background:#336699;

index

 

 

 

 

Лекция по биомеханике «Метрологические основы биомеханического контроля»

 

 

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В БИОМЕХАНИКЕ

 

Постановка задачи и выбор методик исследования. Понятие об измерительной системе (датчики, передача, преобразование, регистрация информации).

Экспериментальные методы определения биомеханических параметров (оптические и оптико-электронные, механоэлектрические, измерения временных интервалов, комплексные).

Расчетные методы (определение координат, скоростей, ускорений, сил, моментов сил).

 

Постановка задачи и выбор методик исследования.

Биомеханика как естественная наука в значительной мере базируется на экспериментальном исследовании изучаемых явлений. В самом исследовании выделяют три последовательных этапа: измерение биомеханических характеристик, преобразование результатов измерения, биомеханический анализ и синтез. Использование вычислительной техники позволяет выполнять эти действия одновременно.

Для количественной оценки того или иного явления используются только объективные (инструментальные) методы исследования.

Конкретный метод выбирают исход из задачи и условий проведения эксперимента. В биомеханике к методу исследования и обеспечивающей его аппаратуре предъявляются следующие основные требования:

-          метод и аппаратура должны обеспечивать получение достоверного результата, то есть степень точности измерений должна соответствовать цели исследования;

-          метод и аппаратура не должны влиять на исследуемый процесс, то есть не должны искажать результаты и мешать испытуемому.

При проведении исследования желательно придерживаться принципа объективной срочной информации (В.С. Фарфель, 1961), то есть информации о главном факторе спортивного движения должна поступать либо во время выполнения движения, либо сразу после его окончания.

Выбор метода исследования в первую очередь определяется характером изменения контролируемой величины во времени. По этому признаку биомеханические характеристики могут быть разделены на биомеханические параметры и биомеханические переменные.

Биомеханические параметры – это такие характеристик, значения которых не изменяются в течение всего процесса измерения (например, масса тела, момент инерции и координаты ОЦТ в фиксированной позе, вес снаряда). Величина параметров может быть неизвестна, но она не изменяется.

Биомеханические переменные – это характеристики, величина которых в процессе измерения меняется, как правило случайным образом (силы, ускорения, координаты и т.п.).

Требования к точности измерений в биомеханике спорта, прежде всего определяются целью и задачами исследования, а также особенностями самого движения. Считается достаточным, если погрешность при измерении не превышает ±5%.

Преобразование результатов измерений применяется для повышения точности полученных результатов (статистическая обработка) и определения расчетным путем непосредственно не измеряемых биомеханических характеристик.

Расчетные методы базируются на использовании законов механики (статики и динамики точки, тела, системы тел), а также статистических данных о геометрии масс тела человека. Эти данные могут быть представлены в виде таблиц, характеризующих связь массы отдельных сегментов тела человека с его общим весом (весовые коэффициенты); характеризующих связь длины сегмента с расстоянием до его ЦТ (радиусы центров тяжести). Эти данные могут быть представлены также в виде коэффициентов регрессии (парной и множественной) [2, 4, 5].

Понятие об измерительной системе (датчики, передача, преобразование, регистрация информации).

В основе инструментальных методов биомеханического контроля лежат измерительные системы. Типовая схема измерительной системы состоит из шести блоков.

1. Объект измерения.

2. Воспринимающее устройство.

3. Преобразователь.

4. Вычислительное устройство.

5. Передающее устройство.

6. Индикатор (записывающее устройство).

Воспринимающее устройство или датчик. Его основное назначение – восприятие физических величин. При исследованиях в спорте чаще всего используются следующие датчики.

Фотодиоды (или фотоэлементы). Используются для измерения временных отрезков.Их входная величина – освещенность, выходная – постоянный ток. Фотодиоды чувствительны в диапазоне от 0 до 500 гц и имеют погрешность в 1-3%, что недостаточно при особо точных измерениях.

Реостатные датчики (потенциометры). Используются для измерения линейных и угловых перемещений, могут использоваться для измерения усилий. Входная величина потенциометра – угловое перемещение, выходная – изменение сопротивления. У него сравнительно небольшая погрешность, высокая чувствительность.

Тензорезисторы. Используются для измерения усилий. Использование тензорезисторов позволяет превратить любой спортивный снаряд в средство для изучения движения. В основе действия тензорезисторов лежит тот же физический принцип, что и у реостатных датчиков – изменение геометрических размеров проводников вызывает изменение электрического сопротивления датчика. R = rl / q – сопротивление прямо пропорционально удельному сопротивлению и длине проводника, и обратно пропорционально площади его сечения. Изменения длины и площади сечения в пределах упругости материала пропорциональны силе действия. Входная величина тензорезисторов – перемещение, выходная – изменение сопротивления. К достоинствам этих датчиков относятся: малая погрешность измерений, устойчивость к вибрациям. К недостаткам – низкая чувствительность, необходимость тщательного приклеивания. Наиболее существенной для тензорезисторов является температурная погрешность.

Акселерометры предназначены для измерения ускорений. Линейные ускорения точек тела человека изменяются весьма значительно (например, при замахе и ударе по мячу – от 200 до -1000 м/с2). Поэтому для достижения максимальной точности измерений акселерометры подбираются по своим характеристикам для измерения вполне конкретных классов движений.

Применение акселерометров ограничивается тем, что датчик измеряет не ускорение движения тела, а равнодействующую линейного ускорения и ускорения силы тяжести. Для определения искомого ускорения надо знать ориентацию датчика относительно вертикали в каждый момент времени, то есть измерение должно сопровождаться стереокиносъемкой. Но при изучении ударных движений это не обязательно.

Электроды – игольчатые и накожные – предназначены для снятия биопотенциалов с работающих мышц.

Преобразователи (они же блок питания датчиков и усилители) могут быть самыми различными – от самодельных устройств до стандартных многоканальных. Позволяют усиливать сигналы с датчиков до уровня, достаточного для использования регистрирующего прибора.

Вычислительное устройство сравнивает сигнал с эталоном (калибровочным сигналом) и по проводам или с помощью радиотелеметрии передает результат на индикатор, либо записывающее устройство.

В некоторых случаях измерительная система не включает в себя вычислительное устройство и анализ материалов производится отдельно с использованием полуавтоматических дешифраторов или даже вручную. В таких случаях о соблюдении принципа срочной информации говорить не приходится.

Для регистрации данных могут использоваться самописцы (например, электрокардиограф), пишущие осциллографы, печатающие устройства. Они обладают своими достоинствами и недостатками. Так у самописцев при записи быстротекущих процессов может быть слишком большая инертность. Светолучевые (шлейфные) осциллографы лишены этого недостатка, но зато обработка пленки занимает много времени и есть опасность испортить кинопленку при обработке (да и раздобыть такую пленку не так просто). Запись сделанную ультрафиолетовым лучом на фотобумаге УФ не надо обрабатывать, но саму запись не увеличить для дешифровки.

Экспериментальные методы определения биомеханических параметров (оптические и оптико-электронные, механоэлектрические, измерения временных интервалов, комплексные).

Для регистрации биомеханических параметров используются методы, заимствованные из многих областей знаний. Эти методы удобно разбить на оптические, оптико-электронные, механоэлектрические, комплексные.

Оптические методы регистрации движений. В зависимости от задач исследования могут применяться:

  1. 1.Обычная фотография для определения структуры позы.
  2. 2.Фотография с многократной экспозицией – для получения информации о движениях в плоскости съемки. При использовании этих видов фотосъемки тремя синхронизированными аппаратами получают изображение объекта в трех плоскостях.
  3. 3.Циклографическая (стробографическая) съемка. Производится через обтюратор или с использованием пульсирующих маркеров, а также источников света. Позволяет получить готовый достоверный промер движения.
  4. 4.Стереостробофоторафия. Ее достоинством является документальная точность локализации точек в кадре по трем координатам в последовательные моменты времени, интервалы между которыми заданы электронным, а не механическим устройством.
  5. 5.Киносъемка – общедоступный информативный педагогический и биомеханический метод исследования движений в спорте. В зависимости от скорости протяжки пленки аппаратура делится на стандартную (24 к/с), «лупу времени» (до 300 к/с), и специальные высокочастотные (до 5000 к/с) кинокамеры.

Фото- и кинопленка является материалом для расчетов механических характеристик движения, точность которых зависит от достоверности снятия исходных координат, что в свою очередь, является следствием правильности организации съемки.

Испытуемый должен быть в плотно облегающем костюме с контрастными метками над осями суставов. Место исследования выбирают исходя из размаха перемещений объекта. Освещение должно обеспечивать достаточную кратковременность экспозиции. Для уменьшения искажений по краям снимка используют длиннофокусные объективы. Оптимальное расстояние между объективом и объектом (Е0) определяется по формуле:

Е0 = V F k / C f, где V – скорость объекта, м/с, F – фокусное расстояние, см, k – отношение времени экспонирования ко времени смены кадров, С разрешающая способность аппарата, см, f – частота киносъемки, к/с.

Оптико-электронная регистрация движений преимущественно осуществляется с помощью видеозаписи. В этом случае движения могут быть сразу же воспроизведены на экране и использоваться для прикладного педагогико-биомеханического анализа. Однако для количественной оценки техники обычные видеомагнитофоны не подходят из-за низкой разрешающей способности. В связи с этим созданы специализированные видеомагнитофоны (так называемое Speed-Video). В комплексе с вычислительным устройством они позволяют давать срочную количественную оценку движений.

По материалам кино- и видеосъемки, проведенной с соблюдением всех технических требований к их организации, можно определить ряд механических характеристик положения или движения тела. Обычная фотография или кадр пленки является документом для определения в плоскости съемки следующих показателей.

  1. координат центров тяжести звеньев или ОЦТ тела;
  2. моментов сил тяжести звеньев;
  3. суставных углов;
  4. моментов и углов устойчивости;
  5. моментов инерции звеньев и тела.

Анализ нескольких кадров связан с прослеживанием этих же характеристик во времени.

Зависимость координат точек тела от времени представляет закон их движения в выбранной системе координат. Эти данные необходимы для количественной оценки качества движений. Динамика суставных углов, моментов сил тяжести и условий работы мышц составляет предмет анализа движений человека как биомеханической системы, управляемой ЦНС. Изменения момента инерции тела раскрывает механизм построения сложных вращательных движений.

Механоэлектрические методы определения биомеханических характеристик. Оптические и оптико-электронные методы исследования не позволяют (за редким исключением) проводить количественную оценку движения сразу после измерения, так как получению конечного результата предшествуют этапы химической обработки материалов (не всегда) и расчета по ним биомеханических характеристик. Это существенно ограничивает возможность использования результатов исследования в тренировочном процессе. Механоэлектрические методы в значительной мере свободны от этого недостатка. Они заключаются в преобразовании измеряемой механической величины в электрический сигнал и последующем измерении (или регистрации) и анализе его.

Основным преимуществом механоэлектрических методов измерения биомеханических переменных являются оперативность получения измеряемых характеристик и возможность автоматизации расчета непосредственно не измеряемых характеристик. Самым распространенных из этой группы методов является тензодинамометрия. В процессе выполнения упражнения человек механически взаимодействует с внешними телами (опорой, снарядом, инвентарем). Эти тела деформируются. Причем величина деформации как правило пропорциональна силе воздействия. Для регистрации этих деформаций чаще всего используются тезодатчики, но могут применяться и реостатные датчики.

В большинстве случаев тензометрическая аппаратура используется непосредственно для определения силовых характеристик спортивных движений и изучения на этой основе динамической структуры двигательных действий.

Широкое распространение получили тензоплатформы – устройства, позволяющие определять взаимодействие человека с опорой при отталкивании. Составляющие реакции опоры (вертикальная и горизонтальные) регистрируются независимо от точки контакта с прибором.

Стабилометрия. С помощью тензометрической аппаратуры можно исследовать также перемещение точки приложения усилия к тензоплатформе. Такое перемещение может происходить как из-за передвижения испытуемого, так и из-за изменения положения его ОЦТ при перемене позы. Для этих измерений требуется многокомпонентная тензоплатформа, с помощью которой измеряются отдельно составляющие реакции во всех опорах, установленных по углам платформы.

Акселерометрия. Одной из наиболее важных характеристик движения является линейное ускорение. определять его также можно также с помощью тензометрической аппаратуры. В данном случае тензодатчик регистрирует деформацию упругой пластины, связанной с движущимся объектом. Так как масса датчика (m) и упругость пластины (C) величины постоянные, то перемещение массы датчика относительно объекта будет пропорционально линейному ускорению объекта. Параметры акселерометра подбираются таким образом, чтобы собственная частота колебаний датчика , была в 3-4 раза больше максимальной частоты изучаемого процесса.

Гониометрия – измерение у человека углов в сочленениях тела. Суставной угол является важной биомеханической характеристикой, например при определении программы позы. От суставного угла зависит сила тяги мышцы (то есть ее длина и ее плечо относительно оси сустава).

Для непосредственного измерения суставных углов применяются механические и электромеханические гониометры. В последних используются реостатные потенциометры. Корпус потенциометра жестко связывается с одной из планок гониометра, а с другой – его ось.

Механография – запись движения. Осуществляется также с помощью потенциометров. Перемещающаяся точка соединяется малорастяжимой нитью с осью датчика. Движения с большой амплитудой могут быть зарегистрированы, если на ось потенциометра надеть кольцо (блок) соответствующего диаметра.

Электромиография – способ регистрации электрической активности мышц. Позволяет получать информацию непосредственно при выполнении физического упражнения. Можно выделить три основных направления использования электромиографии для изучения двигательной деятельности человека. 1. Характеристика активности отдельных двигательных единиц мышц. 2. Определение активности отдельных мышц в различных двигательных актах. 3. Характеристика согласования активности мышц, объединенных общим участием в движении. Для решения биомеханических задач используются главным образом второе и третье направления. При использовании электромиографии для изучения спортивных движений обычно применяются накожные электроды, но иногда используют и игольчатые. Накожные электроды могут быть моно- и биполярные. В любом случае электромиограмма может отражать электрическую активность тех мышц, над которыми находятся электроды, либо (при монополярном отведении) активность мышц, которые находятся между активными и индифферентными электродами.

Следует учитывать, что регистрируемая величина биопотенциалов зависит от трех факторов. От положения электродов относительно мышцы – при расположении вдоль волокон, а также вблизи от двигательной точки (место входа нерва в мышцу) потенциалы больше. От электропроводности кожи – кожу следует обезжиривать эфиром. От формы и размеров электродов – следует пользоваться одними и теми же или, в крайнем случае, одинаковыми.

В любом случае электромиограмма может использоваться как показатель состояния механизмов координации движений в качестве эквивалента механических явлений (напряжения, тяги), возникающих в мышце при ее возбуждении. Н.В. Зимкин и М.С. Цветков (1988) показали, что по сглаженной электромиограмме можно судить об участии в движении мышечных волокон разного типа (быстрых, промежуточных и медленных), а следовательно и о составе мышцы. Сглаженную электромиограмму проще обрабатывать, чем натуральную, по сглаженной электромиограмме можно рассчитывать скорость возбуждения мышцы [7].

Методы измерения временных показателей. Если траектория известна заранее, а амплитуда движения велика (несколько метров), то регистрировать время прохождения отрезков можно с помощью фотодатчиков. Сигналы от датчиков либо выключают электросекундомеры (каждый датчик – свой секундомер), либо регистрируются самописцем (осциллографом). В последнем случае точность метода определяется точностью отметчика времени, либо точностью лентопротяжного механизма. Степень достоверности результатов прямо зависит от числа установленных на дистанции датчиков.

Комплексные способы исследования. Целью биомеханики является исследование как физических возможностей спортсмена, так и способов решения определенной двигательной задачи. В процессе исследования необходимо выяснить закономерности построения движений, определить взаимосвязь между механическими и биологическими характеристиками, отражающими координацию движений. Эта задача является весьма сложной, так как зависимость между мышечным напряжением и движением не является однозначной, указывал Н.А. Бернштейн. Причиной движения звеньев тела является напряжение мышц, которое обусловлено как степенью возбуждения, так и степенью растяжения мышцы. Таким образом, перемещение звена изменяет длину мышцы и как следствие, ее напряжение.

Комплексная регистрация биологических и механических характеристик движения является необходимым условием изучения закономерностей управления движениями человека. Она возможна при одновременной записи электрофизиологических и биомеханических показателей движения. Когда регистрируется электрическая активность мышц и внешняя картина движения (кинограмма, циклограмма, тензодинамограмма, гониограмма, механограмма). При записи этих процессов на различные носители возникает необходимость в применении специальных устройств для синхронизации записи. Одно из таких устройств описано в [4, С. 60].

При использовании механо- и (или) тензодинамографии задача синхронизации записей решается проще, так как они осуществляются на одной и той же ленте.

Итак, к настоящему времени доказана необходимость и исключительная ценность использования многоканальной одновременной регистрации параметров кинематики, динамики и электрической активности мышц для установления связи между различными феноменами движений и их причинами, а так же для реализации идеи оптимального управления тренировочным процессом.

Однако использование в естественных условиях с целью комплексной оценки технического мастерства спортсменов, информативных инструментальных методов (тензо-, механо-, электромиографии, киносъемки и др.) обычно связано с большими организационными и методическими трудностями.

Вместе с тем доказано, что в искусственно созданных условиях, обеспечиваемых использованием тренажера, можно получить достоверную информацию о той или иной стороне технической или физической подготовленности. Кроме того, упрощенная структура упражнения позволяет с большей вероятностью оценить характер изменения физического компонента, так как уменьшается влияние технического компонента на результат. И хотя тренажер никогда не заменит целостное движение, есть множество данных о том, что тренажерно-исследовательский комплекс может успешно решать задачи срочной достоверной информации, а также определения того состояния спортсмена, которое гарантирует ему достижение желаемого результата на соревнованиях.

Расчетные методы изучения движений (определение координат, скоростей, ускорений, сил, моментов сил).

Содержательные выводы могут быть сделаны на основании надежной достоверной информации. Отсюда следует, что методы и аппаратура, применяемые в биомеханических исследованиях, должны обеспечивать получение достоверных результатов. Это означает, что степень точности измерений должна соответствовать цели исследования, а методы и аппаратура не должны влиять на исследуемый процесс, то есть не должны искажать результат и мешать испытуемому.

На первый взгляд этим требованиям вполне отвечают (косвенные измерения, механико-математическое моделирование), основанные на использовании физических закономерностей и статистических данных о геометрии масс тела человека (таблицы и иллюстрации содержатся в [2, 4, 5, 8]). Расчетные методы используются при решении прямой и обратной задач динамики. При этом в качестве исходных данных обычно используются кинематические или динамические характеристики, то есть анализ производится с начального или конечного звена явлений, составляющих объект биомеханических исследований (механическое движение человека, причины и проявления этого движения).

Расчетные методы часто применяются для косвенного определения биомеханических характеристик, которые по разным причинам не могут быть измерены (зарегистрированы) непосредственно, например, в условиях соревнований.


Видные биомеханики Д.Д. Донской и С.В. Дмитриев (1996) констатируют, что «…развитие точной регистрирующей аппаратуры и компьютеризация исследований двигательных актов захватили исследователей построением механико-математических моделей, очень сложных и эффективных в раскрытии тончайших деталей движения (особенно в инженерной и медицинской биомеханике)». Мы не вправе оспаривать это утверждение полностью, но эффективность применения механико-математического моделирования для решения некоторых задач биомеханики спорта подвергается сомнению многими не менее известными исследователями.

В отечественной научно-методической литературе возможности расчетных методов продемонстрированы в единичных работах, подтвердивших общеизвестные истины, например, при определении ведущих элементов техники в спортивной гимнастике (Ю.А. Ипполитов, 1997), выделении факторов, обеспечивающих результат в прыжках на лыжах с трамплина (Н.А. Багин, 1997), выявлении зависимости между кинематикой и динамикой вращений в фигурном катании на коньках (В.И. Виноградова, 1999). Авторы продемонстрировали высочайшую эрудицию, но во всех случаях расчетные результаты значительно отличались от результатов, полученных прямым измерением в аналогичных условиях.

Теоретически это объясняется тем, что в основе классических расчетных методов в биомеханике лежит гипотеза эквивалентности неживой и живой массы. Данная гипотеза предполагает, что биологическое тело не меняет своей внутренней структуры под воздействие управляющих сил и моментов, а также пребывает в неизменной позе. Если это условие не выполняется, то методы классической биомеханики становятся неприменимыми.

Экспериментальные исследования, проводившиеся в течение многих лет в лаборатории биомеханики ВНИИФКа, показали, что «…ограниченность классических расчетных методов для получения по перемещениям точек данных о величинах ускорений и сил в двигательных действиях с изменением позы, вытекает из тех обстоятельств, что в настоящее время нет возможностей для объективной оценки направлений смещения внутренних органов, масс крови и лимфы. В рамках алгоритмов расчетов также не учитывается передача сил или энергии от звена к звену или их поглощение и рассеивание» (И.П. Ратов, Г.И. Попов, 1996). Эти же авторы экспериментально подтвердили мысль Н.А. Бернштейна о том, что не существует однозначной связи между мышечным напряжением и механическим движением (так как каждое движение – результат взаимодействия активных и реактивных сил) и показали, что в биомеханических системах функция «сила-ускорение» – нелинейная, то есть значительные ускорения при перемещении масс могут не приводить к появлению усилий.

Таким образом, недостатком расчетных методов вообще и особенно механико-математического моделирования является то, что «…разработанные модели движений человека (сомнительно адекватные живому телу человека и его движениям) пытаются «начинить» среднестатистической геометрией масс и реальной кинематикой живых упражнений» (М.Л. Иоффе с соавт., 1995). «Результаты такого подхода плачевны как с научной, так и с практической точек зрения», – подчеркивает Н.Г Сучилин (1998).

 

Литература. 1. Годик М.А. Спортивная метрология: учебник для ИФК. – М.: Физкультура и спорт, 1988. С. 57-66.

2. Зациорский В. М., Аруин А. С, Селуянов В. Н. Биомеханика двигательного аппарата человека. – М.: Физкультура и спорт, 1981. – 143 с.

3. Зимкин Н.В., Цветков М.С. Физиологическая характеристика особенностей сократительной деятельности мышц у спринтеров и стайеров // Физиология человека. – 1988. – Т.14. – № 1. – С. 129-137.

4. Практикум по биомеханике: Пособие для ин-тов физ.культ /Под общ. ред. к.б.н. И.М. Козлова. – М.: Физкультура и спорт, 1980. – 106 с.

5. Селуянов В.Н., Чугунова Л.Г.Расчет масс-инерционных характеристик тела спортсменов методом геометрического моделирования // Теория и практика физической культуры.– 1989. – № 2. – С. 38-39.

6. Сучилин Н.Г., Аркаев Л.Я., Савельев В.С. Педагогико-биомеханический анализ техники спортивных движений на основе программно-аппаратного видеокомплекса // Теория и практика физической культуры. – 1995. – № 4. – С.12-21 .

7. Шафранова Е.И. Методы обработки биоэлектрической активности мышц // Теория и практика физической культуры. – 1993. – № 2. – С. 34-44; № 3 – С. 16-18.

8. Уткин В.А. Биомеханика физических упражнений: Учеб. пособие для ф-тов физвоспитания. – М.: Просвещение, 1989. – С. 56-79.

 

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ БИОМЕХАНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ (2 часа)

 

Задачи обработки биомеханических измерений.

Погрешности измерений, классификация, источники и методы устранения.

Шкалы измерений (наименований, порядка, интервалов, отношений).

Обработка результатов прямых и косвенных измерений биомеханических параметров и переменных.

Представление результатов измерений.

Тестирование и педагогическое оценивание в биомеханике.

 

Задачи обработки биомеханических измерений. Обработка результатов проводится для оценки погрешности полученных данных, а также для определения расчетным путем непосредственно не измеряемых биомеханических характеристик.

Оценка погрешностей, а также их уменьшение путем дальнейшей обработки результатов измерений имеет в в биомеханических исследованиях спортивных движений первостепенное значение, поскольку специфические требования к методам исследования не позволяют применять высокоточные, но громоздкие измерения. Для решения этой задачи была разработана математическая теория ошибок измерений. Ниже в кратком виде будут даны основные рекомендации по оценке погрешностей и уменьшению их влияния на конечный результат.

Не все биомеханические характеристики могут быть непосредственно измерены с соблюдением требований, предъявляемым к методам измерения в спортивных исследованиях. Но использование функциональной связи между искомыми и измеряемыми характеристиками позволяет, как правило, определять все интересующие исследователя биомеханические характеристики. Этот метод взят из техники, где он широко распространен, и носит название «метод косвенных измерений».

Расчет искомых биомеханических характеристик по данным косвенных измерений может производиться как в процессе измерения с использованием средств вычислительной техники, так и в процессе анализа результатов измерений после эксперимента. И в том, и в другом случае наличие погрешностей измерения накладывает определенные ограничения на методы обработки результатов косвенных измерений.

Оценка погрешности измерений и правильное, то есть выполненное в соответствии с ГОСТом, представление материалов измерений дает возможность сопоставлять результаты исследований, проводимых с помощью разных методов измерения или различными авторами. А это, в свою очередь, позволяет резко сократить число дополнительных исследований одних и тех же явлений и тем самым сократить длительность и стоимость биомеханических исследований вообще.

Погрешности измерений, классификация, источники и методы устранения. Погрешность измерения – разность результата измерения Хi и истинного значения измеряемой величины Хист.: e = ХiХист.

По способу определения различают абсолютные и относительные; а по происхождению – систематические и случайные, а также грубые погрешности (промахи).

Способ определения абсолютных погрешностей мы только что описали. Абсолютная погрешность выражается в тех же единицах, что и измеряемая величина. За истинное значение обычно принимают результат, полученный с помощью более точного метода.

Относительная погрешность часто используется при проведении комплексного контроля, когда измеряются показатели разной размерности: eотн. = e/ Хi*100%. Еще один довод за использование относительной погрешности – определение относительной погрешности необходимо для оценки возможности использования данной методики для исследования конкретного движения (ошибка не должна превышать ±5,0% измеряемой величины).

Систематические погрешности – это погрешности, значение которых остается неизменным (или меняется известным образом) от опыта к опыту. Следовательно, они могут быть исключены из окончательного результата, если их величина определена путем предварительной тарировки аппаратуры перед каждым экспериментом. Различают 4 группы систематических ошибок. 1. Причина возникновения известна и величина может быть определена достаточно точно (температурная погрешность, линейка с отломанным началом …). 2. Причина возникновения известна, а величина – нет. Эти ошибки зависят от класса измерительной аппаратуры и колеблются внутри предельной допустимой величины. Класс точности (1,0, 2,0 и т.д.) означает относительную погрешность измерений в процентах. 3. Происхождение и величина ошибки неизвестны. Такие ошибки проявляются в сложных измерениях, когда не удается учесть все источники возможных погрешностей. 4. ошибки, связанные со свойствами объекта измерения. Систематический контроль за спортсменами позволяет определить меру их стабильности и учитывать возможные погрешности измерений. Иначе трудно бывает отделить значимые сдвиги (например, при утомлении) от погрешностей измерения.

Для устранения систематических погрешностей используют два способа. Первый – это тарировка аппаратуры – проверка показаний приборов с использованием эталонов во всем диапазоне возможных значений измеряемой величины. Второй способ – это калибровка – определение погрешностей и величины поправок.

Случайные погрешности вызываются неконтролируемыми, изменяющимися от опыта к опыту причинами. Случайные погрешности проявляются при одновременном действии очень большого числа не зависимых друг от друга причин, каждая из которых оказывает малое влияние на результат измерения, но в совокупности эти причины дают заметный эффект. Случайная погрешность по самой своей природе не может быть учтена и компенсирована в процессе проведения эксперимента.

Грубые погрешности (промахи) по характеру существенно отличаются от случайных. Если случайные погрешности возникают при исправной аппаратуре и правильных действиях экспериментатора, то причиной возникновения промахов являются неисправности и (или) ошибки в работе. Грубые погрешности обнаруживаются по резкому выпадению результата из общего ряда полученных чисел, что, как правило, находится в резком противоречии с физической картиной явления.

Обработка результатов прямых и косвенных измерений биомеханических параметров и переменных. Методы оценки и уменьшения случайных погрешностей измерения биомеханических параметров и переменных существенно различаются.

Обработка результатов измерений биомеханических параметров. Основным способом уменьшения случайных погрешностей при измерении биомеханических параметров является проведение повторных измерений и обработка их результатов.

Обработка результатов прямых измерений биомеханических параметров. При отсутствии точных сведений о физических причинах наблюдаемого разброса результатов измерений за наиболее вероятное значение измеряемой величины принимают оценку математического ожидания результатов измерений, то есть . Степень достоверности полученного результата можно оценить величиной интервала ±q внутри которого с заданной вероятностью α будет находиться величина : = t*Sx, где t – критерий Стьюдента для числа равного n-1; Sx – средняя ошибка средней арифметической.

Обработка результатов косвенных измерений биомеханических параметров. В ряде случаев интересующая нас величина не измеряется непосредственно, а вычисляется как функция измеренных значений каких-то других величин. Например, , то есть . В таких случаях для расчета средней арифметической и средней ошибки средней арифметической сначала определяют наиболее вероятные значения измеряемых параметров (угла и скорости вылета) и их средние ошибки. В дальнейшем предполагается, что погрешности определения параметров малы по сравнению с их истинными значениями, а измерения каждого из параметров проводились независимо друг от друга. Это допущение справедливо для подавляющего большинства случаев биомеханических косвенных измерений. Тогда наиболее вероятное значение длины полета вычисляется по средним значениям скорости и угла вылета: . Средняя ошибка рассчитывается так: .

Обработка результатов измерения биомеханических переменных. Биомеханические переменные (координаты, скорости, ускорения) в процессе движения представляют собой случайные функции времени. Результатом их измерения являются, как правило, таблицы значений, зафиксированных через определенные промежутки времени, либо графики, начерченные самописцем (осциллографом). Повторные измерения принципиальное не могут повысить точность результата из-за вариативности движений человека. Одновременное измерение искомой переменной с помощью нескольких однотипных приборов с последующей обработкой не рекомендуется из-за громоздкости аппаратуры и влияния этого фактора на измеряемый процесс.

Относительно простым способом повышения точности измерения биомеханических переменных является использование различия частотного состава измеряемого процесса и возникших при измерении случайных погрешностей (помех), то есть при работе аппаратуры на синусоиду процесса (1) накладывается синусоида ошибки (2).


Характер погрешностей при этом можно определить путем пробных записей в случае, когда измеряемая переменная равна нулю или постоянна. Например, при отсутствии движения.

Устранить погрешности при записи можно сглаживанием сигнала с помощью фильтра, коэффициент передачи которого определяется по формуле:, где f – частота входного сигнала, R – сопротивление резисторов, С – величина емкости конденсатора. Расчеты выполняются отдельно для частоты сигнала процесса и частоты сигнала помехи, затем сравниваются коэффициенты передачи измерения и помехи.

Сглаживанию можно подвергать и табличные данные. Эта процедура обязательно применяется тогда, когда по табличным данным рассчитывают производную измеренного сигнала, то есть по координатам рассчитывают скорости и ускорения. Практически это выполняется таким образом, что перемещения, а затем разности скоростей рассчитываются не между соседними кадрами, а через 1 или более кадров.

Если результат представлен в виде графика, на котором измеряемый процесс содержит высокочастотную погрешность, то можно выполнить графическое усреднение путем нанесения средней линии между высокочастотными колебаниями процесса.

Погрешность динамических измерений определяют экспериментально с помощью проверки измерительной аппаратуры (тарировка) в условиях близких к условиям ее практического использования (по силе, скорости процесса).

Щкалы измерений (наименований, порядка, интервалов, отношений).

Шкала

Характеристики

Математические методы

Примеры

Наименований (номинальная)

Объекты сгруппированы, а группы обозначены номерами. То, что номер одной бруппы больше или меньше номера другой группы, ничего не говорит об их свойствах, кроме того, что они различаются

Число случаев. Мода. Тетрахорические и полихорические коэффициенты корреляции

Номер спортсмена, амплуа, специализация, вид спорта и т.д.

Порядка (ранговая)

Числа присвоенные объектам, отражают количества свойств, принадлежащих данным объектам. Возможно установление соотношения «больше» или «меньше»

Медиана. ранговая корреляция. Ранговые критерии. проверка гипотез методами непараметрической статистики

Результаты ранжирования спортсменов в тесте

Интервалов

Существует единица измерений, при помощи которой объекты можно не только упорядочить, но и приписать им числа так, чтобы равные разности означали равные различия в количестве измеряемого свойства. Нулевая точка произвольна и не указывает на отсутствие свойства

Все методы статистики, кроме определения отношений (например, градусы не суммируют и не вычитают, градусы на градусы на делят и не умножают)

Температура тела, суставные углы

отношений

Числа, присвоенные объектам, обладают всеми свойствами интервальной шкалы. На шкале есть абсолютный нуль, который соответствует полному отсутствию какого-либо свойства у объекта. Отношения чисел, присвоенных объектам после измерений, отражают количественные отношения измеряемого свойства

Все методы статтистики

Длина, масса, скорости, ускорения, сила и т.д.

 

Представление результатов измерений. Правильное представление результатов биомеханических измерений является важным фактором обеспечения достоверности и наглядности результатов биомеханических исследований. При представлении результатов следует придерживаться следующих правил. 1. Все записи, касающиеся исследования, должны вестись полно и аккуратно, быть вполне понятными любому достаточно квалифицированному читателю. 2. Все результаты наблюдений (измерений), а также вычисленный по ним окончательный материал следует приводить вместе с погрешностями. Для каждой величины должна быть указана размерность в соответствии системой СИ. 3. Число и его погрешность следует записывать так, чтобы их последние цифры принадлежали к одному и тому же десятичному разряду. 4. Ошибка, получающаяся в результате вычислений должна быть примерно в 10 раз меньше погрешности измерений.

При изучении биомеханических переменных результаты могут быть представлены в виде графика. Основное достоинство графика – наглядность. График должен быть таким, чтобы можно было сразу охватить вид полученной зависимости, получить о ней количественное представление и отметить наличие различных особенностей – максимума, минимума, областей наибольшей и наименьшей скоростей изменения, периодичности и т.п. При вычерчивании графика следуют правилам. 1. График строят на миллиметровой бумаге, или бумаге с координатными сетками. 2. По оси абсцисс (Х) откладывают ту величину, которая вызывает изменения других величин (время – всегда). На осях обязательно указывают обозначение и размерность соответствующей величины. 3. Масштаб графика определяется погрешностью измерения величин, отложенных по осям (либо исходя из правил группировки данных). Масштабы по осям могут быть разными. Шкала должна легко читаться, поэтому одна клетка масштабной сетки должна соответствовать удобному числу (1, 2, 5, 10 …) единиц изображаемой на графике величины. 4. На графике приводится только экспериментально определенная область изменений показателей; не следует стремиться к тому, чтобы график начинался из точки с координатами 0; 0. 5. Что касается нанесения кривой, то есть два мнения. Одни считают, что линия должна быть плавной, другие считают, что точки на графике следует соединять прямыми линиями – то есть не заходить в гипотетические области (получается ломанная линия). 6. Заголовок должен указывать, что изображено. Кривые должны быть подписаны, либо объяснены в заголовке.

Тестирование и педагогическое оценивание в биомеханике.

Тест – измерение или испытание, проводимое для определения состояния или способностей спортсмена. В качестве тестов могут быть использованы лишь те испытания, которые удовлетворяют следующим метрологическим требованиям. 1. Должна быть определена цель тестирования. 2. Процедура должна быть стандартизирована. 3. Должна быть определена надежность и информативность теста. 4. Должна быть разработана система оценок результатов тестирования. 5. Должен быть указан вид контроля (оперативный, текущий, этапный).

В зависимости от цели тестирования тесты могут быть разделены на несколько групп. 1. Показатели, измеряемые в покое – оценка физического состояния или определение уровня «фона» для «динамических» исследований. 2. Стандартные тесты – все испытуемые выполняют одинаковые задания, нагрузка при этом не предельная и, таким образом, нет мотивации на достижение максимального результата. 3. Тесты с максимальной нагрузкой – их результат зависит от подготовленности и от мотивации.

В зависимости от количества факторов, определяющих результат теста, различают гетеро- и гомогенные тесты. Первых большинство.

Как правило, оценка уровня подготовленности проводится с помощью батареи тестов.

Определение цели тестирования выбирается исходя из существования трех разновидностей (оперативный, текущий, этапный) и трех направлений контроля (соревновательной деятельности, тренировочной деятельности, уровня подготовленности).

Разновидности и направления комплексного контроля в спорте

(по М. Годику, 1988)

Разновидности контроля

Направления контроля

соревновательной деятельности

тренировочной деятельности

подготовленности (в лаборат. условиях)

Этапный

Измерение и оценка различных показателей на соревнованиях, завершающих к.-л. этап подготовки, либо на всех соревнованиях этапа

Построение и анализ динамики характеристик нагрузки на этапе подготовки.

Суммирование нагрузок по всем показателям за этап и определение их соотношения

Измерение и оценка показателей и контроля в специально организованных условиях в конце этапа подготовки

Текущий

Измерение и оценка показателей на соревновании, завершающем микроцикл (или оно предусмотрено календарем)

Построение и анализ динамики характеристик нагрузки в микроцикле.

Суммирование нагрузок по всем показателям за микроцикл и определение их соотношения

Регистрация и анализ повседневных изменений подготовленности спортсменов, вызванных систематическими тренировочными занятиями

Оперативный

Измерение и оценка показателей на любом соревновании

Измерение и оценка физических и физиологических характеристик нагрузки упражнений, серии упражнений, тренировочного занятия

Измерение и анализ показателей информативно отражающих изменение состояния спортсменов во время выполнения или срезу после выполнения упражнения или после занятия

 

Стандартизация измерительных процедур обуславливает точность результатов контроля. Достигается тем, что режим дня накануне тестирования, разминка, исполнители, схема и условия тестирования, интервалы отдыха и двигательная установка при тестировании должны быть неизменными.

Надежность и информативность теста. Надежность теста – степень совпадения результатов при повторном тестировании одних и тех же людей в одинаковых условиях. Наиболее простым способом определения надежности является расчет коэффициента парной корреляции результатов первого и второго тестирования. Надежность теста считается приемлемой при r³0.70.

Информативность (валидность) теста – свойство теста достаточно полно отражать сущность изучаемого процесса. Информативность теста можно определить логически и эмпирически. Суть логического метода состоит в логическом (качественном) сопоставлении характеристик критерия и теста. эмпирический метод заключается в проведении корреляционного анализа критерия и результата теста.

В качестве критерия могут быть использованы – 1. результат в соревновательном упражнении. 2. наиболее значимые элементы соревновательного упражнения. 3. результаты тестов, информативность которых доказана. 4. сумма очков испытуемого при выполнении батареи тестов.

При использовании в качестве критерия спортивной квалификации, сравнивают средние значения показателей у спортсменов различной квалификации (применяют t-критерий Стьюдента). Если различия достоверны – тест информативен.

Помимо надежности и информативности тесты характеризуются также стабильностью, эквивалентностью и согласованностью.

Стабильность – разновидность надежности в случае значительного разведения во времени теста и ретеста. Высокая стабильность теста свидетельствует о стабильности исследуемого качества.

Эквивалентность теста – степень совпадения результата в данном тесте с результатами в других тестах при исследовании одного и того же признака (например, подтягивания и отжимания, прыжки с места в длину и в высоту).

Согласованность тестов – независимость результатов тестирования от личных качеств исследователя. Даже при проведении инструментальных исследований кто-то может лучше мотивировать испытуемых, что и определяет величину согласованности.

Педагогическое оценивание – завершающий этап процедуры тестирования. Заключается в: 1. подборе шкалы для перевода результатов теста в очки. 2. преобразовании результатов в баллы. 3. сравнении достижений с нормами и выведении итоговой оценки.


Результаты можно просто ранжировать, но это не всегда справедливо. Поэтому нужно использовать специальные шкалы. Их может быть много. Основными считаются четыре шкалы: пропорциональная (а), прогрессирующая (б), регрессирующая (в), S-образная (сигмовидная) (г).

Выбор шкалы оценки зависит от того, в какой зоне следует стимулировать рост результатов.

В практике используют шкалы: стандартную, перцентильную, ГЦОЛИФКа.


В основе стандартной шкалы лежит пропорциональная. Стандартная шкала названа так потому, что масштабом в ней является стандартное отклонение (S). При построении этой шкалы используется закон нормального распределения, гласящий, что все возможные значения признака содержатся в интервале (правило трех сигм для генеральной совокупности: ). В этом случае обычно выделяют следующие зоны оценки (уровни проявления исследуемого признака:

Но эта шкала не позволяет давать точную оценку явления.

Наиболее распространена Т-шкала, где Т – результат в очках, – результат i-го участника, – результат группы, S – стандартное отклонение. Эта шкала более справедлива по сравнению с простым ранжированием.

Перцентильная (процентная) шкала. В ее создании лежит следующая операция – каждый испытуемый получает за свой результат столько очков, сколько процентов соперников он опередил. Эта шкала наиболее пригодна для оценки больших групп людей. Рассчитывают какое количество результатов укладывается в один перцентиль (процент) или сколько процентов приходится на одного человека. Данная шкала внешне напоминает сигмовидную – наибольшие изменения приходятся на середину диапазона.

Шкала ГЦОЛИФКа применяется для оценки результатов тестирования одного и того же спортсмена в различные периоды цикла или этапа подготовки: n = (лучший результат – оцениваемый результат / лучший результат – худший результат) х 100 (баллов). В данном случае результат теста рассматривается не как отвлеченная величина, а в связи с лучшим и худшим результатами.

Оценка комплекса тестов. Может выполняться с использованием регрессионного анализа. Уравнение типа У= а +b1x1 +b2x2 +…+bnxn позволяет определить результат в соревновательном упражнении (У) по результатам тестов (х1, х2, …). Но надо иметь ввиду, что тесты должны быть неравнозначными. Важность (весомость) теста можно определить тремя способами. 1. Экспертная оценка – для важного теста вводится повышающий коэффициент. 2. Коэффициенты устанавливаются на основе факторного анализа. 3. Количественной мерой весомости теста может быть коэффициент парной корреляции с результатом в соревновательном упражнении. Это способы получения «взвешенной» оценки тестирования.

Второй вариант оценки комплексного контроля – построение «профиля» спортсмена – то есть графическое изображение результатов оценивания в отдельных тестах батареи. График наглядно показывает сильные и слабые стороны подготовленности.

Таблицы очков. В них максимальное количество очков (1000-1200) дается за результат, превышающий мировой рекорд, а результат новички оценивается в 100 очков. Далее идет какая-то из основных шкал. Выбор чисто субъективен. Трудно сравнивать различные виды спорта. Но эти шкалы нужны для определения хода командных соревнований и их результатов, а не уровня развития того или иного признака.

Таким образом, биомеханический контроль (с точки зрения метрологии) состоит из нескольких этапов.

Определение цели тестирования исходя из существования трех разновидностей (оперативный, текущий, этапный) и трех направлений контроля (соревновательной деятельности, тренировочной деятельности, уровня подготовленности).

 

I.Выбор теста (тестов) – определение его (их) надежности, информативности, а также стабильности, эквивалентности и согласованности на основе изучения научно-методической литературы или с использованием методов математической статистики. Определение процедуры тестирования. Выбор аппаратуры. Определение систематической погрешности измерений.

II.Тестирование (измерение) – регистрация биомеханических процессов в ходе двигательной деятельности с использованием инструментальных методов. Борьба со случайными погрешностями.

III.Обработка результатов тестирования с использованием соответствующих методов математической статистики в зависимости оттого, что измерялось (параметры или переменные). Выявление погрешностей, борьба с ними.

IV.Представление результатов исследования в текстовой, табличной или графической форме.

V.Выбор шкалы для оценивания результатов тестирования (пропорциональная, прогрессирующая, регрессирующая, S-образная, Т-шкала, перцентильная, ГЦОЛИФКа и др.).

VI.Оценивание результатов тестирования.

 

Литература.

1. Годик М.А. Спортивная метрология: учебник для ИФК. – М.: Физкультура и спорт, 1988. С. 10-44.

2. 2. Практикум по биомеханике: Пособие для ин-тов физ. культ /Под общ. ред. к.б.н. И.М. Козлова. – М.: Физкультура и спорт, 1980. – С. 65-75.

3. Уткин В.А. Биомеханика физических упражнений: Учеб. пособие для факультетов физвоспитания. – М.: Просвещение, 1989. – С. 33-56.

 

 

 

 

Оформить заказ оригинальной работы

Поля со знаком (*) обязательны для заполнения.
Имя (*)
Заполните корректно поле
Страна (*)
Заполните корректно поле
Город (*)
Заполните корректно поле
Телефон
Неверный Ввод
E-mail (*)
Некорректный адрес
Сообщение
Неверный Ввод
Когда с Вами лучше связаться? (*)
Введите дату
Отправить заказ