичного виховання можуть бути найрізноманітнішими. Найбільш активною формою є спортивне тренування.

Під спортивним тренуванням розуміється спеціально організований педагогічний процес фізичного виховання, який характеризується особливою орієнтацією (напрямком) на підготовку спортсменів для досягнення високих (рекордних) результатів в обраному виді спорту.

Для спортивного тренування властиві всі характерні загальні риси будь-якої іншої форми організації процесу фізичного виховання. Проте основна ціль спортивного тренування полягає, перш за все, в підготовці підлеглих до найвищих спортивних досягнень. Це ніяк не суперечить реалізації всіх інших цілей, зокрема таких, як закріплення здоров'я, підготовка до трудової діяльності тощо. І все ж багато спеціалістів звичайно особливо виділяють спортивне тренування серед усіх інших форм організації процесу фізичного виховання. Таке умовне виділення, як видно, цілком допустиме - надзвичайні труднощі процесу спортивного тренування, яке потребує від спеціалістів-тренерів та й від самих спортсменів творчої самовіддачі, найбільшої концентрації духовних та фізичних сил особистості.

Ефективність процесу навчання фізичним вправам - одне із важливих методологічних понять, об'єктивно характеризуючих цей процес. Разом з тим, це складне комплексне поняття.

Часто ефективність навчання визначається за кінцевим результатом спортсмена. Це неправильно. Кінцевий результат є інтегральним показником усіх складових тренувального процесу, не тільки безпосередньо самого тренування, але й конкретних змагань, які в свою чергу представляють собою складні явища з багатьма невідомими. Тому для педагога та самого підлеглого важливо одержати конкретні показники ефективності використання тих чи інших конкретних педагогічних засобів. Допомогти педагогу в цьому випадку може тільки відповідний педагогічний контроль.

Для правильної побудови та ефективної організації навчання в цілому важливе значення має пізнання закономірностей, які розкривають внутрішні сторони та зв'язки всіх факторів, визначаючих його розвиток як педагогічного процесу. Мабуть, це найскладніша проблема вивчення фізичного виховання.

Багато важливих закономірностей вже відомі спеціалістам, інші знаходяться в стадії дослідження. Проте уже сьогодні можна перерахувати деякі з них:

·          усвідомлення широкими народними масами необхідності досягнення рівня фізичного розвитку;

·          всебічне зростання ролі спеціально організованого педагогічного процесу - фізичного виховання на кожному етапі розвитку фізичної культури людства;

·          підсилення зв'язку педагогічної діяльності тренера з вирішенням основних практичних завдань виховання гармонічно розвинених членів суспільства;

·          необхідність більш повного дослідження логіки процесу фізичного виховання з логікою соціального та біологічного розвитку людини як об'єкта педагогічного управління.

1.3 Мета та значення біометрії в плануванні фізичних навантажень

Біометрія як самостійний науковий напрям, що вивчає планування та обробку результатів комплексних експериментів та спостережень за біологічними об'єктами, склався на кінець XIX ст. під впливом праць двоюрідного брата Чарльза Дарвіна англійського ученого Френсіса Ч. Гальтона, який досяг видатних результатів у галузі кореляційного та регресійного аналізу. Згодом теорію кореляції розвинув Карл Пірсон, а основи методології сучасної біометрії було розроблено у дослідженнях англійського фахівця Р. А. Фішера, котрий показав, що планування експериментів і спостережень за живими системами та обробка їх результатів — це єдиний процес. Він також заклав основи планування експериментів, розробив методи дисперсійного аналізу.

Нині біометрія — це наука про закони (засоби) фізичного вимірювання живих об'єктів (людини) та про способи обробки результатів цього вимірювання. До основних завдань біометрії при вивченні рухів як частини загальної біометрії можна віднести: 1) створення передумов для дослідження та розробки законів, керуючись котрими можна вимірювати рухи та інші параметри організму людини; 2) створення методів вимірювання; 3) отримання об'єктивної інформації для її застосування у практиці біомеханічного аналізу. Виходячи з цього можна розглядати три основні частини біометрії: теорію вимірювань, методи вимірювань, методи обробки результатів вимірювань.

Перша частина, незважаючи на теоретичність, має прикладну спрямованість на забезпечення потреб практики вивчення рухів. Вона включає основи метрології, загальні основи теорії похибок, теорії систем, інформації, автоматичного регулювання, а також теоретичні основи методу моделювання.

Друга частина розкриває особливості сучасної техніки вимірювань та тестування людини, а також характер та можливості доцільного її використання у дослідженні параметрів організму при розв'язанні людиною певних рухових завдань. Тут вивчаються вимірювальні пристрої (тренажери), датчики інформації, пристрої, що підсилюють, перетворюють та передають інформацію, а також прилади для її реєстрації та обробки.

Третя частина — методи обробки результатів вимірювань на базі математичної статистики, хоча і є невід'ємною частиною загальної біометрії, можуть розглядатися у рамках самостійної наукової дисципліни.

У біометрії широко застосовуються прийоми та методи метрології. Метрологія — це вчення про вимірювання. її завданнями є встановлення одиниць вимірювання та розробка методів високоточних вимірювань.

Виміряти фізичну величину — це означає порівняти її з однорідною величиною, умовно взятою за одиницю вимірювання. Два поняття — фізична величина та одиниця вимірювання — за змістом різні. Фізична величина — це виміряне (чи можливо виміряне) фізичне явище. Фізичне явище — це відображені у нашій свідомості явища природи, що нас оточують чи про котрі здогадуємося, але такі, що не можемо виміряти (наприклад, відомо, що кожна людина має своє біополе, але поки нема приладів, які точно виміряли б його кількісні параметри), а також температура на сонці, гравітаційні взаємодії між клітинами живих організмів та багато інших.

Одиниці вимірювання — це величини, довільно вибрані дослідниками для кількісного порівняння та оцінки об'єктивних явищ природи, котрі вивчаються.

Мета вимірювання у біомеханіці — отримання кількісної та якісної інформації про фізичні (механічні) властивості організму людини та про окремі його елементи, про її рухи та рухові дії.

Об'єкт вимірювань у біомеханіці — людина як біологічна система, її руховий апарат, внутрішні та зовнішні фізичні взаємодії організму людини за різних умов її життєдіяльності.

Основним завданням метрології у біомеханіці як частині загальної метрології є забезпечення єдності та точності вимірювання рухів. Вона складається з трьох взаємопов'язаних розділів: 1) теорія та методика вимірювань рухової діяльності людини; 2) методи обробки результатів вимірювань; 3) методи застосування отриманих кількісних даних на практиці.

Використання метрології у біомеханіці базується на

• загальній теорії вимірювань;

• утворенні одиниць фізичних величин та їх систем;

• методах та засобах вимірювання;

• методах визначення точності вимірювань (теорія похибки вимірювань);

• основах забезпечення єдності вимірювань та одноманітності засобів вимірювання;

• створенні еталонів та зразків засобів вимірювання;

• методах передачі розмірів одиниць вимірювання від еталонів до зразкових та до робочих засобів вимірювання.

У біомеханіці, окрім точності та єдності вимірювання фізичних величин, вимірюванню підлягають також біологічні, психологічні, педагогічні, соціальні показники, що характеризують рухову діяльність людини. Для цього розроблено спеціальні методи та засоби вимірювань, результати котрих можуть об'єктивно характеризувати ступінь підготовленості людини до розв'язання певних рухових завдань. У метрології біомеханічних досліджень вивчаються також дисципліни, що непрямо пов'язані із забезпеченням проведення вимірювань. До таких дисциплін належать основи математичної статистики, інструментальні методи, кваліметрія та ін.

Використовуючи обширний арсенал засобів та методів метрології у практиці вивчення рухів, фахівці здійснюють комплексний контроль, під час котрого реєструються різні показники рухової діяльності, а також стану організму людини, яка виконує певні рухи. Порівняння отримуваних результатів забезпечує можливість визначення причин та наслідків зв'язків між спеціальними керуючими впливами на організм людини та їх результатами. Дані такого зіставлення та аналізу є основою у розробці програм та планів підготовки людини до розв'язання рухових завдань у тій чи іншій сфері людської діяльності.

Таким чином, предметом метрології є комплексний контроль рухової діяльності людини при розв'язанні нею різних професіональних завдань та використання цих результатів у плануванні ефективних режимів її рухової діяльності.

Управління процесом професіональної рухової підготовки людини включає: збір інформації про її організм, про середовище, в якому вона живе, здійснює рухи; аналіз отриманої інформації; прийняття рішень про стратегію її рухової підготовки, складання програм та планів підготовки, їх реалізацію; контроль та внесення необхідних корекцій у документи планування та складання перспективних програм та планів. Мета управління системами рухів людини — це переведення їх у ході професіональної підготовки у такий стан, при котрому результат рухової діяльності поліпшується.

На певних етапах рухової підготовки, наприклад у спортсменів, можуть виникнути і більш локальні завдання — підвищення техніко-тактичної майстерності, рівня виявлення вольових та рухових якостей, переведення організму з одного функціонального стану в інший, що здійснюється за допомогою спеціальних тренувальних впливів. У професіональній руховій підготовці до них слід віднести застосування різних засобів, наприклад фізичних вправ, а також використання різних інших чинників та впливів (природних чинників зовнішнього середовища, спеціального харчування тощо). Ефективність управління процесом рухової підготовки визначається ще й тим, наскільки реальні зміни рухів спортсмена відповідають запланованим і дають змогу розв'язувати поставлені рухові завдання.

При вимірюванні характеристик рухів користуються відповідними одиницями вимірювань. При цьому виникає проблема вибору еталонів. Усі одиниці вимірювання поділяються на основні, додаткові та похідні.

Основні одиниці вимірювання — це такі, розмір яких встановлюється незалежно від інших одиниць. Похідні — це одиниці, що визначаються рівнями зв'язку, котрі виражають математичну залежність однієї величини від іншої. Системою одиниць прийнято називати сукупність поодиноких вимірювань, що охоплюють якусь специфічну область фізичних величин.

Єдності вимірювань досягають шляхом представлення результатів в узаконених одиницях і з певною вірогідністю похибок. Нині у біомеханіці використовується Міжнародна система одиниць — СІ (SI). Основні одиниці фізичних величин у СІ: одиниці довжини — метр (м); маси — кілограм (кг); часу — секунда (с); сили струму — ампер (А); термодинамічної температури — Кельвін (К); сили світла — кандела (кд); кількості речовини — моль (моль). Додаткові одиниці у СІ — радіан (рад) та стерадіан (ер) — застосовуються для вимірювання плоского та тілесного кутів у просторі. Окрім того, у біомеханічних вимірюваннях використовуються ще такі одиниці: сили — ньютон (Н), температури — градуси Цельсія (°С), частоти — герц (Гц), тиску — паскаль (Па), об'єму — літр (л), мілілітр (мл).

В результаті проведеного аналізу матеріалу першого розділу можемо зробити висновок, що завданням біомеханіки є застосування результатів подібних досліджень для подальшого розвитку біології, фізики (механіки), професійної рухової дидактики (педагогіки), ергономіки, психомоторики, медицини, фізичної культури та спорту. Біомеханіка використовується для медичної діагностики, створення замінників тканин і органів, для розробки методів та засобів(у тому числі тренажерів), призначених для розв'язання людиною складних рухових завдань, а також методів впливу на процеси у живих об'єктах, для створення методів аналізу та корекції природних, професійних (трудових) та спортивних рухів, для пізнання рухових можливостей людини і забезпечення оптимальних умов ефективного функціонування "людино-машинних" систем, при розробці методів захисту людини від несприятливих впливів механічних чинників зовнішнього середовища під час роботи в екстремальних умовах.

Рухова функція - одна з найважливіших функцій організму людини. Під рухом при цьому ми розуміємо різні зміни в організмі, його внутрішні і зовнішні взаємодії, а також зміну його стану.

Для того, щоб оцінити окремі рухи, треба зіставити їх між собою, визначаючи їх біомеханічні характеристики. Розрізняють біокінематичні та біодинамічні характеристики рухів тіла людини.

Біомеханічна структура системи кожної фізичної вправи є своєрідним стрижнем, на якому базується і розвивається решта його структурних елементів.

Закони фізичного вимірювання живих об`єктів та способи обробки результатів являються основою біометрії як науки.

2.1 Загальна характеристика апаратурних комплексів та вимірювальних систем, що використовуються у біомеханіці

У практиці вивчення рухових дій людини використовуються візуальні та інструментальні методи контролю. У першому випадку фахівці, науковці, тренери, спортсмени, спостерігачі за переміщеннями тіла людини отримують переважно якісне уявлення про її рухи. Результат візуальної оцінки здебільшого є суб'єктивним, не основаним на чітких критеріях, його важко використати для порівняльного аналізу.

Інструментальні методи контролю є більш об'єктивними. За їх допомогою отримують кількісну оцінку характеристик та показників рухових дій людини, а також можливих змін, що відбуваються у її організмі під час тієї чи іншої рухової діяльності. Нині у біомеханіці для цього використовуються методики, прийоми, котрі запозичені з багатьох галузей знань. Для підвищення точності інструментальних методів вимірювання біомеханічних характеристик рухів залучаються всі останні досягнення інженерної думки — радіотелеметрія, лазерна техніка, радіоізотопи, інфрачервона техніка, ультразвук, ЕОМ, телебачення, відеотехніка тощо. Інструментальні методи контролю переміщень тіла людини методично зручно поділити на дві групи — контактні та безконтактні, хоча на практиці вони часто застосовуються у комплексі, доповнюючи один одного.

В оптичних та оптико-електронних методах контролю інформація передається на реєструючий пристрій променем світла або тепловим випромінюванням. У механоелектричних методах вона передається електричними сигналами по проводах або радіохвилями. Ці методи основані на перетворенні вимірюваної якимось чином фізичної величини, що об'єктивно відбиває певні якості рухів людини, в електричний сигнал (оскільки електрика є універсальним засобом передачі енергії та інформації) з наступним вимірюванням та реєстрацією.

Рис. 1. Блок-схема вимірювальної системи

Основою інструментальних методів контролю є вимірювальні системи. На рис. 1 показано типову схему вимірювальної системи, що застосовується у біомеханіці, на рис. 2 — класифікацію інструментальних методів.

Блок-схема (рис. 1) складається з блоків. Блок 1 — об'єкт вимірювання (звичайно це організм людини або окремі точки, системи точок, біоланки), котрий виконує будь-які рухові дії. Блок 2 — пристрій, що сприймає вимірювану величину. Для цього використовується чутливий елемент засобу вимірювання — датчик. Він сприймає інформацію та передає її у наступний блок. Блок 3 — перетворювач. У ньому вимірювана величина перетворюється на електричну (гідравлічну, пневматичну) величину на основі фізичного закону про зв'язок між ними. Тут же відбувається посилення сигналу. Блок 4 призначений для передачі електричного сигналу на відстань (по проводах або радіотелеметричним зв'язком). Блок 5 призначений для обчислювальних операцій.

Рис. 2. Класифікація інструментальних методів вимірювання кількісних характеристик рухів

Датчики можуть мати найрізноманітніші конструктивні особливості. При вивченні рухів та інших змін в організмі людини найчастіше застосовуються датчики контролю біоелектричних процесів та датчики біомеханічних величин. До датчиків біомеханічних процесів належать датчики відведення біопотенціалів серцевого м'яза та датчики відведення біопотенціалів скелетних м'язів. Для реєстрації біоелектричної активності м'язів застосовуються спеціальні датчики або відвідні електроди, котрі дозволяють вловлювати зміни електричної напруги, виникнення, поширення та припинення процесів збудження у працюючому м'язі. Розрізняють електроди, що застосовуються для локальної (окремі рухові одиниці — РО), стимуляційної та глобальної електроміографії (ЕМГ). Для локальної та стимуляційної ЕМГ застосовуються електроди з малою відвідною поверхнею (діаметр — 0,65 мм і менше) та найбільшою міжелектродною відстанню. Такий електрод вводиться у м'язову тканину і відводить коливання біопотенціалів від окремих волокон або РО. Для дослідження інтенсивних природних рухів, особливо спортивних, застосовуються нашкірні електроди з великою поверхнею відведення (50 мм2). Ці електроди вловлюють сумарну різницю напруг на поверхні м'яза, що виникає при збудженні численних міоневральних закінчень.

Датчики біомеханічних процесів — тензорезистори — це вимірювальні перетворювачі малих деформацій на електричні сигнали, що дозволяють виміряти зусилля, котрі людина докладає до опори або, наприклад, до спортивного снаряда. Величина механічної деформації проводових елементів цих датчиків є пропорційною величині електричного сигналу та силі впливу, що докладається до них. Таким чином, визначивши механічну деформацію цих датчиків, можна розрахувати докладену силу. Тензодатчики придатні для вимірювання як статичних, так і динамічних навантажень. їхня вхідна величина — переміщення малих деформацій, вихідна — зміна опору. Реостатні датчики (гоніометри) використовуються для вимірювання кутів (амплітуд) руху у різних суглобах. Принцип дії реостатного датчика: його вхідна величина — кутове (лінійне) переміщення, вихідна величина — зміни електричного опору. Акселерометри — це датчики для вимірювання прискорень. В основі роботи такого датчика — зміна сили інерції, що виникає під час руху. Сила інерції, котра впливає на певну масу акселерометра, пропорційна прискоренню, що виникає. Ця величина вимірюється тензодатчиком, наклеєним на пружний сило-вимірювальний елемент, що здатний сприймати деформацію тільки в одній площині. Для реєстрації повного вектора прискорення (у трьох площинах) в одній конструкції монтують три однакових датчики та орієнтують їх перпендикулярно один до одного подібно до осей координат тривимірного простору. Основною перевагою електричних методів вимірювання біомеханічних величин є оперативність отримання вимірюваних характеристик та можливість автоматизації розрахунку характеристик, що безпосередньо не вимірюються з використанням АОМ.

2.2 Біомеханічна діагностика оптимального виконання циклічних вправ

Мета даної роботи - пропозиція кількісного біомеханічного критерію оцінки оптимальності техніки виконання циклічних рухів, заснованого на мінімізації обсягу корекційних рухів при виконанні поставленої задачі. Спочатку на прикладі вивчення найбільш розповсюдженого виду руху - ходьби ми покажемо, що ефективність виконання різних видів руху залежить від функціонального стану м'язів, що приймають особисту участь у досліджуваному русі.

На базі спортивного комплексу була вивчена ходьба 69 здорових, фізично не тренованих людей у віці 20...55 років. На відміну від традиційного методу дослідження динамічних параметрів ходьби, що полягає в однократній реєстрації реакції опори, досліджували вертикальну складові реакції опори в серії з 10 кроків кожного піддослідного. Подібна методика дослідження дозволила виявити статистичні закономірності нормальної ходьби та варіабельність інформативних біомеханічних параметрів у серії кроків піддослідних. Дослідження проводилися з використанням двох динамометричних платформ. Ходьба усіх піддослідних досліджувалася в звичному темпі. У процесі природної ходьби піддослідний послідовно наставав кожною ногою на одну платформу. Відносне навантаження на нижні кінцівки визначалася у відсотках, при цьому ми виходили з того, що сумарне навантаження на обох кінцівок за подвійний крок складає 100%. Інтегрування вертикальної складової реакції опори дозволяє визначити сумарне навантаження на кінцівку за крок при ходьбі.

Всі обстежені були розділені на вікові групи. Для кожної з них були визначені наступні біомеханічні параметри: відносне навантаження на ноги при ходьбі (тобто навантаження на кожну ногу при ходьбі стосовно сумарного навантаження в 100%), величина відношення середнього за крок тиску на поверхню опори (ця величина розраховувалася по теоремі про середнє значення функції на інтервалі) до ваги піддослідного і середня тривалість фаз опори кінцівок. Задача даного дослідження складалася в порівняльному аналізі варіабельності кожного з перерахованих вище параметрів для ведучої і контрольної кінцівок. Отримані дані приведені в таблиці (додаток А).

Результат дослідження дозволив зробити висновок про те, що варіабельність досліджуваних біомеханічних параметрів менше на стороні ведучої кінцівки (з більшою силою відштовхування) у всіх вікових групах випробуваних. Даний результат дозволив нам припустити, що функціональний стан м'язів опорної кінцівки з більшою силою відштовхування трохи вище, ніж контрольної кінцівки.

Для підтвердження даного припущення ми зіставили вертикальні складові реакції опори (додаток Б) тих же кінцівок при ходьбі (також у серії з 10 кроків) чотирьох піддослідних чоловіків: 1 - пацієнта з травмою колінного суглоба - звичним вивихом надколінка (27 років), 2 - фізично здорової нетренованої людини (22 роки), 3 - спортсмена-велосипедиста (27 років) і 4 - літніх чоловік (78 років).

Біль у колінному суглобі приводить до зменшення навантаження на ушкоджену кінцівку в пацієнта зі звичним вивихом надколінка, що видно зі зменшення амплітуд вертикальної складової опори при передньому і задньому поштовхах. Порівняння динамограм вертикальної складової реакції опори хворого зі звичним вивихом надколінка і здорової нетренованої людини свідчить про те, що при підвищенні навантаження на кінцівку варіабельність опорних реакцій знижується. Цей факт може бути пояснений тим, що зі збільшенням навантаження на м'язи варіабельність цих показників зменшується, оскільки підвищується кількість синхронно працюючих м'язів [3]. У результаті цього закономірно знижується варіабельність і динамічних параметрів ходьби.

Для кількісної характеристики розходження форми вертикальної складової реакції опори від кроку до кроку при ходьбі нами запропонований коефіцієнт варіабельності реакції опори Kv, пропорційний площі зони, у якій розташовані всі динамограми вертикальної складової реакції опори. Цей коефіцієнт при нормальній ходьбі складає для лівої ноги 0,16 ± 0,03 і для правої -0,17 + 0,04 (зазначені значення отримані на основі обстеження акта ходьби 69 здорових піддослідних). Даний коефіцієнт відбиває варіабельність процесу навантаження кожної з кінцівок при ходьбі, тому він має своє значення для кожної з них.

Підвищення варіабельності біомеханічних параметрів ходьби при поразці опорно-рухового апарата нижніх кінцівок щодо норми показник недосконалості акта ходьби, оскільки її ріст свідчить про підвищення витрат м'язової енергії на корекцію і підтримку стереотипу ходьби [6]. Вироблення рухової навички, зокрема навички ходьби, полягає не тільки в тім, щоб домогтися правильної координації руху, але і втом, щоб здійснити цей рух з мінімальною витратою м'язової енергії, забезпечивши м'язам максимальну тривалість відпочинку в моменти кроку, коли їхня активність не затребувана [8]. Тому зменшення варіабельності даного параметра (тобто зменшення коефіцієнта Kv) у процесі реабілітації особі травмами й ушкодженнями суглобів і сегментів нижніх кінцівок може бути використане для об'єктивної оцінки його результату.

Звернемося тепер до порівняння стабільності форми вертикальної складової реакції опори при ходьбі фізично не тренованої людини і спортсмена-велосипедиста. Незважаючи на приблизно рівне навантаження на кінцівці в обох випробуваних, варіабельність даного параметра помітно нижче в людини, що займається спортом, чим у людини, що веде в основному сидячий спосіб життя. Можна припустити, що поліпшення функціонального стану м'язів нижніх кінцівок у результаті тренування також супроводжується підвищенням синхронності їх діяльності, що приводить до більш стабільно повторюваній від кроку до кроку формі вертикальної складової реакції опори.

У спортсменів різної кваліфікації спостерігається розходження варіабельності ряду біомеханічних параметрів циклічних рухів. Так, наприклад, при порівнянні ступеня варіабельності кінематичних і електрофізіологічних параметрів при бігу на дистанцію 400 м виявлено, що в спортсменів високої кваліфікації спостерігається відносна стабільність кінематичних характеристик руху до кінця дистанції, в той час як у новачків на останніх метрах дистанції різко збільшується варіабельність обох груп показників. Цей факт указує на те, що з підвищенням кваліфікації спортсменів варіабельність показників зовнішньої структури рухового акта різко знижується [4]. Дослідження коефіцієнта варіації тривалості електричної активності ряду м'язів нижніх кінцівок у спортсменів-бігунів високої кваліфікації також показало його зменшення при бігу з максимальною швидкістю [1].

Висновок

У практиці вивчення рухових дій людини використовуються візуальні та інструментальні методи контролю.

Інструментальні методи контролю є більш об'єктивними. За їх допомогою отримують кількісну оцінку характеристик та показників рухових дій людини, а також можливих змін, що відбуваються у її організмі під час тієї чи іншої рухової діяльності.

На базі спортивного комплексу нами було проведено дослідження оптимального рівні виконання циклічних рухів, піддослідними були нетреновані люди та проведене порівняння варіабельності біомеханічних параметрів ходьби при ураженні опорно-рухового апарату.

Матеріали даного дослідження можуть бути використані для об'єктивної оцінки витривалості людини при тривалому навантаженні на ноги при русі. З двох спортсменів, що займаються одним видом спорту, у якому беруть участь нижні кінцівки, кращого результату може домогтися той спортсмен, варіабельність біомеханічних параметрів руху якого менше, оскільки за інших рівних умов у нього менше витрати м'язової енергії на корекцію стереотипу руху, тобто для нього характерна велика економічність руху.

Таким чином, практичне застосування запропонованої методики оцінки статистичних закономірностей циклічних рухів дозволяє, з одного боку, оцінити функціональний стан м`язів нижніх кінцівок, а з іншого боку - оцінити ступінь досконалості виконання циклічних рухів на основі мінімізації обсягу допоміжних рухів, спрямованих на корекцію основного руху.

Що стосується механізму мінімізації корекційних рухів при поліпшенні функціонального стану м'язів нижніх кінцівок, то, імовірно, у його основі лежить підвищення аферентації з м'язових рецепторів кінцівок. Ріст обсягу аферентної інформації з м'язів кінцівки, посилення внутрішньо сегментарної імпульсації приводять до підвищення точності виконання виробленого руху і до пропорційного зниження варіабельності його характеристик. Особливо наочно це виявляється при порівнянні стабільності біомеханічних параметрів нормальної і патологічної ходьби: внаслідок ушкодження або втрати м'язових рецепторів при різних травмах і ушкодженнях сегментів нижніх кінцівок скорочується приплив аферентної інформації з м`язів даної кінцівки, що приводить до підвищення варіабельності біомеханічних параметрів на стороні ушкодженої кінцівки.

Рецептори м'язових веретен, як і інші рецептори опорно-рухового апарата (наприклад, суглобні), відносяться до механорецепторів і служать для того, щоб інформувати ЦНС про стан і зміни механічних властивостей навколишньої їхньої м'язової тканини [5]. Фізичне навантаження в малотренованих випробуваних викликає більш значне підвищення імпульсації з м'язових рецепторів, чому більш тренованих пацієнтів [2]. Крім того, маються дані про зміну характеру імпульсації з м'язових рецепторів при атрофії м'язів, наприклад зв'язаної з тривалою іммобілізацією кінцівок [7]. Ці факти свідчать про наявний взаємозв'язок функціонального стану м'язів з характером імпульсації з м'язових рецепторів.

Аналогічний підхід може бути застосований для оцінки ступеня досконалості різного роду циклічних рухів кінцівок (у тому числі і верхніх). У цьому випадку може бути застосований статистичний аналіз інших біомеханічних кривих, що відбивають домінуючі рухи в конкретному виді спорту (наприклад, гоніограм колінного суглоба при ударі по м'ячу). У процесі тренування удосконалюється техніка виконання вправи, а обсяг рухів, що коректують хід виконання вправ, скорочується, кінцевий результат досягається з меншими витратами м'язової енергії. Запропонований критерій дозволяє шляхом зіставлення циклограм у серії однотипних рухів спортсмена об'єктивно оцінити результат тренувального процесу, простежити його динамікові в ході підготовки до змагань, визначити в конкретний момент спортсмена, що знаходиться в кращій спортивній формі.

1.         Біомеханіка як наука вивчає просторові рухи біологічних об`єктів. Біомеханіка використовується для медичної діагностики, створення методів аналізу та корекції рухових дій тощо. Велике значення біомеханіка має для фізичної культури та спорту.

2.         Біомеханіка фізичних вправ вивчає рухову систему людини та її рухові акти (вправи) під час занять фізичною культурою і спортом з метою забезпечити раціональні методи фізичного виховання населення і створити міцні наукові основи сучасної системи підготовки спортсменів високої кваліфікації.

3.         Кожний вид спорту об'єднує цілі комплекси фізичних вправ, котрі мають спеціальну рухову спрямованість і становлять його спортивну техніку. Біомеханіка розглядає спортивну техніку як складну динамічну систему дій, що ґрунтується на раціональному використанні рухових можливостей людини і спрямована на розв'язання конкретного завдання у тому або іншому виді спорту, зокрема на досягнення високих спортивних показників.

4.         Біомеханічний аналіз спортивної техніки є важливою передумовою для наукового обґрунтування та раціоналізації самого процесу навчання рухів у спорті, а також для профілактичного, оздоровчого та лікувального застосування фізичних вправ у лікувальній фізичній культурі.

5.         Для розв'язання поставлених завдань біомеханіка використовує різні методи дослідження, запозичені з анатомії, фізіології, педагогіки, механіки, математики та інших наук. Разом з тим вона розробила власні оригінальні способи вивчення рухів, котрі сформувалися у самостійні методичні прийоми, що визначають так званий біомеханічний метод дослідження.

1.         Агашин Ф.К. Биомеханика ударных движений. — М.: Физкультура и спорт, 1977. - С.188-190.

2.         Бернштейн Н.А. О построении движений. — М.: Медиздат, 1947. — 436 с.

3.         Бернштейн Н.А. Очередные проблемы физиологии активности //Проблемы кибернетики. — М.: Физматгиз, 1961. — С.101—160.

4.         Біомеханіка спорту. / За заг. ред. А.М. Лапутіна – К.: Олімпійська література, 2005. – 320 с.

5.         Биомеханика физических упражнений /Под общ. ред. Е.А. Котиковой. — М.: Физкультура и спорт, 1939. — С.47 — 138.

6.         Болобан В.Н. Методика стабилографии в исследованиях устойчивости тела спортсмена и системы тел при выполнении гимнастических и акробатических упражнений: Метод, рекомендации. — Киев: КГИФК, 1990. — 24 с.

7.         Бранков Г. Основы биомеханики. — М.: Мир, 1981. — С.20—21.

8.         Гернет М.М., Тихонов В.Н. Экспериментальное определение момента инерции человеческого тела и его верхних и нижних конечностей //Теория и практика физической культуры. — 1967. — № 11. — С 79—80.

9.         Годик М.А. Спортивная метрология. — М.: Физкультура и спорт, 1988.

10.      Гримм Г. Основы конституциональной биологии и антропометрии. — М.: Медицина, 1967. - С.72-251.

11.      Гросс Х.Х. Педагогическая кинезиология — новое направление в спортивной педагогике и биомеханике //Теория и практика физ. культуры. - 1979. - № 9. - С.7-10.

12.      Донской Д.Д. Биомеханика с основами спортивной техники. — М.: Физкультура и спорт, 1971. - С.12-18, 159-161.

13.      Донской Д.Д., Зациорский В.М. Биомеханика. — М.: Физкультура и спорт, 1979. - 263 с.

14.      Жуков Е.К., Котельникова Е.Г., Семенов Д.А. Биомеханика физических упражнений. — М.: Физкультура и спорт, 1963. — 260 с.

15.      Зациорский В.М. и др. Биомеханические основы выносливости. — М.: Физкультура и спорт, 1982. — С.79—84.

16.      Зациорский В.М. Спортивная метрология: Учебник для ИФК. — М.: Физкультура и спорт, 1982. — С.19—120.

17.      Зациорский В.М., Аруин А.С., Селуянов В.Н. Биомеханика опорно-двигательного аппарата человека. - М.: Физкультура и спорт, 1981. - 141 с.

18.      Иваницкий М.Ф. Движения человеческого тела. - М.: Физкультура и спорт, 1938. - С.13-48.

19.      Иваницкий М.Ф. Анатомия человеческого тела. - М.: Физкультура и спорт, 1965. - С.12-58.

20.      Иванов В.В. Комплексный контроль в подготовке спортсменов. - М.: Физкультура и спорт, 1987. — 256 с.

21.      Короткое В.П., Тайц Б.А. Основы метрологии и теории точности измерительных устройств. — М.: Изд-во стандартов, 1978. — С. 30 - 53.

22.      Лапутин А.Н. Гравитационная тренировка. — К.: Знання, 1999. - 315 с.

23.      Лапутин А.Н., Хапко В.Е. Биомеханика физических упражнений. — К.: Рад. шк, 1986. - 131 с.

24.      Лапутін А.М. Зміни в координаційній структурі довільних рухів людини в різних умовах гравітаційних взаємодій //Тези доповідей XIV з'їзду укр. фізіолог, товариства ім. І.П. Павлова. — Київ, 1994. — С.312 — 313.

Додатки

Додаток А

Таблиця 1. Силові та часові параметри нормальної ходи

Кількість кроків = 10

ліва нога

ліва нога

Варіабельність вертикальні складові реакції опори: 1 - пацієнта зі звичним вивихом надколінка, 2 - фізично не тренованої людини, 3 - спортсмена-велосипедиста, 4 - літніх чоловіків