Модуль 5

Х1

Х1

Або

План

1. Поняття про системи відліку площини та осі.

2. Біокінематична схема, як загальна модель ОРА.

3. Визначення просторово-часових, характеристик руху.

4. Закони рухів ОРА тіла людини.

5. Практичне заняття. РГР № 4. Визначення та теоретичний зміст просторово-часових характеристик та законів руху.

Література: підручник "Біомеханіка спорту", розділ 3 стор. 19-29, розділ 8 стор. 141-182.

1. Біокінематика (від грецького bios - життя, kinematos - рух) - розділ біомеханіки, який вивчає рух живих тіл та біологічних систем.

Взагалі кінематика - розділ механіки, який вивчає зовнішні закономірності рухів матеріальної точки.

Вивчення біокінематичних характеристик руху починається з систем відліку на площині у просторі. В теоретичній механіці відомі два шляхи вивчення рухів матеріальної точки: векторний та координатний. При визначенні руху ОРА ці шляхи зберігаються, але визначається закономірність системи матеріальних точок (ЗЦМ кожної біоланки розуміється як окрема точка).

Координатний метод визначення рухів заключається в тому, що тіло рухається у трьохмірній системі координат (вісь X - абсцис, вісь Y - ординат, вісь Z - аплікат), та відповідно у трьох площинах: ZOX - фронтальна площина; ZOY - сагітальна площина; YOX - горизонтальна площина.

Н=6 (шість ступенів свободи з якими рухається тіло).

Системи відліку. Вивчити просторові і часові характеристики можливо тільки тоді, коли відомі точки та системи відліку. В біомеханіці розглідається нерухома та рухома система відліку:

- нерухома система відліку пов'язана з поверхнею землі і зветься інерціальною;

- рухома система відліку пов'язана з переміщенням біоланок відносно ЗЦМ, який проходять через точку L ₅ чи, (за новою класифікацією: точка між 20-21 парами хребта) і зветься соматичною системою координат.

2. Біокінематична схема, модель тіла людини, де кожне статичне положення біоланки - це відрізок прямої, суглоб - крапка, голова - умовна куля, стопа - опорний трикутник (мал.. 11). Згідно з цим при вивченні руху в одній площині - сагітальній, при великих маштабах зменшення, 1:10 та менше, ЗЦМ моделюється в точкі кульшового суглобу.

3. Визначення просторово – часових характеристик:

1). Координата (А) – розташування (локалізація) точки: на площині (х; у); у тривимірному просторі (х; у; z);

2). Траєкторія (Т) – геометричне місце ЦМ руху від початку до кінця відліку.

3). Відстань, довжина (L) - характеризує координати біоланок чи їх розмір пози тіла відносно нерухомого положення.

4). Переміщення (S) - характеризує зміну координат руху ЦМ біоланки від початку до кінця відліку.

Поєднання руху у просторі і часі характеризується швидкістю руху - лінійна швидкість: V=S/t (м/с);

4. У біомеханічному аналізі рухових дій людини найчастіше оцінюється рух не тільки окремих точок, але й усієї системи точок тіла. Найпростішим рухом усього тіла людини, як абсолютно твердого тіла є поступальний прямолінійний рух (усі точки тіла при цьому мають однакові траєкторії). Відрізняють:

рівномірний, прямолінійний (поступальний) рух: а=0 (V=const);

поступальний рівноприскорений рух: а > 0;

поступальний рівносповільнений рух а < 0.

Тому, найбільш важливим у біомеханічному аналізі, являється визначення прискорення (зміна швидкості в одиницю часу).

Отже прискорення поступального руху визначається, як: а=∆V/∆t (м/с²

Одним з найпоширеніших рухів точок тіла людини є криволінійний рух. Вектор швидкості точки у криволінійному русі безперервно змінює свій напрямок відповідно до форми її траєкторії, залишаючись постійно дотичною до неї. Прискорення, що характеризує зміни вектора швидкості за напрямком, називається нормальним або доцентровим прискоренням.

Більш складним є обертальний рух тіла (усі точки тіла при цьому описують кола різного радіуса, але мають одну загальну вісь обертання). Цей рух також може бути рівномірним та перемінним. Біокінематичними характеристиками цього руху є кутові переміщення α,

кутова швидкість: w = α/t (рад/с),

та кутове прискорення: e = ∆ w / ∆ t (рад/с²).

У практиці, зокрема при аналізі деяких гімнастичних вправ, швидкості обертання тіла виражають числом обертів за одиницю ча­су. Оскільки при одному оберті тіло повертається на кут у 2p радіан, то для тіла, що зробило n обертів за час t, кутова швидкість визначається за формулою: w = 2p n/ t; де, відношення n / t, що дорівнює числу обертів на секунду, називають частотою обертання.

При обертальному русі кожна точка тіла людини описує коло і проходить відповідний шлях, величина котрого за одиницю часу характеризує лінійну швидкість (v) даної точки, котра тим більша, чим на більшій відстані від осі обертання (r) вона знаходиться (лінійна швидкість точки тіла при даній кутовій швидкості прямо пропорційна її відстані до центра обертання тіла):

v = ω ∙ r

Рівномірний обертальний рух тієї чи іншої точки тіла, котра вивчається, характеризується нормальним лінійним прискоренням (а_н), котре дорівнює відношенню квадрата її лінійної швидкості до радіуса обертання:

а_н = v ² / r

У цьому виразі можна замінити лінійну швидкість на кутову, тоді отримаємо:

а_н = ω ² ∙ r

У тому випадку, якщо обертання тіла перемінне, його швидкість змінюється за величиною та напрямком, то воно характеризується також дотичним прискоренням:

а_Т = dv/dt

e_Т = dw/dt

Оскільки відношення кутової швидкості до часу є кутовим прискоренням, то можна записати:

а_Т = e ∙ r

Тоді повне прискорення даної точки тіла людини, котре обертається, дорівнює геометричній сумі нормального та дотичного прискорень:

У ряді випадків тіло людини може здійснювати так звані плоско-паралельні рухи. Це спостерігається, коли усі його точки рухаються у площинах, паралельних одній нерухомій площині (наприклад, з певними допущеннями таким рухом можна вважати біг спортсмена по дистанції, котрий регламентується вертикальним положенням та простором, обмеженим біговою доріжкою). При цьому усі точки його тіла мають неоднакові траєкторії та швидкості (на відміну від поступального руху). Такий рух може бути проаналізований шляхом розкладання його на складові руху: поступальний зі швидкістю будь-якої довільно взятої точки тіла та обертальний рух інших точок його тіла навколо цієї точки. Дана точка у механіці називається полюсом обертання. Якщо за полюс приймається така точка, швидкість у котрій у даний момент часу дорівнює нулю, то полюс є миттєвим центром.

Миттєвий центр швидкостей у плоскопаралельному русі описує лінію, що називається центроїдою. Положення цього полюса на центроїді у кожний момент часу називається миттєвим центром обертання тіла людини. Рух полюса відносно нерухомої площини розглядається як переносний рух. Рух точок навколо полюса у такому випадку вважається відносним рухом.

Важливим у біомеханіці є взаємозв'язок швидкостей та прискорень в поступально-обертальному та в обертально-поступальному рухах:

1) якщо середні показники швидкості та прискорення поступального руху більше середніх показників швидкості та прискорення обертального руху, то тіло буде рухатись по поступально-обертальній траекторії.

2) якщо середні показники швидкості та прискорення поступального руху меньше середніх показників швидкості та прискорення обертального руху, то тіло буде рухатись по обертально-поступальній траекторії.

4. Закони рухів ОРА тіла людини

І. Прямолінійний рух:

1. Прямолінійний – поступальний: а = 0 (V=const).

2. Прямолінійний – прискорений: а > 0.

3. Прямолінійний – сповільнений: а < 0.

ІІ. Обертальний рух:

4. Обертальний–відцентровий (прискорений)-закон конусу e >0.

5. Обертальний–доцентровий (сповільнений) - закон воронки: e < 0.

6. Рух маятнику (змішаний): e = 0; e > 0; e < 0.

ІІІ. Складний рух:

7. Поступально – обертальний: а > .

8. Обертально – поступальний: > а.

9. Локомоторні рухи – циклічні і ациклічні.

ІV. Ударні взаємодії (прості, складні, змішані):

10. Спортсмен-опора.

11. Спортсмен-спортсмен.

12. Спортсмен-снаряд.

5.Практичне заняття. РГР № 4.

Тема: Визначення та теоретичний зміст просторово-часових характеристик та законів руху.

Хід роботи.

1. Побудувати біокінематичну модель стрибка у довжину (мал.11), визначити індивідуальний масштаб зменшення:

;

Висновок: індивідуальний масштаб зменшення = 20

2. Зробити фазовий аналіз (найменший часовий елемент, який повністю вирішує конкретну рухову задачу):

І розбіг (1-2-3 кадри), ІІ відштовхування (4-5 кадри), ІІІ виліт (6-10 кадри). Розрахунок часу фаз (): . Час всього руху: 0,12 + 0,08 + 0,2 = 0,4 с

3. Розрахувати часові характеристики (табл. 5).

Таблиця № 5. Часові характеристикифазового аналізу

№ з/п	Фаза	Момент часу	Час фази (с)
початок	кінець
І.	Розбіг (3 кадри)		0,12	0,12
ІІ.	Відштовхування (2 кадри)	0,12	0,2	0,08
ІІІ.	Виліт (5 кадрів)	0,2	0,4	0,2

4. Побудувати лінійну (табл.6) і колову (табл.7) хронограми

0,4=100% (наприклад: 100мм)

(30мм) (20мм) (30мм)

Таблиця № 6. Лінійна хронограма фазового аналізу

І фаза

ІІ фаза

ІІІ фаза

Мал.11. Біокінематична модель стрибка у довжину, сагітальна площина (індивідуальний масштаб зменшення: 1:35).

Таблиця № 7. Колова хронограма фазового аналізу

0,4=360˚

5. Розрахувати ритм руху та зробити висновок по часових характеристиках: Дорівнюємо час 2-і фази до 1, тоді:

1фаза = 3фаза = Ритм: 1,5:1:2,5

Висновок1. Головним інтегральним показником часових характеристик є визначення співвідношення фаз, тобто ритм руху. Таким чином за даними наших розрахунків ритм дій стрибуна 1,5:1:2,5. Це означає, що 1 і 3 фази більші за 2 фазу. 1 фаза у півтора рази більша за 2, а 3 фаза у 2,5 рази. Отже якість виконання руху (стрибка у довжину) є високою.

Так само моделюють прості рухи: хода людини - 3 фази:

відштовхування - пронос – постановка.

Ритм ходи: 1:2:3/1:2:3 - ліва / права нога.

У людей з вадами, з порушенням симетрії порушується і ритм ходи.

6. Розрахувати просторово-часові характеристики рухової дії (лівого передпліччя стрибуна) та заповнити таблицю № 8.

1. 2. Лінійні переміщення, Sх (м): 4. Лінійні швидкості, V =Sх/t (м/c):

5. Різниця швидкостей, 6. Лінійні прискорення,

∆ V = V_n+1-V_n (м/с): а = ∆ V/ ∆t (м/с):

7. Кутові переміщення, α (град): 8. Кутові переміщення, α (рад):

9. Кутові швидкості, 10. Різниця кутових швидкостей,

w = α/t (рад/с), ∆ w = w _n+1 - w _n (рад/с):

11. Кутові прискорення,

e = ∆w /∆t (рад/с²):

Таблиця №8. Вимірювання просторово-часових характеристик рухової дії (лівого передпліччя стрибуна)

№ з/п	ХАРАКТЕРИСТИКИ	КАДРИ (№№)
	Лінійне переміщення Sх (мм)
	Лінійне переміщення Sх(м)	0,8	0,38	0,36	0,28	0,18	0,2	0,26	0,32	0,42	0,46
	Час кадру t(c)	0,04
	Лінійна швидкість, V(м/c):		9,5			4,5		6,5		10,5	11,5
	Різниця швидкостей, (м/с)		9,5	-0,5	-2	-2,5	0,5	1,5	1,5	2,5
	Лінійне прискореня,			-12,5	-50	-62,5	12,5	37,5	37,5	62,5
	Кутове переміщення, (град)		-15	+40	+45	+30	+13	-12	-13	-15	-16
	Кутове переміщеня, (рад)		-0,26	+0,69	+0,78	+0,52	+0,22	-0,21	-0,22	-0,26	-0,28
	Кутова швикість, (рад/с)		-6,5	17,25	19,5		5,5	-5,25	-5,5	-6,5	-7
	Різниця швидкостей, (рад/с)		-6,5	23,75	2,25	-6,5	-7,5	-10,75	-0,25	-1	-0,5
	Кутове прискорення,				56,25	-162,5	-187,5	-268,8	-6,25	-25	-12,5

7. Побудувати графіки просторово-часових характеристик (лівого передпліччя стрибуна):

Графік горизонтального переміщення лівого передпліччя стрибуна (S_м ):

Графік лінійної швидкості (Vм/с ---) та лінійного прискорення

(а м/с² ) лівого передпліччя стрибуна:

8. Зробити висновок, в якому кадрі відбувається зміна закону руху:

Висновок 3. Зміна закону руху зі сповільненого на прискорений відбувається в 5 кадрі, тому в цей момент часу лінійне прискорення лівого передпліччя стрибуна дорівнює 0.

α(град)

9. Зробити загальний висновок (2) про закон руху, порівнявши максимальні показники лінійних та кутових швидкостей та прискорень.

Максимальні значення: 1. V=9,5м/с; 2. = 62,5 м/с

3. = 19,5 рад/с; 4. =593,75 рад/с

> V у 6,6 рази; > у 31 раз.

Висновок 4. Порівнявши максимальні показники лінійної та кутової швидкостей, лінійного та кутового прискорень, ми бачимо, що кутова швидкість у 6,6 рази більша за лінійну. Кутове прискорення в 31 рази більше за лінійне. Отже, закон руху лівого передпліччя стрибуна обертально - поступальний.

БІОДИНАМІЧНИЙ АНАЛІЗ

Тема 5.1: Біодинаміка

Дата добавления: 2015-05-09