Біомеханіка вимірювання в спорті

Рухи частин тіла людини представляють собою переміщення в просторі і часі, які виконуються в багатьох суглобах одночасно і послідовно. Рухи в суглобах за своєю формою і характером дуже різноманітні, вони залежать від дії безлічі прикладених сил. Всі рухи закономірно об’єднані в цілісні організовані дії, якими людина управляє за допомогою м’язів. Враховуючи складність рухів людини, в біомеханіки досліджують і механічну, біологічну їхнього боку, причому обов’язково в тісному взаємозв’язку.

Таким чином, біомеханіка людини вивчає, який спосіб і які умови виконання дій краще і як оволодіти ними. Загальна задача вивчення рухів полягає в оцінці ефективності докладання зусиль для досягнення поставленої мети. Яке вивчення рухів, в кінцевому рахунку, спрямоване на те, щоб допомогти краще виконувати їх. Перш, ніж приступити до розробки кращих способів дій, необхідно оцінити вже існуючі. Звідси випливає спільне завдання біомеханіки, що зводиться до оцінки ефективності способів виконання досліджуваного руху. Біомеханіка досліджує, яким чином отримана механічна енергія руху і напруги може придбати робоче застосування. Робочий ефект вимірюється тим, як використовується витрачена енергія. Для цього визначають, які сили здійснюють корисну роботу, які вони за походженням, коли і де прикладені. Те ж саме повинно бути відомо про силах, які виробляють шкідливу роботу, що знижує ефективність корисних сил. Таке вивчення дає можливість зробити висновки про те, як підвищити ефективність дії.

Головною метою роботи є визначення одиниць та похибок вимірювання, дослідження стандартів спорту та вивчення засобів вимірювання в біомеханіці.

Спостерігаючи рухи людини, можна помітити, що багато їх особливості весь час змінюються. Змінюється положення ланок тіла, швидкості руху і багато іншого. Особливості (або ознаки) руху дозволяють розділити складний рух на складові частини, помітити, як вони впливають одна на одну, як допомагають досягти мети. Для цього і вивчають характеристики рухів людини.

При вимірі характеристик рухів користуються відповідними одиницями вимірювань. При цьому виникає проблема вибору еталонів. Усі одиниці вимірювання поділяються на основні, додаткові та похідні.
Основні одиниці вимірювання – це такі, розмір яких встановлюється незалежно від інших одиниць. Похідні – це одиниці, які визначаються рівнями зв’язку, які виражають математичну залежність однієї величини від іншої. Системою одиниць прийнято називати сукупність окремих вимірювань, що охоплюють якусь специфічну область фізичних величин.

Єдності вимірювань досягається шляхом представлення результатів в узаконених одиницях і з певною ймовірністю помилок. Нині у біомеханіці використовується Міжнародна система одиниць – СІ (SI). Основні одиниці фізичних величин у СІ: одиниці довжини – метр (м); маси – кілограм (кг); часу – секунда (с); сили струму – ампер (А); термодинамічної температури – Кельвін (До); сили світла – кандела (кд); кількості речовини – моль (моль).

Додаткові одиниці  СІ – радіан (рад) і стерадиан (ер) – застосовуються для виміру плоского і тілесного кутів у просторі. Крім того, в біомеханічних вимірах використовуються ще такі одиниці: сили – ньютона (Н), температури – градуси Цельсія (° З), частоти – герців (Гц), тиску – паскаль (Па), об’єму – літр (л), мілілітр (мл).

У свою чергу біомеханічними характеристиками називаються показники, які використовуються для кількісного опису та аналізу рухової діяльності. Всі біомеханічні показники діляться на кінематичні, динамічні та енергетичні. Кінематичні характеризують зовнішню картину рухової діяльності, динамічні несуть інформацію про причини зміни рухів, енергетичні дають уявлення про механічну продуктивності і економічності (табл.1.).

Таблиця 1

Класифікація біомеханічних характеристик

У біомеханіці, крім точності та єдності вимірювань фізичних величин, що підлягають вимірюванню також біологічні, психологічні, педагогічні, соціальні показники, що характеризують рухову діяльність людини. Для цього розроблені спеціальні методи і засоби вимірювань, результати яких можуть об’єктивно характеризувати ступінь підготовленості людини до виконання певних рухових завдань.

Точність вимірювання – це якість вимірювання, яка характеризує близькість результату вимірювання до істинного значення вимірюваної величини. Точність є величиною кількісною, велика точність відповідає малим похибкам і навпаки. Достовірність вимірювань – ступінь довіри за результатом вимірювання, що характеризується імовірністю наближення істинного значення вимірюваної величини до вказаних меж.

Правильність вимірювання – це якість вимірювання, яка відображає близькість до нуля систематичних помилок у їхніх результатах.

Збіжність результатів вимірювання – це якість вимірювання, що відображає близькість результатів вимірювання один до одного, виконаних у однакових умовах.

Відтворюваність результатів вимірювання – це якість вимірювання, що відображає близькість результатів вимірювання один до одного, одержаних за різних умов.) У результаті вимірювання результатів рухової (спортивної) діяльності людини можуть виникати похибки. Похибка вимірювання – відхилення результатів вимірювання від істинного значення вимірюваної величини.

Систематичні помилки – помилки, величина яких не змінюється від вимірювання до вимірювання. Види систематичних помилок:

• інструментальні помилки (результат конструктивних недоліків вимірювальної апаратури);
• помилки установки (пов’язані з неправильним розташуванням вимірювальної апаратури);
• помилки, пов’язані з об’єктом вимірювання (залежать від емоційного збудження, втоми, стану мотивації спортсмена; один – стабільний, інший – ні);
• помилки суб’єкта вимірювання (пов’язані з індивідуальними властивостями дослідника, умовою запобігання є підбір кваліфікованих осіб);
• помилки методу (недостатня досконалість методи вимірювання, використання наближених формул при непрямому (опосередкованому) вимірюванні).

Випадкові помилки – це невизначені за величиною та природою помилки, в прояві яких не простежуються закономірності. Випадкові помилки важко ліквідуються, однак за допомогою методів математичної статистики можна оцінити величину випадкової помилки та врахувати її значення під час інтерпретації отриманих результатів.

Грубі помилки (промах) – призводять до виникнення невірних результатів вимірювання і характеризуються суттєвими відмінностями результату від ряду інших. Причиною таких помилок може бути непомічене порушення методики виконання вимірювань, неправильний підрахунок результатів за шкалою вимірювального приладу, неправильний запис результатів спостереження.

Результат вимірювання будь-якої величини відрізняється від істинного значення. Це відмінність, що дорівнює різниці між показанням приладу й істинним значенням, називається абсолютною помилкою (погрішністю) вимірювання, яка виражається в тих же одиницях, що і сама вимірювана величина:

х = х_іст – х_ізм

де х – абсолютна погрішність.

Під час проведення комплексного контролю, коли вимірюються

показники різної розмірності, доцільніше користуватися не абсолютною, а відносною помилкою (похибкою). Вона визначається за такою формулою:

х_відн =        х      *100%

х_ізм

Доцільність застосування х_відн пов’язана з такими обставинами.

Припустимо, що ми вимірюємо час з точністю до 0,1 с (абсолютна погрішність). При цьому, якщо йдеться про біг на 10 000 м, то точність цілком прийнятна. Але вимірювати з такою точністю час реакції не можна, оскільки величина помилки майже дорівнює величині, яку вимірюють (час простої реакції дорівнює 0,12-0,20 с). У зв’язку із цим, потрібно зіставити величину помилки та саму величину, яку вимірюють, і визначити відносну погрішність.

Відносні помилки бувають двох видів: дійсна (відношення абсолютної помилки до істинного значення вимірюваної величини) та приведена (відношення абсолютної помилки до максимально можливого значення вимірюваної величини).

Біомеханіка спорту як одна з основ теорії спортивної техніки допомагає науковому обґрунтуванню показників досконалості спортивної техніки, напрямків розвитку систем рухів у спортивних вправах, шляхів оволодіння технікою та її удосконалення, а також контролю в технічній підготовці. При цьому вивчаються біомеханічні вимоги до систем рухів, їх становлення та удосконалення.

Технічна майстерність спортсменів визначається тим, як вони володіють самим сучасним зразком існуючої спортивної техніки. Такі зразки називають еталонними. Вони звичайно розробляються за результатами попередніх вимірювань біомеханічних характеристик багатьох ведучих спортсменів. Потім у вигляді трьох видів моделей: статистичних, індивідуальних та ідеальних, запропоновуються як предмет для вивчення.

Найбільш загальні показники рівня спортивно-технічної майстерності – ефективність системи рухів (високий спортивний результат) при потрібному рівні надійності на основі високого рівня проведення спортивної підготовки в усіх її розділах.

Високий спортивний результат – обов’язковий показник майстерності. Спортивний результат залежить від доцільності всіх рухів, їх точності в досягненні мети і високої економічності (значний ККД застосованих сил).

Іншими словами кажучи, майстерність проявляється в ефективності техніки.

Наступний показник майстерності – висока надійність спортивних досягнень, здатність впевнено, з великою вірогідністю успіху повторювати їх при потрібній якості в різних умовах. Для високого рівня надійності потрібна успішна боротьба з перешкодами (стійкість до різноманітних впливів).

Ефективність і надійність являються наслідком високого рівня всіх сторін спортивної підготовки (фізичної, технічної, тактичної, психологічної та теоретичної). Біомеханічне вивчення проблеми майстерності йде по шляху визначення ефективності системи рухів, а також здатності боротися з відхиленнями від оптимальної програми.

У залежності від завдань спортивні вправи можна поділити на групи (табл. 2.)

Таблиця 2

Групи спортивних вправ

Стабільність високого результату, що визначається майстерністю, в кожній із груп вправ мають свої показники.

У першу групу показників входять:

а) об’єм;

б) різнобічність; в) раціональність технічних дій, які вміє виконувати спортсмен.

У другу групу:

а) ефективність;

б) освоєння виконання.

Шкала вимірювань у спорті – це упорядкована сукупність значень фізичної величини, яка служить основою для її вимірювання (табл.3.).

Таблиця 3

Характеристики і приклади шкал вимірювань (за Дж. Глассом, Дж. Стенлі)

Засіб вимірювання – це технічні засоби, що використовуються при вимірюваннях і мають нормовані метрологічні властивості. До них відносять: міру – засіб вимірювання, призначений для відтворення фізичної величини заданого розміру (гиря – міра маси), та вимірювальний прилад – засіб вимірювання, який дозволяє одержувати вимірювальну інформацію у формі, що є доступною для безпосереднього сприйняття її спостерігачем.

У практиці вивчення рухових дій людини використовуються візуальні та інструментальні методи контролю. У першому випадку фахівці, науковці, тренери, спортсмени, спостерігачі за переміщеннями тіла людини отримують переважно якісне уявлення про її рухи. Результат візуальної оцінки здебільшого є суб’єктивним, не основаним на чітких критеріях, його важко використати для порівняльного аналізу.

Інструментальні методи контролю є більш об’єктивними. За їх допомогою отримують кількісну оцінку характеристик та показників рухових дій людини, а також можливих змін, що відбуваються у її організмі під час тієї чи іншої рухової діяльності. Нині у біомеханіці для цього використовуються методики, прийоми, котрі запозичені з багатьох галузей знань. Для підвищення точності інструментальних методів вимірювання біомеханічних характеристик рухів залучаються всі останні досягнення інженерної думки — радіотелеметрія, лазерна техніка, радіоізотопи, інфрачервона техніка, ультразвук, ЕОМ, телебачення, відеотехніка тощо. Інструментальні методи контролю переміщень тіла людини методично зручно поділити на дві групи — контактні та безконтактні, хоча на практиці вони часто застосовуються у комплексі, доповнюючи один одного.

В оптичних та оптико-електронних методах контролю інформація передається на реєструючий пристрій променем світла або тепловим випромінюванням. У механо-електричних методах вона передається електричними сигналами по проводах або радіохвилями. Ці методи основані на перетворенні вимірюваної якимось чином фізичної величини, що об’єктивно відбиває певні якості рухів людини, в електричний сигнал (оскільки електрика є універсальним засобом передачі енергії та інформації) з наступним вимірюванням та реєстрацією. Основою інструментальних методів контролю є вимірювальні системи. На рис. 1 показано типову схему вимірювальної системи, що застосовується у біомеханіці, на рис. 2 — класифікацію інструментальних методів.

Блок-схема  складається з блоків. Блок 1 – об’єкт вимірювання (звичайно це організм людини або окремі точки, системи точок, біоланки), котрий виконує будь-які рухові дії. Блок 2 – пристрій, що сприймає вимірювану величину. Для цього використовується чутливий елемент засобу вимірювання – датчик. Він сприймає інформацію та передає її у наступний блок. Блок 3 – перетворювач. У ньому вимірювана величина перетворюється на електричну (гідравлічну, пневматичну) величину на основі фізичного закону про зв’язок між ними. Тут же відбувається посилення сигналу. Блок 4 призначений для передачі електричного сигналу на відстань (по проводах або радіотелеметричним зв’язком). Блок 5 призначений для обчислювальних операцій.

Датчики можуть мати найрізноманітніші конструктивні особливості. При вивченні рухів та інших змін в організмі людини найчастіше застосовуються датчики контролю біоелектричних процесів та датчики біомеханічних величин. До датчиків біомеханічних процесів належать датчики відведення біопотенціалів серцевого м’яза та датчики відведення біопотенціалів скелетних м’язів.

Для реєстрації біоелектричної активності м’язів застосовуються спеціальні датчики або відвідні електроди, котрі дозволяють вловлювати зміни електричної напруги, виникнення, поширення та припинення процесів збудження у працюючому м’язі.

Розрізняють електроди, що застосовуються для локальної (окремі рухові одиниці – РО), стимуляційної та глобальної електроміографії (ЕМГ). Для локальної та стимуляційної ЕМГ застосовуються електроди з малою відвідною поверхнею (діаметр – 0,65 мм і менше) та найбільшою міжелектродною відстанню. Такий електрод вводиться у м’язову тканину і відводить коливання біопотенціалів від окремих волокон або РО. Для дослідження інтенсивних природних рухів, особливо спортивних, застосовуються нашкірні електроди з великою поверхнею відведення (50 мм²). Ці електроди вловлюють сумарну різницю напруг на поверхні м’яза, що виникає при збудженні численних міоневральних закінчень.

Датчики біомеханічних процесів – тензорезистори – це вимірювальні перетворювачі малих деформацій на електричні сигнали, що дозволяють виміряти зусилля, котрі людина докладає до опори або, наприклад, до спортивного снаряда. Величина механічної деформації проводових елементів цих датчиків є пропорційною величині електричного сигналу та силі впливу, що докладається до них. Таким чином, визначивши механічну деформацію цих датчиків, можна розрахувати докладену силу.

Тензодатчики придатні для вимірювання як статичних, так і динамічних навантажень. їхня вхідна величина – переміщення малих деформацій, вихідна – зміна опору.

Реостатні датчики (гоніометри) використовуються для вимірювання кутів (амплітуд) руху у різних суглобах. Принцип дії реостатного датчика: його вхідна величина – кутове (лінійне) переміщення, вихідна величина — зміни електричного опору.

Акселерометри – це датчики для вимірювання прискорень. В основі роботи такого датчика – зміна сили інерції, що виникає під час руху. Сила інерції, котра впливає на певну масу акселерометра, пропорційна прискоренню, що виникає. Ця величина вимірюється тензодатчиком, наклеєним на пружний сило-вимірювальний елемент, що здатний сприймати деформацію тільки в одній площині.

Для реєстрації повного вектора прискорення (у трьох площинах) в одній конструкції монтують три однакових датчики та орієнтують їх перпендикулярно один до одного подібно до осей координат тривимірного простору. Основною перевагою електричних методів вимірювання біомеханічних величин є оперативність отримання вимірюваних характеристик та можливість автоматизації розрахунку характеристик, що безпосередньо не вимірюються з використанням АОМ.

Щоб результати різних вимірів можна було порівняти один з одним, їх виражають у одних і тих же одиницях. Сукупність встановлених певним чином одиниць для всіх фізичних величин називають системою одиниць.

Жоден вимір не може бути виконаний абсолютно точно. Результат вимірювання неминуче містить похибки, величина якої тим менше, чим точніше метод вимірювання і вимірювальний прилад.

Отже специфічною особливістю біомеханіки є біомеханічні характеристики рухів. Це показники кількісної оцінки, опису та аналізу механічного стану в результаті рухової діяльності. Всі біомеханічні показники діляться на кінематичні, динамічні та енергетичні.

Щоб ефективно виступати на змаганнях, спортсмен повинен володіти найбільш раціональної для нього технікою. Від того, з яких рухів і як побудовані рухові дії, залежить їх досконалість. Тому в біомеханіки спорту детально досліджують особливості різних груп рухів і можливості їх вдосконалення. Вивчають нині існуючу спортивну техніку, а також розробляють нову, більш раціональну.

Дані про зміни спортивної техніки в процесі тренування дозволяють розробляти основу методики технічного вдосконалення спортсмена. Виходячи з особливостей раціональної техніки, визначають раціональні шляхи її побудови, засоби і методи підвищення спортивно-технічної майстерності.

1. Ахметов, Рустам Фагимович. Біомеханіка фізичних вправ [Текст]: навч. посібник / Р. Ф. Ахметов ; Житомирський держ. ун-т ім. Івана Франка. – Житомир : Видавництво ЖДУ, 2004. – 124 с.
2. Біомеханіка і основи метрології [Текст] : навч.-метод. посіб. для здобувачів ступеня вищ. освіти “бакалавр” ден. та заоч. форм навчання спец. 6.010201 “Фізичне виховання”, 6.010202 “Спорт”, 6.010203 “Здоров’я людини” / Херсон. держ. ун-т, Ф-т фіз. виховання та спорту, Каф. мед.-біол. основ фіз. виховання та спорту; [уклад.] Р. Андрєєва. – Херсон: Вишемирський В. С., 2015. – 223 с.
3. Біомеханіка спорту: Навч. посібн.: А.М. Лапутін, В.В. Гамалій, О.А. Архипов, В.О. Кашуба, М.О. Носко, Т.О. Хабінець / За заг. ред. А.М. Лапутіна. – К.: Олімпійська література, 2001. – 319 с.
4. Дубровский В.И., Федорова В.Н. Биомеханика: Учеб. для средн. и высш. учебных завед. по физической культуре.– М.: ВЛАДОС-ПРЕСС, 2003. – С. 59-116, 127-136.
5. Назаров В.Т. Движения спортсмена Мн.: Полымя, 1984. – С.5-14, 29–41.
6. Сотский Н.Б. Биомеханика: Уч.пособие. – Мн.:АФК, 2002. – С. 13-28, 50-100.
7. Уткин В.А. Биомеханика физических упражнений: Уч. пос. для ф-тов физвоспит. – М.: Просвещение, 1989. – С. – 22, 27-37.