тело отсчета в биомеханике что такое

Лекция №2. Биомеханические характеристики тела человека и его движений

Исследуя движения человека, измеряют:

1.количественные показатели механического состояния тела

2.двигательной функции тела

3.характер самих движений.

Регистрируют биомеханические характеристики тела: размеры, пропорции, распределение масс, подвижность в суставах и др., движений всего тела и его частей (звеньев).

Биомеханические характеристики — это меры механического состояния биосистемы и его изменения (поведения).

Количественные характеристики измеряются, или вычисляются; они имеют численное значение и выражают связи одной меры с другой (скорость — пример связи пройденного пути со временем, затраченным на него). Изучая количественные характеристики, дают определение (что это такое) и устанавливают способ измерения (чем измеряется).

Качественные характеристики описываются обычно словесно, без точной количественной меры (например, напряженно, свободно, плавно, рывком).

Кинематика движений человека определяет геометрию (пространственную форму) движений и их изменения во времени (характер) без учета масс и действующих сил. Она дает в целом только внешнюю картину движений. Причины же возникновения и изменения движений (их механизм) раскрывает уже динамика.

Кинематические характеристики тела человека и его движений — это меры положения и движения человека в пространстве и во времени: пространственные, временные и пространственно-временные.

Кинематические характеристики дают возможность сравнивать размеры тела и его звеньев, а также кинематические особенности движений у разных спортсменов. От учета этих характеристик во многом зависит индивидуализация техники спортсменов, поиск оптимальных именно для них особенностей движений.

Системы отсчета расстояния и времени

Движения человека и спортивных снарядов можно измерить только сравнивая их положения с положением выбранного для сравнения тела (тело отсчета), т. е. все движения рассматриваются как относительные.

Система отсчета (расстояния) — условно выбранное твердое тело, по отношению к которому определяют положение других тел в разные моменты времени.

В мире не существует абсолютно неподвижных тел, все тела движутся. Но одни из них движутся так, что изменения их скорости (ускорения) несущественны для решения данной задачи и ими можно пренебречь, — это инерциальные системы отсчета. Такие тела — Земля и тела, связанные с нею неподвижно (дорожка, лыжня, гимнастический снаряд). В подобной системе покоящиеся тела не испытывают действия сил; значит, в ней ни одно движение не начинается без действия силы.

С телом отсчета связывают начало и направление измерения расстояния и устанавливают единицы отсчета. Для точного определения спортивного результата правила соревнований предусматривают, по какой точке (пункт отсчета) ведется отсчет (по уровню лыжных креплений, по выступающей точке грудной клетки спринтера, по заднему краю следа приземляющегося прыгуна и т. п.).

Движущееся тело рассматривают либо как материальную точку, положение которой определяют, либо на нем выделяют пункты отсчета (определенная точка на теле человека). В случае вращательного движения выбирают линию отсчета. Для описания (задания)

движения применяют естественный, векторный и координатный способы.

При естественном способе положение точки — дуговую координату л — отсчитывают от начала отсчета 0, выбранного на заранее известной траектории (рис. I, а). При векторном способе положения точки определяют радиус-вектором г (рис. 1, б), проведенным из центра 0 данной системы координат к интересующей точке (А).

Система отсчета расстояний:

а — естественная, 6 — векторная, в и г — прямоугольных координат: в — на плоскости, г — В пространстве

Устанавливают единицы измерения расстояния — линейные и угловые. В международной системе единиц (СИ) принята основная.

Системы отсчета времени

В систему отсчета времени входят определенное начало и единицы отсчета.

За начало отсчета времени принимают: а) полночь — во всех учреждениях, на транспорте, на предприятиях связи и т. п.; б) полночь и полдень — в обычных житейских условиях и в) судейское время («секундомеры на ноль») — в условиях соревнований. В биомеханике за начало отсчета времени обычно принимается либо момент начала всего движения или его части, либо момент начала наблюдения за движением. В течение одного наблюдения пользуются только одной системой отсчета времени.

За единицу отсчета времени принимают секунду (с; 60с=1 мин; 60 мин = 1 час), а также доли секунды — десятая, сотая, тысячная (миллисекунда). Направление течения времени в действительности — от прошлого к будущему. Исследуя движение, можно отсчитывать время и в обратном направлении — к прошлому (за 0,02 с до удара; 0,05 с до отрыва ноги от опоры и т. д.).

Пространственные характеристики позволяют определять положения, например исходное для движения и конечное (по координатам), и движения (по траекториям).

Движения человека можно изучать рассматривая его тело (в зависимости от поставленных задач) как материальную точку, как одно твердое тело или как систему тел.

Тело человека приравнивают к твердому телу, когда можно не принимать во внимание взаимные перемещения его звеньев и деформации тканей, когда важно учитывать лишь его размеры, расположение в пространстве и ориентацию (в частности, при изучении условий равновесия, вращения тела в постоянной позе).

Тело человека изучают как систему тел, когда важны еще

и особенности движений звеньев тела, влияющие на выполнение двигательного действия.

Поэтому, определяя основные пространственные характеристики движений человека (координаты и траектории), заранее уточняют, к какому материальному объекту (точке, телу, системе тел) приравнивают в данном случае тело человека.

Координаты точки, тела и системы тел

Координаты точки — это пространственная мера местоположения точки относительно системы отсчета. Местоположение точки определяют измеряя, например, ее линейные координаты ух, л-_у, г₂; формула размерности’ : [л]= Ь.

По координатам определяют, где находится изучаемая точка (например, пункт отсчета на теле человека) относительно начала отсчета. Как известно, положение точки на линии определяет одна координата, на плоскости — две, в пространстве — три координаты. Положение твердого тела в пространстве можно определить по координатам трех его точек (не лежащих на одной прямой). Можно также определить местоположение одной из точек тела (по ее линейным координатам) и ориентацию тела относительно системы отсчета (по угловым координатам).

Изучая движение, нужно определить: 1) исходное положение, из оторого движение начинается 2 ; 2) конечное положение, в котором вижение заканчивается; 3) ряд мгновенных (непрерывно сменяющихся) ромежуточных положений, которые принимает тело при движении.

Кинокадры какого-либо упражнения показывают как раз такие положения. В механике описать движение (найти закон движения) — значит определить положение любой точки системы в любой момент времени. Иначе говоря, определить в любой момент времени координаты пунктов или линий отсчета, отмеченных на теле, по которым изучают его движение в пространстве.

Траектория точки — это пространственная характеристика движения: геометрическое место положений движущейся точки в рассматриваемой системе отсчета. На траектории определяют ее длину, кривизну и ориентацию в пространстве, а также перемещение точки.

Траектория — это непрерывная линия, воображаемый след движущейся точки 1 : она дает пространственный рисунок движения точки (рис. 3). Расстояние по траектории показывает, каков путь точки 2 : [1] = Ь-

В прямолинейном движении (направление его не изменяется) (рис. 4) путь точки при движении в одну сторону равен расстоянию от начального положения до конечного. В криволинейном движении (направление его изменяется) путь точки равен расстоянию по траектории в направлении движения от начального положения до конечного.

Кривизна траектории (к) показывает, какова форма движения точки в пространстве. Чтобы определить кривизну траектории, измеряют радиус кривизны (К). Кривизна — величина, обратная радиусу:

Если траектория является дугой окружности, то ее радиус кривизны постоянный. С увеличением кривизны ее радиус уменьшается, и наоборот, с уменьшением — увеличивается.

Ориентация траектории в пространстве при одной и той же ее форме может быть разная. Ориентацию для прямолинейной траектории определяют по координатам точек начального и конечного положений; для криволинейной траектории — по координатам этих двух точек и третьей точки, не лежащей с ними на одной прямой линии.

Перемещение точки показывает, в каком направлении и на какое расстояние сместилась точка. Перемещение (линейное) находят по разности координат точки в моменты начала и окончания движения (в одной итой же системе отсчета оасстояния):

Перемещение определяет размах и направление движения. В случае, когда в результате движения точка вернулась в исходное положение,

перемещение, естественно, равно нулю. Перемещение — это не само движение, а лишь его окончательный результат, расстояние по прямой и ее направление от начального до конечного положения.

Рассматривают элементарное перемещение (ей) точки — из данного положения в положение, бесконечно близкое к нему. Геометрическая сумма элементарных перемещений равна конечному перемещению из начального положения в конечное. На криволинейной траектории элементарное перемещение считают равным пути.

Перемещение тела при поступательном и вращательном движении измеряется различно. Перемещение тела линейное (в поступательном его движении) можно определить по линейному перемещению любой его точки. Ведь в поступательном движении прямая, соединяющая две любые точки тела, перемещаясь (прямолинейно либо криволинейно), остается параллельной своему начальному положению. Все точки тела движутся одинаково: по подобным траекториям, с одинаковыми скоростями и ускорениями. Достаточно из координаты конечного положения любой точки тела вычесть соответствующую координату ее начального положения, чтобы определить перемещение всего тела.

Перемещение тела угловое (во вращательном его движении) определяют по углу поворота. При вращательном движении тела в нем имеется линия, все точки которой остаются во время всего движения неподвижными (лежат на оси). Остальные же точки тела движутся по дугам окружностей, центры которых лежат на этой неподвижной линии — оси вращения (рис. 4, в). Рассматривают также элементарное угловое перемещение (с/ф) тела из данного углового положения в положение, бесконечно близкое к нему.

Перемещение системы тел (биомеханической системы), изменяющей свою конфигурацию, определить намного сложнее. В самых упрощенных случаях движение ее рассматривают как движение одной материальной точки — обычно общего центра масс (ОЦМ). Тогда можно проследить за перемещением всего тела человека «в целом», оценить в известной мере общий результат его двигательной деятельности. Но останется неизвестным, в результате каких именно движений достигнуто перемещение ОЦМ. Иногда перемещение тела человека представляют в виде перемещения условно связанной с ним линии (линия отсчета).

Изучение движений звеньев тела человека позволяет более подробно рассмотреть перемещение его тела. В некоторых случаях несколько подвижных частей (например, все кости стопы, кисти или предплечья, даже туловища) рассматриваются как одно звено — тогда уже можно в общих чертах уловить особенности движений, хотя взаимное движение многих звеньев не учитывается и их деформациями пренебрегают. Однако получить полную картину перемещений всех основных элементов тела (включая и внутренние органы, и жидкие ткани) при существующих методах исследования пока еще невозможно. В любом научном исследовании приходится прибегать к более или менее значительному упрощению.

В машинах, характеризующихся определенностью движений, имеется вполне определенный закон движений. В биомеханических системах, характеризующихся неопределенностью движений в сочленениях, стараются добиваться требуемой определенности, но возможности найти закон движения всех звеньев тела в целом очень невелики. Они несколько больше в видах спорта, где техническое мастерство проявляется (и в значительной мере) именно в точном воспроизведении заранее заданных, детально определенных движений (например, в гимнастике, фигурном катании на коньках).

Временные характеристики раскрывают движение во времени: когда оно началось и закончилось (момент времени), как долго длилось (длительность движения), как часто выполнялось движение (темп), как они были построены во времени (ритм). Вместе с пространственно-временными характеристиками они определяют характер движений человека.

Определяя, где была точка в пространстве, необходимо определить, когда она там была.

Момент времени — это временная мера положения точки тела и системы. Момент времени (г) определяют промежутком времени до него от начала отсчета..

Момент времени определяют не только для начала и окончания движения, но и для других важных мгновенных положений. В первую очередь это моменты существенного изменения движения: заканчивается одна часть (фаза) движения и начинается следующая (например, отрыв стопы от опоры в беге — это момент окончания фазы отталкивания и начала фазы полета). По моментам времени определяют длительность движения.

Длительность движения — это его временная мера, которая измеряется разностью моментов времени окончания и начала движения:

Длительность движения представляет собой промежуток времени между двумя ограничивающими его моментами времени. Сами моменты (как границы между двумя смежными промежутками времени) длительности не имеют. Ясно, что, измеряя длительность, пользуются одной и той же системой отсчета времени. Узнав расстояние, пройденное точкой, и длительность ее движения, можно определить ее скорость. Зная длительность движений, определяют также их темп и ритм.

В повторных движениях одинаковой длительности темп характеризует их протекание во времени.

Темп движений‘ — это временная мера их повторности. Он измеряется количеством движений, повторяющихся в единицу времени (частота движений):

Темп — величина, обратная длительности движений. Чем больше длительность каждого движения, тем меньше темп, и наоборот. В повторяющихся (циклических) движениях темп может служить показателем совершенства техники. Например, частота движений у лыжников, пловцов, гребцов высокой квалификации (при более высокой скорости передвижения) больше, чем у менее подготовленных. Известно, что с утомлением темп движений изменяется: он может повышаться (например, при укорочении шагов в беге) или понижаться (например, при неспособности поддерживать его в лыжном ходе).

Ритм движений (временной) — это временная мера соотношения частей движений. Он определяется по соотношению длительности частей движения:

Ритм движений характеризует, например, отношение времени опоры к времени полета в беге или времени амортизации (сгибания колена) к времени отталкивания (выпрямления ноги) при опоре. Примером соотношения длительности и частей движения может служить ритм скользящего шага на лыжах (соотношение длительности пяти фаз шага). С изменением темпа шагов изменяется и их ритм (рис. 5). Кроме временных можно определить еще пространственные показатели ритма (например, отношение длины выпада в шаге на лыжах к длине скольжения).

Чтобы определить ритм (временной), выделяют фазы, которые различаются по задаче движения, по его направлению, скорости, ускорению и другим характеристикам. Ритм отражает прилагаемые усилия, зависит от их величины, времени приложения и других особенностей движений. Поэтому по ритму движений можно в известной мере судить об их совершенстве. В ритме особенно важны акценты — большие усилия и ускорения — их размещение во времени. При овладении упражнениями иногда лучше сначала задать ритм, чем подробно описывать детали движений; это помогает быстрее понять особенности изучаемого упражнения, его построение во времени.

В каждом движении есть различающиеся части, например подготовительные и исполнительные (основные) движения, разгон и торможение. Значит, ритм можно определить в каждом упражнении. Так называемые «неритмичные» движения — это не вообще лишенные рит-

ма движения, а движения с отклонениями от заданного рационального ритма. Иначе говоря, неритмичные движения — это движения без определенного постоянного ритма или с неправильным, нерациональным ритмом.

По пространственно-временным характеристикам определяют, как изменяются положения и движения человека во времени, как быстро человек изменяет свои положения (скорость) и движения (ускорение).

Скорость точки и тела

Скорость точки — это пространственно-временная мера движения точки (быстроты изменения ее положения). Скорость равна первой производной по времени от расстояния в рассматриваемой системе отсчета:

Скорость точки определяется по изменению ее координат во времени. Скорость — величина векторная, она характеризует быстроту движения и его направление. Так как скорость движений человека чаще всего не постоянная, а переменная (движение неравномерное и криволинейное), для разбора упражнений определяют мгновенные скорости.

Мгновенная скорость — это скорость в данный момент времени или в данной точке траектории, как бы скорость равномерного движения на очень малом участке траектории около данной точки траектории. Мгновенную скорость можно себе представить как такую, которую сохранило бы тело с того момента, когда все силы перестали на него действовать. Средняя же скорость — это такая скорость, с которой точка в равномерном движении за то же время прошла бы весь рассматриваемый путь. Средняя скорость позволяет сравнивать неравномерные движения.

Скорость точки (линейная) в прямолинейном движении направлена по траектории, в криволинейном — по касательной к траектории в каждой рассматриваемой ее точке.

Скорость тела определяют по скорости его точек. При поступательном движении тела линейные скорости всех его точек одинаковы по величине и направлению. При вращательном движении определяют угловую скорость тела как меру быстроты изменения его углового положения. Она равна по величине первой производной по времени от углового перемещения:

Чем больше расстояние от точки тела до оси вращения (т. е. чем больше радиус), тем больше линейная скорость точки. Скорость вращательного движения твердого тела (в радианах) равна отношению линейной скорости каждой точки к ее радиусу (при постоянной оси вращения). Угловая скорость (со) для всех точек тела, кроме лежащих на оси, одинакова:

Значит, линейная скорость любой точки вращающегося тела, не лежащей на оси, равна его угловой скорости, умноженной на радиус вращения этой точки (расстояние от нее до оси вращения). Скорости сложного движения твердого тела можно определить по линейной скорости любого полюса и угловой скорости вращения тела относительно этого полюса (например, вокруг оси, проходящей через центр масс — ЦМ).

Скорость системы тел, изменяющей свою конфигурацию, нельзя определить таким же образом, как угловую скорость твердого тела. В этом случае определяют линейную скорость ОЦМ системы. Часто определяют линейные скорости точек звеньев тела (проекций осей суставов на поверхность тела). Кроме того, при изменениях позы определяют угловые скорости звеньев тела относительно суставных осей; эти скорости обычно изменяются по ходу движедия. Для биомеханического обоснования техники нужно в каждом случае выбрать, какие скорости каких звеньев и точек следует определить.

1 Надо всегда указывать, скорость какого объекта определяется (например, скорость бегуна), а не «скорость движения».

Ускорение точки и тела

Ускорение точки — это пространственно-временная мера изменения движения точки (быстрота изменения движения — по величине и направлению скорости). Ускорение точки равно первой производной по времени от скорости этой точки в рассматриваемой системе отсчета:

Касательное ускорение будет положительным, когда скорость точки увеличивается, и отрицательным, когда она уменьшается. Если касательное ускорение равно нулю, то скорость по величине постоянная. Если нормальное ускорение равно нулю, то направление скорости постоянное.

Угловое ускорение тела определяется как мера быстроты изменения его угловой скорости. Оно равно первой производной по времени от угловой скорости тела:

Ускорение системытел* изменяющей свою конфигурацию, определяется еще сложнее, чем скорость. Ускорение служит хорошим показателем качества приложенных усилий (рис. 6).

‘ Среднее ускорение за время движения, особенно в тех случаях, когда оно меняет знак, обычно не определяют, поскольку оно не характеризует достаточно подробности (детали) движения.

Все движения человека и движимых им тел под действием сил изменяются по величине и направлению скорости. Чтобы раскрыть механизм движений (причины их возникновения и ход их изменений), исследуют динамические характеристики. К ним относятся инерционные характеристики (особенности тела человека и движимых им тел), силовые (особенности взаимодействия звеньев тела и других тел) и энергетические (состояния и изменения работоспособности биомеханических систем).

Свойство инертности тел раскрывается в первом законе Ньютона: «Всякое тело сохраняет свое состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока внешние приложенные силы не изменят это состояние». Иначе говоря, всякое тело сохраняет скорость, пока ее не изменят силы.

Понятие об инертности

Инертность — свойство физических тел, проявляющееся в постепенном изменении скорости с течением времени под действием сил.

Сохранение скорости неизменной (движение как бы по инерции) в реальных условиях возможно только тогда, когда все внешние силы, приложенные к телу, взаимно уравновешены. В остальных случаях неуравновешенные внешние силы изменяют скорость тела в соответствии с мерой его инертности.

Масса тела — это мера инертности тела при поступательном движении. Она измеряется отношением величины приложенной силы к вызываемому ею ускорении.:

Измерение массы тела здесь основано на втором законе Ньютона: «Изменение движения прямо пропорционально извне действующей силе и происходит по тому направлению, по которому эта сила приложена».

В абсолютно твердом теле имеются три точки, положения которых совпадают: центр масс, центр инерции и центр тяжести. Однако это совершенно различные понятия. В ЦМ пересекаются направления сил, любая из которых вызывает поступательное движение тела. Материальные точки, имеющие массы, расположены равномерно относительно линии действия таких сил, и поэтому вращательного движения не возникает. Следует учитывать, что если материальные точки тела, обладающие массами, отдалять от этой линии в противоположные стороны на равные расстояния, то положение центра масс от этого не изменится. Следовательно, понятие «центр масс» не полностью отражает распределение материальных точек в теле. Понятия о центре инерции (как точке приложения равнодействующей всех фиктивных сил инерции) и центре тяжести (как точке приложения равнодействующей всех сил тяжести) будут рассмотрены позже.

Момент инерции тела

Момент инерции тела — это мера инертности тела при вращательном движении. Момент инерции тела относительно оси равен сумме произведений масс всех материальных точек тела на квадраты их расстояний.

В деформирующейся системе тел, когда ее части отдаляются от оси вращения, момент инерции системы увеличивается. Инерционное сопротивление увеличивается с отдалением частей тела от оси вращения пропорционально квадрату расстояния. Поскольку материальные точки в теле расположены на разных расстояниях от оси вращения, для ряда задач удобно вводить понятие «радиус инерции».

Радиус инерции тела — это сравнительная мера инертности данного тела относительно его разных осей. Он измеряется корнем квадратным из отношения момента инерции (относительно данной оси) к массе тела:

‘ Масса, измеренная таким образом, называется инертной, измеренная путем взвешивания — тяжелой. Они количественно равны одна другой и отличаются только способами их определения.

2 Так как масса тела не само вещество, а его свойство, то, строго говоря, она не перемещается и не распределяется; перемещаются тела, обладающие массой; распределяются частицы (материальные точки) тела, обладающие массой.

Найдя опытным путем момент инерции тела, можно рассчитать радиус инерции, величина которого характеризует распределение материальных точек в теле относительно данной оси. Если мысленно расположить все материальные точки тела на одинаковых расстояниях от оси, получится полый цилиндр. Радиус такого цилиндра, момент инерции которого равен моменту инерции изучаемого тела, равен радиусу инерции. Он позволяет сравнивать различные распределения масс тела относительно разных осей вращения. Это удобно, когда рассматривают инертность одного тела относительно разных осей.

Знать о моменте инерции очень важно для понимания движения, хотя точное количественное определение этой величины в конкретных случаях нередко затруднено.

Известно, что движение тела может происходить как под действием приложенной к нему движущей силы, так и без движущей силы (по инерции), когда приложена только тормозящая сила. Движущие силы приложены не всегда; без тормозящих же сил движения не бывает.

Источник