Aniks-lift.ru

Подъемное оборудование
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Лекция 3. Биомеханический анализ движений человека

Биомеханический анализ движений человека

3.1. Понятие о биомеханическом анализе

Биомеханический анализ движений человека всегда начинается с определения различных характеристик движущегося тела. Этими характеристиками могут быть различные механические характеристики (например, перемещение, скорость, ускорение) и биологические характеристики (сила тяги мышцы, время суммарной электрической активности мышцы). Некоторые из этих характеристик определяются экспериментально, а остальные – расчетным путем. В биомеханике широко используются механические характеристики движущегося тела. Прежде чем перейти к описанию механических характеристик введем ряд понятий, характеризующих механическое движение тел.

3.2. Механическое движение тела

Механическое движение тела – это изменение положения тела в пространстве относительно других тел. Механическое движение является неотъемлемым компонентом функционирования человеческого организма. Чтобы определить положение какого-либо тела в пространстве, прежде всего, нужно выбрать тело отсчета.

Тело отсчета – тело, которое условно считается неподвижным и относительно которого рассматривается движение данного тела.

Выбор тела отсчета определяется соображениями удобства для изучения данного движения. Обычно за тело отсчета принимается тело, неподвижное относительно поверхности Земли.

Система отсчета состоит из тела отсчета, системы координат и часов, синхронно идущих во всех точках пространства.

Физические величины бывают скалярными и векторными.

Векторная величина отображается отрезком прямой со стрелкой на одном конце. Длина отрезка в выбранном масштабе выражает числовое значение векторной величины, а стрелка указывает ее направление. Векторную величину обозначают буквой с черточкой над ней (или стрелкой) или жирным шрифтом. В настоящей лекции векторные величины будут обозначаться жирным шрифтом.

Скалярная величина (от лат. scalaris — ступенчатый) в механике – величина, каждое значение которой может быть выражено одним числом. То есть скалярная величина определяется только своим значением, в отличие от векторной, которая кроме значения имеет направление. К скалярным величинам относятся длина, площадь, время, температура и т. д.

Тело человека – это не материальная точка, а очень сложная биомеханическая система переменной конфигурации. При изучении кинематики движений человека мы можем исследовать движение отдельных точек его тела (например, центров суставов) и производить анализ и оценку их движений с помощью механических характеристик. При изучении движений отдельных звеньев тела человека мы можем вычленить и наблюдать наиболее простые формы движения тела – поступательное и вращательное.

Поступательным движением тела называется такое движение, при котором всякая прямая, проведенная в этом теле, перемещается, оставаясь параллельной самой себе. Поступательное движение не следует смешивать с прямолинейным. При поступательном движении тела траектории его точек могут быть как прямолинейными, так и криволинейными (например, траектория полета ядра или траектория ОЦТ тела человека в полетной фазе бегового шага).

При поступательном движении тела все его точки движутся по одинаковым и параллельно расположенным траекториям и имеют в каждый момент времени равные скорости и равные ускорения. Поэтому поступательное движение тела вполне определяется движением какой-либо его одной точки, а, значит, задача изучения поступательного движения тела сводится к изучению движения любой его точки.

Читайте так же:
Аппарат для вязки арматуры

Вращательным движением тела называется такое движение, при котором какие-либо две его точки остаются все время неподвижными. Прямая, проходящая через эти точки, называется осью вращения. Траекторией движения любой точки тела при вращательном движении будет окружность.

3.3. Классификация механических характеристик движения человека

Исследуя движения человека, измеряют количественные показатели механического состояния тела человека или его движения, а также движения звеньев тела, то есть регистрируют механические характеристики движения.

Механические характеристики движения человека – это показатели и соотношения, используемые для количественного описания и анализа двигательной деятельности человека.

Механические характеристики делятся на две группы:

  • кинематические (описывают внешнюю картину движений);
  • динамические (несут информацию о причинах возникновения и изменения движения человека, а также показывают, как меняются виды энергии при движениях и происходит сам процесс изменения энергии).

3.4. Кинематические характеристики движения человека или спортивных снарядов

Кинематические характеристики движения человека делятся на следующие группы:

  • пространственные,
  • временные,
  • пространственно-временные.

3.4.1. Пространственные характеристики

Для простоты, будем считать, что тело человека является твердым телом. Тогда положение тела в пространстве будут характеризовать следующие пространственные характеристики:

  • координаты тела;
  • перемещение тела;
  • траектория тела.

Координаты тела – это пространственная мера местоположения тела относительно системы отсчета.

Положение тела в пространстве может быть описано с помощью декартовых и полярных координат. Для определения положения точки на плоскости в декартовой системе координат достаточно двух линейных координат: x и y, в пространстве – трех: x, y, z.

Перемещение телаS) – вектор, соединяющий начальное положение точки (тела) с его конечным положением. При прямолинейном движении перемещение тела совпадает с траекторией движущегося тела. При криволинейном – не совпадает.

А.В.Самсоновой с соавт. (2016) изучалось влияние «моста» на характеристики движения штанги. Авторами установлено, что «сведение лопаток» позволяет уменьшить значение модуля перемещения штанги из положения «штанга на вытянутых руках» в положение «штанга на груди» на 2,5 см, а «мост» — на 6,7 см. Применение технических приемов позволяет уменьшить механическую работу по подъему штанги массой 144 кг на 43,7 Дж и 88,8 Дж соответственно (рис.3.1)

Лекция 3. Биомеханический анализ движений человека

Рис.3.1. Перемещение штанги из положения «штанга на вытянутых руках» в положение «штанга на груди» (А.В.Самсонова с соавт., 2016)

Траектория движения тела – это геометрическое место положений движущегося тела в рассматриваемой системе координат.

В тяжелой атлетике одним из критериев мастерства является траектория движения штанги. На рис.3.2 представлены различные варианты траектории штанги. Считается, что ширина «коридора» в котором заключена траектория движения штанги не должна превышать 12 см.

Читайте так же:
Изготовление шипа ласточкин хвост

Лекция 3. Биомеханический анализ движений человека

Рис.3.2. Оптимальная (1) и нерациональные (2 и 3) траектории движения штанги при выполнении тяжелоатлетических упражнений.

Путь – физическая величина (скалярная), численно равная длине траектории движения точки или тела.

3.4.2. Временные характеристики

Временные характеристики раскрывают движение во времени. К временным характеристикам относятся:

  • длительность движения тела,
  • темп движений,
  • ритм движений.

Длительность движения тела – это временная мера, которая измеряется разностью моментов времени окончания и начала движения тела.

Фаза – это часть движения, в течение которой решается самостоятельная двигательная задача.

Например, в беге существуют фаза опоры и фаза полета. Каждая из этих фаз характеризуется определенной длительностью.

Темп движений определяется количеством движений звена человека (например руки или ноги) в единицу времени. Эта характеристика определяется для повторных (циклических движений). Темп движений – величина, обратная длительности движений. Чем больше длительность движений, тем ниже темп. При педалировании в максимальном темпе спортсмен выполняет три цикла в секунду, при беге – 2,8 циклов в секунду, при беге на коньках – 1,8 циклов в секунду.

В атлетизме темп выполнения силовых упражнений существенно влияет на гипертрофию скелетных мышц. Установлено, что эксцентрические упражнения, выполняемые в высоком темпе, оказывают большее повреждающее действие на скелетные мышцы по сравнению с умеренным темпом. Вследствие этого степень гипертрофии мышц при выполнении силовых упражнений в высоком темпе будет больше.

Ритм движений – временная мера соотношения частей (фаз) движения.

Пример. В беге отношение фазы опоры к фазе полета характеризует ритм движений бегуна. Это отношение называется ритмическим коэффициентом. У детей 5-6 лет ритмический коэффициент равен двум, то есть фаза опоры значительно превышает фазу полета. У взрослых мужчин 20-29 лет этот значение ритмического коэффициента равно 1,4. У сильнейших спринтеров этот показатель равен 0,8.

Во многих видах спорта, например, толкании ядра, барьерном беге ритм является важнейшим критерием технического мастерства спортсмена.

3.4.3. Пространственно-временные характеристики

К пространственно-временным характеристикам относят:

  • скорость тела;
  • ускорение тела.

Поступательное движение тела

Скорость тела (V) – это векторная величина, определяющая быстроту и направление изменения положения тела в пространстве с течением времени. Скорость измеряется отношением перемещения тела (ΔS) к затраченному времени V= ΔSt.

В спорте скорость движения человека или снаряда является критерием спортивного мастерства. Существует ряд видов спорта, в которых чем выше скорость перемещения спортсмена, тем выше результат, табл. 3.1.

Подсказка

Неожиданным образом эта механическая задача оказывается тесно связанной с геометрией. Дело в том, что инверсия относительно данной окружности Ω с центром О переводит любую окружность, которая проходит через точку О, в прямую (разные окружности переходят в разные прямые).

Читайте так же:
Как пользоваться нивелиром при строительстве фундамента

Напомним, что инверсия относительно данной окружности Ω с центром О — это преобразование плоскости, при котором точке А, отличной от О, ставится в соответствие такая точка А’ на луче ОА, что выполнено равенство ОА·ОА’ = R 2 , где R — радиус окружности Ω. Из этого определения сразу видно, например, что инверсия оставляет точки окружности Ω на месте. Упомянутое выше свойство менее очевидно, но при решении задачи им можно пользоваться.

Осталось создать систему из нескольких звеньев с шарнирными соединениями, в которой бы конец одного звена был инверсным образом конца другого звена. Тогда ровно по этому свойству получим, что круговое движение одной точки перейдет в прямолинейное движение другой точки.

Общее и различие

При решении задач механики необходимо четко представлять, в чем схожесть и различие между поступательным и вращательным движениями.

Общие черты заключаются в самом понятии движения. Поступательное и вращательное движение твердого тела – это изменение координат точек тела с течением времени. Независимо от вида движений все точки тела всегда имеют некоторые координаты в Системе Отсчета, некоторую скорость и некоторое ускорение.

Параметры поступательного и вращательного движений неодинаковы, но аналогичны. Вместо координаты для описания вращения используется угол поворота, скорость и ускорение для вращения являются угловыми.

Однако, если поступательное движение описывается относительно только принятых координатных осей, то для вращательного движения учитывается еще одна ось, относительно которой совершается вращение. Следствием этого является необходимость учитывать расстояние до этой оси (радиус вращения), а также невозможность описания вращательного движения с помощью только одной координаты. Вращение всегда требует двух или трех координат.

Еще одна особенность вращательного движения – невозможность движения без ускорения. Даже если вращение происходит с постоянной угловой скоростью, и угловое ускорение равно нулю, мгновенная скорость материальной точки постоянно меняет направление, а значит, такое движение происходит с ускорением, которое называется центростремительным.

Поступательное и вращательное движение твердого тела – определение, виды, примеры

Рис. 3. Аналогия величин для поступательного и вращательного движения.

Докажем данную теорему. Для этого необходимо провести прямую линию через две любые точки твердого тела, осуществляющего поступательное движение – пусть это будут точки А и В.

Полученный отрезок АВ совершает перемещение по заданному пути: А описывает траекторию АА1А2А3Аn, а В соответственно – В1В2В3Вn.

Отсюда следует, что:

Принимая во внимание, что размеры данного отрезка АВ неизменны (const) при перемещении, а сам он имеет свойство двигаться в пространстве параллельно своему предыдущему местоположению, значит направления точки А и точки В совпадают.

Читайте так же:
Канавки под стопорные кольца размеры

Соотношение радиусов-векторов точек А и В в системе координат относительно ее начала – О (Рис 1),

123

можно выразить формулой:

101

где линии пути точки А соответствует функция rA(t), точки B – rB(t).

105

Теорема доказывает, что для определения поступательного движения твердого материального объекта достаточно знать параметры перемещения любой одной его точки. Следовательно, изучая кинематику передвижения точки тела, решается задача определения поступательного движения.

Виды механического движения

Основными видами механического движения являются поступательное и вращательное движения объектов.
Поступательным есть автоматическое движение твердых тел, при котором все их точки совершают синхронное движение.

Одним их важных характеризующих параметров движения тела есть траектория, представленная в виде кривой в пространстве. Данную кривую можно изобразить как сопряжение дуг разных радиусов, исходящих из соответствующих центров.

Примерами поступательного движения есть движение лифта, или кабинки «чертового колеса». Поступательное движение рассматривается в пространстве, его определяющей особенностью является сохранение параллельности любого отрезка тела по отношению к самому себе с течением времени.

Еще одним параметром, описывающим поступательное движение, есть период T, значение которого рассчитывается так:

где (δt) – время движения;
(N) – количество оборотов (повторов).

При вращательном движении все точки тела описывают траектории окружностей. При этом все точки тела, находящиеся в параллельных плоскостях, описывают круговые траектории с центрами, находящимися на прямой, перпендикулярной этим плоскостям и именуемой осью вращения.

Ось вращения может находиться как внутри тела, так и снаружи. Также она бывает подвижной и неподвижной. К примеру, если системой отсчета является Земля, то ось вращения ротора генератора, установленного на станции, считается неподвижной.

Разновидностью вращательного движения есть сферическое движение, когда точки тела описывают сферы.
Круговым является вращательное движение объекта вокруг оси, которая не проходит через данный объект.
К основным характеризующим параметрам прямолинейного движения относятся скорость, перемещение и ускорение. Вращательное движение описывается их соответствующими аналогами – угловой скоростью, угловым ускорением и угловым перемещением.

Угловое перемещение определяется углом смещения радиуса заданной точки.

Угловой скоростью есть угол поворота за определенное время.

Угловым ускорением есть изменение угловой скорости.

Связь движения тела и движения его точек

Если тело движется поступательно, то для описания его движения достаточно описать движение произвольной его точки (например, движение центра масс тела).

Одной из важнейших характеристик движения точки является её траектория, в общем случае представляющая собой пространственную кривую, которую можно представить в виде сопряжённых дуг различного радиуса, исходящего каждый из своего центра, положение которого может меняться во времени. В пределе и прямая может рассматриваться как дуга, радиус которой равен бесконечности.

Читайте так же:
Зачем нужен плавный пуск

В таком случае оказывается, что при поступательном движении в каждый заданный момент времени любая точка тела совершает поворот вокруг своего мгновенного центра поворота, причём длина радиуса в данный момент одинакова для всех точек тела. Одинаковы по величине и направлению и векторы скорости точек тела, а также испытываемые ими ускорения.

При решении задач теоретической механики бывает удобно рассматривать движение тела как сложение движения центра масс тела и вращательного движения самого тела вокруг центра масс (это обстоятельство принято во внимание при формулировке теоремы Кёнига).

Виды механического движения.

Простейшими видами механического движения материальной точки являются равномерное и прямолинейное движения.
Движение называется равномерным, если модуль вектора скорости остаётся постоянным (направление скорости при этом может меняться).

Движение называется прямолинейным, если направление вектора скорости остаётся постоянным (а величина скорости при этом может меняться). Траекторией прямолинейного движения служит прямая линия, на которой лежит вектор скорости.
Например, автомобиль, который едет с постоянной скоростью по извилистой дороге, совершает равномерное (но не прямолинейное) движение. Автомобиль, разгоняющийся на прямом участке шоссе, совершает прямолинейное (но не равномерное) движение.

А вот если при движении тела остаются постоянными как модуль скорости, так и его направление, то движение называется равномерным прямолинейным.

В терминах вектора скорости можно дать более короткие определения данным типам движения:

    • равномерное движение
    • прямолинейное движение
    • равномерное прямолинейное движение

    Важнейшим частным случаем неравномерного движения является равноускоренное движение, при котором остаются постоянными модуль и направление вектора ускорения:

    • равноускоренное движение

    Наряду с материальной точкой в механике рассматривается ещё одна идеализация — твёрдое тело.
    Твёрдое тело это система материальных точек, расстояния между которыми не меняются со временем. Модель твёрдого тела применяется в тех случаях, когда мы не можем пренебречь размерами тела, но можем не принимать во внимание изменение размеров и формы тела в процессе движения.

    Простейшими видами механического движения твёрдого тела являются поступательное и вращательное движения.
    Движение тела называется поступательным, если всякая прямая, соединяющая две какие-либо точки тела, перемещается параллельно своему первоначальному направлению. При поступательном движении траектории всех точек тела идентичны: они получаются друг из друга параллельным сдвигом (рис. 5).

    Рисунок 5.

    Движение тела называется вращательным, если все его точки описывают окружности, лежащие в параллельных плоскостях. При этом центры данных окружностей лежат на одной прямой, которая перпендикулярна всем этим плоскостям и называется осью вращения.

    На рис. 6 изображён шар, вращающийся вокруг вертикальной оси. Так обычно рисуют земной шар в соответствующих задачах динамики.

    голоса
    Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector