Біомеханічні методи дослідження у спорті
1. Поняття методу дослідження
Метод (грецьк. Methodos - шлях до чого-небудь) - в найзагальнішому значенні - спосіб досягнення мети, певним чином упорядкована діяльність.
Метод дослідження вибирають виходячи з умов проведення та завдань дослідження. До методу дослідження і апаратури, яка забезпечує його, висувають такі вимоги:
- Метод і апаратура повинні забезпечувати отримання вірогідного результату, тобто ступінь точності вимірювань повинна відповідати меті дослідження;
- Метод і апаратура не повинні впливати на досліджуваний процес, тобто викривляти результати та заважати піддослідному;
- Метод і апаратура повинні забезпечувати оперативність отримання результату.
Приклад. Тренер і спортсмен поставили за мету поліпшити результат в бігу на 100 м на 0,1 с. Спринтер пробігає дистанцію 100 м за 50 кроків, отже, час кожного кроку має в середньому бути зменшено на 0,002 с. Очевидно, для отримання певного результату, похибка вимірювання тривалості кроку не повинна перевищувати 0.0001 с.
2. Етапи вимірювань
У дослідженні будь-якого явища існують три етапи:
- Вимірювання механічних характеристик. Вимірювання механічних характеристик здійснюється на основі методів, які описуються в цій лекції.
- Обробка результатів дослідження. Зараз для обробки результатів використовують спеціальні комп'ютерні програми. Так, наприклад, комп'ютерна програма Video Motion, призначена для атлетизму, дозволяє на основі даних фільмування розрахувати траєкторію, швидкість і прискорення руху будь-якої точки тіла спортсмена, в тому числі та грифа штанги.
- Біомеханічний аналіз і синтез. На кінцевому етапі вимірювань на основі отриманих механічних характеристик оцінюється техніка рухових дій спортсмена і даються рекомендації по її вдосконаленню.
3. Склад вимірювальної системи
Вимірювальна система містить в собі:
- Датчик інформації;
- Лінію зв'язку;
- Пристрій, що реєструє дані;
- АЦП
- Комп'ютер;
- Пристрій для виведення даних.
Датчик - елемент вимірювальної системи, який безпосередньо вимірює (приймає) певну біомеханічну характеристику руху спортсмена. Датчики можуть кріпитися на спортсмені, спортивний інвентар та обладнання, а також на опорні поверхні.
Лінія зв'язку служить для передачі інформації від датчика, що реєструє до пристрою. Лінія зв'язку може бути дротовою і телеметричною. Дротовий зв'язок являє собою передачу інформації через багатожильний кабель. Його перевагою є простота і надійність, недоліком - перешкоди рухам спортсмена. Телеметричний зв'язок - передача даних через радіоканал. У цьому випадку на спортсмена найчастіше розташована передавальна антена, а у пристрою, що реєструє є приймальня антена, за допомогою якої сигнал сприймається.
Пристрій, що реєструє - прилад, в якому відбувається процес реєстрації біомеханічних характеристик рухів спортсмена.
Довгий час існувала аналогова форма запису сигналу. Наприклад, аналоговий запис сигналу в відеокамерах на магнітну стрічку. Зараз широко поширена цифрова форма запису сигналу (у вигляді послідовності цифр на певний цифровий носій, наприклад, DVD-диск).
АЦП - аналого-цифровий перетворювач - пристрій, що перетворює аналоговий сигнал в цифрову форму.
ПК - персональний комп'ютер, в якому відбувається обробка сигналу, за допомогою певної комп'ютерної програми. Після цього інформація про біомеханічні характеристики спортсмена виводиться на принтер або монітор.
В цей час знайшли широке застосування наступні методики дослідження:
- Оптичні методи (кіно- і відеознімання з наступним аналізом, оптоелектронна циклографія);
- динамометрія;
- акселерометр;
- електроміографія.
Саме про ці методи ми поговоримо докладніше.
4. Оптичні методи дослідження
Фільмування - оптичний метод дослідження. Цей метод належить до безконтактних засобів вимірювання. Основи цього методу заклали Ж.Л.Дагер, Е.Ж.Маре, Е. Майбрідж. Це дуже зручно, оскільки система не заважає спортсмену при виконанні рухових дій. Основним технічним засобом для такого методу дослідження була кінокамера. Для проведення біомеханічних досліджень застосовували кінокамери з високою частотою знімання (від 100 кадрів в секунду і вище). Недоліком кінознімання була необхідність спеціальної обробки кіноплівки. В сучасний час в біомеханічних дослідженнях найчастіше застосовуються два інших оптичних методи відеознімання на цифрові носії та оптоелектронна циклографія.
Відеознімання - оптичний метод дослідження, що дозволяє фіксувати рухову дію на електронній матриці відеокамери. Для досліджень з біомеханіки зручно використовувати високошвидкісне знімання яке дозволяє сповільнити рух на екрані та переглянути або в уповільненому режимі, або кадри по черзі та вивчити рух всіх подробицях.
Сьогодні сповільнену зйомку може призвести практично кожен тренер, сучасні смартфони здатні знімати відео на високій швидкості та в хорошій якості. Сучасні біомеханічни дослідження застосовують відеокамери, що дозволяють виконувати знімання до 1000 кадрів в секунду і вище.
Для реєстрації виконання спортсменом силових вправ на камеру може використовуватися цифрова відеокамера Canon LEGRIA GX10 (рис.1). Завдяки датчику зображення CMOS типу 1.0, підтримки запису 4K 50p, гамі Wide DR для розширення динамічного діапазону до 800% і функції високошвидкісне знімання 100 кадрів в секунду.
Оптоелектронна циклографія - оптичний метод дослідження, який полягає в тому, що на суглобах спортсмена кріпляться активні маркери - мініатюрні випромінювачі, що працюють в інфрачервоному діапазоні спектра електромагнітних хвиль. Інфрачервоний сигнал від датчиків надходить в телевізійну камеру, матриця якої перетворює надходять сигнали в цифровий вигляд і передає в комп'ютер. За допомогою оптоелектронної циклографії с рухові дії спортсменів вивчаються не в площині, а в тривимірному просторі. З цією метою навколо спортсмена встановлюють кілька камер, що реєструють рухи.
5. Динамометрія
Динамометрія - метод, застосовуваний для оцінки силових здібностей спортсмена. Інформативним показником силових здібностей є сила, що розвивається певною м'язової групою. Для вимірювання сили м'язів використовуються динамометри, які діляться на механічні та електронні. Основи динамометр закладені французьким фізіологом Етьєном-Жюлем Маре.
Найважливішою деталлю механічних динамометрів є пружина, яка повинна працювати в області лінійної деформації. Це означає, що вимірюється сила прямо пропорційна подовженню пружини. При вимірах в спорті дуже часто застосовуються кистьові та станові (рис. 2, рис. 3) динамометри. Так, наприклад, для вимірювання сили тяги в паверліфтингу використовується становий динамометр. Діапазон вимірювань становить від 100 Н до 1800 Н з похибкою +/- 2% по всій шкалі. Вага 1.8 кг, розмір 25,4х6,35 см. Ручка з міцного алюмінію зі зручним місцем для захоплення.
Недоліком механічних динамометрів є оцінка одного, найчастіше максимального значення сили. У зв'язку з цим, якщо необхідно вивчити зміну зусилля, що розвивається м'язовою групою або спортсменом, застосовуються електронні динамометри. В цьому випадку датчиком є не пружина, а тензодатчик, а сама методика називається тензодинамометрія.
Метод тензодинамометрії дозволяє зареєструвати зусилля, що розвиваються спортсменом при виконанні різних фізичних вправ.
В процесі виконання спортивних рухів спортсмен надає механічну дію на найрізноманітніші предмети: спортивний снаряд, підлогу, доріжку, які в результаті цього деформуються. Для того, щоб виміряти значення зусиль, що розвиваються спортсменом, використовують спеціальні тензодатчики, що перетворюють механічну деформацію в електричний сигнал. В основі роботи тензодатчиків лежить тензоефект. Суть тензоефекту - зміна опору провідника при його подовженні.
Тензодатчик являє собою заклеєну між двома смужками паперу дріт діаметром 0.02-0,05 мм. Він наклеюється на пружний елемент, що сприймає зусилля, який утворює спортсмен.
У 1938 році були розроблені перші тензодатчики, які працювали на основі тензоефекту. У 1947 році тензометрія вперше стала застосовуватися в фізичних дослідженнях.
У спорті вперше в 1954 році М.П. Михайлюк закріпив тензодатчик на грифі штанги, П.І. Никифоров (1957) розробив тензоплатформу для запису зусиль при відштовхуванні в стрибках у висоту. У 1963 році В.К. Бальсевіч використовував тензодінамометрічні устілки для аналізу бігу спринтерів різної кваліфікації. Ним було встановлено кілька типів відштовхування.
Методика тензодинамометрії активно застосовується у важкій атлетиці. Одне з ключових завдань тренера полягає в наданні інформації про помилки, тобто зворотний зв'язок від тренера до спортсмена. Зворотний зв'язок є важливим елементом навчання. Спортсмен повинен отримувати на регулярній основі інформацію, яка дозволяє порівняти власну діяльність з ідеалом чи моделлю. В результаті такого порівняння, спортсмен отримає знання про свою діяльність і має можливість працювати на виправлення своїх помилок.
Така методика розроблена А.Н. Фураєвим (1988) і модернізована І.П. Кожекіним (1998). Автоматизований стенд складається з тензодінамометричної платформи, АЦП (аналого-цифрового перетворювача) і комп'ютера. В експертній системі комп'ютера закладені зразки, що характеризують правильне і неправильне виконання рухової дії (ривка, стрибка вгору і стрибка в глибину). Зіставляючи отримані результати, експертна система, побудована на аналізі тензодінамограми, дозволяє спортсмену в реальному масштабі часу отримати інформацію про помилки в техніці рухової дії та ввести коригування, щоб їх усунути.
6. Акселерометрія
Акселерометрія - біомеханічний метод реєстрації прискорення тіла спортсмена, або його окремих частин, а також прискорень спортивних снарядів. Наприклад, у важкій атлетиці інформативним показником техніки рухів спортсмена є прискорення центру мас штанги.
У якості датчиків використовуються спеціальні акселерометри. Принцип дії датчика-акселерометра наступний. До досліджуваного об'єкта прикріплюється маса за допомогою зв'язку, що має певну жорсткість. Потім на основі відомої маси і жорсткості зв'язку визначається прискорення. Основними характеристиками акселерометрів є діапазон і гранична частота зміни вимірюваних прискорень.
Якщо використовується трикомпонентний акселерометр, можна зареєструвати три складових прискорення. Виконуючи диференціювання отриманого сигналу, можна розрахувати швидкість і переміщення спортивного снаряда, наприклад, грифу штанги.
7. Електроміографія
Електроміографія - спосіб реєстрації та аналізу біоелектричної активності м'язів.
Суть явища полягає в реєстрації електричних потенціалів м'язів, які з'являються при збудженні м'язів. А саме, коли вздовж м'язових волокон поширюється потенціал дії. Таким чином, електроміографія, є надійним методом реєстрації активності м'язів. Тобто на основі реєстрації електричної активності м'язів можна судити, коли м'язи активні, а коли вони пасивні. Зареєстровані електричні потенціали м'язи називають електроміограма (ЕМГ).
Найчастіше реєструються наступні параметри ЕМГ:
- тривалість електричної активності м'язів, частота біопотенциалів, амплітуда біопотенціалів і сумарна електрична активність м'язів. Тривалість електричної активності м'язів характеризує час, протягом якого м'язи були збуджені.
- Частота і амплітуда біопотенціалів м'язів характеризують ступінь збудження м'язів.
- Сумарна електрична активність м'язів дає уявлення про загальний рівень напружень і сил, які розвиваються м'язом. Чим більше сумарна електрична активність, тим більше величина напружень, які розвиваються м'язом.
Апаратура для реєстрації електричної активності м'язів.
Датчиками, використовуваними для реєстрації електричної активності, служать срібні електроди, виконані у вигляді невеликих кружків (чашок). Їх діаметр становить не більше 10 мм. Усередині цих чашок для кращої електропровідності поміщається спеціальна електропровідна паста. Реєструючим приладом є персональний комп'ютер (рис.4).
