background:#336699;

index

 

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ БИОМЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК  ПО ФОТОКИНОМАТЕРИАЛАМ

 

По материалам фото-, кино-, видеосъемки, проведенной с соблюдением технических требований к ее организации /7, 10/, можно определить ряд биомеханических характеристик, необходимых для количественного анализа спортивной техники.

Обычная фотография или кадр кинопленки является документом для определения в плоскости съемки: геометрии масс тела, моментов силы тяжести и моментов инерции биомеханической системы, ориентации осей тела, суставных углов, механических критериев устойчивости тела, условий функционирования скелетной и дыхательной мускулатуры /7/.

Анализ серии поз заключается в прослеживании изменения этих же характеристик во времени. Таким образом определяются законы движения выбранных точек и всего тела, изменения позы; управляющие силы и моменты сил.


Подготовка кадра для биомеханического анализа состоит в следующем. При построении 14-звенной схемы тела (рис.3.1) на изображении отмечают опорные точки тела – центры тяжести головы и кистей рук, центры суставов. Затем прорисовывают продольные оси звеньев тела. Независимо от анализируемой позы осью туловища является прямая, соединяющая середины осей плеч и таза.

 

image020

 

Рис. 3.1. 14-звенная схема
 тела человека.
Обозначения. Центры тяжести:
gс – головы, gm – кисти.
 Центры суставов:
b – плечевого,
а – локтевого,
m – лучезапястного,
f – тазобедренного,
s – коленного,
p – голеностопного.
d – кончик большого
пальца стопы. 

 

В биомеханических исследованиях могут использоваться и более подробные модели тела человека, например, при определении программы позы – см. 3.3. Но для прикладного биомеханического анализа изображений наиболее удобно использовать 14-звенную схему тела человека /15/.

Корректный биомеханический анализ изображения возможен, если известен его масштаб. Масштаб можно приблизительно определить, сравнив известные размеры объекта (L) с их размерами на изображении (l):

M = l/ L                                                          (3.1)

 

При анализе кинограммы также необходимо знать частоту киносъемки (γ) для определения длительности движения:

 

t = β/ γ,                                                         (3.2)

где β - число интервалов между анализируемыми кадрами (разность их порядковых номеров).

Кроме того, сама кинограмма должна нести информацию о пространственных перемещениях объекта исследования или иметь неподвижные ориентиры в каждом кадре.

Только при выполнении всех этих условий можно построить промер (киноциклограмму) – пространственно-временную диаграмму движения, выполненную в определенном масштабе в виде пригодном для измерений. Для научного анализа используют промеры, выполненные в масштабе 1:4, 1:5. Для учебных целей годятся промеры, выполненные в масштабе 1:10, 1:15, 1:20.

Биомеханический анализ фотокиноматериалов базируется на использовании статистических данных о геометрии масс тела. Эти данные могут быть представлены в виде таблиц, характеризующих линейную связь между весом сегментов тела и весом всего тела человека; между длиной сегментов и положением их центров тяжести Существуют также уравнения множественной линейной регрессии, описывающие связь масс сегментов тела с массой и длиной тела человека – см. прилож. 1 и 2. Во всех случаях получаются весьма сходные результаты. Поэтому выбор способа расчета показателей геометрии масс тела человека зависит лишь от возможностей вычислительной техники, имеющейся в распоряжении исследователя.

Следует помнить, что при анализе кинограмм, снятых с частотой 24 к/с в обычных условиях, трудно получить достоверную информацию о локализации и перемещениях точек тела и, тем более, о динамических характеристиках движений. Для сравнения, кинометод (с применением прецизионной высокоскоростной кинокамеры с точностью протяжки ±1 кадр, частотой киносъемки 500 к/с и компьютеризированного анализатора) в специально организованных условиях дает абсолютные погрешности измерения перемещений 0,005 м, скоростей 0,1 м/с, ускорений 6 м/с2 /10/.

В биомеханике хорошо разработано направление изучения движений с точки зрения механики управляемого тела. В биомеханике спорта этот подход получил название «определение программы положения тела в физическом упражнении» (В.Т. Назаров, 1984) – см. рис. 1.2. Из рисунка следует, что положение тела спортсмена в пространстве характеризуется координатами ОЦТ тела, ориентацией собственных осей тела, позой. Следует отметить, что далеко не каждое исследование физического упражнения требует установления полной программы положения тела. Кроме того, существуют и другие способы исследования движений, например, представление фазового состава упражнений в наглядном виде – построение хронограммы или построение кинематических графиков для изучения передачи количества движения в бросках и др.

 

3.1. Определение программы места

 

Программа места – требования к перемещению всего тела в физическом упражнении. Знание ее позволяет определить положение ОЦТ тела в пространстве в любой момент времени. Программу места можно определить эмпирически и представить в виде графика «путь – время», уравнения, описывающего данный график, таблиц скоростей и ускорений.

ОЦТ тела – воображаемая точка, к которой приложены равнодействующие сил тяжести всех звеньев (сегментов) тела. Положение ОЦТ тела может быть определено не только экспериментально, но и аналитически – с использованием теоремы Вариньона: сумма моментов сил, действующих на тело относительно какой-либо оси, равна моменту суммы этих сил относительно данной оси. Отсюда следует, что:

 

 

Х = Σрх/ Р

Y = Σрy/ Р,                                        (3.1.1)

 

где Х и Y – координаты ОЦТ тела, р – вес сегмента тела, х и y – координаты центра тяжести данного сегмента, Р – вес тела..

Таким образом, определение положения ОЦТ тела человека сводится к определению массы каждого звена тела, определению положения центра тяжести каждого звена на его оси, определению координат центров тяжести звеньев тела и, наконец, выполнению стандартных расчетов.

Существует также графоаналитический способ определения положения ОЦТ тела. Он основан на использовании условия равновесия рычага - плечи сил (d) обратно пропорциональны приложенным силам (F):

F1.d1F2.d2 = 0

Этот способ менее точный, но он не требует выполнения большого количества расчетов.

Скорость точки показывает, как быстро изменяется ее положение в пространстве. Например, для горизонтального перемещения:

 

Vх = х2 – х1 / t2t1 = Sх / Δt,                             (3.1.2)

где х – координаты точки, t – моменты времени, Sх – линейное перемещение точки, Δt – его длительность.

Ускорение точки показывает, как быстро изменяется ее скорость:

 

а = V2V1 / t2t1 = ΔS / Δ2t,                           (3.1.3)

где ΔS - разность линейных перемещений.

Точность определения скоростей и ускорений тем выше, чем меньше анализируемые перемещения.

При работе с промером для определения истинных величин пространственных характеристик (размеров, перемещений) результат измерения (мм) умножают на число, обратное масштабу промера (α ) и делят на 1000 для перевода миллиметров в метры. Временные характеристики при этом определяются по формуле 3.2. Следовательно, выражения 3.1.2 и 3.1.3 могут иметь вид:

 

V = (γ·α/β·1000)·S                                                      (3.1.4)

а = (γ2·α/β2·1000)·ΔS                                      (3.1.5)

 

Перемещения, скорости, ускорения, силы и некоторые другие механические характеристики могут быть представлены в виде векторов. Векторы характеризуются величиной (модулем), направлением и точкой приложения. Вектор скорости совпадает по направлению с вектором перемещения, вектор силы – с вектором ускорения.

 

 

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