Кинематические характеристики

Наблюдая сам факт движений, их внешнюю картину, различают пространственную форму (рисунок, узор) движений и их характер (изменение во времени - быстрее, чаще и т.п.) .

Количественные характеристики, раскрывающие форму и характер движений, называются кинематическими .

Они описывают движения в пространстве и во времени. Соответственно различают характеристики:

- пространственные;

- временные;

- пространственно-временные.

Пространственные характеристики позволяют определить, каково исходное и конечное положения при движении

(координата), какова между ними разница, насколько они изменились (перемещение) и через какие промежуточные положения выполнялось движение (траектория), т.е. пространственные характеристики в целом определяют пространственную форму движений человека.

Координата точки — это пространственная мера местоположения точки относительно системы отсчета.

С точки зрения механики описать движение - это значит определить положение в любой момент времени, определить координаты опознавательных точек тела, по которым изучают ход движения в пространстве.

По координатам определяют, где находится изучаемая точка относительно начала отсчета, измеряя ее линейные координаты. Положение точки на линии, определяет одна координата, на плоскости - две, в пространстве - три.

Изучая движение нужно определить: 1) начальное положение, из которого движение начинается; 2) конечное положение, в котором движение заканчивается; 3) ряд мгновенных промежуточных положений, которые принимает тело при выполнении движения.

Перемещение точки - это пространственная мера изменения местоположения точки в данной системе отсчета.

Перемещение - величина векторная. Она характеризуется численным значением (модулем) и направлением, т.е. определяет размах и направление движения. Если после движения точка вернулась в исходное положение, перемещение равно нулю. Таким образом, перемещение есть не само движение, а лишь его окончательный результат - расстояние по прямой и направление от исходного до конечного положения.

Перемещение (линейное, в поступательном движении) измеряется разностью координат в моменты начала и окончания движения (см. таблицу 2) .

Перемещение тела при вращательном движении измеряется углом поворота - разностью угловых координат в одной и той же системе отсчета расстояний.

Траектория точки - это пространственная мера движения (воображаемый след движения точки) . Траекторию определяют, устанавливая ее длину, кривизну и ориентацию в пространстве.

Пространственный рисунок движения точки дает ее траектория. Длина траектории показывает, каков путь точки.

Путь точки в прямолинейном движении равен расстоянию от исходного до конечного положения.

При криволинейном движении путь точки равен арифметической сумме модулей ее элементарных перемещений.

Кривизна траектории показывает, какова форма движения в пространстве. Чтобы определить кривизну траектории, измеряют радиус кривизны. Если траектория является дугой окружности, радиус кривизны постоянный. С увеличением кривизны ее радиус уменьшается, и, наоборот, с уменьшением кривизны, радиус увеличивается.

Ориентация траектории в пространстве при одной и той же ее форме может быть разная. Ориентацию определяют для прямолинейной траектории по координатам точек начального и конечного положений; для криволинейной траектории - по координатам этих двух точек и третьей точки, не лежащей с ними на одной прямой линии.

В совокупности ориентация, длина и кривизна траектории позволяют определить направление, размах и форму движения точки, а также начальное положение, конечное и все промежуточные.

Временные характеристики раскрывают движения во времени: когда оно началось и закончилось (момент времени), как долго длилось (длительность движения), как часто выпол­нялось движение (темп) , как движения были построены во времени (ритм) . Вместе с пространственно-временными характеристиками они определяют характер движений человека.

Момент времени — это временная мера положения точки тела и системы, определяемая промежутком времени до него от начала отсчета.

Момент времени определяют не только для начала и окончания движения, но и для других важных мгновенных положений. В первую очередь это моменты существенного изменения движения: заканчивается одна часть (фаза) движения и начинается следующая (например: отрыв стопы от опоры в беге — это момент окончания фазы отталкивания и начало фазы полета). По моментам времени определяют длительность движения.

Длительность движения - это его временная мера, которая измеряется разностью моментов времени окончания и начала движения.

Длительность движения представляет собой количество времени, прошедшее между двумя ограничивающими его моментами времени. Сами моменты (как границы между двумя смежными промежутками времени) длительности не имеют. Ясно, что измеряя длительность, пользуются одной и той же системой отсчета времени. Узнав путь точки и длительность ее движения, можно определить ее скорость. Зная длительность движений, определяют также их темп и ритм.

Темп движений — это временная мера повторности движений. Он измеряется количеством движений, повторяющихся в единицу времени (частота движений) .

Темп - величина, обратная длительности движений. Чем больше длительность каждого движения, тем меньше темп, и наоборот. В циклических движениях темп может служить показателем совершенства техники.

Ритм движений - это временная мера соотношения частей движений. Он определяется по соотношению промежутков времени, затраченного на соответствующие части движения.

Ритм определяют как соотношение двух периодов времени (например: опоры и полета в беге) или длительности двух фаз периода (например: фазы амортизации и фазы отталкивания в опорном периоде) . Можно говорить и о ритме ряда фаз (например: соотношение длительностей пяти фаз скользящего шага в лыжном ходе) . Ритм бывает постоянным и переменным.

Пространственно-временные характеристики определяют, как изменяются положения и движения человека во времени.

Скорость точки — это пространственно-временная мера движения. Она определяет быстроту изменения положения точки в пространстве с изменением времени.

В поступательном движении скорость измеряется отношением пройденного пути (с учетом его направления) к затраченному времени; во вращательном движении - отношением угла поворота ко времени, за которое произошло вращение.

Ускорение точки - это пространственно-временная мера изменения движения, которая характеризует быстроту изменения скорости по величине и направлению.

Ускорение измеряется отношением изменения скорости (угловой скорости) к затраченному на него времени.

Различают ускорения точки: а) положительное, имеющее одинаковое направление со скоростью, - скорость возрастает; б) отрицательное, имеющее направление, противоположное направлению скорости, - скорость убывает; в) нормальная -скорость прежняя, изменяется направление.

Механические свойства мышц

Основная функция мышц состоит в преобразовании химической энергии в механическую работу или силу. Главными биомеханическими показателями, характеризующими деятельность мышцы, являются: а) сила, регистрируемая на ее конце (эту силу называют натяжением или силой тяги мышцы)1, и б) скорость изменения длины.
При возбуждении мышцы изменяется ее механическое состояние; эти изменения называют сокращением. Оно проявляется в изменении натяжения и (или) длины мышцы, а также других ее механических свойств (упругости, твердости и др.).
Механические свойства мышц сложны и зависят от механических свойств элементов, образующих мышцу (мышечные волокна, соединительные образования и т. п.), и состояния мышцы (возбуждения, утомления и пр.).
Понять многие из механических свойств мышцы помогает упрощенная модель ее строения — в виде комбинации упругих и сократительных компонентов (рис. 12). Упругие компоненты по механическим свойствам аналогичны пружинам: чтобы их растянуть, нужно приложить силу. Работа силы равна энергии упругой деформации, которая может в следующей фазе движения перейти в механическую работу. Различают: а) параллельные упругие компоненты (ПарК) — соединительнотканные образования, составляющие оболочку мышечных волокон и их пучков, и б) последовательные упругие компоненты (ПосК) — сухожилия мышцы, места перехода миофибрилл в соединительную ткань, а также отдельные участки саркомеров, точная локализация которых в настоящее время неизвестна.
Сократительные (контрактильные) компоненты соответствуют тем участкам саркомеров мышцы, где актиновые и миозиновые миофи-ламенты перекрывают друг друга. В этих участках при возбуждении мышцы происходит механическое взаимодействие между актиновыми и миозиновыми филаментами, приводящее к изменению натяжения и длины мышцы.
Поскольку каждая миофибрилла состоит из большого числа (n) последовательно расположенных саркомеров, то величина и скорость изменения длины миофибриллы в п раз больше, чем у одного саркомера. Сила, развиваемая каждым из них, одинакова и равна силе, регистрируемой на конце миофибриллы (подобно тому, как равны силы в каждом из звеньев цепи, к концам которой приложены растягивающие силы). Эти же самые n саркомеров, соединенные параллельно (что соответствует большему числу миофибрилл), дали бы и-кратное увеличение в силе, но при этом скорость изменения длины мышцы была бы той же, что и скорость одного саркомера. Поэтому при прочих равных условиях увеличение физиологического поперечника мышцы привело бы к увеличению ее силы, но не изменило бы скорости укорочения, и наоборот, увеличение длины мышцы сказалось бы положительно на скорости сокращения, но не повлияло бы на ее силу.
Покоящаяся мышца обладает упругими свойствами: если к ее концу приложена внешняя сила, мышца растягивается (ее длина увеличивается), а после снятия внешней нагрузки восстанавливает свою исходную длину. Зависимость между величиной нагрузки и удлинением мышцы непропорциональна (не подчиняется закону Гука)

Сначала мышца растягивается легко, а затем даже для небольшого удлинения надо прикладывать все большую силу (иногда мышцу в этом отношении сравнивают с вязаными вещами: если растягивать, скажем, трикотажный шарф, то вначале он легко изменяет свою длину, а затем становится практически нерастяжимым).
Если мышцу растягивать повторно через небольшие интервалы Времени, то ее длина увеличится больше, чем при однократном «содействии. Это свойство мышц широко используется в практике при выполнении упражнений на гибкость (пружинистые движения, повторные махи и т. п.).
Длина, которую стремится принять мышца, будучи освобожденной от всякой нагрузки, называется равновесной (или свободной. При такой длине мышцы ее упругие силы равны нулю. В живом организме длина мышцы всегда несколько больше равновесной и поэтому даже расслабленные мышцы сохраняют некоторое натяжение.
При растягивании мышцы больше равновесной длины появляются упругие силы в параллельных, упругих компонентах.
Если при длине, превышающей равновесную, мышца сокращается, то сила, которую проявляют контрактильные элементы, складывается с силой упругой деформации ПарК, и суммарная сила тяги мышцы увеличивается. Поэтому при длине выше равновесной сила мышцы при сокращении больше.
Чем больше в мышце соединительнотканных образований, тем раньше при ее растягивании возникают упругие силы ПарК и тем больше их вкладе суммарное напряжение возбужденной мышцы. Так, например, большинство мышц нижних конечностей, где соединительнотканных образований и перистых мышц с угловым расположением
волокон существенно больше, чем в мышцах верхних конечностей, приближается к типу, указанному на рис. 13, а, мышцы верхних конечностей — к типу на рис. 13, б.
С уменьшением длины мышцы сила ее тяги падает, а сила контрактильных компонентов падает также и при значительном удлинении мышцы. Это происходит потому, что максимальную силу контрактильные компоненты проявляют при наибольшей величине перекрытия активных участков актиномиозиновых филаментов. При уменьшении или увеличении длины мышцы площадь перекрытия и соответственно число поперечных мостиков, образующихся между миозиновыми и актиновыми нитями, уменьшается, соответственно падает и сила.
Длину мышцы, при которой сила контрактильных компонентов максимальна, называют длиной покоя
Если к возбужденной мышце, длина которой меньше равновесной, прикладывается большая внешняя сила (например, при постановке ноги на опору в беге), то мышца растягивается и в ней возникают упругие силы. Так как длина ПарК не превышает при этом равновесной длины, основной вклад в данном случае вносит последовательная упругая компонента (ПосК). Из-за наличия в мышце параллельных и последовательных упругих компонент упругие силы в ней могут возникать при любой ее длине (например, при отталкивании в беге или взятии штанги на грудь, хотя длина мышц-разгибателей ног при этом далека от максимально возможной).
Для мышц характерно также такое свойство, как релаксация — снижение силы упругой деформации с течением времени. При отталкивании в прыжках с места сразу после быстрого приседания прыжок будет выше, чем при отталкивании после паузы в низшей точке подседа: после паузы упругие силы, возникшие при быстром приседании, вследствие релаксации не используются.

По пространственно-временным характеристикам определяют, как изменяются положения и движения человека во времени, как быстро человек изменяет свои положения (скорость) и движения (ускорение).

Скорость точки и тела

Скорость точки — это пространственно-временная мера движе­ния точки (быстроты изменения ее положения). Скорость равна первой производной по времени от расстояния в рассматриваемой системе отсчета:

Скорость точки определяется по изменению ее координат во времени. Скорость — величина векторная, она характеризует быст­роту движения и его направление. Так как скорость движений человека чаще всего не постоянная, а переменная (движение неравномерное и криволинейное), для разбора упражнений определяют мгновенные скорости.

Мгновенная скорость — это скорость в данный момент времени или в данной точке траектории, как бы скорость равномерного движения на очень малом участке траектории около данной точки траектории. Мгновенную скорость можно себе представить как такую, которую сохранило бы тело с того момента, когда все силы перестали на него действовать. Средняя же скорость — это такая ско­рость, с которой точка в равномерном движении за то же время прошла бы весь рассматриваемый путь. Средняя скорость позволяет сравни­вать неравномерные движения.

Скорость точки (линейная) в прямолинейном движении направлена по траектории, в криволинейном — по касательной к траектории в каждой рассматриваемой ее точке.

Скорость тела определяют по скорости его точек. При поступательном движении тела линейные скорости всех его точек одинаковы по величине и направлению. При вращательном движении определяют угловую скорость тела как меру быстроты изменения его углового положения. Она равна по величине первой производнойпо времени от углового перемещения:

Чем больше расстояние от точки тела до оси вращения (т. е. чем больше радиус), тем больше линейная скорость точки. Скорость вращательного движения твердого тела (в радианах) равна отношениюлинейной скорости каждой точки к ее радиусу (при постоянной осивращения). Угловая скорость (со) для всех точек тела, кроме лежащихна оси, одинакова:

Значит, линейная скорость любой точки вращающегося тела, не лежащей на оси, равна его угловой скорости, умноженной на радиус вращения этой точки (расстояние от нее до оси вращения). Скорости сложного движения твердого тела можно определить по линейной скорости любого полюса и угловой скорости вращения тела относи­тельно этого полюса (например, вокруг оси, проходящей через центр масс — ЦМ).

Скорость системы тел, изменяющей свою конфигурацию, нельзя определить таким же образом, как угловую скорость твердого тела. В этом случае определяют линейную скорость ОЦМ системы. Часто определяют линейные скорости точек звеньев тела (проекций осей суставов на поверхность тела). Кроме того, при изменениях позы определяют угловые скорости звеньев тела относительно суставных осей; эти скорости обычно изменяются по ходу движения. Для биомеханического обоснования техники нужно в каждом случае вы­брать, какие скорости каких звеньев и точек следует определить.

Ускорение точки и тела

Ускорение точки — это пространственно-временная мера измене­ния движения точки (быстрота изменения движения — по величине и направлению скорости). Ускорение точки равно первой производной по времени от скорости этой точки в рассматриваемой системе отсчета:

Ускорение точки определяется по изменению ее скорости во времени. Ускорение — величина векторная, характеризующая быс­троту изменения скорости по ее величине и направлению в данный момент (мгновенное ускорение,) 1 .

Вектор ускорения можно разложить на составляющие: а) каса­тельное ускорение, направленное вдоль касательной к траектории в

данной точке: а т = dv / dt или at = ( d * d * s )/( d * t * t ) , б) нормальное ускорение, на­правленное перпендикулярно к вектору скорости внутрь кривизны: а =( v * v )/ R ,

где R — радиус кривизны в этой же точке. Касательное ускорение будет положительным, когда скорость точки увеличивается, и отрицатель­ным, когда она уменьшается. Если касательное ускорение равно нулю, то скорость по величине постоянная. Если нормальное ускорение равно нулю, то направление скорости постоянное.

Угловое ускорение тела определяется как мера быстроты изменения его угловой скорости. Оно равно первой производной по времени от угловой скорости тела:

Различают ускорение тела линейное (в поступательном движении) и угловое (во вращательном движении). Отношение ли­нейного ускорения каждой точки вращающегося тела К ее радиусу равно угловому ускорению (е) в радианах в секунду в квадрате. Оно одинаково для всех точек вращающегося тела, кроме лежащих на оси:

Значит, линейное ускорение любой точки вращающегося тела равно по величине его угловому ускорению, умноженному на радиус вращения этой точки:

Ускорение системы тел, изменяющей свою конфигу­рацию, определяется еще сложнее, чем скорость. Ускорение служит хорошим показателем качества приложенных усилий.

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 спорта особенно 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.