Основи інструментального контролю у спорті

Поняття про вимірювальну систему

На рис. 6.1 зображено функціональну блок-схему вимірювальної системи [3], де введені такі позначення:

С – об’єкт вимірювання (спортсмен);

1 – датчик інформації для сприйняття величин дій спортсмена у змаганнях або на тренувальних заняттях;

2 – блок перетворювання вимірювальної інформації, наприклад, в електричні, гідравлічні або пневматичні сигнали на основі фізичного закону про зв’язки між ними;

3 – блок обчислювальних операцій;

4 – пристрій для передачі вимірювальної інформації з подальшим порівнянням вимірюваної величини з еталоном;

5 – пристрій для відображення результатів вимірювань, збереження та автоматичної обробки на ЕОМ.

Рис. 6.1. Функціональна блок-схема

Характеристика датчиків, що сприймають інформацію

Характеристики основних датчиків, які використовують у спортивних діях, відображені у літературі [3, 9]. У пристроях для сприйняття необхідної інформації, за допомогою яких вимірюють, наприклад, час руху, використовують фотодіоди. Найбільш ефективне їх вживання у сукупності із лазером – джерелом направленого випромінювання. Промінь лазера здатний передаватися без помітного розсіювання на значні відстані.

Принцип вимірювання полягає в тому, що, наприклад, спортсмен, який біжить, перетинає два або декілька променів, сфокусованих на приймачах світлового випромінювання – фотодіодах (фотоелементах). Перериваючи світлові промені, спортсмен на мить вимикає струм, який тече у фотоелементі під дією світла, внаслідок чого виникає електричний імпульс. Промені світла паралельні один одному і перпендикулярні до напрямку бігу. Тому для розрахунку швидкості бігу досить розділити відстань між променями на часовий інтервал між імпульсами у фотоелементах. Вхідна величина фотодіодів – освітленість, вихідна – постійний струм. Час визначають за допомогою електронних секундомірів, які з’єднані із датчиками перетину променів.

Реостатні датчики (потенціометри) використовують у пристроях, за допомогою яких вимірюють амплітуду рухів у різних суглобах спортсмена. Принцип дії реостатних датчиків заснований на тому, що омічний (активний) опір провідника R залежить від його довжини L, площі поперечного перетину F і питомого опору матеріалу ρ. За законом Ома виходить, що

; .

Вхідна величина реостатного датчика – лінійне або кутове переміщення, вихідна – зміна опору, тобто напруги U або струму I.

В основі дій тензорезісторів (від латинських слів «tension» – напружую і «resisto» – чиню опір) лежить той же принцип, що й в реостатних датчиках, тому їх використовують у високоточних вимірах. При цьому під час розтягування або стиску провідника змінюються його довжина, площа поперечного перетину і питомий опір. Ці зміни залежать від вектора сили і в межах пружності матеріалу провідника пропорційні їй. Такі датчики внаслідок малих деформацій чутливі до зміни температури, тому в мостову схему включають компенсаційний датчик, що не піддається деформації.

6.3. Деякі методи інструментального контролю

Оптичні методи засновані на фотографії, кіно- або відеозйомці, де рухомі об’єкти (спортсмени) відображуються на світлочутливому матеріалі з подальшим сповільненим показом. Потім на цій основі складають кінограми.

Оптіко-електронні методи засновані на використанні телевізійних і фотоелектронних приладів. Телевізійні прилади дозволяють зробити відеозапис рухомого об’єкту внаслідок того, що оптичне зображення його перетвориться в електричний сигнал, а потім записати на магнітній стрічці з подальшим відтворенням на екрані дисплея. Створені спеціалізовані відеомагнітофони, такі як Speed-Video, де три й більш відеокамер, з’єднані з ЕОМ, записують, наприклад, гру волейболістів спереду, збоку і зверху, в якій виявляються найбільш суттєві моменти. За допомогою оптіко-електронних методів можна оцінювати тактику, техніку та якість виконання окремих елементів, а так само визначати різні біомеханічні характеристики рухів спортсменів.

Механо-електричні методи використовують теоретичні та експериментальні положення механіки, направлені на реєстрацію найважливіших біомеханічних характеристик руху (сили, прискорення, швидкості, маси й так далі). Для цього використовують такі прилади:

▲ динамограф – це пристрій, що вимірює силу і складається з динамометра, на пружний елемент якого наклеєні тензодатчики, підсилювача та реєструючого пристрою;

▲ гоніометр (від грецького слова «gоnіа» – кут) дозволяє реєструвати зміни кутових переміщень у суглобах спортсмена або у вузлах спортивного інвентарю, наприклад, весла човна. У складі пристрою застосовують потенціометр, вісь якого з’єднана з однією, а корпус з іншою гілкою гоніометра. Ці гілки розміщують паралельно досліджуваній кінематичній парі, при цьому вісь потенціометра повинна збігатися із віссю суглоба. При зміні суглобового кута міняється електрична напруга, що фіксує потенціометр;

▲ стабілографічна платформа працює за принципом деформації бічних граней опорної балки. Стабілографія – це спосіб реєстрації коливань тіла спортсмена у положенні, коли він стоїть. Саме для таких цілей використовують стабілографічну платформу і двохкоординатний реєструючий пристрій. Криву зміни проекцій координат центру мас тіла на горизонтальну площину називають саме стабілограмою. Якщо проекція центру мас тіла людини не збігається з горизонтальною віссю, то одна з граней опорної балки стискується, а інша розтягується. Ці деформації змінюють опір тензорезісторів, наклеєних на бічні грані балки. Отже потерпає змін і електричний сигнал, який реєструється та відтворюється на екрані комп’ютера;

▲ акселерометр (від латинського слова «аccelero» – прискорюю) служить для визначення прискорень яких-небудь біологічних або механічних систем чи їхніх ланок. Існують акселерометри різних конструкцій. Самий простий з них включає тягар, пружну металеву пластину, тензорезістори, корпус, підставу. Прискорення спричиняють деформацію тензодатчика, прикріпленого до пластини. Отже зміна опору відбувається внаслідок того, що тягар змінює своє положення залежно від зміни величини прискорення.