Введение, объект, цель и задача спортивной биомеханики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Введение, объект, цель и задача спортивной биомеханики

План

биомеханика двигательный спортивный кинематический

1. Введение, предмет, цель и задача биомеханики

2. Цель и задача спортивной биомеханики

3. Метод спортивной биомеханики

4. Основные понятия кинематики и кинематические характеристики

1. Введение, предмет, цель и задача биомеханики

Термин биомеханика составлен из двух греческих слов: Bios - жизнь и mexane - орудие. Как известно, механика - это раздел физики, изучающий механическое движение и механическое взаимодействие материальных тел. Отсюда понятно, что биомеханика - это раздел науки, изучающий двигательные возможности и двигательную деятельность живых существ. Наибольший практический интерес представляет изучение движений человека и высших животных. Первые труды о движениях животных написаны еще Аристотелем (384 - 322 гг. до н.э.). На становление биомеханики оказали влияние мыслители прошлого: Гален (131 - 202 гг.), Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.), Микеланджело (1475-1564 гг.), Джованни Альфонсо Борелли (1608-1679 гг.) - автор первой книги по биомеханике «Движения животных», И.М. Сеченов (1875-1905 гг.), П.Ф. Лесгафт (1837-1930 гг.), А.А. Ухтомский (1875-1941 гг.) и основоположник отечественной биомеханической школы Н.А. Бернштейн (1896-1966 гг.) которые много сделали для развития биомеханики как науки.

В последнее время развиваются: инженерная биомеханика (связана с робототехникой); медицинская биомеханика (профилактика травматизма и протезирование) эргономическая биомеханика (связь человека с живой природой).

2. Предмет биомеханики

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. Закономерности механического движения изучаются механикой. Предметом механики как науки является изучение изменений пространственного расположения тел и тех причин, или сил, которые вызывают эти изменения. Биомеханика - наука о законах механического движения в живых системах. Она изучает движения с точки зрения законов механики, свойственных всем без исключения механическим движениям материальных тел. Объект познания биомеханики - двигательные действия человека как системы взаимно связанных активных движений и положений его тела. Область изучения биомеханики - механические и биологические причины возникновения движений, особенности их выполнения в различных условиях. Общая задача изучения движений состоит в оценке эффективности.

Цель спортивной биомеханики состоит с одной стороны, в повышении эффективности двигательных действий человека, а с другой - в предупреждении травм при выполнении двигательных действий и уменьшении их последствий.

Рассмотрим, как достигается первая цель - повышение эффективности двигательных действий человека.

Первая задача состоит в разработке биомеханических критериев и оценке двигательных действий спортсмена с точки зрения их эффективности в решении двигательной задачи.

Второй задачей является разработка новых вариантов техники и оценка их эффективности. В качестве примера решения второй задачи можно привести историю изобретения прыжка в высоту способом Фосбери-флоп. Этот способ был изобретен в США. В 1968 году на Летних Олимпийских играх в Мексике Дик Фосбери с помощью нового способа выиграл золотую олимпийскую награду, установив новый олимпийский рекорд (2,24 метра), Основноепреимущество новой техники прыжка заключается в том, что траектория общего центра масс спортсмена (ОЦМ) проходит под планкой, в то время как при способе перекидной - над планкой.

Третьей задачей является моделирование новых двигательных действий и оценка возможности их выполнения спортсменом. Так, например, компьютерная программа, моделирующая полетную фазу при выполнении гимнастических упражнений, позволяет на основе данных ведущих спортсменов мира задать основные биомеханические характеристики движения, после этого оценить, возможно ли в принципе его выполнить.

Четвертой задачей является разработка биомеханически целесообразных тренажеров для занятий физической культурой и спортом. Примером решения этой задачи может являться конструирование различных гребных тренажеров, позволяющих имитировать движения гребца на суше.

Пятой задачей является разработка и улучшение снаряжения спортсмена, повышающего эффективность двигательных действий. В качестве примера решения этой задачи можно привести использование специальных маек в пауэрлифтинге, гидрокостюмов в плавании.

Не менее важной целью биомеханики является предупреждение травм при выполнении двигательных действий и уменьшение их последствий.

Поэтому шестой задачей, которую помогает решить биомеханика, является оценка правильности существующей техники и выявление ошибок, которые могут привести к травмам. В качестве примера можно привести компьютерную программу Spine, разработанную на кафедре биомеханики НГУ им. П.Ф. Лесгафта (разработчик Г.А. Самсонов). Эта программа позволяет оценить давление на межпозвонковые диски при выполнении силовых упражнений. Использование программы Spine позволяет оценить технику выполнения силового упражнения с этих позиций и установить предельное значение массы штанги, превышение которого может привести к травмам позвоночника (например, грыже межпозвонкового диска).

Современный инвентарь, используемый в футболе и хоккее, а также в боксе, легкой атлетике и велоспорте также использует знания, накопленные биомеханикой. Он позволяет уменьшить возможности получения спортсменами тяжелых травм и решить седьмую задачу, стоящую перед биомеханикой двигательных действий.

Биомеханика как учебная дисциплина. Её цели и задачи

Под самоорганизующейся системой понимают систему, обладающую способностью улучшать свою организацию, то есть совокупность связей между большим числом структурных элементов, определяющих функционирование системы в целом.

Рассмотрим биологические и механические явления в живых системах. Движения человека подчиняются всем законам и закономерностям, которые определяют на Земле движение любого материального тела - это и закон всемирного тяготения, и законы Ньютона, законы гидроаэромеханики, колебательные и волновые явления и т.д. Движения человека, как правило, очень сложны, поскольку его двигательный аппарат представляет собой механическую систему, состоящую из более чем 200 костей и нескольких сотен сухожилий, число мышц, обслуживающих движения, более 600. Всё это необходимо для того, чтобы обеспечить чисто механическое перемещение человека во внешней среде.

Спортивная биомеханика изучает двигательные действия человека при выполнении им спортивных упражнений. Спортивная биомеханика изучает движения человека в процессе выполнения физических упражнений. Это необходимо для обеспечения роста спортивных результатов вплоть до рекордного для конкретного спортсмена или определённого вида спорта. Биомеханические исследования выявляют помогающие или препятствующие факторы при совершенствовании в движениях; разработки новых видов инвентаря, тренажёров, спортивных снарядов и оборудования; предупреждения травм.

Основными задачами спортивной биомеханики являются:

* совершенствование спортивной техники, моделирование и конструирование её наиболее рациональных вариантов;

* биомеханический контроль техники отдельных спортсменов с целью исправления ошибок и повышения уровня спортивно-технического мастерства;

* выявления биомеханических закономерностей совершенствования двигательных действий;

* разработка биомеханически целесообразных тренажёров, совершенствование спортивного инвентаря.

В спорте и физическом воспитании обучают движениям и совершенствуют двигательные возможности человека. Следовательно, спортивная биомеханика является составной частью теории и методики спортивной тренировки и физического воспитания.

3. Метод спортивной биомеханики

Метод биомеханики спорта - это основной способ исследования, путь познания закономерностей явлений. Теория биомеханики дает обоснование ее методу. Метод же определяет возможности получения новых данных, раскрытия новых закономерностей.

Метод биомеханики в наиболее общем виде имеет в своей основе системный анализ и системный синтез действий с использованием количественных характеристик, в частности моделирование движений.

Принципиальный путь познания - «соединение анализа и синтеза - разборка отдельных частей и совокупность, суммирование этих частей вместе» 2. В изучении движений специфика метода заключается в определении конкретных способов системного анализа действий и их синтеза. Выявление состава элементов системы движений - этап познания целостности двигательного действия. Биомеханика, как наука экспериментальная, опирается на опытное изучение движений. При помощи приборов регистрируются количественные особенности (характеристики) движений, например траектории скорости, ускорения, позволяющие различать движения, сравнивать их между собой. Рассматривая характеристики, мысленно расчленяют по определенным правилам систему движений на составные части; таким образом устанавливают ее состав. В этом заключается системный анализ действий.

Система движений как целое не просто сумма частей ее составляющих. Части системы объединены многочисленными взаимосвязями, придающими ей новые, не свойственные ее частям качества (системные свойства). Способ взаимосвязи частей в системе, закономерности их взаимодействия представляют ее структуру. Изучая изменения количественных характеристик, выявляют, как элементы влияют друг на друга, определяют причины целостности системы. В этом проявляется системный синтез действий.

Количественные характеристики движения позволяют на высшем уровне системного анализа строить модели системы движений (физические, математические). Используя вычислительную технику, начинают изучать процессы управления движениями, искать оптимальные варианты действий. Синтез систем движений проводится как теоретически (моделирование), так и практически, при реальном построении систем движений - овладении спортивной техникой. Системный анализ и системный синтез действий неразрывно связаны друг с другом, дополняют друг друга в системно-структурном исследовании.

Наиболее широко в современных биомеханических исследованиях применяют функциональный метод. С его помощью изучают функциональную зависимость между свойствами и состояниями явлений; их характеризуют определенные параметры, конкретные условия, количественно определенный закон. При этом не ставится задача изучения внутренней структуры явления, исследуется только его функция. Не следует противопоставлять методы системно-структурный и функциональный. По сути дела, логически сначала рассматривают функцию всей системы в целом, не вникая еще в ее построение. Далее изучаются ее внутренние механизмы. Но на каком-то этапе более глубинные особенности вновь оказываются еще не познанными и рассматривается только функция. Выбор подхода и метода определяется в зависимости от постановки и условий задачи исследования.

Следует отличать метод биомеханики как общий принципиальный путь познания сложных систем движений от частных методик биомеханического исследования (методик регистрации характеристик и обработки полученных данных). Далеко не каждое биомеханическое исследование использует полностью метод биомеханики. Более того, большая часть исследований направлена пока еще на изучение частных механизмов или общих показателей двигательных актов. Очень важна также разработка новых совершенных методик исследования. Однако для практики спортаособенно необходимы целостные модели спортивной техники как предмета обучения и совершенствования технического мастерства. Для решения этой задачи применяется в наиболее полном виде исследование систем движений, раскрытие их внутренней структурной организации.

Закономерности, устанавливаемые при изучении движений, имеют преимущественно статистический (вероятностный) характер. Он обусловлен зависимостью следствий от многих, неопределяемых полностью причин 1. Такие закономерности свойственны, в частности, живым организмам.

Связи биомеханики с другими науками

Биомеханика как одна из биологических наук нового типа начинает сближаться по методам исследования с точными науками. Общая биомеханика как раздел биофизики, включающая изучение внутри организменных биосистем, возникла на стыке физико-математических и биологических областей знания. Успехи этих наук, использование идей и подходов кибернетики, а также научно-технический прогресс так или иначе сказываются на развитии биомеханики. В свою очередь, эти науки обогащаются данными биомеханики о физике живого. В биомеханических исследованиях применяются методы этих смежных наук; в то же время в исследованиях их проблем могут применяться биомеханические методы. Здесь налицо двусторонняя связь, обеспечивающая взаимное обогащение теории и методов исследования.

Несколько иначе связана биомеханика с отраслями знания, в которых изучаются конкретные области прикладной двигательной деятельности. Так, развивающаяся инженерная биомеханика смыкается с бионикой, инженерной психологией («человек и машина»), связана с разработкой роботов, манипуляторов и других технических устройств, умножающих возможности человека в труде. Медицинская биомеханика дает обоснование ряду методов протезирования, протезостроения, травматологии, ортопедии, лечебной физической культуры. В космической медицине решаются задачи подготовки космонавтов, обеспечения их работоспособности в условиях невесомости, а также двигательных действий в космосе. Биомеханика как бы обслуживает эти области деятельности в процессе решения их прикладных задач.

Методы и законы биомеханики спорта используются также для совершенствования теории и методики физического воспитания, врачебного контроля, спортивно-педагогических и других дисциплин, решающих свои конкретные задачи в области физического воспитания.

Методы исследования в биомеханике

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.

Этапы измерений

В исследовании какого-либо явления существуют три этапа:

1. Измерение механических характеристик.

Измерение механических характеристик осуществляется на основе описываемых в этой лекции методов.

2. Обработка результатов исследования.

В настоящее время для обработки результатов используют специальные компьютерные программы. Так. Например, компьютерная программа VideoMotion, предназначенная для атлетизма, позволяет на основе данных видеосъемки рассчитать траекторию, скорость и ускорение движения любой точки тела спортсмена, в том числе и грифа штанги.

3. Биомеханический анализ и синтез.

На заключительном этапе измерений на основе полученных механических характеристик оценивается техника двигательных действий спортсмена и даются рекомендации по ее совершенствованию.

4. Основные понятия кинематики и кинематические характеристики

Движение человека является механическим, то есть это изменение тела или его частей относительно других тел. Относительное перемещение описывает кинематика.

Кинематика - раздел механики, в котором изучается механическое движение, но не рассматриваются причины, вызывающие это движение. Описание движения как тела человека (его частей) в различных видах спорта, так и различных спортивных снарядов являются неотъемлемой частью спортивной биомеханики и в частности кинематики.

Какой бы материальный объект или явление мы не рассматривали, окажется что вне пространства и вне времени ничего не существует. Любой предмет имеет пространственные размеры и форму, находится в каком-то месте пространства по отношению к другому предмету. Любой процесс, в котором участвуют материальные объекты, имеет во времени начало и конец, сколько то длится во времени, может совершаться раньше или позже другого процесса. Именно по этому возникает необходимость измерять пространственную и временную протяжённости.

Основные единицы измерения кинематических характеристик в международной системе измерений СИ.

Пространство. Одна сорокамиллионная часть длины земного меридиана, проходящего через Париж, была названа метром. Поэтому длина измеряется в метрах (м) и кратных ему единицах измерения: километрах (км), сантиметрах (см) и т.д.

Время - одно из фундаментальных понятий. Можно сказать, что это то, что отделяет два последовательных события. Один из способов измерить время - это использовать любой регулярно повторяющийся процесс. Одна восьмидесяти шести тысячная часть земных суток была выбрана за единицу времени и была названа секундой (с) и кратных ей единицах (минутах, часах и т.д.).

В спорте используются специальные временные характеристики:

Момент времени (t) - это временная мера положения материальной точки, звеньев тела или системы тел. Моментами времени обозначают начало и окончание движения или какой либо его части или фазы.

Длительность движения (?t) - это его временная мера, которая измеряется разностью моментов окончания и начала движения ?t = tкон. - tнач.

Темп движения (N) - это временная мера повторности движений, повторяющихся в единицу времени. N = 1/?t; (1/c) или (цикл/c).

Ритм движений - это временная мера соотношения частей (фаз) движений. Он определяется по соотношению длительности частей движения.

Положение тела в пространстве определяют относительно некоторой системы отсчёта, которая включает в себя тело отсчёта (то есть относительно чего рассматривается движение) и систему координат, необходимую для описания на качественном уровне положение тела в той или иной части пространства.

С телом отсчёта связывают начало и направление измерения. Например, в целом ряде соревнований началом координат можно выбрать положение старта. От него уже рассчитывают различные соревновательные дистанции во всех циклических видах спорта. Тем самым в выбранной системе координат «старт - финиш» определяют расстояние в пространстве, на которое переместится спортсмен при движении. Любое промежуточное положение тела спортсмена во время движения характеризуется текущей координатой внутри выбранного дистанционного интервала.

Для точного определения спортивного результата правилами соревнований предусматривается по какой точке (пункт отсчёта) ведётся отсчёт: по носку конька конькобежца, по выступающей точке грудной клетки бегуна-спринтера, или по заднему краю следа приземляющегося прыгуна в длину.

В некоторых случаях для точного описания движения законов биомеханики вводится понятие материальная точка.

Материальная точка - это тело, размерами и внутренней структурой которого в данных условиях можно пренебречь.

Движение тел по характеру и интенсивности могут быть различными. Чтобы охарактеризовать эти различия, в кинематике вводят ряд терминов, представленных ниже.

Траектория - линия, описываемая в пространстве движущейся точкой тела. При биомеханическом анализе движений прежде всего рассматривают траектории движений характерных точек человека. Как правило, такими точками являются суставы тела. По виду траектории движений делят на прямолинейные (прямая линия) и криволинейные (любая линия, отличная от прямой).

Перемещение - это векторная разность конечного и начального положения тела. Следовательно, перемещение характеризует окончательный результат движения.

Путь - это длина участка траектории, пройденной телом или точкой тела за выбранный промежуток времени.

Работа мышц - это биологический процесс, при котором мышечные волокна должны быть активированы, чтобы они могли выполнить механическую работу по перемещению звеньев тела. Чтобы совершить работу, необходимо затратить энергию. В организме человека - это результат биохимических реакций. С механической точки зрения человек представляет собой систему, обладающую внутренним источником энергии, биологическим по происхождению. Чтобы мышцы сократились в необходимой последовательности и с определёнными усилиями и в результате создали требуемый механический эффект движения, ими надо управлять, что делают головной мозг и нервная система, функционирование которых имеет биологическую природу.

В каждом движении присутствуют ориентировочная, исполнительная и контрольная части. Исполнительная часть - это и есть механическое движение, которое изучают в биомеханике. Но оно всегда определяется психической и физиологической деятельностью мозга, обеспечивающей не только непосредственное управление движением, но и также ориентировочную и контрольную части двигательного действия по системам внутренней биологической обратной связи.

Использованная литература

1. Allamuratov Sh.I., Nurmuxamedov A.M. Sport biomexanikasi. - Toshkent: Lider Press, 2009. - 222 b.

2. Уткин В.Л. Биомеханика физических упражнений. - М.: Прос, 1989 г. - 210 c.

3. Донской Д.Д., Зациорский В.М. Биомеханика: Учебник для институтов физической культур. - М.: ФИС, 1979 й. - 264 с.

4. Бернштейн Н.А. Биомеханика и физиология движений. Воронеж: Издательство НПО «МОДЭК», 2008. Донской Д.Д. Введение в биомеханику. М. 1981.

5. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. - М., 1987.

6. Уткин В.Л. «Техника движений». М. 1987.

Размещено на Allbest.ru