Автоматизированное управление тренировкой велосипедистов различной квалификации по ответной реакции сердечно-сосудистой системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Майкопский государственный технологический университет

Автоматизированное управление тренировкой велосипедистов различной квалификации по ответной реакции сердечно-сосудистой системы

Свечкарёв В.Г. д.п.н., профессор,

Хажилиев Н.Ю. к.п.н., доцент,

Марьевская М.Е.

Родионова С.В.

Компьютеризованные тренажерные устройства и комплексы наилучшим образом способствуют адаптации и повышению эффективности тренировочного процесса, так как с их применением условия работы мышц максимально приближаются к оптимальному согласованию внешней нагрузки с функциональными возможностями организма спортсмена (В.М. Зациорский, 1975; Ю.А. Ипполитов, Б.В. Шмонин, 1986; Е.А. Ширковец, 1995 и др.). При этом более эффективны устройства с отрицательной обратной связью.

Нами разработана, создана и апробирована на практике машина автоматизированного управления для тренировки велосипедистов (МАУТВ), представляющая собой компьютеризованный велотренажерный комплекс, позволяющий непрерывно регулировать физическую нагрузку по заданной ЧСС на основе отрицательной обратной связи.

Устройство включает в себя (рис. 1): раму (1) для закрепления велосипеда (2), состоящую из узла крепления вилки переднего колеса (3) и узла фиксированной опоры (4) заднего колеса (5) велосипеда (2). При этом заднее колесо (5) фрикционно связано с роликом (6), размещенным на оси (7), установленной на раме (1). На оси (7) с одной стороны от ролика (6) находится крыльчатка вентилятора (8) (рис. 2), а на другой стороне от ролика (6) - ступенчато изменяемая нагрузка. Она создается с помощью постоянного магнита (9) (рис. 3), ступенчато надвигаемого на вращающийся вместе с колесом (5) медный диск (10). Имеется датчик (11) условного перемещения велосипеда (2), выходной сигнал которого привязан к вращению указанного ролика (6) (рис. 4).

Динамическая нагрузка создается в результате взаимодействия вихревых токов, наводимых во вращающемся медном диске (10) регулирующей обмоткой (12).

велотренажерный гемоглобин биомеханический тренировка

Рис. 1. Общий вид МАУТВ

Рис. 2. Вид регулирующего устройства со стороны крыльчатки вентилятора

Рис. 3. Вид регулирующего устройства со стороны медного диска

Рис. 4. Вид регулирующего устройства сзади

Она намотана на сердечник магнитопровода (13), охватывающего часть поверхности упомянутого диска (10) и подключенного через первый усилитель (14) и первый цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) (15) к системному блоку (16) ПК с дисплеем (17) и клавиатурой (18). Обмотка возбуждения электродвигателя (19) через второй усилитель (20) и второй ЦАП (21) подключена к системному блоку (16).

Датчик измерения ЧСС (23), измерительный щуп которого, надеваемый на велосипедиста во время тренировки, и упомянутый датчик (11) условного перемещения велосипеда (2) подсоединены к системному блоку (16) через первый (24) и второй (25) АЦП соответственно. При этом ось электрического двигателя (19) механически (в данном случае - фрикционно) связана с задним колесом (5) велосипеда (2). Все узлы и датчики, которым для работы необходимо электрическое питание, подключены к источнику питания (27).

Перед началом тренировки велосипедиста на ПК с помощью клавиатуры (18) задается коридор ЧСС [Р нижний, Р верхний]. Он подбирается индивидуально во время предварительного полного обследования каждого спортсмена и является отображением оптимальной зоны работы его сердца. Также имеется возможность задания эталонного режима тренировки.

Спортсмен садится на велосипед, и на нем закрепляется датчик ЧСС (23). Сигнал этого датчика подключается к системному блоку (16) через первый АЦП (24). Датчик (11) условного перемещения велосипеда (2) подсоединен к системному блоку (16) через второй АЦП (25). Таким образом, на экране дисплея (17) отображаются: текущее значение ЧСС, «пройденное» расстояние, время в «пути», а также воображаемая трасса и местоположение велосипедиста на ней в каждый момент времени.

Нагрузка на педали меняется в зависимости от текущего значения ЧСС спортсмена относительно заданного коридора. При выходе ЧСС за пределы нижнего уровня заданного коридора программа управления по гиперболе повышает напряжение, подаваемое через первый ЦАП (15) и усилитель (14) на регулирующую обмотку (12), увеличивая нагрузку до тех пор, пока ЧСС спортсмена не достигнет заданного коридора. При чрезмерно большой ЧСС, наоборот, указанная программа по гиперболе понижает напряжение, пока ЧСС тренирующегося не войдет в заданную зону.

На рис. 5 представлена функциональная схема МАУТВ c автоматизированной системой непрерывного управления (регулирования) двигательными действиями велосипедистов по ответной реакции организма.

Рис. 5. МАУТВ c автоматизированной системой управления (АСУ) двигательными действиями велосипедистов по ответной реакции организма

В АСУ тренером может быть задана любая ЧСС, а при необходимости - различная и на разных отрезках пути. Индивидуально задается и время работы на МАУТВ. При этом спортсмен получает всю необходимую информацию, обрабатываемую ПК, на экране дисплея компьютера. Все данные сохраняются в базе данных для статистической обработки и дальнейшего анализа. При создании достаточной базы данных за продолжительный отрезок времени и подключении специализированных программ возможна выдача АСУ тренеру (спортсмену) рекомендаций по корректировке тренировочного процесса.

Поэтому в дальнейшем для повышения качества процесса управления возможно использование и других физиологических параметров организма спортсмена (частота дыхания, артериальное давление, МПК, температура тела и др.) и биомеханических характеристик выполняемых упражнений. Возможности АСУ могут быть в дальнейшем расширены посредством привлечения последних разработок в программном обеспечении.

Данное устройство позволяет расширить функциональные возможности организма и повысить эффективность тренировки спортсменов благодаря непрерывному отслеживанию ответной реакции организма велосипедиста во время выполнения упражнения и плавному автоматическому регулированию нагрузки в соответствии с изменяющимися параметрами регистрируемых характеристик. Такой подход исключает возможность перетренировки и создает благоприятные условия для протекания процесса адаптации.

Возможность регистрировать биомеханические параметры движения и по ходу тренировки корректировать их по ответной реакции организма на нагрузку - важнейшее условие оптимизации управления тренировочным процессом и повышения мастерства спортсмена при сохранении его здоровья.

При проведении поисковых исследований нами фиксировались динамика насыщения гемоглобина кислородом методом трансмиссионной пульсоксиметрии у велосипедистов различной квалификации при непрерывном регулировании внешней нагрузки по ЧСС (в условиях применения МАУТВ) и в традиционных условиях. Ниже на рисунках 6 - 8 приведены оксигемограммы, характеризующие общие тенденции изменения насыщения гемоглобина кислородом у велосипедистов различной квалификации. В табл. 1 представлены средние значения регистрируемого показателя.

Как видно на графиках, у спортсменов, занимавшихся в условиях МАУТВ, колебание напряжения кислорода в крови значительно ниже, чем у тренирующихся в традиционных условиях. При этом средний уровень количества кислорода в крови (табл. 1) выше у занимавшихся в условиях нашего тренажерного комплекса.

Рис. 6. График изменения насыщения гемоглобина артериальной крови кислородом у спортсменов высокого уровня мастерства в условиях применения МАУТВ и в традиционных условиях

Рис. 7. График изменения насыщения гемоглобина артериальной крови кислородом у спортсменов среднего уровня мастерства в условиях применения МАУТВ и в традиционных условиях

Рис. 8. График изменения насыщения гемоглобина артериальной крови кислородом у спортсменов низкого уровня мастерства в условиях применения МАУТВ и в традиционных условиях

Обращает на себя внимание особенность изменения количества кислорода в крови, наблюдаемая в течение выполнения работы спортсменами различной квалификации в исследуемых условиях. Так, в условиях МАУТВ наблюдается большая согласованность анимальных и вегетативных систем организма, в более короткие сроки наступает устойчивое состояние, что приводит к увеличению функциональных возможностей мышечного аппарата спортсменов (см. рис. 8). При этом динамика изменений насыщения гемоглобина артериальной крови кислородом сопровождается увеличением работоспособности и уменьшением времени восстановления.

Таблица 1 Изменение насыщения гемоглобина артериальной крови кислородом у велосипедистов различной квалификации в различных условиях тренировки

Данная методика применения МАУТВ наиболее актуальна для начинающих спортсменов, так как позволяет на протяжении всей дистанции сохранять достаточно высокий уровень кислорода в крови. При этом стресс-реакция организма достаточно высока, а повреждающие эффекты практически отсутствуют.

Регулирование уровня сопротивления, осуществляемое программой управления по ЧСС, отразилось на параметрах биомеханических характеристик движения, которые мы сравнили с характеристиками упражнения, выполняемого в традиционных условиях, т.е. на велосимуляторе Cateye CS-1000 без автоматического регулирования (таким или подобным тренажером пользуются многие велосипедисты в процессе тренировок). Ниже на рисунках отображены графики изменения параметров различных биомеханических характеристик движений, выполняемых спортсменами различного уровня подготовленности (представлены средние величины выборки).

Из рис. 9, отражающем динамику ЧСС, характерную для велосипедистов высокого уровня подготовленности при выполнении задания в различных условиях, видно, что уровень исследуемого показателя достаточно быстро возрастает до 160 ударов, как в традиционных условиях, так и в условиях, создаваемых МАУТВ. При дальнейшем выполнении упражнения уровень ЧСС с применением предлагаемого нами устройства остается неизменным до конца тренировки, а в традиционных условиях постоянно возрастает и к концу занятий достигает 180 ударов.

Рис. 9. График изменения ЧСС у спортсменов высокого уровня мастерства в условиях МАУТВ и в традиционных условиях тренировки

Скорость движения, представленная на рисунке 10, при выполнении упражнения в условиях МАУТВ значительно выше по сравнению с традиционными условиями тренировки, при этом наблюдается ее наиболее плавное изменение.

У спортсменов среднего уровня мастерства наблюдается еще большее отличие в динамике ЧСС (рис. 11) между традиционными условиями выполнения упражнения и условиями МАУТВ. При этом ЧСС в традиционных условиях значительно выше и постоянно растет, тогда как в условиях нашего тренажерного комплекса она, достигнув оптимального значения, держится на этом уровне.

Рис. 10. График изменения скорости у спортсменов высокого уровня мастерства в условиях МАУТВ и в традиционных условиях тренировки

Рис. 11. График изменения ЧСС у спортсменов среднего уровня мастерства в различных условиях тренировки

Динамика скорости движения (рис. 12) в условиях МАУТВ носит более плавный характер и остается примерно на одном уровне до конца выполнения упражнения, а в традиционных условиях носит скачкообразный характер - большие значения в начале упражнения и снижение к его окончанию.

Рис. 12. График изменения скорости у спортсменов среднего уровня мастерства в различных условиях тренировки

Рис. 13. График изменения ЧСС у спортсменов низкого уровня мастерства в условиях МАУТВ и в традиционных условиях тренировки

График изменения ЧСС у спортсменов низкого уровня подготовленности (рис. 13) показывает такую же картину изменения исследуемых характеристик, что и у спортсменов более высоких разрядов. Это свидетельствует об эффективности применения МАУТВ, которая способна удерживать уровень ЧСС в оптимальных пределах.

На рисунке 14 видно, что в условиях МАУТВ спортсмены низкой квалификации способны выполнять двигательное задание с гораздо большей скоростью, при этом происходящие изменения имеют меньшие отклонения, чем при выполнении упражнения в традиционных условиях тренировки.

Рис. 14. График изменения скорости у спортсменов низкого уровня мастерства в различных условиях тренировки

Ниже, в табл. 2 приведены средние значения параметров исследуемых биомеханических характеристик движения, полученные нами при проведении эксперимента.

Таблица 2 Изменения биомеханических параметров движения у велосипедистов различной квалификации в различных условиях тренировки

Результаты исследования показали, что АСУ МАУТВ качественно справляется со своей задачей и ЧСС спортсмена находится в заданном коридоре (151 - 161 удар в минуту или 152 - 162 удара в минуту в наших конкретных случаях). И если по каким-то причинам ЧСС все-таки выходит из «коридора» (чего программа управления старается не допускать), то АСУ приводит значения к норме.

Эффективность предлагаемой нами методики тренировки велосипедистов-шоссейников определялась также путём сравнения времени восстановления после нагрузки и пройденного расстояния, зарегистрированных на первом и последнем занятиях при выполнении тестового задания «Езда на велостанке в течение 30 мин».

Сравнительный анализ результатов тестирования, проведенного по окончании педагогического эксперимента, представлен в табл. 3.

Таблица 3 Результаты основного педагогического эксперимента

Из таблицы видно, что в обеих группах произошло достоверное улучшение результатов регистрируемых характеристик движения.

Результаты исследований динамики физиологических показателей организма спортсменов, тренирующихся в стандартных условиях и в условиях МАУТВ, показали, что адаптация к физической нагрузке проходит быстрее и с меньшим повреждающим эффектом, чем в стандартных условиях. Динамика ЧСС, зарегистрированная в результате экспериментов, показывает, что в условиях МАУТВ сердечно-сосудистая система спортсмена лучше адаптируется к нагрузке, а ее вариативное изменение позволяет удерживать данный параметр работы сердца в оптимальном «коридоре». Спортсмены, тренировавшиеся в условиях МАУТВ, быстрее восстанавливались и выполняли больший объем работы, что свидетельствует о развитии у них адаптационного синдрома.

Размещено на Allbest.ru