Сделай Сам Свою Работу на 5

Динамические характеристики

Все движения человека изменяются по величине, направлению и скорости. Причиной этих изменений являются действующие на биосистему внешние и внутренние силы. Для анализа механизма движений биосистемы исследуют динамические характеристики, к ним относят инерционные характеристики (свойства тела человека и др. тел)

Инертность - это свойство тела или его частей сохранять свое внутреннее состояние, состояние движения или состояние покоя. Под инерцией внутреннего состояния системы подразумевается напряжение мышц (упругие деформации мышц), температура тела и т.п. Инерция покоя оценивается массой тела, измеряемой отношением величины приложения силы к вызываемому им ускорению:


 

Инерция движения тела определяется величиной силы необходимой для остановки тела и направленной противоположно движению:


 

Сила - это мера механического действия одного тела на другое. Числено определяется произведением массы тела на его ускорение, вызванное данной силой.

При вращательном движении инертность тела определяется моментом инерции, равным произведению массы тела на квадрат радиуса вращения.


 

Действие силы определяется моментом силы, равным произведению величины силы на ее плечо:


 

Ускорение, приобретенное телом, прямо пропорционально действующей силе и обратно пропорционально его инертности:

- линейное ускорение a = F / m;

- угловое ускорение :

Поскольку ускорение есть изменение скорости в единицу времени:

отсюда следует:

Значит, изменение скорости тела зависит от величины силы и времени ее действия (t). Следовательно, можно выделить биомеханические характеристики:

- импульс силы:

- импульс момента силы

где D t = tk - tн - интервал времени от начала до окончания действия силы;

- средние величины силы вращающего момента.

Импульс силы - это мера воздействия силы на твердое тело за данный промежуток времени (в поступательном движении).

Импульс момента силы - это мера воздействия момента силы относительно данной оси за данный промежуток времени (во вращательном движении)



Вследствие воздействия импульса силы или момента силы тело изменяет свое движение или состояние. Эти изменения определяются количеством движения и кинетическим моментом. Количество движения - это мера поступательного движения, она определяется произведение массы тела на его скорость:


 

Кинетический момент - это мера вращательного движения, она определяется произведением момента инерции тела относительно оси вращения на его скорость.

Энергетические характеристики показывают, как изменения скорости движения и положения тела изменяют его энергетическое состояние. При движениях тело совершает работу. Механическая работа равна произведению силы на перемещение:


 

Для оценка силы определяют ее мощность, характеризующую быстроту выполнения работы. Мощность силы - это мера эффективности работы, т.е. быстроты выполнения работы, определяется следующим образом:


 

Энергия - это запас работоспособности системы. Кинетическая энергия механического движения тела определяет возможность совершения работы.

Потенциальная энергия тела - это энергия его положения, обусловленная взаимным расположением тел или частей тела; это энергия состояния тела, обусловленная внутренним напряжением мышц, температурой тела и др.


 

где g = 9,8 м/с2 - ускорение свободно падающего тела, h - высота центра масс тела над поверхностью земли, С - модуль упругости, D l - упругая деформация тела.

Полная энергия движущегося тела равна сумме его потенциальной и кинетической энергии в поступательном в вращательном движениях:

Экономичность двигательного аппарата человека характеризуется рядом показателей, в том числе коэффициентом механической эффективности:

где Е - количество метаболической энергии, N - скорость ее расходования, А - энергетическая стоимость метра пути или единицы полезной работы.

- пульсовая стоимость метра пути или единицы полезной работы, например для бега:

Пульсовую стоимость легче измерить, чем энергетическую и, в некоторых случаях, пульсовая стоимость информативнее энергетической.

Биомеханические характеристики являются одним из основных вопросов биомеханики. Без их усвоения нельзя рассчитывать на успех в изучении и практическом применении биомеханики.


Строение и функции биомеханической системы двигательного аппарата

Соединение звеньев тела


Опорно-двигательный аппарат состоит из органов опоры и движения. Твердую основу двигательного аппарата составляет его костный осевой скелет. Все кости соединяются в скелет посредством суставов. Мышцы, прикрепляющиеся к костям, обуславливают движения человека.

Таким образом, подвижно соединенные кости скелета под действием мышц обеспечивают двигательную функцию. Такая упрощенная модель тела человека называется биомеханической системой. На ней удобно изучать закономерности движения. Два костных звена, соединенные суставом, образуют биокинематическую пару . В скелете человека больше всего вращательных пар (т.е. шарнирных соединений). Винтовая пара (т.е. вращение с поступательным перемещением) имеется только в голеностопном суставе. И совсем нет поступательных пар. Несколько биокинематических пар, соединенных последовательно, образуют биокинематическую цепь. Различают замкнутые и незамкнутые биокинематические цепи. Незамкнутая - имеет свободное (конечное) звено. Здесь возможны изолированные движения в отдельно взятом звене. В замкнутых - нет свободного конечного звена. Здесь изолированные движения в одном звене не возможны, т.к. в движение неизбежно вовлекаются и другие соединения. Незамкнутая связь может перейти в замкнутую, если звено получит связь с другим звеном посредством опоры или захвата.


2. степени свободы в биокинематических цепях


Количеством степеней свободы тела называется количество независимых координат, которые определяют перемещение тела в пространстве.

Тело может передвигаться относительно трех взаимно-перпендикулярных осей поступательно и совершать вокруг них вращательные движения. Если закрепить свободное тело в одной точке, то у него останется 3 степени свободы, т.к. оно может вращаться вокруг трех осей. Если закрепить еще одну точку, то тело будет иметь только одну степень свободы - вращение вокруг оси. Если закрепить еще одну точку, то тело будет закреплено неподвижно и совсем не будет иметь степеней свободы.

В теле человека закрепление части тела в одной точке имеет шаровидный сустав. Так в плечевом суставе звено может только вращаться вокруг трех осей. В открытых (разомкнутых) биокинематических цепях степени свободы суммируются. Так, у бедра, относительно таза 3 степени свободы, у голени относительно бедра - 2 степени, значит у голени относительно таза уже 5 степеней свободы. Поэтому возможности комбинаций всех траекторий движения во всех суставах больше.

В спортивной практике ограничивают число степеней свободы для рационального движения и экономии движения. Так, например, лодка на гладкой поверхности имеет 3 степени свободы: перемещение по осям Х,У и поворот на угол a . При крене добавляется четвертая степень свободы (угол j ). К четырем степеням свободы добавляются перемещения в коленном суставе, тазобедренном, плечевом, локтевом, лучезапястном, перемещение банки и 3 степени свободы у весла. Всего 13 степеней свободы. Это минимальное число степеней свободы. Максимальное - значительно больше. Для экономии энергии нужно уменьшать число степеней свободы. Для уменьшения числа степеней свободы надо выполнять только те движения, которые вызовут прямолинейные поступательные движения лодки вдоль дистанции.


3. ЗВЕНЬЯ тела как рычаги и маятники


Кости, соединенные подвижно в суставах, представляют собой, с точки зрения механики, рычаги. Сустав представляет собой точку опоры рычага. Если силы приложены по обе стороны от точки опоры рычага, то рычаг называется двухплечным или рычагом I рода, если по одну сторону, то II рода.

Рычаг имеет следующие элементы:

- точку опоры О;

- точку приложения сил;

- плечи рычага; - плечи сил.

Мерой действия сил на рычаг является момент относительно точки опоры, т.е. произведение величины силы на ее плечо:


M(F) = F * d


Плечо сил измеряется длинной перпендикуляра, опущенного из точки опоры рычага на линию действия сил. Для равновесия рычага необходимо чтобы противоположно направленные моменты сил относительно оси рычага были равны. Если момент движущихся сил преобладает над моментом тормозящих сил, то звено приобретает положительное ускорение. В противном случае приобретается отрицательное ускорение и звено тормозится. Если мышцы сокращаются, то это движение преодолевающее. Если мышцы выполняют отрицательную работу и тормозят движение, то мышцы растягиваются и движение называется уступающим.

Если сила приложена под острым или тупым углом к рычагу, ее можно разложить на тангенциальную (касательную) F1 и нормальную Fn составляющие. Тангенциальная вращает рычаг и ее называют вращательной, а нормальная прижимает кости друг к другу и ее называют укрепляющей. Мышцы прикреплены вблизи сустава. В связи с этим, мышцы, действующие на костные рычаги, дают выигрыш в скорости и проигрыш в силе (т.к. плечо мало).

Звено, движущееся по инерции, имеет сходство с физическим маятником с периодом качаний

где J - момент инерции маятника относительно оси, проходящей через точку подвеса; m - масса; r - расстояние между точкой подвеса и центром масс; g - ускорение свободно падающего тела. Ускорение звена Е как маятника зависит от приложенного момента силы:


 

и момента инерции маятника


 

где Rнн - радиус инерции.

Биомеханическую систему человека в целом можно представить как систему соединенных между собой рычагов, которые являются еще и маятниками (прямыми или обратно перевернутыми) поэтому в каждом движении (шаге) моменты мышечных сил необходимо приспосабливать к переменным механическим условиям, чтобы обеспечить относительное постоянство движения тела.


Биомеханическая характеристика выносливости

Выносливость - это способность человека выполнять какую-либо работу с сохранением качества ее.

Выносливость - это способность человека преодолевать утомление и эффективно действовать при этом.

Если человек длительное время выполняет какое-то двигательное задание, то его движения можно классифицировать:

- по интенсивности (скорость, сила и т.д.);

- по объему (метры, работа и т.д.);

- по времени выполнения (секунда).

Эти показатели относят к эргометрическим.

Взаимосвязь этих показателей отображает так называемое правило обратимости двигательных заданий.

Выделяют 3 способа определение выносливости:

I способ.

- задается время выполнения работы

- измеряется объем работы (расстояние)

- определяется скорость выполнения

II способ.

- объем работы постоянен - const;

- измеряется время выполнения

- определяется скорость выполнения движения:

III способ.

- скорость выполнения постоянная

- измеряется время выполнения

- определяется объем работы


1. утомление и его биомеханическое проявление


Для оценки выносливости используют термин утомление, что означает временное снижение работоспособности. Различают умственное, эмоциональное и физическое утомление. Биомеханика рассматривает только физическое утомление.

При мышечной работе утомление проходит через 2 фазы:

1. Фаза компенсированного утомление - когда спортсмен сохраняет интенсивность движения на прежнем уровне (например, скорость бега).

2. Фаза декомпенсированного утомления - когда, несмотря на все старания, спортсмен не может сохранить необходимую интенсивность (например, турист, отставший от группы).

Утомление проявляется как в субъективных ощущениях, так и в объективных физиологических и биомеханических сдвигах - уменьшение систалического давления, сдвиг PH крови в кислотную сторону.

В фазе компенсированного утомления скорость передвижения не снижается, а изменяется только техника движения. Наиболее часто уменьшается длина шагов, которая компенсируется возрастанием частоты. Особенно наглядно это проявляется в плавании за механическим лидером.

Повышение устойчивости спортивной техники к утомлению является одной из важнейших задач спорта. Это достигается длительной тренировкой. Так, велосипедист высокого класса, при утомлении почти не меняет своей техники. В процессе тренировки в год он совершает 5 миллионов оборотов педалей.


2. факторы, характеризующие выносливость


Из априорной оценки следует, что на выносливость влияет:

Выносливость

Энергетический Экономичность

потенциал пользователя

Из физиологии и биомеханики известно, что энергетический потенциал организма можно составить из следующих составляющих:

МПК (Вт) Окислительная энергетическая система (максимальное потребление кислорода)

F0 (Кд) Фосфогенная энергетическая система (емкость)

L0 (Кжд) Лактацидная энергетическая система (емкость)

Следовательно, энергетический потенциал (метаболический) организма можно представить суммой его энергетических систем:

Отсюда можно вывести понятие коэффициента механической эффективности, он равен:


 

  КМЭ
- При работе на велоэргометре - При ходьбе - Бег - Плавание - У гепарда (кенгуру) - У рыбки (аквариум) 15 - 18 % 18 - 20 % 20 - 30 % 1 % 70 - 75 % 26 %


3. количественная оценка экономичности двигательной деятельности


Рассмотрим экономичность совместно с метаболической и механической сторон. Для количественной оценки удобна следующая формула:

Методика количественной оценки экономичности двигательной деятельности существенно упрощается, если оценивать энергетическую стоимость передвижения по частоте сердечных сокращений (ЧСС), тогда определяется пульсовая стоимость метра пути, т.к. ЧСС тесно коррелирует с потреблением кислорода.

Применяют также оценку в виде "рабочего пульса"

где V - средняя скорость передвижения (м/с)


4. СПОСОБ измерения выносливости


Выносливостью называется способность противостоять утомлению. Основной мерой выносливости является удержание заданной интенсивности движения. Например, на велоэргометре выставляется нагрузка 2000 гкм, и предлагается педалировать со скоростью 60 км/ч. Время удержания такой нагрузки с такой скоростью и будет определять выносливость спортсмена.

Другой пример: отжимают штангу весом 50 кг до отказа. Более вынослив тот, кто большее число раз поднимет штангу. Это абсолютная (явная) выносливость. Если учесть, что максимальная сила Fmax спортсменов различна, например, у одних 40 кг, у других 100 кг, то предлагают выжимать штангу, равную половине максимальной силы, т.е. 20 и 50 кг. Количество отжатий даст в этом случае относительную (латентную) выносливость. Латентная выносливость определяется:

1. Коэффициентом выносливости - отношение времени преодоления всей дистанции (400 - 48с) ко времени преодоления короткого отрезка. Тогда коэффициент выносливости определяют: КВ = tg / tдэт = 48 /11 = 4,36.
2. Запас скорости - разность между средним временем преодоления эталонного короткого отрезка (например, 100м) и лучшим временем на этом отрезке (400м) ЗС = tg / n - tэт = 48 / 4 - 11 = 1с, где n = 400м / 100м = 4. Чем меньше запас скорости, тем выше выносливость. С ростом мастерства запас скорости уменьшается. Например, у сильных бегунов на 400м он равен 1с, а у начинающих - 3с.



©2015- 2017 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.