Biomechanics of Dynamic Posture in Sports Exercises and Methods of Its Formation.pdf Современные компьютерные технологии позволяют обосновать такие способы выполнения двигательных действий спортсмена, которые до настоящего времени не подвергались основательному биомеханическому анализу в силу значительного количества вычислительных операций, связанных с большой размерностью конфигурационного пространства биомеханических систем. Кинематический анализ механического движения объекта позволяет рассматривать форму траектории и вид движения совместно с положением объекта в фиксированные моменты времени. Совокупность значений обобщенных координат системы (qi) обычно задает конфигурацию движущейся системы и формально описывает так называемое конфигурационное пространство, трактуемое так: «Конфигурационное пространство (иногда также пространство конфигураций) - понятие в математической физике, вариационном исчислении и аналитической механике, абстрактное пространство, задающее конфигурацию системы - совокупность значений всех её обобщенных координат» [1. С. 1]. Здесь следует заметить, что размерность конфигурационного пространства равна числу степеней свободы системы, а обобщенные координаты в этом пространстве определяют положение системы в фиксированный момент времени. Понятие конфигурационного пространства и конфигурации движущейся системы с полным основанием можно применить и к биомеханической системе, в которой взаимное расположение звеньев можно описать с помощью обобщенных (qi) и присоединенных координат (ui), выраженных в виде разности смежных обобщенных координат (q,, q+): u, = q+ - q,. Здесь: i = 1, 2, n, где n - количество звеньев биосистемы. В работах [2, 3] применительно к пространственным изменениям взаимного расположения звеньев системы используется термин «реконфигурация», описывающий процесс изменения конфигурации системы. Так, например, в робототехнике под реконфигурацией манипуляционного робота понимается «управляемый процесс изменения конфигураций манипуляционного робота и грузов из начальной конфигурации в набор конфигурации цели» [2. С. 128]. Аналогичное определение понятию «реконфигурация» дано в более раннем изложении в статье В.Ю. Рутковского и соавт.: реконфигурация манипулятора - это «. управляемый процесс изменения конфигурации манипулятора при перемещении его звеньев из некоторого начального состояния в конечное, удовлетворяющее определенным требованиям, выполнение которых необходимо для успешного решения очередной задачи, стоящей перед космическим роботом» [3. С. 83]. Сформулируем понятие реконфигурации, которое будем в дальнейшем использовать для оценки как текущей конфигурации биомеханической системы (БС), так и конечной, обусловленной требуемым решением двигательной задачи в спортивном упражнении. Под реконфигурацией биомеханической системы будем понимать управляемый процесс изменения начальной конфигурации биосистемы в процессе решения двигательной задачи на некотором сегменте траекторного перемещения тела спортсмена, удовлетворяющий определенным требованиям кинематики и динамики опорно-двигательного аппарата тела спортсмена. Изменение начальной конфигурации БС осуществляется на основе изменения взаимного расположения ее звеньев, а сегмент траектории есть фаза движения, заданная начальной и конечной конфигурацией биомеханической системы в соответствующие моменты времени. Именно в этом смысле мы и будем использовать термин «реконфигурация» применительно к биомеханической системе, в которой при выполнении двигательного действия отмечаются изменения во взаимном расположении звеньев, а следовательно, и в величине суставных углов. В этой связи сохранение на некотором участке траекторного перемещения спортсмена неизменной (фиксированной) величины суставного угла в отдельном или нескольких суставах связывают с понятием «динамическая осанка» [4. С. 79]. По существу, динамическая осанка есть фиксация позы спортсмена в «застывшей» конфигурации БС на некотором участке траекторного перемещения тела, позволяющая решить двигательную задачу определенной фазы спортивного упражнения или его части. Основные идеи выполнения спортивных упражнений с сохранением неизменной конфигурации биосистемы в некоторых фазах и отдельных частях спортивного упражнения (динамическая осанка) сравнительно давно были выдвинуты и сформулированы в [5], а позже теоретически развиты в [4, 6, 7] и приняты на вооружение во многих видах спорта (спортивная и художественная гимнастика, акробатика, прыжки в воду с вышки и трамплина, прыжки на батуде, легкая атлетика, фристайл и др.). Авторы, изучающие проблему формирования динамической осанки в спортивных упражнениях [4, 5, 8, 9], отмечают, что процесс обучения двигательным действиям опирается на создание у спортсмена ориентировочной основы действий (ООД). В этой части проблемы мы согласны с мнением С.П. Евсеева: тренажерные устройства могли бы не только облегчить процесс поиска правильных движений, но и воспроизвести за спортсмена «...программу управляющих движений в суставах, обеспечивающую реализацию намеченного спортивного результата» [4. С. 14]. По существу, в данном случае под ООД понимается программа управляющих движений в суставах, аналогичная программе реконфигурации биосистемы, целевым результатом которой является программа положения звеньев тела спортсмена в узловых точках спортивного упражнения (границы фаз движения), выраженная в виде частных программ. Последние представляют собой, в описании В.Т. Назарова (1973), программы места, ориентации и позы [5]. По мнению С.П. Евсеева, азбукой описания движений являются два компонента операций: «1) одновременное изменение угла в тех или иных суставах (элемент управляющего движения) и 2) удержание неизменным взаимного расположения двух смежных звеньев или суставного угла (элемент динамической осанки)» [4. С. 79]. В рамках нашего исследования более пристальное внимание уделялось второму компоненту описания движений - динамической осанке. Здесь же мы учитывали, что «... при описании техники гимнастического упражнения следует давать не только кинематическую характеристику программы позы, но и ее динамическую (силовую) трактовку: 1) указать, активно (за счет мышечных сил) или пассивно (за счет внешних сил) осуществляется удержание неизменным или изменение суставного угла; 2) в каком направлении - совпадающем с направлением изменения угла в суставе или противоположном -должны быть направлены усилия в анализируемом суставе» [4. С. 79]. Большое разнообразие физических упражнений не позволяет применить к их классификации лишь один критерий классификационных признаков. Так, например, в спортивной физиологии [10] отмечается, что стандартные, или стереотипные, движения характеризуются относительным постоянством и последовательностью двигательных действий, что закрепляется и проявляется в виде динамического двигательного стереотипа. Классификация физических упражнений по признаку биомеханической структуры движения основана на критерии периодичности (ациклические стандартные движения и циклические стандартные движения) [11]. В стереотипных движениях закреплен определенный порядок двигательных действий, который регламентирует ограничения на возможную кинематику и динамику управляющих движений и пространственно-временные параметры техники спортивных упражнений. Требования достижения целевой установки в соревновательном упражнении диктуют необходимость стабилизации двигательного навыка, что вступает в диалектическое противоречие с необходимостью варьировать кинематические и динамические параметры упражнения в границах его безошибочного исполнения, обусловленного принципом постоянного совершенствования технического мастерства спортсмена и поиском более рациональных вариантов и совершенных способов выполнения. Одной из основных проблем эффективного использования элементов динамической осанки в спортивных упражнениях является существенное влияние внешнего силового поля (гравитационное воздействие) на качество и даже на саму возможность решения задачи траекторного перемещения атлета с сохранением неизменной структуры конфигурационного пространства биосистемы. Одним из результатов, полученных в работах [4-9], можно считать констатацию необходимости стабилизации межзвенных параметров спортсмена в режимах, требующих поддержания динамической осанки в определенных фазах спортивного упражнения. Однако эти результаты имеют несколько ограниченный характер. В частности, к вопросам, требующим более углубленного изучения, относятся, например, некоторые аспекты биомеханики движений спортсмена с динамической осанкой в силовом потенциальном поле; сведения о необходимой мышечной активности для сохранения жесткого кинематического каркаса динамической осанки в условиях переменного характера действия момента силы тяжести; подготовительные и подводящие упражнения, используемые в тренировочном процессе для формирования элементов динамической осанки. Таким образом, актуальность настоящего исследования определяется недостаточным уровнем механико-математического освещения проблемы построения спортивных упражнений с элементами динамической осанки. В этой связи рассмотрим более подробно биомеханические аспекты динамической осанки и программный интерфейс компьютерных вычислений кинематических и динамических показателей ее проявления в спортивных упражнениях, применимый для расчетов в условиях тренировочного процесса. Цель работы - определить и количественно оценить биомеханические факторы, обусловливающие силовой запрос к исполнителю спортивных упражнений с динамической осанкой. Объект исследования в нашем эксперименте -спортивные упражнения с элементами динамической осанки - относится к четвертому типу движений классификационной схемы Ю.К. Гавердовского [7]: обороты на опоре. В вычислительном эксперименте рассматривалось гимнастическое упражнение «большой оборот назад на перекладине». Биомеханические требования к деталям техники упражнения сводились к сохранению конфигурации звеньев тела спортсмена (расположение на одной прямой) в процессе перемещения модели на всей траектории движения, чем достигается реализация выполнения упражнения с сохранением динамической осанки. В исследуемом упражнении динамическая осанка поддерживается одновременно в плечевых и тазобедренных суставах. На всем участке траекторного перемещения тела спортсмена фиксируется расположение рук, туловища и ног на одной прямой. Амплитудные колебания изменения угла в суставах предельно минимизированы, и тело гимнаста вращается относительно грифа перекладины как единое целое. В качестве модельного представления подобного движения можно принять математическую модель движения физического маятника. Методы исследования. В реализации цели исследования использовалась группа общенаучных и специальных методов: системный анализ, биомеханическое формирование модели опорно-двигательного аппарата тела человека, компьютерное моделирование, вычислительный эксперимент. Результаты исследования получены на материале компьютерного моделирования с использованием расчетной модели анализа вращательных движений биомеханической системы в условиях опоры. Модель опорно-двигательного аппарата биомеханической системы. Кинематическую схему исследуемого упражнения можно представить в виде трехзвенной модели опорно-двигательного аппарата тела человека [12], в которой руки - первое звено, туловище и голова - второе, ноги - третье звено (рис. 1). 4 Рис. 1. Трехзвенная модель биомеханической системы в плоскостном движении Используем физический маятник в качестве прототипа модели опорно-двигательного аппарата (ОДА) тела спортсмена, решающего конфигурационную задачу сохранения динамической осанки во всех суставах на сегментарном участке траекторного перемещения биосистемы. Положительное направление вращения физического маятника - движение против хода часовой стрелки. Отсчет обобщенной координаты выполняется от горизонтального положения модели в положительной области числовой оси Ох ДСК (рис. 1, А). Введем обозначения для кинематических характеристик движения модели биомеханической системы и ее масс-инерционных характеристик (МИХ): i, j - буквенный индекс номера звена модели; N - количество звеньев модели; (р., Q - обобщенная координата i-го звена; р., Q - обобщенная (угловая) скорость i-го звена; р., Q - обобщенное (угловое) ускорение i-го звена; Li - длина i-го звена; S/ - расстояние от i-1-го сустава до центра масс i-го звена; mi - масса i-го звена; Pi - вес i-го звена; Ji - центральный момент инерции i-го звена; S - расстояние от оси вращения (опора) до центра инерции физического маятника (спортсмена); m - масса физического маятника (спортсмена); Jc - центральный момент инерции физического маятника (спортсмена); Jo - момент инерции физического маятника (спортсмена) относительно неподвижной оси вращения О. Система отсчета (см. рис. 1, А) - инерциальная. Ориентация физического маятника определяется значением угла р, отсчитываемого от горизонтальной оси Ох ДСК. Так, например, в вертикальном положении физического маятника над опорой р = 900; если маятник расположен в вертикальном положении под опорой, то р = 2700 (или р = -900). Отсчет, выполняемый против хода часовой стрелки, принимается за положительное направление. Центр инерции физического маятника находится на расстоянии S от оси вращения О, расположенной перпендикулярно плоскости рисунка (см. рис. 1), он является постоянным и не меняет своего значения в процессе вращательного движения маятника в плоскости Оху. Рассмотрим биомеханические параметры спортивных упражнений с элементами динамической осанки на модели физического маятника, совершающего вращательное движение в условиях жесткой опоры с ограничениями: момент силы трения опоры и внешние моменты сил равны нулю; учитывается только действие момента силы тяжести. Диссипативные силы ничтожно малы и не учитываются. Силовые характеристики управления движением. Движения человека при выполнении спортивных упражнений являются целенаправленными, что существенным образом отличает их от естественных движений. Формирование целенаправленных движений осуществляется при помощи особых сил, называемых управляющими. С этой точки зрения человек - самоуправляемая система, которая использует мышечные силы для управления движением. Мышечные силы биосистемы - внутренние силы системы. В математической форме влияние мышечных сил на поведение биосистемы записывается в форме управляющих моментов мышечных сил. Подчеркнем: в уравнениях движения человека силовая компонента управления движением записывается не в форме силы, а в виде момента силы, представленной в спортивной биомеханике как управляющие момен- NN У Ap cos(Pj~Pi) -У Ap" sin(Pj~Pi)+ Y cosP = M -Mi+i-j=ij=i Здесь приняты обозначения: i - номер уравнения; N - количество звеньев модели биосистемы; Aij - двумерный массив динамических характеристик звеньев модели; Yi - одномерный массив обобщенных сил; Mi - управляющий момент мышечных сил в i-м суставе. Развернутая запись динамических характеристик Aij имеет вид Ац = Ji + m,S, + Li (m2 + m3); A12 = L1 (m2 S2 + m3 L2); A13 = m3 S3 Д; (2) A22 =J2 +m2S22+ m3L22; A23 = m3S3L2; А33 =J3 +m3S32 . Здесь следует учесть, что i = l, 2, 3; j = i, 2, 3; если i > j, то Aij = Aji. Смысл коэффициентов Yi, содержащихся в левой части уравнений (i), заключается в том, что они яв-ты мышечных сил в суставах спортсмена, реализующие вращательную составляющую силы тяги мышц [i3. С. 20i]. Запишем для принятой трехзвенной модели ОДА спортсмена уравнения движения в компактной форме [i3]: (i) ляются обобщенными силами в уравнениях Лагранжа и в развернутой записи имеют вид Y = ( PS + P2 Li + P3 Li); Y2 =( P2 S2 + p L2); Y3= (P3S3). (3) Управляющее воздействие мышечных сил на биомеханику движения спортсмена заключается во введении в правую часть уравнений (i) моментов мышечных сил в суставах (M), записываемых для i-го уравнения системы (i) в виде алгебраической суммы слагаемых Mi - Mi+i, где Mi+i Ф 0, если i

Скачать электронную версию публикации